중국 연구진, 고고학적 상아 유물 비파괴 분광 분석법 개발
by 리 야리Li Yali, 중국과학원Chinese Academy of Sciences
중국과학원Chinese Academy of Sciences 항공우주정보연구소Aerospace Information Research Institute (AIRCAS) 왕전유Wang Zhenyou 교수 연구팀이 깨지기 쉬운 고고학적 상아 유물을 비파괴적으로, 마이크로미터 규모에서 화학 분석할 수 있는 미세 시간 게이트 라만 분광기microscopic time-gated Raman spectrometer를 개발했다.
이 기술은 강한 형광fluorescence으로 신호가 가려지는 경우에도 분석이 가능하다.
연구 결과는 ACS Applied Materials & Interfaces에 게재되었다.
3,000년 이상 된 삼성퇴三星堆Sanxingdui Ruins 유적에서 발굴된 상아 유물은 고대 촉蜀Shu나라 문명을 이해하는 데 매우 귀중한 자료다.
그러나 지하수, 용해성 염류, 미생물 활동 등 장기간 매장된 환경은 상아 외부는 비교적 온전하게 유지하면서 내부를 심각하게 약화시킬 수 있다.
따라서 비파괴적non-destructive이고 고해상도 분석 도구는 보존 및 복원 노력에 필수적이다.
고대 상아 분석의 어려움
분자 구성 분석에 널리 사용되는 라만 분광법Raman spectroscopy은 원칙적으로 고대 상아 분석에 적합하다.
그러나 실제로는 고고학적 유물에서 레이저 조사 시 강한 형광이 발생하여 훨씬 약한 라만 신호Raman signals를 압도하고 기존 측정 방식을 무력화시키는 경우가 많다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 라만 산란 신호와 형광 신호의 근본적으로 다른 시간 척도를 이용하여 두 신호를 분리하는 시간 게이팅 라만 기법time-gated Raman approach을 개발했다.
라만 신호는 레이저 조사 직후 즉시 발생하는 반면, 형광은 훨씬 더 오랫동안 지속된다.
초단시간 검출 창을 라만 신호와 정확하게 동기화함으로써, 이 장비는 배경 형광을 효과적으로 억제하고 강한 형광을 나타내는 물질에서도 라만 스펙트럼을 추출할 수 있다.
기술 혁신 및 테스트
하드웨어 설계와 알고리즘 최적화를 통해 연구팀은 효율적인 형광 억제fluorescence suppression, 주요 화학 성분의 국소화 향상, 그리고 전체 시스템 비용 절감을 달성했다.
이는 문화유산 과학 분야에서 시간 게이트 라만 기술의 광범위한 도입을 위한 중요한 단계다.
연구팀은 삼성퇴에서 발굴된 네 점 상아 조각에 새로운 장비를 적용하여 테스트했다.
기존 연속파 라만 조건에서는 두 샘플에서 형광으로 인해 유용한 스펙트럼 정보를 거의 또는 전혀 얻을 수 없었다.
반면, 시간 게이트 라만 측정은 형광 간섭을 효과적으로 억제하고 형광이 강한 샘플에서 신호 대 잡음비를 20배 이상 향상시켜 내부 구성 성분의 차이를 명확하게 보여주었다.
주요 결과 및 광범위한 의미
분석 결과, 매장 환경이 다른 상아는 유기물 함량, 광물 결정성, 부식 정도에서 뚜렷한 차이를 보이는 것으로 나타났다.
연구 결과는 금속 이온 침투metal-ion infiltration와 비금속 이온 치환non-metal ion substitution(예: 황산염sulfate이 수산화인회석hydroxyapatite의 구조적 구성 요소를 대체하는 현상)이 상아의 심층적인 열화에 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다.
일부 시료에서는 열 노출과 관련된 것으로 보이는 스펙트럼 특징도 관찰되어 화재로 인한 손상 가능성을 보여준다.
본 연구는 시간 게이트 라만 분광법이 고대 상아의 장기적인 열화 과정을 이해하는 데 필수적인 분자 수준의 증거를 제공할 수 있음을 입증한다.
이 방법은 상아뿐만 아니라 강한 형광 현상을 보이는 다양한 고고학적 유물에도 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
More information: Jinchang Xu et al, Time-Gated Raman Spectroscopy Decodes Degradation Pathways in 3,000-Year-Old Ivories: A Fluorescence-Free Approach to Heritage Science, ACS Applied Materials & Interfaces (2025). DOI: 10.1021/acsami.5c18910
Journal information: ACS Applied Materials and Interfaces
Provided by Chinese Academy of Sciences