三星堆古象牙的微生物威脅與檢測困境
三星堆遺址出土的古象牙作為商周時期重要文化遺產(chǎn)，其保存面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。潮濕環(huán)境滋生的微生物（如細(xì)菌、真菌）通過分泌有機(jī)酸、酶等代謝產(chǎn)物，逐步侵蝕象牙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致顏色改變、質(zhì)地脆化甚至崩解。傳統(tǒng)微生物檢測依賴實驗室培養(yǎng)或熒光定量 PCR（qPCR），需專業(yè)設(shè)備與 2 小時以上檢測時間，難以滿足文物現(xiàn)場快速監(jiān)測需求。
針對這一痛點(diǎn)，吉林大學(xué)與四川省文物考古研究院合作開發(fā)可視化微生物檢測系統(tǒng)（VMD-Nano），利用納米技術(shù)實現(xiàn)對古象牙表面微生物的無損、快速、可視化檢測，為文物保護(hù)提供即時預(yù)警工具。
VMD-Nano 技術(shù)原理：納米粒子與生物信號的巧妙聯(lián)動
VMD-Nano 系統(tǒng)整合三大核心模塊，形成完整檢測鏈條：
1. 基因組快速提取
細(xì)菌檢測：采用含 NaOH、EDTA 等成分的快速基因組提取試劑（RGE-B），50 μL 樣本與試劑混合后靜置 3 分鐘，即可獲得 DNA 模板。
真菌檢測：利用纖維素酶與幾丁質(zhì)酶組成的 RGE-F 試劑，結(jié)合微波處理，15 秒內(nèi)破壞真菌細(xì)胞壁，提取基因組 DNA。
2. 重組酶聚合酶擴(kuò)增（RPA）
以提取的基因組為模板，通過 RPA 技術(shù)在恒溫條件下快速擴(kuò)增目標(biāo)微生物的特異性核酸片段（如細(xì)菌 16S rRNA、真菌 ITS 基因），30 分鐘內(nèi)可實現(xiàn)核酸拷貝數(shù)的百萬級擴(kuò)增，顯著提升檢測靈敏度。
3. 可視化比色檢測
納米酶催化與核酸屏蔽效應(yīng)：MNPs 在酸性條件下（pH 3.6）催化 H?O?生成羥基自由基，氧化 KI 產(chǎn)生 I?；I?蝕刻 AuNRs 使其表面等離子體共振（LSPR）波長改變，溶液顏色從藍(lán)色變?yōu)榧t色。
目標(biāo)微生物識別邏輯：若樣本含目標(biāo)微生物，其擴(kuò)增的核酸片段吸附于 MNPs 表面，屏蔽酶活性，抑制 I?生成，AuNRs 蝕刻程度降低，溶液顏色保持藍(lán)色或呈現(xiàn)中間色；反之，無核酸時 MNPs 充分催化，溶液呈紅色。
圖 1.用于檢測目標(biāo)微生物的 VMD-Nano 系統(tǒng)：（1） 用無菌棉簽從三星堆出土的古代象牙表面收集灰塵;（2） 使用 RGE-B 和 RGE-F 試劑從樣品中快速提取基因組 DNA;（3） 基因組 DNA 模板 RPA 反應(yīng);（4） 將 RPA 擴(kuò)增產(chǎn)物與視覺檢測系統(tǒng)混合;（5） 根據(jù)顏色變化對測試結(jié)果進(jìn)行評估，以確定樣品中是否存在目標(biāo)微生物。
關(guān)鍵實驗驗證：從實驗室到文物現(xiàn)場的跨越
1. 納米材料表征
MNPs 特性：透射電鏡（TEM）顯示 MNPs 粒徑約 20.4 nm，X 射線衍射（XRD）與 X 射線光電子能譜（XPS）證實其為 Fe?O?磁性納米粒子，過氧化物酶活性達(dá) 3.035 U/g，確保高效催化性能。
AuNRs 光學(xué)響應(yīng)：紫外 - 可見光譜顯示其縱向 LSPR 峰位于 697 nm，橫向峰位于 512 nm；I?濃度升高導(dǎo)致 LSPR 峰藍(lán)移，溶液顏色變化與 DNA 濃度呈正相關(guān)（圖 2）。
圖2.從含有不同摩爾量 I2 的分析系統(tǒng)獲得的 AuNRs 溶液的吸收光譜
2. 靈敏度與特異性
最低檢測限：系統(tǒng)可識別低至 2×10?拷貝 /μL 的 DNA 濃度，對應(yīng)約 103 CFU/mL 的微生物量。
引物特異性：瓊脂糖凝膠電泳證實 RPA 引物僅擴(kuò)增目標(biāo)微生物基因組，與非靶標(biāo)菌株無交叉反應(yīng)。
3. 實際樣本檢測
在 50 組三星堆象牙表面拭子樣本中，VMD-Nano 檢測到假單胞菌（Sxd-A）、蠟樣芽孢桿菌（Sxd-D）、青霉菌（Sxd-1）等 6 種微生物，結(jié)果與 qPCR 完全一致（表 1）。檢測全程僅需 30 分鐘，較 qPCR 縮短 75% 時間，且無需冷鏈運(yùn)輸與專業(yè)實驗室環(huán)境。
Table 1 Summary of actual sample test results.
文物保護(hù)場景下的技術(shù)優(yōu)勢與未來展望
1. 核心優(yōu)勢
速度與便捷性：從采樣到出結(jié)果僅需 30 分鐘，適合文物發(fā)掘現(xiàn)場實時監(jiān)測。
低成本與易操作性：無需熒光染料、PCR 儀等昂貴耗材，僅需便攜式比色裝置，基層文物保護(hù)人員可快速掌握。
兼容性與擴(kuò)展性：適用于象牙、木材、紡織品等多種材質(zhì)文物，未來可通過設(shè)計多重 RPA 引物實現(xiàn)多菌種同步檢測。
2. 現(xiàn)存挑戰(zhàn)與改進(jìn)方向
定量精度提升：當(dāng)前為定性檢測，后續(xù)將結(jié)合光譜分析或數(shù)字 PCR 模塊，實現(xiàn)微生物負(fù)荷的定量評估。
環(huán)境抗干擾優(yōu)化：針對文物表面復(fù)雜污染物（如土壤顆粒、有機(jī)質(zhì)），優(yōu)化核酸提取步驟的抗干擾能力。
智能化應(yīng)用開發(fā)：結(jié)合 AI 圖像識別技術(shù)，開發(fā)手機(jī) APP 實現(xiàn)檢測結(jié)果的自動判讀，構(gòu)建文物微生物監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)。
結(jié)論：開啟文化遺產(chǎn)保護(hù)的 “納米精準(zhǔn)監(jiān)測” 時代
VMD-Nano 技術(shù)通過納米材料與分子生物學(xué)的跨界融合，為文物微生物檢測提供了 “現(xiàn)場化、可視化、快速化” 的全新方案。其在三星堆象牙保護(hù)中的成功應(yīng)用，標(biāo)志著納米技術(shù)在文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的實質(zhì)性突破。未來，隨著技術(shù)迭代，該系統(tǒng)有望拓展至全球文物遺址的微生物監(jiān)測，成為預(yù)防性保護(hù)體系的核心工具，為人類文明遺產(chǎn)的長期保存提供科學(xué)支撐。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.culher.2025.04.019
來源：微生物安全與健康網(wǎng)，作者~李康倩。
