中国工程院食品安全院士团队

科研成果转化平台

三星堆古象牙的微生物威胁与检测困境

三星堆遗址出土的古象牙作为商周时期重要文化遗产，其保存面临严峻挑战。潮湿环境滋生的微生物（如细菌、真菌）通过分泌有机酸、酶等代谢产物，逐步侵蚀象牙结构，导致颜色改变、质地脆化甚至崩解。传统微生物检测依赖实验室培养或荧光定量 PCR（qPCR），需专业设备与 2 小时以上检测时间，难以满足文物现场快速监测需求。

针对这一痛点，吉林大学与四川省文物考古研究院合作开发可视化微生物检测系统（VMD-Nano），利用纳米技术实现对古象牙表面微生物的无损、快速、可视化检测，为文物保护提供即时预警工具。

VMD-Nano 技术原理：纳米粒子与生物信号的巧妙联动

VMD-Nano 系统整合三大核心模块，形成完整检测链条：

1. 基因组快速提取
细菌检测：采用含 NaOH、EDTA 等成分的快速基因组提取试剂（RGE-B），50 μL 样本与试剂混合后静置 3 分钟，即可获得 DNA 模板。
真菌检测：利用纤维素酶与几丁质酶组成的 RGE-F 试剂，结合微波处理，15 秒内破坏真菌细胞壁，提取基因组 DNA。

2. 重组酶聚合酶扩增（RPA）
以提取的基因组为模板，通过 RPA 技术在恒温条件下快速扩增目标微生物的特异性核酸片段（如细菌 16S rRNA、真菌 ITS 基因），30 分钟内可实现核酸拷贝数的百万级扩增，显著提升检测灵敏度。

3. 可视化比色检测
纳米酶催化与核酸屏蔽效应：MNPs 在酸性条件下（pH 3.6）催化 H₂O₂生成羟基自由基，氧化 KI 产生 I₂；I₂蚀刻 AuNRs 使其表面等离子体共振（LSPR）波长改变，溶液颜色从蓝色变为红色。
目标微生物识别逻辑：若样本含目标微生物，其扩增的核酸片段吸附于 MNPs 表面，屏蔽酶活性，抑制 I₂生成，AuNRs 蚀刻程度降低，溶液颜色保持蓝色或呈现中间色；反之，无核酸时 MNPs 充分催化，溶液呈红色。

图 1.用于检测目标微生物的 VMD-Nano 系统：（1） 用无菌棉签从三星堆出土的古代象牙表面收集灰尘;（2） 使用 RGE-B 和 RGE-F 试剂从样品中快速提取基因组 DNA;（3） 基因组 DNA 模板 RPA 反应;（4） 将 RPA 扩增产物与视觉检测系统混合;（5） 根据颜色变化对测试结果进行评估，以确定样品中是否存在目标微生物。

关键实验验证：从实验室到文物现场的跨越

1. 纳米材料表征
MNPs 特性：透射电镜（TEM）显示 MNPs 粒径约 20.4 nm，X 射线衍射（XRD）与 X 射线光电子能谱（XPS）证实其为 Fe₃O₄磁性纳米粒子，过氧化物酶活性达 3.035 U/g，确保高效催化性能。
AuNRs 光学响应：紫外 - 可见光谱显示其纵向 LSPR 峰位于 697 nm，横向峰位于 512 nm；I₂浓度升高导致 LSPR 峰蓝移，溶液颜色变化与 DNA 浓度呈正相关（图 2）。

图2.从含有不同摩尔量 I2 的分析系统获得的 AuNRs 溶液的吸收光谱

2. 灵敏度与特异性
最低检测限：系统可识别低至 2×10⁹拷贝 /μL 的 DNA 浓度，对应约 10³ CFU/mL 的微生物量。
引物特异性：琼脂糖凝胶电泳证实 RPA 引物仅扩增目标微生物基因组，与非靶标菌株无交叉反应。

3. 实际样本检测
在 50 组三星堆象牙表面拭子样本中，VMD-Nano 检测到假单胞菌（Sxd-A）、蜡样芽孢杆菌（Sxd-D）、青霉菌（Sxd-1）等 6 种微生物，结果与 qPCR 完全一致（表 1）。检测全程仅需 30 分钟，较 qPCR 缩短 75% 时间，且无需冷链运输与专业实验室环境。

Table 1 Summary of actual sample test results.

文物保护场景下的技术优势与未来展望

1. 核心优势
速度与便捷性：从采样到出结果仅需 30 分钟，适合文物发掘现场实时监测。
低成本与易操作性：无需荧光染料、PCR 仪等昂贵耗材，仅需便携式比色装置，基层文物保护人员可快速掌握。
兼容性与扩展性：适用于象牙、木材、纺织品等多种材质文物，未来可通过设计多重 RPA 引物实现多菌种同步检测。

2. 现存挑战与改进方向
定量精度提升：当前为定性检测，后续将结合光谱分析或数字 PCR 模块，实现微生物负荷的定量评估。
环境抗干扰优化：针对文物表面复杂污染物（如土壤颗粒、有机质），优化核酸提取步骤的抗干扰能力。
智能化应用开发：结合 AI 图像识别技术，开发手机 APP 实现检测结果的自动判读，构建文物微生物监测物联网。

结论：开启文化遗产保护的 “纳米精准监测” 时代

VMD-Nano 技术通过纳米材料与分子生物学的跨界融合，为文物微生物检测提供了 “现场化、可视化、快速化” 的全新方案。其在三星堆象牙保护中的成功应用，标志着纳米技术在文化遗产领域的实质性突破。未来，随着技术迭代，该系统有望拓展至全球文物遗址的微生物监测，成为预防性保护体系的核心工具，为人类文明遗产的长期保存提供科学支撑。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.culher.2025.04.019

来源：微生物安全与健康网，作者~李康倩。