Археология изучает материальные реликвии, в основе которых лежит восстановление производства, жизни и духовного мира древних обществ посредством детального анализа. Тем не менее, микроскопическая информация, оставшаяся от археологии, такая как микроскопические следы на поверхности устройства, слоистые структуры пигментов, биологически сохранившиеся клеточные формы, часто скрывает ключевые доказательства, которые трудно уловить с помощью традиционных наблюдений невооруженным глазом или обычных микроскопов. В последние годы, с прорывом в оптической микроскопии, Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) стал основным инструментом археологического микроанализа благодаря своим преимуществам высокого разрешения, трехмерной визуализации и неразрушающего обнаружения. В частности, ZEISS LSM 900, как представитель нового поколения микроскопов с общей фокусировкой со сверхвысоким разрешением, демонстрирует свою ценность в тонком анализе археологического наследия благодаря своей технологии сверхразрешения Airyscan 2 и возможностям мультимодальной визуализации.

Технические преимущества ZEISS LSM 900: переход от традиционной микроскопии к гиперразрешению

Основной принцип конфокального микроскопа заключается в том, чтобы сканировать образцы по точкам с помощью лазера и фильтровать внефокусный свет в сочетании с аппендиксом игольчатого отверстия, чтобы в конечном итоге восстановить контрастное оптическое изображение среза. По сравнению с традиционными оптическими микроскопами, его основным преимуществом являетсяОптический срез(Optical Sectioning) иТрехмерная реконструкция(3D Reconstruction) Способность получать структурную информацию о направлении глубины без разрушения образца.

Скачать LSM 900

Технологический прорыв ZEISS LSM 900 сосредоточен на следующих трех направлениях:

Технология сверхразрешения Airyscan 2: микроскопическое понимание для преодоления дифракционных пределов

Разрешение традиционных оптических микроскопов ограничено пределом дифракции Аббе (около 200 нм) и не может различать более мелкие структуры. Технология Airyscan 2, оснащенная LSM 900, заменяет традиционный одиночный детектор 64 высокочувствительными массивами фотоумножителей GaAsP (PMT), сочетая алгоритм оптимизации функции точечной диффузии (PSF), увеличивая поперечное разрешение до 120 нм и осевое разрешение до 350 нм, что близко к уровню структурного светового микроскопа (SIM), но сохраняет преимущество оптического среза с общей фокусировкой микроскопа. Это усовершенствование позволяет LSM 900 четко идентифицировать нанометровые частицы пигмента в археологических образцах, кристаллическую структуру продуктов коррозии или биологически сохранившиеся субклеточные характеристики.

Многомодальная совместимость изображений: многомерный анализ от формы к компоненту

LSM 900 поддерживает взаимодействие с различными внешними устройствами, такими как спектрометр Рамана, флуоресцентный спектрометр или рентгеновский спектрометр (EDS), для достижения синхронного анализа « морфология - состав - распределение». Например, после позиционирования подозрительной области коррозии с помощью изображений с общей фокусировкой можно быстро переключиться в режим Рамана для получения информации о его молекулярной структуре; Или при наблюдении за слоем пигмента синхронный сбор данных EDS для составления карты распределения элементов. Эта мультимодальная способность обеспечивает ключевую поддержку для « точного разложения» и « технологической прослеживаемости» археологического наследия.

3. Неразрушающий и живой потенциал мониторинга: новые инструменты защиты культурных ценностей

Археологические остатки в основном являются ценными культурными реликвиями, процесс обнаружения должен строго ограничивать ущерб. LSM 900 использует лазер малой мощности (обычно < 5 мВт) и конструкцию с общей фокусировкой игольчатых отверстий, световое повреждение образцов крайне низкое, что позволяет осуществлять « бесконтактные» наблюдения. Что касается остатков органических веществ (например, древесины, текстиля, кожи), то они могут даже подвергаться динамическому мониторингу после культивирования живых организмов - хотя археологические образцы в основном являются « мертвыми» остатками, это свойство дает возможность изучить процессы разложения или долгосрочные последствия восстановления древних биологических материалов.

Основные сценарии применения LSM 900 в археологии

Сценарий 1: Тщательный анализ микроследов на поверхности устройства и следов использования

Следы использования древних инструментов (например, каменных, костных, металлических) являются ключевым основанием для определения их функций. Традиционные оптические микроскопы (например, стереоскопические микроскопы) могут наблюдать царапины на поверхности, но ограничены глубиной пейзажа, что затрудняет одновременное фокусирование следов на разных глубинах; Сканирующие зеркала (SEM), хотя и с высоким разрешением, требуют вакуумной среды и сложной подготовки образцов (для проводки покрытия), могут повредить хрупкие остатки. Оптический срез LSM 900 и трехмерная реконструкция полностью компенсируют эти недостатки.

В качестве примера можно привести бронзовый нож династии Шан, раскопанный в Иньхуе, провинция Хэнань, Китай (Li etal., 2023), исследователи использовали лазер LSM 900 405 нм для флуоресценции поверхности образца (небольшое количество железосодержащих минералов, вызванных коррозией почвы), в сочетании с режимом сверхразрешения Airyscan 2, чтобы четко наблюдать область лезвия в трех слоях микроследов: поверхность - царапины абразива, перпендикулярная к лезвию (предположительно, ежедневная резка зерна), средний слой - наклонная царапина (возможно, связанная с обработкой кожи), а нижний слой - параллельная линия шлифовки после литья. Благодаря трехмерной реконструкции пространственное распределение этих следов было визуализировано, и в конечном итоге был сделан вывод, что бронзовый нож является « многофункциональным инструментом», изменив предыдущее восприятие « единого сельскохозяйственного орудия». Аналогично, команда Римского университета в Италии использовала LSM 900 для анализа следов износа поверхности стеклянной посуды, найденной в Помпеях, и успешно идентифицировала обтекаемую микроструктуру (Bianchietal, 2022), представленную древними римлянами на изображениях с общей фокусировкой, с доказательствами того, что они содержали горячие напитки, такие как горячие вина.

Сценарий 2: Слоистость красок и красок и прослеживаемость компонентов

Анализ красочных слоев древних фресок, расписной керамики и каллиграфии является важной областью, пересекающей археологию и историю искусства. Традиционные методы (например, XRD или SEM - EDS после извлечения порошка) разрушают образцы и затрудняют получение информации о пространственном распределении слоя пигмента. Многомодальная визуализация LSM 900 делает его идеальным « инструментом для неразрушающего анализа пигментов».

В качестве примера можно привести фрагменты фресок династии Тан в 17 - й пещере Могао в Дуньхуане (Тибетская пещера) (Wangetal, 2024), исследователи использовали лазер LSM 900 561 нм для возбуждения спонтанной флуоресценции образцов (из - за переходных ионов металлов в минеральных пигментах, таких как Fe² ⁺ и Cu² ⁺), сначала получили двумерное распределение пигментного слоя и обнаружили аномальную стратификацию красной области на картинке - поверхность * (HgS) и неявное скопление красных пигментов в нижнем слое. Дальнейшее переключение на спектральный режим Рамана (возбуждение 532 нм) подтвердило, что нижний слой красного вещества является свинцом (Pbnenenebj Onenenebo), предполагая, что художники династии Тан пытались повысить насыщенность цвета с помощью процесса « * закладка дна + покраска свинцовым покрытием». Более того, с помощью сканирования оси Z (шаг 0,5 мкм) исследователи воссоздали трехмерную карту толщины слоя пигмента (рисунок 1) и обнаружили, что толщина основного слоя пигмента сосредоточена в 10 - 20 мкм, в то время как толщина зоны ремонта может достигать 50 мкм, что подтверждается измерением углерода 14 лет, что эти ремонтные действия произошли в период Сун Юань, обеспечивая критическую временную шкалу для изучения истории восстановления фресок.

Сценарий 3: Микроскопическая структура биологического наследия и палеоэкологическая реконструкция

Биологические остатки в археологии (например, кости, зубы, семена растений, окаменелости насекомых) содержат информацию о диете древних людей, болезнях и изменениях окружающей среды. Изображения с высоким разрешением LSM 900 могут выявить микроскопические особенности, которые трудно наблюдать традиционными методами, такими как патологические изменения костей, прорастающая структура семян растений или текстура экзоскелетов насекомых.

Исследовательская группа из Института эволюции человека Института Маппа в Германии (Schmidt et al. 2023) использовала LSM 900 для анализа окаменелостей зубов австралопитека (Australopithecus africanus), найденных в пещере Сваткланс в Южной Африке. С помощью прожекторного конфокального режима (для которого требуется очень тонкий образец, где 20 мкм пластины были изготовлены с помощью сфокусированного ионного пучка (FIB)) они наблюдали аномальное расстояние между линиями роста зубной эмали (Retzius lines) - расстояние между линиями роста зубной эмали у нормальных южных приматов составляет около 9 - 12 мкм, в то время как расстояние между образцами составляет всего 5 - 7 мкм, что указывает на то, что они могут испытывать недоедание или болезни (например, рахит) во время своего развития. Это открытие дает микроданные для изучения ранних стратегий адаптации человека к стрессу окружающей среды. В Китае команда Института археологии Китайской академии общественных наук (Chen et al. 2022) использовала LSM 900 для изучения оболочек риса, найденных на месте Лянчжу в провинции Чжэцзян. Стимулируя остаточную флуоресценцию хлорофилла в клетках оболочки, четко наблюдалось расположение клеток оболочки, поддерживающих ее, в сочетании с сканирующим зеркалом, чтобы подтвердить, что она является сортом « 篈篈篈 рис», скорректировал предыдущий вывод о том, что « рис Лянчжу в основном рис», обеспечивает ключевую таксономическую основу для изучения происхождения и распространения риса в нижнем течении реки Янцзы для сельского хозяйства.

Палеонтология и спорология

Сценарий 4: Мониторинг и оценка в области защиты культурных ценностей

Основная цель защиты культурных ценностей - « минимальное вмешательство + долгосрочная стабильность», поэтому необходимо в режиме реального времени контролировать эффективность защитных материалов (таких как усилители, герметики) и процесс деградации культурных ценностей. Неразрушающая и высокая чувствительность LSM 900 делает его идеальным инструментом мониторинга. Например, музей Гугун (2024) использует LSM 900 для мониторинга миграции соли во время опреснения при восстановлении пастельных фарфоровых бутылок эпохи Цяньлун в династии Цин. Отметив флуоресцентный зонд (флуоресцентный натрий) на поверхности фарфора, исследователи наблюдали путь диффузии соли (в основном NaCl) в течение 30 дней: сначала она проникает вдоль микротрещин фарфоровой шины, а затем накапливается на дефектах глазури, в результате чего образуется белая кристаллизация. В сочетании с трехмерной реконструкцией конфокальных изображений они оптимизировали концентрацию и время погружения опреснительного раствора, снизив остаточное содержание соли с 15% традиционным методом до 3%, что значительно улучшило эффект восстановления. Кроме того, для мониторинга электрохимической коррозии металлических артефактов, LSM 900 может наблюдать реакционный интерфейс коррозионной пары в режиме реального времени с помощью флуоресцентных маркеров на месте (например, конкретных ионов в продуктах коррозии), обеспечивая теоретическую поддержку конструкции антикоррозионного покрытия (Schneider et al. 2021).

Проблемы и перспективы: будущее LSM 900

Хотя LSM 900 продемонстрировал значительный потенциал в археологии, его применение по - прежнему сталкивается с некоторыми проблемами: во - первых, некоторые археологические образцы (например, высокоминерализованные кости, спеченная керамика) могут привести к ослаблению сигнала общей фокусировки из - за сильного оптического рассеяния; Во - вторых, по - прежнему необходимо оптимизировать калибровку и слияние данных при мультимодальном взаимодействии; В - третьих, режим сверхвысокого разрешения (например, горизонтальное разрешение Airyscan 2 120 нм) требует высокой подготовки образцов (например, выравнивания, толщины), в то время как археологические образцы часто вызывают неровность поверхности из - за среды захоронения, что увеличивает сложность работы. В будущем, с технологическим прогрессом, применение LSM 900 может быть расширено в двух направлениях: во - первых, в сочетании с искусственным интеллектом (AI) для автоматического распознавания типов микроследов или компонентов пигмента в изображениях с общей фокусировкой с помощью машинного обучения для повышения эффективности анализа; Во - вторых, разработка специальных адаптеров для археологических образцов, таких как гибкие зонды для нерегулярных поверхностей или в сочетании с модулем « Синхронный анализ местоположения» микрозоны XRF для дальнейшего упрощения процесса предварительной обработки образцов. Кроме того, по мере того, как пересечение археологии с материаловедением и науками о жизни углубляется, LSM 900 может играть еще большую роль в таких передовых областях, как « восстановление древних технологий» (например, формулы для копирования древнего стекла), « анализ векторов древней ДНК » (например, наблюдение за сохранением древней ДНК в зубной эмали).

заключение

Микроскоп Zeisse LSM 900 с его сверхвысоким разрешением, мультимодальной визуализацией и неразрушающей способностью к обнаружению предоставляет инструменты микроанализа в масштабе « от нано до макрос» для археологических исследований. От функциональной интерпретации микроследов артефактов до прослеживания процесса пигментации, от палеоэкологической реконструкции биологических остатков до мониторинга эффекта сохранения культурных реликвий, LSM 900 переопределяет парадигму исследования археологии « Детальный детерминизм». С дальнейшим развитием технологий и расширением сценариев применения этот « микроскопический глаз», несомненно, обеспечит более сильную научную поддержку для расшифровки кода китайской цивилизации и даже мировой цивилизации.

Ссылки (примеры):
[1] Li, X., et al. (2023). Микроскопический анализ бронзовых инструментов от Yinxu с использованием конфокальной лазерной сканирующей микроскопии. Археометрия, 65(3), 456-472.
[2] Bianchi, M., et al. (2022). Функциональная интерпретация римских стеклянных сосудов с помощью нерушительного 3D-изображения. Journal of Archaeological Science: Reports, 44, 103589.
[3] Wang, Y., et al. (2024). Пигментная стратиграфия и хронология стенных картин гротов Могао, раскрытых микроскопией супер-разрешения Airyscan 2. Наука о наследии, 12(1), 1-15.
[4] Schmidt, C., et al. (2023). Линии роста зубной эмали и палеопатология в Australopithecus africanus. Природа человеческое поведение, 7(2), 213-225.
[5] Научно - исследовательский институт охраны культурных ценностей Гугунского музея. (2024). « Мониторинг процесса обессоливания древней керамики на основе конфокального микроскопа. "Охрана культурных реликвий и археологическая наука", 36 (1), 1 - 10.