Исследователи разработали неразрушающий метод спектрометрии для анализа хрупкой археологической слоновой кости

Команда исследователей под руководством профессора Ван Чжэнью из Института аэрокосмической информации Китайской академии наук (AIRCAS) разработала микроскопический Рамановский спектрометр с временным стробированием, способный проводить неразрушающий химический анализ хрупкой археологической слоновой кости в микрометровом масштабе, даже когда сильная флуоресценция обычно заглушает сигнал. Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Артефакты из слоновой кости, извлечённые из руин Саньсиндуй, возраст которых превышает 3000 лет, бесценны для понимания древней цивилизации Шу. Однако длительные условия захоронения, включая грунтовые воды, растворимые соли и микробную активность, могут серьёзно ослабить структуру кости изнутри, в то время как внешний вид остаётся нетронутым. Это делает неразрушающие инструменты анализа высокого разрешения необходимыми для усилий по сохранению и реставрации.

Преодоление проблем анализа

Рамановская спектроскопия, широко используемая для анализа молекулярного состава, в принципе хорошо подходит для этой задачи. Однако на практике археологические материалы часто производят сильную флуоресценцию при лазерном облучении, заглушая гораздо более слабые Рамановские сигналы и делая обычные измерения неэффективными.

Для решения этой проблемы исследовательская группа разработала метод Рамановской спектроскопии с временным стробированием, который разделяет сигналы Рамановского рассеяния и флуоресценции на основе их принципиально разных временных масштабов. Рамановские сигналы возникают мгновенно после лазерного возбуждения, тогда как флуоресценция длится гораздо дольше. Точная синхронизация сверхкороткого временного окна детектирования с Рамановским сигналом позволяет эффективно подавлять фоновую флуоресценцию и получать Рамановские спектры сильно флуоресцирующих материалов.

Результаты и значение

Тестирование нового прибора на четырёх фрагментах слоновой кости из Саньсиндуя показало, что в условиях обычной Рамановской спектроскопии два образца не дали полезной спектральной информации из-за флуоресценции. В то же время измерения с временным стробированием эффективно подавили помехи от флуоресценции и улучшили соотношение сигнал/шум более чем в 20 раз для сильно флуоресцирующих образцов, выявив чёткие внутренние различия в составе.

Анализ показал, что образцы кости из разных условий захоронения демонстрируют заметные различия в содержании органики, кристалличности минералов и степени коррозии. Результаты также указывают, что инфильтрация ионов металлов и замещение неметаллическими ионами (например, сульфатом, замещающим структурные компоненты в гидроксиапатите) играют центральную роль в глубокой деградации слоновой кости. В некоторых образцах также наблюдались спектральные особенности, соответствующие возможному тепловому воздействию, что указывает на потенциальные повреждения, связанные с огнём.

Это исследование демонстрирует, что Рамановская спектроскопия с временным стробированием может предоставлять молекулярные данные, критически важные для понимания долгосрочного разрушения древней слоновой кости. Помимо кости, метод ожидаемо будет широко применим к другим археологическим материалам, для которых характерна сильная флуоресценция.