Quang Phổ Raman Trong Nghiên Cứu Khảo Cổ

Giới thiệu

Nghiên cứu khảo cổ học đóng một vai trò quan trọng trong việc tái hiện lịch sử loài người và tìm hiểu sự phát triểnc của các xã hội trong quá khứ. Thông qua việc kiểm tra các hiện vật và di tích văn hóa, các nhà khảo cổ có thể kể lại các câu chuyện từ quá khứ. Tuy nhiên, các phương pháp phân tích truyền thống có những hạn chế. Các kĩ thuật lấy mẫu xâm lấn có thể phá hủy các mẫu vật độc nhất không thể thay thế.

May mắn thay, những tiến bộ trong thiết bị khoa học đã giới thiệu một công cụ mạnh mẽ cho các nhà khảo cổ đó là quang phổ Raman. Kĩ thuật phân tích không phá hủy này đem đến một cái nhìn rõ ràng vào thành phần phân tử của các hiện vật. Bằng cách phân tích tương tác của ánh sáng với vật liệu, quang phổ Raman cung cấp những dấu hiệu đặc trưng mà không gây bất cứ tác hại nào cho chính vật thể.

Quang phổ Raman là gì?

Hình 1: Nguyên lý của quang phổ Raman.

Quang phổ Raman là một kĩ thuật mạnh mẽ dùng để phân tích thành phần phân tử của vật liệu. Nó hoạt động bằng cách tập trung một nguồn sáng đơn sắc, thường là laser, vào mẫu. Khi ánh sáng tương tác với các phân tử trong mẫu, nó có thể tán xạ theo hai cách:

1. Tán xạ Rayleigh: Đây là tán xạ chiếm ưu thế, trong đó ánh sáng tán xạ có cùng bước sóng với ánh sáng tới.
2. Tán xạ Raman: Trong một phần nhỏ các sự kiện tán xạ (1 trong 1 triệu photon), ánh sáng tới tương tác với rung động của các phân tử trong mẫu. Sự tương tác này gây ra một sự thay đổi nhỏ trong bước sóng của ánh sáng tán xạ. Sự thay đổi đó được gọi là dịch chuyển Raman, là đặc trưng cho mỗi loại phân tử và giống như một dấu vân tay duy nhất gắn với mức năng lượng giao động của phân tử đó.

Bằng cách phân tích sự dịch chuyển Raman bằng các máy đo quang phổ, thông qua đó quang phổ Raman mang đến thông tin chi tiết về thành phần phân tử của mẫu. 

Ứng dụng của quang phổ Raman trong lĩnh vực khảo cổ

Quang phổ Raman đã cách mạng hóa lĩnh vực khảo cổ học bằng cách cung cấp một phương tiện không phá hủy để phân tích thành phần của hiện vật lịch sử. Dưới đây là cách các nhà khảo cổ có thể tận dụng quang phổ Raman:

• Tiết lộ các bí mật nghệ thuật: Phân tích các sắc tố trung các bức tranh và tác phẩm điêu khắc để hiểu các kĩ thuật được sử dụng, dự đoán phục hồi các phương pháp thất truyền. Phân biệt các màu sắc tự nhiên, tổng hợp, thậm chí phát hiện giả mạo
• Phân tích đá và gốm sứ Xác định các loại đá cụ thể trong các tác phẩm điêu khắc và yếu tố kiến trúc, tiết lộ nguồn gốc và kĩ thuật xây dựng. Phân tích thành phần của gốm, sứ mở ra thông tin về quy trình sản xuất và tuyến đường thương mại.
• Kiểm tra vật liệu hữu cơ: : Xác định các vật liệu hữu cơ có trong các hiện vật, chẳng hạn như chất kết dính trong tranh, dệt may hoặc thậm trí dư lượng thực phẩm, cung cấp cái nhìn sâu sắc về văn hóa trong quá khứ và cách con người sử dụng tài nguyên.

Bằng cách tiết lộ câu chuyện về vật chất bên trong hiện vật, quang phổ Raman cung cấp cho các nhà khoa học cái nhìn sâu sắc hơn về cuộc sống, công nghệ, nghệ thuật và xã hội

Kết quả

Hình 2: Hiện vật xác ướp mèo trong triển lãm Ai Cập cổ tại một bảo tàng ở nước Anh.

Trong một nghiên cứu về các loại nhựa từ triều đại Ai Cập cổ, có một phát hiệnt thú vị. Một hạt mắt nhựa đã được tìm thây trong hốc mắt của xác ướp mèo triều đại thứ VXIII, có niêm đại khoảng năm 1350 trước Công nguyên. Hạt được phân tích bằng quang phổ Raman để xác định thành phần. Suy đoán ban đầu cho rằng nó có thể là nhựa thủy tinh hoặc nhựa hổ phách. Nhưng kết quả sau khi phân tích cho thấy nó có thành phần keratonic giống như móng vuốt mèo. Hạt đã trải qua một số xử lý nhiệt để định hình nó, cho thấy dấu vết công nghệ cổ xưa đã được sử dụng. Mục đích của hạt mắt cho dù là mắt giả cho con mèo hay là một nghi thức trong tang lễ, vẫn chưa được rõ ràng.

Hình 3: Quang phổ Raman của hạt mắt mèo (A) và nhựa hổ phách (B).

Hình 3 cho thấy quang phổ Raman của hạt mắt xác ướp mèo (A) và nhựa hổ phách (B). Quang phổ 3A tương tự với một mẫu keratonic. Cụ thể ta có thể thấy các đỉnh phổ đặc trưng xuất hiện ở bước sóng 1660cm, 1450cm, và 1250cm. Ngoài ra, một đỉnh nhọn tại 1003cm cho thấy sự xuất hiện của phenylalanine. Phổ Raman của nhựa hổ phách (B) dẫn đến kết luận rằng hạt mắt mèo không phải nhựa.

Hình 4: Quang phổ Raman của hạt mắt mèo (A) và mẫu móng vuốt của mèo hiện đại (B).

Sau đó, hạt mắt mèo được so sánh với mẫu móng vuốt của mèo hiện đại. Do sự hiện diện của các đỉnh phổ tương tự, có thể khẳng định rằng hạt mắt của xác ướp mèo có nguồn gốc từ móng vuốt mèo.

Hệ thống đo lường

Với kĩ thuật đo quang phổ Raman trong khảo cổ, các sản phẩm nhỏ gọn của Ocean Insight, ví dụ như máy quang phổ QEPro và nguồn Ocean Laser Raman mang lại lợi ích đáng kể trong quá trình đo đạc. Máy đo quang phổ QEPro là một thiết bị hiệu suất cao, nổi bật với độ nhạy và dải tương phản động rộng, làm cho nó phù hợp với nhu cầu chính xác của các nghiên cứu khảo cổ học. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của nó vượt quá 1000:1, cho phép phát hiện mức độ ánh sáng rất thấp. Dải tương phản động khoảng 85,000:1, cho phép nó thu được dải tín hiệu lớn giúp phân tích chi tiết các mẫu khác nhau. Ngoài ra bộ làm mát nhiệt điện (TEC) còn giúp duy trì nhiệt độ hoạt động tối ưu cho cảm biến, điều này rất quan trọng với các phép đo dài và ngăn ngừa sự sai lệch dạng phổ, nâng cao độ tin cậy của dữ liệu trong quá trình nghiên cứu khảo cổ học.

Figure 5: QEPro spectrometer.

A Raman laser light source with a wavelength of 532nm is highly beneficial for archaeological studies due to its narrow spectral line, which ensures high precision in detecting molecular vibrations. This specific wavelength is optimal as it provides a strong signal with minimal fluorescence, allowing for clear identification of mineral and organic compounds within artifacts. The narrow spectral line width, often less than 0.2nm, is crucial for resolving fine spectral features, which can reveal detailed information about the composition and structure of archaeological samples.

Figure 6: Raman laser light source.

Kết luận

Quang phổ Raman đã cách mạng hóa nghiên cứu khảo cổ học bằng cách cung cấp một phương pháp không phá hủy để phân tích thành phần phân tử của các hiện vật. Kỹ thuật này cho phép các nhà khảo cổ khám phá bí mật của các vật liệu cổ đại, từ các sắc tố trong tranh đến các thành phần của gốm sứ, cấu trúc vật liệu của các hiện vật hay dư lượng hợp chất hữu cơ. Bằng cách bảo tồn tính toàn vẹn của các hiện vật quý giá, quang phổ Raman không chỉ nâng cao hiểu biết của chúng ta về các xã hội trong quá khứ mà còn đảm bảo rằng những kho tàng văn hóa này vẫn còn nguyên vẹn cho các thế hệ tương lai. Việc phát hiện ra keratotic trong hạt mắt xác ướp mèo Ai Cập minh họa cho những hiểu biết mà công nghệ có thể mang lại, làm sáng tỏ các công nghệ và thực tiễn cổ xưa. Khi quang phổ Raman tiếp tục phát triển, các ứng dụng của nó trong khảo cổ học chắc chắn sẽ mở rộng, cung cấp những hiểu biết sâu sắc hơn về lịch sử loài người.