Ученые «обстреляли» лазером вековые экспонаты Дарвина: найден способ определить состав образцов, не срывая пломб

В подвалах и хранилищах мировых музеев естественной истории скрывается огромный, но труднодоступный научный ресурс — так называемые «влажные коллекции». Это миллионы биологических образцов, от микроскопических беспозвоночных до органов крупных млекопитающих, законсервированных в стеклянных сосудах. Некоторые из них были собраны еще в XVIII веке, другие — доставлены экспедициями Чарльза Дарвина. Однако хранители этих сокровищ сталкиваются с серьезной проблемой: они часто не знают, в чем именно плавают эти экспонаты.

Группа исследователей предложила решение, позволяющее определить химический состав жидкости с высокой точностью, не вскрывая вековые пломбы и не подвергая риску уникальные ткани.

Кризис идентификации

Хранение биологического материала в жидкости — это постоянная борьба с распадом. На протяжении последних трехсот лет методы этой борьбы менялись вместе с развитием химии. В ранних коллекциях использовали «винный дух» (этанол различной степени очистки), ром или бренди. В XIX веке, с развитием анатомии и патологоанатомии, стандартом стали формальдегид и глицерин. Позже появились сложные многокомпонентные смеси, включающие пикриновую кислоту, хлорид ртути, мышьяк и камфору.

Сегодня музейный куратор, работающий с коллекцией XIX века, находится в ситуации неопределенности. Этикетки выцветают, журналы учета теряются, а химический состав жидкости меняется из-за испарения или предыдущих (часто недокументированных) вмешательств. Это создает три риска:

1. Угроза сохранности. Если уровень жидкости в банке падает, его необходимо восполнить. Но ошибка в выборе реагента фатальна: добавление спирта в формальдегидный раствор (или наоборот) может вызвать необратимое сжатие тканей, выпадение осадка или разрушение клеточной структуры образца.
2. Токсическая опасность. Вскрытие исторического сосуда — это всегда риск для персонала. Пары ртути, мышьяка или старого концентрированного формалина представляют реальную угрозу здоровью.
3. Утрата исторического контекста. Герметичность сосуда, тип стекла, сургучная печать и даже воздух внутри банки являются частью исторического объекта. Вскрытие уничтожает эту целостность.

Традиционные методы анализа требуют отбора пробы шприцем, что нарушает герметичность. Существующие бесконтактные методы, такие как классическая рамановская спектроскопия, в данном случае не работают. При попытке просветить банку лазером стекло начинает сильно флуоресцировать — испускать собственное свечение. Этот шум полностью перекрывает слабый сигнал от жидкости, находящейся внутри.

Технология пространственного смещения

Для решения этой задачи исследователи из Музея естественной истории в Лондоне совместно с учеными из Центральной лазерной лаборатории применили метод пространственно-смещенной рамановской спектроскопии (SORS).

В основе метода лежит физика рассеяния света в мутных средах. Когда лазерный луч попадает на контейнер, фотоны ведут себя по-разному. Часть из них отражается от поверхности стекла практически мгновенно. Другая часть проникает внутрь, взаимодействует с молекулами жидкости, многократно рассеивается и только потом выходит наружу.

Классический спектрометр направляет лазер и собирает отраженный сигнал в одной и той же точке. Из-за этого он видит в основном поверхность (стекло), которая дает мощную паразитную засветку.

Технология SORS работает иначе. В этом методе точка возбуждения (куда бьет лазер) и точка сбора сигнала (откуда детектор считывает свет) разнесены в пространстве на несколько миллиметров. Это позволяет отсечь поверхностный сигнал. Фотоны, которые вышли из стекла в точке входа лазера, игнорируются. Детектор ловит только те фотоны, которые прошли определенный путь внутри материала, рассеялись в глубине жидкости и вышли на поверхность в стороне от луча.

Математический алгоритм затем обрабатывает полученные данные, вычитая спектр стекла из общего сигнала. В результате исследователь получает чистый химический профиль содержимого, свободный от помех упаковки.

Полевые испытания: от Дарвина до современности

Команда провела серию экспериментов непосредственно в хранилищах музея, используя портативный прибор. Для исследования были отобраны 46 образцов, охватывающих широкий временной диапазон и разнообразие таксономических групп — от рыб и рептилий до беспозвоночных. В выборку попали как экспонаты, собранные Чарльзом Дарвином во время путешествия на «Бигле» (1830-е годы), так и образцы из знаменитой «Танковой комнаты», где хранятся крупные экземпляры.

Результаты, опубликованные в журнале ACS Omega, подтвердили высокую эффективность метода SORS в реальных условиях:

• Высокая точность: в 78,5% случаев прибор безошибочно определил основной состав консерванта, полностью совпав с архивными записями или экспертной оценкой кураторов.
• Чувствительность к деталям: метод позволил различить нюансы, недоступные для визуального осмотра. SORS успешно дифференцировал чистый этанол, смеси этанола и метанола, формальдегидные растворы различной концентрации, а также сложные исторические рецептуры, такие как жидкость Кайзерлинга (глицерин, ацетат калия) и жидкость Стидмана.
• Работа со сложными смесями: прибор смог идентифицировать компоненты даже в тех случаях, когда жидкость была сильно загрязнена продуктами распада тканей, жирами или пигментами, выделившимися из образцов за столетия хранения.

Ошибки или неопределенные результаты (всего около 6,5% случаев) возникали только в ситуациях высокой флуоресценции самих биологических тканей, которая перекрывала сигнал жидкости, или при наличии редких пестицидов, спектры которых отсутствовали в калибровочной базе данных.

Скрытая информация: датировка стекла

В процессе анализа исследователи обнаружили, что необходимость вычитать сигнал стекла для получения данных о жидкости открывает еще одну аналитическую возможность. Изолированный спектральный сигнал контейнера позволяет определить химический состав самого стекла или пластика.

Это превратило прибор в инструмент для датировки и атрибуции музейной тары. SORS четко разделил контейнеры на несколько групп:

1. Боросиликатное стекло: современный стандарт лабораторной посуды, устойчивый к термическим и химическим воздействиям.
2. Натриево-кальциевое стекло: типичное стекло для окон и бутылок, широко использовавшееся в XIX и начале XX веков.
3. Свинцовое стекло: более тяжелое и дорогое стекло, характерное для определенных исторических периодов и производителей.
4. Полимеры: метод точно идентифицировал различные виды пластиков (полиэтилен низкой плотности, полипропилен, полиметилметакрилат), использовавшихся для переупаковки в более поздние периоды.

Такая информация позволяет историкам науки реконструировать историю коллекции, понимая, когда и как образцы перемещались из одной емкости в другую, даже если документация об этих действиях была утрачена.

Значение для современной науки

Внедрение технологии SORS в музейную практику решает несколько критически важных задач, выходящих за рамки простой инвентаризации.

Во-первых, биологическая безопасность. Теперь сотрудники музеев могут проводить массовый скрининг фондов, выявляя банки с опасными токсинами (соединениями ртути и мышьяка) без необходимости открывать их. Это позволяет заранее маркировать опасные объекты и разрабатывать соответствующие протоколы обращения с ними.

Во-вторых, молекулярная генетика. Состав консерванта напрямую влияет на сохранность ДНК. Формальдегид вызывает перекрестное сшивание молекул ДНК, делая их труднодоступными для секвенирования. Спирт, напротив, является отличным консервантом для генетического материала. SORS позволяет неинвазивно сортировать коллекции, выделяя те образцы, которые пригодны для извлечения ДНК. Это открывает доступ к геномам вымерших видов или популяций, исчезнувших сотни лет назад, без риска повредить ценный экземпляр напрасной попыткой анализа.

В-третьих, стратегия консервации. Точное знание концентрации спирта позволяет кураторам принимать обоснованные решения о необходимости долива жидкости. Если концентрация падает ниже критического уровня (обычно 70%), начинаются процессы бактериального разложения. Мониторинг этого параметра с помощью лазера позволяет предотвратить утрату экспонатов.

Исследование демонстрирует, как передовые методы физической химии трансформируют консервативную область музейного дела. Возможность читать химический состав сквозь сквозь стекло превращает пыльные полки хранилищ в активный источник данных, доступный для изучения без разрушения.

Источник: ACS Omega