Bản tin tháng 04/2015

SỬ DỤNG NHIỀU PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐỂ SO SÁNH

GIỮA NGÀ VOI HIỆN ĐẠI VÀ NGÀ VOI HÓA THẠCH

Để phân biệt giữa ngà voi hiện đại và ngà voi hóa thạch (mammoth), các mẫu của cả hai loại được phân tích dưới kính hiển vi thạch học, kính hiển vi điện tử quét cắt lớp, phổ hồng ngoại và quang phổ bức xạ điện tử kích hoạt laser. Ngoài ra sự khác nhau còn được phát hiện dưới độ phóng đại thấp, SEM giải thích cấu trúc khác nhau của mỗi loại một cách chi tiết hơn. Trong khi ngà voi hiện đại cho thấy cấu trúc rất đặc sít dưới độ phóng đại cao thì ngà voi hóa thạch lại cho thấy cấu trúc xốp, rời rạc với nhiều rãnh dài và khe nứt hở. Phổ hồng ngoại – IR cho thấy sự khác nhau về hàm lượng nước và collagen. Ngà voi hiện đại cho thấy một dãy phổ hấp thu hồng ngoại rộng quanh đỉnh 3320 cm^-1, trong khi đó các dãy sắc nét giữa 3300 và 3500 cm^-1 thì có trong ngà voi hóa thạch cho thấy hàm lượng nước thấp hơn nhiều. Các đỉnh hấp thu hồng ngoại của ngà voi hiện đại ở 2927 và 2855 cm^-1, còn đối với ngà voi hóa thạch thì có đỉnh hấp thu yếu gần 3000 cm^-1, cho thấy sự mất đi một lượng collagen đáng kể sau khi chôn vùi hàng chục ngàn năm. Phân tích hóa LIBS cho thấy hàm lượng khác nhau của nhiều nguyên tố vi lượng. Ngà voi hóa thạch phong hóa nhẹ thì chứa Fe, Ti, Mn và Al, trong khi ngà voi hiện đại chứa Cr và Si cho thấy nguyên tố vi lượng có thể được dùng để phân biệt chúng.

Voi hiện đại đang có nguy cơ bị tuyệt chủng, chúng được bảo vệ bởi Hiệp ước quốc tế về việc cấm mua bán ngà voi. Việc cấm mua bán này không áp dụng đối với các mặt hàng mỹ nghệ được làm từ ngà voi hóa thạch – mammoth, hàng mỹ nghệ được chế tác từ ngà voi hóa thạch mammoth vẫn được mua bán hợp pháp trên thị trường đá quý. Ngà voi hóa thạch và ngà voi hiện đại có vẻ bề ngoài giống nhau và khó phân biệt chúng bằng mắt thường, đặc biệt ngà voi hóa thạch tương đối không bị phong hóa. Vì thế cần phải xác định ngà voi hiện đại và mammoth ở thị trường trang sức Trung Quốc vì giá trang sức ngà voi hiện đại và ngà voi hóa thạch khác nhau rất lớn. Ví dụ, giá mỗi vòng ngà voi hiện đại khoảng từ 400 – 500 USD, trong khi giá mỗi vòng ngà voi hóa thạch mammoth chỉ khoảng từ 200 – 300 USD.

Mammoth là loài động vật có vú đã tuyệt chủng thuộc họ voi, chúng sống vào giai đoạn có tuổi Pleistocene muộn ở Châu Âu, Bắc Á và Bắc Mỹ. Hóa thạch của chúng được tìm thấy phần lớn ở các vùng đất đóng băng thuộc Alaska và Seberia. Những tài liệu về voi mammoth phần lớn đề cấp đến đời sống, sự tuyệt chủng và những viễn tưởng về sự tái sinh của chúng (Iacumin và cộng sự, 2005; Basilyan và cộng sự, 2011). Những nghiên cứu ngọc học về ngà voi mammoth hầu như không có, bên cạnh đó tài liệu về ngà voi cũng khá hạn chế (Edwards và Farwell, 1995; Edwards và cộng sự; Raubenheimer và cộng sự, 1998; Su và Cui, 1999; Reiche và cộng sự, 2001; Sakae và cộng sự, 2005; Edwards và cộng sự, 2006; Singh và cộng sự, 2006; Müller và Reich, 2011). Bài viết này nghiên cứu cấu trúc và thành phần hóa học của cả hai loại ngà voi để thấy rõ hơn những đặc điểm có thể dùng để phân biệt chúng.

KHOÁNG VẬT VÀ PHƯƠNG PHÁP

Các mẫu ngà voi hiện đại gồm các hạt được cung cấp bởi Bảo Tàng thuộc Đại Học Khoa Học Địa Chất Trung Quốc (hình 1). Chúng có xuất xứ từ Thái Lan và thuộc loài voi Châu Á. Nhóm nghiên cứu được cho phép cắt 1 viên ra làm đôi để kiểm tra dưới kính hiển vi điện tử quét cắt lớp (SEM).

Nhóm nghiên cứu có được 4 mẫu ngà voi hóa thạch từ ngà voi mammoth được bán trong cửa hàng quà lưu niệm ở Bảo Tàng Địa Chất thuộc tỉnh Guangdong – Quảng Đông, Trung Quốc. Cả ba mẫu (hình 2) được cắt mài vuông góc theo chiều dọc của chiếc ngà. Mẫu M1 gồm 3 lớp: bề mặt màu đen bị phong hóa mạnh, lớp giữa màu nâu bán phong hóa và lớp bên trong màu trắng bị phong hóa nhẹ. Mẫu này được cắt thành 4 miếng để phân tích và mỗi miếng đều gồm 3 lớp. Mẫu M2 chỉ có một lớp giữa màu nâu bán phong hóa và mẫu M3 chỉ có một lớp trong cùng bị phong hóa nhẹ.

Các mẫu đã được kiểm tra các chỉ tiêu ngọc học cơ bản để xác định chiết suất điểm, tỉ trọng và phản ứng phát quang dưới đèn cực tím của chúng. Để nghiên cứu cấu trúc ở nhiều cấp độ khác nhau, các mẫu được quan sát bằng cả kính hiển vi thạch học và SEM (kính hiển vi điện tử quét cắt lớp). Các mẫu hoặc các mảnh mẫu nhỏ từ hai loại ngà voi được đặt cẩn thận trong dung dịch carborundum cho đến khi chúng trở thành các lát mỏng gần như trong suốt để nghiên cứu dưới kính hiển vi thạch học. Kính hiển vi quét năng lượng 200 lượng tử ở Đại Học Khoa Học Địa Chất Trung Quốc ở Wuhan – Vũ Hán được sử dụng cho nghiên cứu này. Các mẫu có các đường “schreger” – sọc đan chéo – sẽ được lựa chọn để nghiên cứu và chúng sẽ được làm sạch bằng cồn và làm khô trong không khí. Các mẫu được nhóm nghiên cứu làm cho rạn nứt và các mặt nứt được phủ lớp bột vàng bằng cách dùng lớp phủ lắng động ion SCD-005. Sau đó chúng được buộc vào bảng kim loại tròn để quan sát. Mức năng lượng 200 lượng tử tương đương 3,5 nm dưới điện áp 30 KV ở cả 2 trạng thái chân không cao và thấp, 3,5 mm trong kiểu chân không ESEM dưới 30 KV và 15 nm trong chân không thấp dưới 3 KV. Nhóm nghiên cứu sử dụng kính phóng đại từ 7 – 1.000.000 lần và điện áp gia tốc 200 V đến 30 KV với dây tóc tungsten (W) và cường độ dòng điện cực đại là 2 mA. Các hình ảnh SEM là từ các điện tử thứ cấp.

Phân tích phổ hồng ngoại được thực hiện bằng phổ kế hồng ngoại biến hình Fourier 550 Nicolet (FTIR) với độ phân giải 0,5 cm^-1, quét trong vùng 4000 – 400 cm^-1 và 32 lượt quét trên mỗi giây ở nhiệt độ phòng (25^oC). Một nửa hạt ngà voi hiện đại và một mẫu ngà voi hóa thạch với các lớp màu đen, nâu và trắng (mẫu M1) được phân tích thông qua viên bột nén KBr. Chỉ có các lớp màu trắng của mẫu M1 được nghiên cứu bằng FTIR vì màu của chúng gần giống với màu của ngà voi hiện đại.

Phân tích quang phổ phát xạ điện tử cảm biến laser (LIBS) được thực hiện bằng LIBS2005 với kích hoạt laser Nd:YAG trạng thái rắn (chiều dài bước sóng 1064 nm) tại Đại Học Khoa Học Địa Chất Trung Quốc để đo bán định lượng các yếu tố vi lượng. Phương pháp kiểm tra này sử dụng điện áp 500 – 600V và tầng số 10 Hz.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Đặc điểm ngọc học: Cả 2 loại đều có chiết suất điểm (1,52–1,54) và tỉ trọng (1,69–1,81) như nhau, vì thế không thể phân biệt chúng bằng những đặc điểm này. Các hạt ngà voi hiện đại có phát quang màu trắng phớt xanh dưới chiếu xạ cực tím – UV sóng dài và màu trắng phớt xanh rất yếu dưới UV sóng ngắn (hình 3).

Lớp màu trắng bị phong hóa nhẹ của ngà voi hóa thạch (M1) cho thấy phát quang dưới UV sóng dài mạnh hơn dưới UV sóng ngắn, trong khi đó lớp màu nâu bán phong hóa (M2) có phát quang yếu hơn lớp màu trắng dưới cả UV sóng dài và sóng ngắn (hình 4, hàng trên). Lớp màu đen bị phong hóa mạnh từ mẫu M1 thì trơ dưới cả cực tím sóng ngắn và dài. Những quan sát này cho thấy mức độ phong hóa tỉ lệ nghịch với cường độ của phản ứng phát quang.

Cả hai loại ngà chứa phần lớn là khoáng hydroxyapatite và khoáng hữu cơ. Hydroxyapatite thường không có đặc điểm phát quang nhưng khoáng hữu cơ thì lại có nên ngà voi có nhiều khoáng hữu cơ hơn sẽ phát quang mạnh hơn. Điều này hàm ý rằng sự phong hóa phá hủy khoáng hữu cơ nhiều hơn khoáng vô cơ.

Phân tích cấu trúc: Cả hai loại ngà voi hiện đại và mammoth đều có hoa văn chữ V đan chéo nhau được biết là các đường Schreger (Singh và cộng sự, 2006; Palombo và cộng sự, 2012). Các góc Schreger của mẫu ngà voi hiện đại là 115^o hoặc 65^o (xem ảnh nhỏ trong hình 1). Theo Singh và cộng sự (2006) thì trị số góc Schreger trung bình tại các vị trí khác nhau của cả 3 phần ngà voi Châu Á là (91,1 ± 0,70)^o.

Mẫu ngà voi hóa thạch M3 (xem lại hình 2) có góc Schreger khoảng 100^o. Theo Fisher và cộng sự (1998), các góc Schreger trong ngà mammoth từ 62^o hoặc 105^o tùy vào các lớp khác nhau, với giá trị trung bình là 87,1^o. Các góc Schreger từ lớp ngoài cùng của ngà mammoth được đo bởi Trapani và Fisher (2003) ở chỗ giao giữa phần ngà răng và lớp xương bao phủ chân răng từ 70^o đến 100^o (Palombo và cộng sự, 2012). Vì thế việc xác định ngà voi hóa thạch và hiện đại dựa vào các góc Schreger đòi hỏi phải hết sức cẩn thận. Đồ mỹ nghệ làm từ ngà voi được cắt ra từ nhiều lớp khác nhau của ngà hay cắt ở các góc hơi khác nhau tương ứng với chiều dài của ngà có thể có các góc Schreger khác nhau.

Cấu trúc hiển vi:

Ngà voi hiện đại: Ảnh chụp dưới kính hiển vi của ngà voi hiện đại phóng đại 200 lần cho thấy các đường hoa văn Schreger (các đường thẳng đứng thưa thớt) hiện diện theo 1 hướng (hình 5). Các đường nằm ngang mảnh gần như song song với nhau là các đường sọc mài do đánh bóng.

Ngà voi hóa thạch: Lát mỏng được lấy từ mẫu bán phong hóa M2. Ở mức phóng đại 200 lần thì các đường Schreger không rõ; chỉ thấy duy nhất các đường sọc mài do đánh bóng và các vết nứt (hình 6). Phần lát mỏng được cắt ra từ duy nhất lớp màu trắng của mẫu M1 của ngà hóa thạch thì không thấy sự khác nhau rõ ràng với ngà voi hiện đại khi quan sát dưới kính hiển vi thạch học, vì các lớp màu trắng thì ít bị phong hóa và cả hai trông giống như nhau dưới phóng đại nhỏ hơn 500 lần.

Các đường Schreger của cả hai loại có thể nhìn thấy ở phóng đại thấp (nhỏ hơn 100 lần) như những quan sát thấy trên các lát mỏng. Dưới phóng đại cao hơn các đường Schreger hầu như ít được nhìn thấy. Các vết nứt và các lỗ hỏng hốc không thấy có trong lát mỏng của ngà voi hiện đại nhưng chúng thấy rõ trong mẫu ngà voi hóa thạch M2.

Phân tích SEM:

Ngà voi hiện đại: Các hình ảnh SEM từ mẫu hạt ngà trong hình 1 ở các độ phóng đại khác nhau cho thấy một số đặc điểm thú vị. Thứ nhất, cấu trúc của ngà voi hiện đại ở dạng đặc sít và có cấu trúc phiến/lớp thường có các lớp bằng phẳng song song với nhau tạo thành hình ảnh dạng xếp tầng (hình 7, trái và giữa). Đặc điểm nổi bậc khác là các lớp hình thành nên thân ngà voi cũng có cấu trúc phẳng khi quan sát dưới độ phóng đại cao (hình 7, phải).

Ngà voi hóa thạch: Lớp màu đen bị phong hóa mạnh của mẫu ngà voi hóa thạch M1 cho thấy các đặc điểm sau.

Các vết nứt hở bị bể và nghiền nát thường thấy trên bề mặt vỡ (hình 8). Dù có nhiều vết nứt trong cả 2 loại ngà voi (hình 7, trái; hình 8, trái) nhưng sự hình thành của chúng là khác nhau. Bởi vì ngà voi hiện đại chứa thành phần khoáng hữu cơ cao nên các tác động lực cơ học bên ngoài thường tạo ra các khe nứt thẳng qua bề mặt. Nhưng do các khoáng hữu cơ trong ngà voi hóa thạch giảm dần do quá trình phong hóa nên các khe nứt dần dần tạo thành các mảnh vụn. Dưới tác động lâu dài của quá trình phong hóa (hình 8), cấu trúc của ngà voi hóa thạch có vẻ xốp lên do mất dần khoáng hữu cơ, điều đó làm giảm lực gắn kết trong cấu trúc của hydroxyapatite (Qui và cộng sự, 2010).

Nhiều rãnh dài, hẹp và các lỗ nhỏ được nhìn thấy có trong lớp bị phong hóa mạnh của ngà voi hóa thạch M1. Những rãnh hình trụ này phổ biến trong các hình ảnh SEM của các mẫu ngà voi mammoth trong nghiên cứu này. Chúng định hướng theo chiều dọc của ngà voi. Những nghiên cứu trước đây (Su và những người khác, 1999; Ge và những người khác, 2006) kết luận rằng trong ngà và xương voi thời tiền sử, hydroxyapatite tồn tại ở dạng nano – cực kỳ nhỏ (10^-9 m) với cấu trúc phiến/lớp và trục c của nó theo hướng dọc theo chiều dài của các sợi collagen. Müller và những người khác (2011) chỉ ra rằng trong tất cả ngà voi thì các bó sợi collagen sắp xếp quanh khoang tủy răng ở chính giữa chiếc ngà. Các lớp bề mặt màu đen trãi qua quá trình mất các hợp chất hữu cơ nhanh nhất. Dựa vào hướng và hình dạng của những rãnh và lỗ này nhóm nghiên cứu suy luận ra rằng chúng được tạo ra do sự biến mất của các sợi collagen.

Một số đường khe rãnh dễ thấy và không đều nằm vuông góc với các lớp tinh thể xếp chồng lên nhau trong lớp màu đen của ngà voi hóa thạch. Những đường khe rãnh này có thể độc lập hay gối chồng lên nhau (hình 10). Chúng khác với các rãnh trong hình 9, chúng có ánh thủy tinh. Những nghiên cứu và quan sát hiện tại bằng kính hiển vi phân cực cho thấy rằng các đường rãnh này liên quan đến các sợi collagen và cơ chế tăng trưởng của các đường Schreger (Su và những người khác, 1999).

Phóng đại 1500 – 6000 lần cho thấy rằng cấu trúc lớp màu trắng bị phong hóa nhẹ của ngà voi hóa thạch M1 rắn chắc gần giống như cấu trúc của ngà voi hiện đại (hình 11). Có một số lỗ nhỏ trong lớp màu trắng nhưng chúng ít hơn về số lượng cũng như mức độ dễ nhìn thấy so với những lỗ trong lớp màu đen (hình 9, bên trái). Tương tự, nhóm nghiên cứu cũng suy luận ra rằng những lỗ này hầu như được hình thành do mất khoáng hữu cơ trong quá trình bị phong hóa.

 (Theo Zuowei Yin, Pengfei Zhang, Quanli Chen, Qinfeng Luo, Chen Zheng, and Yuling Li, bài Comparison Of Modern And Fossil Ivory, quyển G&G Spring 2013) (Còn tiếp)