Khảo cổ học lấy di tích vật chất làm đối tượng nghiên cứu, cốt lõi của nó là thông qua phân tích chi tiết phục hồi thế giới sản xuất, sinh hoạt và tinh thần của xã hội cổ đại. Tuy nhiên, thông tin vi mô còn sót lại của khảo cổ học - chẳng hạn như các dấu vết vi mô trên bề mặt của thiết bị, cấu trúc xếp lớp của sắc tố, hình thái tế bào của các di tích sinh học - thường ẩn giấu bằng chứng quan trọng mà các quan sát bằng mắt thường truyền thống hoặc kính hiển vi thông thường khó nắm bắt. Trong những năm gần đây, với những đột phá trong công nghệ vi mô quang học, kính hiển vi quét laser tập trung (CLSM) đã dần trở thành công cụ trung tâm của phân tích vi mô khảo cổ học nhờ những ưu điểm như độ phân giải cao, hình ảnh ba chiều và phát hiện không phá hủy. Trong số này, Zeiss LSM 900, đại diện cho thế hệ kính hiển vi co-focus độ phân giải cực cao mới, thể hiện giá trị của nó trong việc phân tích chi tiết các di tích khảo cổ với công nghệ siêu phân giải Airyscan 2 và khả năng chụp ảnh đa phương thức.

Lợi thế công nghệ của Zeiss LSM 900: Bước nhảy vọt từ vi mô truyền thống đến siêu phân giải

Nguyên tắc cơ bản của kính hiển vi co-focus là quét mẫu theo từng điểm bằng laser, kết hợp với khẩu độ lỗ kim để lọc ánh sáng ngoài tiêu cự và cuối cùng tái tạo lại hình ảnh cắt lát quang học có độ tương phản cao. So với kính hiển vi quang học truyền thống, lợi thế cốt lõi của nó là......Cắt lát quang học(Optical sectioning) vàXây dựng lại 3D(3D Reconstruction) Khả năng thu thập thông tin cấu trúc theo hướng sâu mà không làm hỏng mẫu.

Máy nén khí Zeiss LSM 900

Các đột phá công nghệ của Zeiss LSM 900 tập trung vào ba lĩnh vực sau:

1. Công nghệ siêu phân giải Airyscan 2: Thông tin chi tiết vi mô để đẩy giới hạn nhiễu xạ

Kính hiển vi quang học thông thường có độ phân giải giới hạn ở giới hạn nhiễu xạ Abbe (khoảng 200 nm) và không thể phân biệt các cấu trúc nhỏ hơn. Công nghệ Airyscan 2 được trang bị trên LSM 900 thay thế 64 máy dò đơn truyền thống bằng mảng ống quang nhân GaAsP (PMT) có độ nhạy cao, kết hợp với thuật toán tối ưu hóa chức năng khuếch tán điểm (PSF) để tăng độ phân giải ngang lên 120 nm và độ phân giải dọc trục lên 350 nm, gần với mức độ của kính hiển vi chiếu sáng kết cấu (SIM), nhưng vẫn duy trì lợi thế cắt quang học của kính hiển vi co-focus. Cải tiến này cho phép LSM 900 xác định rõ ràng các hạt sắc tố ở cấp độ nano trong các mẫu khảo cổ, cấu trúc hình dạng của các sản phẩm ăn mòn hoặc các đặc điểm dưới tế bào của di tích sinh học.

2. Tương thích hình ảnh đa phương thức: phân tích đa chiều từ hình dạng đến thành phần

LSM 900 hỗ trợ kết hợp với một loạt các thiết bị bên ngoài, chẳng hạn như quang phổ Raman, quang phổ huỳnh quang hoặc quang phổ năng lượng tia X (EDS), cho phép phân tích đồng bộ "hình dạng - thành phần - phân phối". Ví dụ, sau khi xác định các khu vực nghi ngờ rỉ sét bằng hình ảnh đồng tập trung, có thể nhanh chóng chuyển sang chế độ Raman để lấy thông tin về cấu trúc phân tử của chúng; Hoặc trong khi quan sát các lớp sắc tố, dữ liệu EDS được thu thập đồng bộ để vẽ bản đồ phân bố các yếu tố. Khả năng đa dạng này đã cung cấp sự hỗ trợ then chốt cho "đoạn đại chính xác" và "tìm nguồn gốc công nghệ" còn sót lại trong khảo cổ học.

3. Tiềm năng giám sát không phá hủy và sống: Công cụ mới để bảo tồn di tích

Di tích khảo cổ đa số là văn vật quý giá, quá trình kiểm tra cần hạn chế nghiêm ngặt tổn thương. LSM 900 có thiết kế laser công suất thấp (thường<5 mW) với lỗ kim đồng tập trung, gây ra thiệt hại ánh sáng rất thấp cho mẫu và cho phép quan sát "không tiếp xúc". Đối với các di tích hữu cơ (như gỗ, dệt may, da), nó thậm chí có thể được theo dõi động lực sau khi nuôi cấy sống - mặc dù các mẫu khảo cổ chủ yếu là những di tích "chết", một tính chất cung cấp khả năng nghiên cứu quá trình phân hủy của vật liệu sinh học cổ đại hoặc hiệu quả lâu dài của vật liệu phục hồi.

II. Ứng dụng cốt lõi của LSM 900 trong khảo cổ học

Cảnh 1: Phân tích chi tiết các dấu vết vi mô trên bề mặt thiết bị và dấu vết sử dụng

Dấu vết của việc sử dụng các công cụ cổ xưa (như công cụ bằng đá, xương, kim loại) là cơ sở quan trọng để đánh giá chức năng của chúng. Kính hiển vi quang học truyền thống (như kính hiển vi cơ thể) có thể quan sát các vết trầy xước trên bề mặt, nhưng bị giới hạn bởi độ sâu trường ảnh và khó tập trung vào các dấu vết ở độ sâu khác nhau cùng một lúc; Mặc dù độ phân giải cao, gương quét (SEM) đòi hỏi môi trường chân không và phức tạp trong việc chuẩn bị mẫu (yêu cầu lớp phủ dẫn điện), có thể phá hủy phần còn lại dễ bị tổn thương. Các lát quang học và khả năng tái tạo ba chiều của LSM 900 tình cờ bù đắp cho những thiếu sót này.

Lấy một con dao bằng đồng thời nhà Thương được khai quật ở Ân Khư, Hà Nam, Trung Quốc (Li-etal., 2023), các nhà nghiên cứu đã sử dụng laser 405 nm của LSM 900 để kích thích huỳnh quang trên bề mặt mẫu (một lượng nhỏ khoáng chất sắt do ăn mòn đất) và kết hợp với chế độ siêu phân giải Airyscan 2 để quan sát rõ ràng sự hiện diện của ba lớp vi vết trên lưỡi dao: lớp bề mặt là vết trầy xước mài mòn vuông góc với lưỡi dao (được cho là hạt cắt hàng ngày), lớp giữa là vết trầy xước xiên (có thể liên quan đến chế biến da), và lớp dưới cùng là vết mài song song sau khi đúc. Sự phân bố không gian của những dấu vết này đã được hình dung thông qua tái tạo ba chiều, cuối cùng suy ra rằng con dao bằng đồng này là một "công cụ đa chức năng", thay đổi nhận thức trước đây về "nông cụ đơn lẻ". Tương tự, nhóm nghiên cứu tại Đại học Rome ở Ý đã sử dụng LSM 900 để phân tích các dấu vết mài mòn trên bề mặt thủy tinh được khai quật ở Pompeii và xác định thành công bằng chứng cho thấy người La Mã cổ đại đã sử dụng đồ uống nóng của họ, chẳng hạn như rượu vang nóng - cấu trúc vi mô được sắp xếp hợp lý được thể hiện trong hình ảnh đồng tập trung do biến dạng dòng chảy của bề mặt thủy tinh do nhiệt độ cao (Bianchietal., 2022).

Cảnh 2: Cấu trúc và thành phần chồng lên nhau của màu sắc và màu sắc

Phân tích lớp màu sắc của bích họa cổ đại, đồ gốm màu và thư họa là lĩnh vực giao thoa quan trọng giữa khảo cổ học và nghiên cứu lịch sử nghệ thuật. Các phương pháp truyền thống như XRD hoặc SEM-EDS sau khi cạo bột có thể làm hỏng mẫu và khó có được thông tin về sự phân bố không gian của lớp sắc tố. Khả năng hình ảnh đa phương thức của LSM 900 làm cho nó trở thành một "công cụ phân tích sắc tố không phá hủy" lý tưởng.

Lấy ví dụ về các mảnh vỡ của bức tranh tường thời Đường ở hang 17 (hang Tây Tạng) tại hang Mogao ở Đôn Hoàng (Wangetal., 2024), các nhà nghiên cứu đã sử dụng laser 561 nm của LSM 900 để kích thích huỳnh quang tự phát của mẫu (do các ion kim loại chuyển tiếp trong các sắc tố khoáng như Fe², Cu²), lần đầu tiên thu được hình ảnh phân bố hai chiều của các lớp sắc tố và phát hiện ra sự phân tầng bất thường ở các vùng màu đỏ trong khung hình - lớp bề mặt * (HgS) và sự tích tụ sắc tố đỏ lờ mờ ở lớp dưới. Chuyển sang chế độ quang phổ Raman (kích thích 532 nm), xác nhận rằng chất màu đỏ thấp hơn là chì-đan (Pb₃O₄), người ta suy đoán rằng các họa sĩ thời Đường đã cố gắng tăng độ bão hòa màu sắc thông qua quy trình "* làm nền+nhuộm chì-đan". Hơn nữa, thông qua quét trục Z (bước 0,5μm), các nhà nghiên cứu đã xây dựng lại bản đồ độ dày ba chiều của lớp sắc tố (Hình 1) và phát hiện ra rằng độ dày của lớp sắc tố chính tập trung ở 10-20μm, trong khi độ dày của khu vực sửa chữa có thể đạt tới 50μm, kết hợp với đo niên đại carbon 14, xác nhận rằng những hành vi sửa chữa này đã xảy ra trong thời kỳ Tống Nguyên, cung cấp một thước đo thời gian quan trọng cho nghiên cứu lịch sử sửa chữa các bức tranh tường.

Kịch bản 3: Microstructure of Biological Remains and Paleological Reconstruction

Các di tích sinh học trong khảo cổ học (như xương, răng, hạt giống thực vật, hóa thạch côn trùng) chứa thông tin về chế độ ăn uống, bệnh tật và thay đổi môi trường của người cổ đại. Hình ảnh độ phân giải cao của LSM 900 có thể tiết lộ các đặc điểm vi mô khó quan sát bằng các phương pháp truyền thống, chẳng hạn như thay đổi bệnh lý trong xương, cấu trúc nảy mầm của hạt cây hoặc vân xương ngoài của côn trùng.

Sử dụng LSM 900, nhóm nghiên cứu từ Viện Tiến hóa Con người (Schmidt et al., 2023) đã sử dụng LSM 900 để phân tích hóa thạch răng Australopithecus africanus được khai quật trong hang Krons ở Swat, Nam Phi. Thông qua chế độ co-focus truyền (yêu cầu mẫu cực kỳ mỏng, ở đây có một chùm ion tập trung (FIB) để chuẩn bị một tấm 20μm), họ quan sát thấy khoảng cách bất thường giữa các dòng tăng trưởng men răng (Retzius lines) - khoảng cách giữa các dòng tăng trưởng men răng của Australopithecus bình thường là khoảng 9-12μm, trong khi mẫu này chỉ cách 5-7μm, gợi ý rằng nó có thể đã trải qua suy dinh dưỡng hoặc bệnh tật trong quá trình phát triển (ví dụ: còi xương). Phát hiện này cung cấp bằng chứng vi mô để khám phá các chiến lược thích nghi của con người trước đây để đối phó với căng thẳng môi trường. Trong nước, nhóm nghiên cứu tại Viện Khảo cổ học thuộc Học viện Khoa học Xã hội Trung Quốc (Chen et al., 2022) đã sử dụng LSM 900 để nghiên cứu vỏ lúa được khai quật tại địa điểm Liangzhu, Chiết Giang. Bằng cách kích thích huỳnh quang dư lượng chlorophyll trong các tế bào vỏ, quan sát rõ ràng cách sắp xếp các tế bào vỏ bọc bảo quản của chúng, kết hợp với kính quét để xác nhận chúng là giống "Indica", điều chỉnh kết luận trước đây rằng "lúa Liangzhu chủ yếu là lúa japonica" và cung cấp cơ sở phân loại quan trọng để nghiên cứu nguồn gốc và sự lây lan của lúa ở hạ lưu sông Dương Tử.

Cổ sinh vật học và bào tử học

Kịch bản 4: Giám sát và đánh giá bảo tồn di sản

Mục tiêu cốt lõi của bảo tồn văn vật là "can thiệp tối thiểu+ổn định lâu dài", vì vậy cần tiến hành giám sát hiệu quả của vật liệu bảo vệ (như chất gia cố, chất bịt kín) và quá trình suy giảm văn vật trong thời gian thực. Tính không phá hủy và độ nhạy cao của LSM 900 làm cho nó trở thành một công cụ giám sát lý tưởng. Ví dụ, Bảo tàng Cố Cung (2024) đã sử dụng LSM 900 để giám sát việc di chuyển muối trong quá trình khử muối trong quá trình phục hồi các bình sứ màu pastel từ thời Càn Long đời nhà Thanh. Bằng cách đánh dấu đầu dò huỳnh quang (natri huỳnh quang) trên bề mặt mảnh sứ, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy đường đi của muối (chủ yếu là NaCl) trong khoảng thời gian 30 ngày: đầu tiên thấm dọc theo các vết nứt nhỏ của phôi sứ, sau đó tích tụ tại các khuyết điểm của men và cuối cùng tạo thành kết tinh màu trắng. Kết hợp với tái tạo ba chiều của hình ảnh đồng tập trung, họ đã tối ưu hóa nồng độ và thời gian ngâm của dung dịch khử muối, giảm dư lượng muối từ 15% xuống 3% so với các phương pháp truyền thống, cải thiện đáng kể hiệu quả sửa chữa. Ngoài ra, để giám sát ăn mòn điện hóa đối với các đồ tạo tác kim loại, LSM 900 cung cấp hỗ trợ lý thuyết cho việc thiết kế lớp phủ chống ăn mòn bằng cách quan sát thời gian thực giao diện phản ứng của cặp điện ăn mòn thông qua các dấu huỳnh quang tại chỗ, chẳng hạn như các ion cụ thể trong các sản phẩm ăn mòn được đánh dấu (Schneider et al., 2021).

Thách thức và triển vọng: Tương lai của LSM 900

Mặc dù LSM 900 đã cho thấy tiềm năng mạnh mẽ trong khảo cổ học, nhưng ứng dụng của nó vẫn phải đối mặt với một số thách thức: Thứ nhất, một số mẫu khảo cổ học (như xương khoáng hóa cao, mảnh gốm nung) có thể dẫn đến sự phân rã tín hiệu đồng tập trung do tán xạ quang học mạnh; Hai là, sự kết hợp giữa hiệu chỉnh và dữ liệu khi kết hợp đa dạng vẫn cần tối ưu hóa; Thứ ba, các chế độ độ phân giải cực cao (chẳng hạn như độ phân giải ngang 120 nm của Airyscan 2) đòi hỏi cao đối với việc chuẩn bị mẫu (chẳng hạn như độ phẳng, độ dày), trong khi các mẫu khảo cổ thường do môi trường bị chôn vùi dẫn đến bề mặt không bằng phẳng, làm tăng độ khó vận hành. Trong tương lai, cùng với những tiến bộ công nghệ, ứng dụng LSM 900 có thể mở rộng theo hai hướng: kết hợp với trí tuệ nhân tạo (AI), thông qua học máy để tự động xác định loại dấu vết vi mô hoặc thành phần sắc tố trong hình ảnh đồng tiêu điểm, nâng cao hiệu quả phân tích; Thứ hai là phát triển các bộ điều hợp mẫu khảo cổ chuyên dụng, chẳng hạn như đầu dò linh hoạt cho các bề mặt bất thường hoặc kết hợp với mô-đun "phân tích đồng bộ tại chỗ" của Microzone XRF để đơn giản hóa hơn nữa quy trình tiền xử lý mẫu. Ngoài ra, với sự giao thoa ngày càng sâu sắc giữa khảo cổ học và khoa học vật liệu, khoa học đời sống, LSM 900 có lẽ sẽ đóng vai trò lớn hơn trong các lĩnh vực tiên tiến như "phục hồi kỹ thuật cổ xưa" (ví dụ: công thức sao chép kính cổ), "phân tích vectơ DNA cổ" (ví dụ: quan sát trạng thái bảo quản DNA cổ trong men răng).

kết luận

Với độ phân giải cực cao, hình ảnh đa phương thức và khả năng phát hiện không phá hủy, kính hiển vi Zeiss LSM 900 cung cấp các công cụ phân tích vi mô quy mô đầy đủ "từ nano đến vĩ mô" cho nghiên cứu khảo cổ học. Từ việc giải thích chức năng của các dấu vết vi mô của các thiết bị để tìm nguồn gốc của quá trình sơn, từ tái tạo cổ sinh thái của các di tích sinh học đến giám sát hiệu quả của việc bảo tồn các hiện vật, LSM 900 đang xác định lại mô hình nghiên cứu về "quyết định luận chi tiết" của khảo cổ học. Cùng với sự phát triển hơn nữa của công nghệ và sự mở rộng của cảnh ứng dụng, "con mắt vi mô" này tất sẽ cung cấp sự hỗ trợ khoa học mạnh mẽ hơn cho việc giải mã mật khẩu của văn minh Trung Hoa và văn minh thế giới.

REFERENCES [Tên bảng tham chiếu] (
[1] Li, X., et al. (năm 2023). 'Phân tích kính hiển vi của các công cụ đồng từ Yinxu Sử dụng kính hiển vi quét laser chung. Khảo cổ học, 65(3), 456-472.
[2] Bianchi, M., et al. (năm 2022). Giải thích chức năng của các tàu thủy tinh La Mã thông qua hình ảnh 3D không phá hủy. Tạp chí Khoa học Khảo cổ: Báo cáo, 44, 103589.
[3] Wang, Y., et al. (năm 2024). 'Pigment Stratigraphy and Chronology of Mogao Grottoes Wallpapers Revealed by Airyscan 2 Super-Resolution Microscopy' (bằng tiếng Anh). Khoa học Di sản, 12(1), 1-15.
[4] Schmidt, C., et al. (năm 2023). Dòng tăng trưởng men răng và Paleopathology ở Australopithecus africanus. Hành vi con người tự nhiên, 7(2), 213-225.
5- Tên đề tài: Giải pháp nâng cao hiệu quả đầu tư phát triển kết cấu hạ tầng thương mại ( (2024). Nghiên cứu giám sát quá trình khử muối gốm cổ dựa trên kính hiển vi tập trung chung. Khoa học bảo tồn và khảo cổ học, 36 (1), 1 - 10.