我国自主研发显微光谱技术取得重大突破 为三星堆象牙保护提供科学支撑

问题——三星堆出土象牙历经三千余年埋藏,是研究古蜀文明的重要实物证据,但“外形尚存、内里脆弱”成为保护修复的突出难题。

长期处于地下水浸润、可溶盐迁移与微生物作用等环境中,象牙内部结构易出现脱矿、晶格畸变和有机相衰减等变化,腐蚀往往呈现空间分布不均。

如何在不取样、不破坏的前提下,获得成分与微结构的精细信息,直接关系到后续加固、清理、封护等方案的科学性与有效性。

原因——传统拉曼光谱因具备“分子指纹”识别能力和微米级空间分辨率,被视为研究象牙微观变化的理想手段,但在文物样品上常遭遇强荧光背景掩盖:荧光信号强、持续时间长,容易淹没相对微弱、寿命极短的拉曼信号。

特别是某些埋藏环境导致的有机残留、污染物或矿物杂质,会显著提升荧光水平,使连续光拉曼难以获得稳定有效谱图。

与此同时,时间分辨要求苛刻、核心探测器等部件长期依赖进口,也制约了相关技术在文博领域的广泛应用与成本控制。

影响——针对上述瓶颈,空天院广州园区研究员王振友团队通过关键硬件与算法协同创新,研制出显微时间门控拉曼光谱仪:利用拉曼与荧光在时间尺度上的差异,在拉曼信号到达的极短窗口内开启探测,从源头抑制荧光背景,实现“在强荧光中看清拉曼”。

研究团队对三星堆出土的四块象牙碎片开展无损检测发现,不同碎片荧光强度差异明显,部分样品在常规条件下几乎难以获得可用信号,而采用时间门控后,荧光干扰得到有效压制,强荧光样品的拉曼信噪比提升超过20倍,象牙内部成分差异与微观变化得以清晰呈现。

进一步分析表明,不同埋藏环境下象牙在有机质含量、骨架结晶性、腐蚀程度等方面存在显著差异;金属离子侵入以及硫酸根等非金属离子对羟基磷灰石的取代,是造成深度老化的重要机制之一,个别样品还呈现可能与焚烧等外力扰动相关的特征。

这些结果为解释象牙的劣化速度、脆弱部位与风险等级提供了可量化的分子层面证据。

对策——文物保护强调“最小干预、可逆优先、过程可评估”。

在此框架下,时间门控拉曼的价值不仅在于获得谱图,更在于为“分区诊断—分级处置—效果监测”提供工具支撑:一是面向高荧光、强污染或复杂埋藏遗存,提升无损检测可用性,减少因取样带来的不可逆损害;二是以微米级分辨率识别离子侵入、盐害分布、有机残留衰减等关键指标,支撑加固材料选择、脱盐方式评估与修复工艺参数优化;三是推进核心部件国产化与成本下降,为更多文博机构开展常态化检测创造条件,使科研装备更好服务一线保护需求。

前景——从方法学看,该技术并非局限于象牙材料。

强荧光一直是古代有机—无机复合文物分析中的共性难题,时间门控思路为多类样品提供了可复制路径。

其在木质、纺织、漆器、壁画颜料以及受污染的材料样品等方向具备拓展空间,也可与多模态成像、元素分析等手段形成互补,提高对埋藏环境与人为扰动的综合判读能力。

相关成果已发表于国际期刊,并在国际学术会议上获得关注,显示出与国际考古科学与光谱研究领域进一步合作交流的潜力。

随着仪器性能持续优化、标准化测试体系逐步建立,以及与文物保护流程更深度耦合,这一技术有望推动文物科学从“经验修复”向“证据修复”进一步转型。

从核心器件依赖进口到完全自主可控,从技术瓶颈到国际领先,时间门控拉曼光谱仪的成功研制,不仅为三星堆象牙保护提供了科学利器,更彰显了我国在高端科学仪器研发领域的创新实力。

这一成果启示我们,只有掌握关键核心技术,才能在文化遗产保护这一关乎民族记忆传承的事业中赢得主动。

随着该技术的推广应用,将有更多沉睡千年的文物得以科学解读,让中华文明的辉煌历程在现代科技的助力下焕发新的光彩。