我国自主研发时间门控拉曼光谱技术突破考古难题 为三星堆象牙保护提供科学支撑

三星堆出土象牙历经三千余年埋藏,是认识古蜀文明礼制活动、资源来源与埋藏环境的重要实物。

然而,象牙表面往往仍可保持基本形态,内部却可能因长期地质作用而出现结构疏松、孔隙增多、强度下降等“隐性损伤”。

对这类珍贵遗存开展保护修复,首要难题在于:既要避免取样破坏,又要在微米尺度上获取成分与微结构信息,准确锁定劣化位置与程度,为加固、脱盐、环境控制等措施提供依据。

造成象牙“外完内脆”的原因具有复合性。

一方面,地下水携带的可溶盐反复迁移与结晶,容易在微孔隙中产生应力并推动裂隙发展;另一方面,埋藏环境中金属离子、硫酸根等活性离子可与象牙无机骨架发生交换或替代反应,改变矿物相与结晶状态;同时,微生物作用与有机组分缓慢流失也会削弱骨架与胶结结构。

多因素叠加,使不同坑位、不同层位乃至同一遗存不同部位的腐蚀分布呈现显著不均,传统的宏观观察和常规检测往往难以给出可靠的“病因学”判断。

围绕这一痛点,中国科学院空天信息创新研究院广州园区王振友研究团队研制显微时间门控拉曼光谱仪,并将其用于三星堆象牙碎片的无损研究。

拉曼光谱因能够提供分子结构信息、具备微米级空间分辨率而被视为文物微观研究的重要手段,但在象牙等材料中常遭遇强荧光干扰:荧光信号强、持续时间长,容易覆盖微弱的拉曼“分子指纹”。

时间门控的思路在于利用两类信号寿命差异,在极短时间窗口内开启探测,从而优先捕获瞬时拉曼信号并压制荧光背景。

该方法对时间分辨与探测器性能要求很高,长期以来也是限制其应用的关键门槛。

此次研究在硬件与算法层面实现协同突破:在强荧光样品条件下仍可有效抑制背景干扰,并推动核心部件国产化与成本下降。

原型机对四块三星堆象牙碎片的测试显示,样品荧光强度差异明显,其中部分样品在常规连续光拉曼条件下几乎难以获得有效谱图;而采用时间门控后,荧光干扰被显著削弱,强荧光样品的拉曼信噪比提升超过20倍,使象牙内部成分差异得以清晰呈现。

进一步分析表明,不同埋藏环境下象牙的有机质残留、骨架结晶性与腐蚀程度存在系统差别;金属离子侵入以及硫酸根等离子对羟基磷灰石结构位点的替代,与象牙深度老化密切相关;个别样品还呈现可能遭受焚烧等外界扰动的迹象。

这些结论为理解象牙在“水—盐—离子—微生物”共同作用下的劣化路径提供了可验证的分子证据。

从影响看,这一进展至少体现在三个层面。

其一,为文物保护从“经验修复”走向“精准治理”提供新工具:通过无损获取微区信息,保护单位可更有针对性地评估脱盐、加固与环境控制的优先序与强度,降低“一刀切”处理带来的二次风险。

其二,为三星堆埋藏环境研究提供新的观察窗口:离子迁移与矿物相变化记录了地下水化学与微环境差异,能够与地层信息、坑位分布、出土状态相互印证。

其三,推动相关高端仪器的自主供给能力提升:核心部件国产化与成本优化,有利于在更多文博机构和科研团队中形成可持续的应用链条。

面向对策层面,业内普遍认为,文物保护需要“发现—诊断—干预—评估”的闭环。

时间门控拉曼为“诊断”和“评估”补齐了关键环节:既能在不取样或少取样条件下定位高风险区域,也能为后续修复材料的适配性验证、处理前后对比评估提供量化依据。

结合X射线成像、显微形貌、盐类与微生物检测等手段,还可建立象牙劣化的多参数模型,形成更具可操作性的保护决策体系。

在前景方面,该技术的通用性被认为是重要优势。

强荧光背景广泛存在于多种文物与材料体系中,例如含有机质残留的骨器、漆器、染色纺织品以及部分矿物颜料等。

随着仪器稳定性提升与应用流程标准化,时间门控拉曼有望在考古现场评估、库房监测以及修复过程跟踪中发挥更大作用,并扩展至材料科学与环境研究等领域。

据悉,相关成果还将于国际学术会议进行交流,显示出其在国际考古科学与光谱研究领域的关注度持续上升。

科技创新与文化传承的深度融合,正在为中华文明的保护传承注入新的活力。

时间门控拉曼光谱技术的成功应用,不仅展现了我国在精密仪器研发领域的自主创新能力,更为世界文物保护事业贡献了中国智慧和中国方案。

随着技术的不断完善和推广应用,这一创新成果必将在守护人类文化遗产、传承历史文明方面发挥更加重要的作用。