骨骼是長期研究人類所必需的材料。更準(zhǔn)確地說，化石的放射性碳定年以及對古代飲食和老年人蛋白質(zhì)組成的研究都需要膠原蛋白或纖維組織，這些膠原蛋白或纖維組織為這些骨骼奠定了基礎(chǔ)。

已經(jīng)使用了許多方法來評估骨骼標(biāo)本中的膠原蛋白含量，這確定了其在此類研究中的有用性。但是，它們傾向于破壞所使用的樣品。現(xiàn)在，一項(xiàng)新的研究表明，近紅外(NIR)光譜作為此應(yīng)用的便攜式，無損且快速的工具，具有很高的價值。

問題

過去許多重要事件的發(fā)生是通過在人體和其他骨骼上使用放射性碳和其他測年方法確定的。分子指紋或骨膠原中不同同位素的類型和相對濃度的確定有助于確定當(dāng)時的飲食，包括各種糧食作物的出現(xiàn)和動物性食物的消費(fèi)地點(diǎn)。從這些骨骼確定的蛋白質(zhì)譜也顯示了古代人類與現(xiàn)代人類之間的差異。因此，科學(xué)家已經(jīng)能夠從骨骼膠原蛋白中發(fā)現(xiàn)許多重要的過去。

像所有“軟組織”一樣，膠原蛋白會隨著時間而變質(zhì)。而且，古代骨頭中膠原蛋白的保存程度因地點(diǎn)而異，甚至在同一地點(diǎn)的不同地點(diǎn)和土壤深度也不同。因此，考古學(xué)家可能會花費(fèi)大量的時間和精力，更不用說珍貴的資金，準(zhǔn)備樣品進(jìn)行分析，只是發(fā)現(xiàn)其中沒有足夠的膠原蛋白。在防御方面，科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計出了一些方法，可以通過檢查其氮含量，微孔率或通過FTIR光譜學(xué)發(fā)現(xiàn)來首先測試其保存程度。但是，在許多情況下，這些操作無法在本地完成，并且可能導(dǎo)致骨骼樣品的破壞。

解決方案

相反，與其他方法相比，NIR光譜在幾秒鐘內(nèi)即可得出結(jié)果，與微米相比，可以穿透骨骼達(dá)到更大的毫米深度，可以按比例縮小以實(shí)現(xiàn)便攜性，并保持骨骼完好無損。有效滲透的深度尤其重要，因?yàn)槌练e后通常會覆蓋許多骨表面。

技術(shù)

為了測試這種骨篩查技術(shù)的有效性，科學(xué)家在仍在其保護(hù)性玻璃小瓶內(nèi)的50個磨碎的骨標(biāo)本上使用了它。根據(jù)膠原蛋白的百分比對它們進(jìn)行分類，并根據(jù)其奇數(shù)和偶數(shù)將其分別分為兩組(校準(zhǔn)和驗(yàn)證)。使用基于校準(zhǔn)集中的25個樣品的模型，估算驗(yàn)證集中的樣品中膠原蛋白的百分比。

該技術(shù)在49個全骨樣品上重復(fù)進(jìn)行。然后將這些與地面骨骼掃描相結(jié)合，以產(chǎn)生兩組結(jié)合的地面骨骼和整個骨骼。這被用來產(chǎn)生一個模型，該模型有望覆蓋從完整到完全退化的所有可能的骨骼樣品。所有樣本都應(yīng)該具有45,000年的歷史。他們使用49個樣本集對模型進(jìn)行了校準(zhǔn)，并在驗(yàn)證集中的48個樣本上對其進(jìn)行了測試。

數(shù)據(jù)用于將樣品分類為樣品(分別高于3%或1%膠原蛋白)和不樣品組(分別低于3%或1%膠原蛋白)。然后使用常規(guī)方法從樣品中提取膠原蛋白。

基于25個樣品的校準(zhǔn)集的模型在21個樣品驗(yàn)證集上表現(xiàn)良好，對于3%以上的膠原蛋白而言，其準(zhǔn)確性為100%。在第二輪中，它能夠正確地分類膠原蛋白含量超過3%的30/32標(biāo)本，以及膠原蛋白含量低于3%的16個標(biāo)本中的88%。

最重要的發(fā)現(xiàn)是，100%的膠原蛋白含量超過3%的標(biāo)本中至少含有1%的膠原蛋白，足以用于放射性碳和古代骨骼的飲食分析。這可能不足以確定樣本是否真的保存完好。但是，在回答是否應(yīng)該對任何給定樣本進(jìn)行采樣這一問題上應(yīng)該很有用–是否有足夠的成功機(jī)會來彌補(bǔ)這一風(fēng)險?

近紅外光譜的優(yōu)勢

NIR光譜儀可用于查看世界各地考古樣本中膠原蛋白的保存狀態(tài)，推測年齡可達(dá)45000年。其他初步的篩選工具，例如氮?dú)獍俜直?，F(xiàn)TIR和拉曼光譜，也能夠在將骨骼分離成膠原蛋白含量高于或少于1%的骨骼中獲得70%以上的成功率。但是，在需要保存標(biāo)本，要處理大量標(biāo)本以及標(biāo)本表面被嚴(yán)重污染，需要更深的穿透深度的情況下，近紅外光譜將是最有用的?？蓴y帶性是其實(shí)用性的另一個重要方面-整個設(shè)備可放入帶有手持式探頭的公文包大小的袋子中。

在一個挖掘地點(diǎn)，可能有成千上萬的骨頭碎片可能對分析有用。即使整個骨骼中保存完好的膠原蛋白少于1%，也會發(fā)現(xiàn)一些膠原蛋白比例更高的標(biāo)本，并且可以通過在幾天內(nèi)掃描成百上千個標(biāo)本來識別這些相對稀有的標(biāo)本。

該技術(shù)還允許標(biāo)本的某些區(qū)域突出顯示以進(jìn)行進(jìn)一步分析。在所有發(fā)現(xiàn)物保存得不好的地方，這一點(diǎn)至關(guān)重要。這也可以幫助比較兩個站點(diǎn)之間的標(biāo)本質(zhì)量在保存和沉積后偽像方面的差異。

最后，近紅外光譜法可以幫助揭示在進(jìn)行進(jìn)一步分析之前樣品中存在哪些污染物，從而避免了繁瑣的鑒定和消除人工數(shù)據(jù)影響的繁瑣工作。最終，該技術(shù)也可能適用于篩選骨骼中的DNA，這是一個更為珍貴的發(fā)現(xiàn)。

第一次成功

該技術(shù)已經(jīng)在捷克站點(diǎn)進(jìn)行了試運(yùn)行，其中存在已知的最古老的藝術(shù)遺跡。研究人員只有6瓶取自人類墓地的樣品，但是當(dāng)通過NIR光譜分析這些樣品時，他們可以確定需要使用破壞性分析方法的樣品量，而不用冒全部丟失的風(fēng)險。