牙齿釉质死后改造作用的检验——联合分析方法与预处理方法标准化

《Journal of Archaeological Science》：Examination of the postmortem alteration of dental enamel – combined analytical approaches and pre-treatment method standardisation

　　

人类骨骼与牙齿釉质的主要组分是含碳酸盐的羟磷灰石（即生物磷灰石，bioapatite）。当存在沉积后改造时，样品预处理可能改变碳酸盐δ18Oc。傅里叶变换红外光谱（FTIR）峰面积比最大峰强度更能灵敏指示改造。用于碳酸盐δ18Oc的预处理方法会在生物磷灰石中引发非预期改造。因此，在测定碳酸盐δ18Oc前应避免样品预处理。研究人员利用匈牙利两处考古遗址（Balatonszentgy?rgy-Faluvégi d?l? no. 2 与 Orosháza, Bónum Faluhely）的人牙釉质样品，联合FTIR与X射线衍射（XRD）判定δ18Oc与δ18Op偏离平衡的原因，评估FTIR峰面积比与峰强度的敏感性，并对比预处理与未处理样品的碳酸盐氧同位素值。结果表明：预处理（NaOCl+乙酸法，参照Garvie-Lok等2004）对未改造样品影响微小，但对已改造样品会使其进一步偏离磷酸盐-碳酸盐平衡线，BSZ样品呈负向δ18Oc偏移、OSH样品呈正向偏移；FTIR峰面积比（CO3/PO4、OH/PO4）比峰强度指数（IRSF、C/C、C/P、API、BPI）更敏感；BSZ改造源于次生碳酸盐加入（~710 cm-1峰）及B型碳酸盐替代增加，OSH改造源于釉质碳酸盐与土壤水氧同位素交换。研究人员据此主张在牙釉质δ18Oc分析前应免用化学预处理，以保留原始同位素信号。

研究背景与问题提出

人类牙齿釉质与骨骼的主要矿物相为含碳酸盐的羟磷灰石（carbonate-bearing hydroxyapatite，生物磷灰石 bioapatite），其化学式为 Ca_10-x(PO₄)_6-x(CO₃)_x(OH)_2-x-2y(CO₃)_y，其中 y 为 OH^? 位 A 型碳酸盐替代、x 为 PO₄^3? 位 B 型碳酸盐替代。生物磷灰石磷酸盐氧同位素（δ¹⁸O_p）与碳酸盐氧同位素（δ¹⁸O_c）可反映个体摄入水（受当地雨水控制），因而被广泛用于考古与古环境重建及人畜迁徙研究。釉质高度矿化、抗改造性强于骨骼，但沉积后改造仍可通过次生矿物加入或与水溶液同位素交换发生，使 δ¹⁸O_c 与 δ¹⁸O_p 偏离 Chenery 等（2012）建立的平衡关系（δ¹⁸O_p = 1.035×δ¹⁸O_c ? 9.75）。目前牙釉质 δ¹⁸O_c 分析普遍沿用 NaOCl 除有机 + 稀乙酸除次生碳酸盐的预处理（Garvie-Lok 等 2004 精炼版），但近年研究质疑该流程会改变釉质化学组成与同位素值。本文即针对“预处理是否引入非原始信号”“FTIR 峰面积与峰强度何者更灵敏”“未处理与处理样品何者更保真”三个争议，在《Journal of Archaeological Science》报道系统性检验。

主要技术方法概览

研究人员选取匈牙利两处考古遗址人牙釉质：Late Copper Age 的 Balatonszentgy?rgy-Faluvégi d?l? no. 2（BSZ，8 例）与 High Medieval 的 Orosháza, Bónum Faluhely（OSH，12 例）。氧同位素分析方面，δ¹⁸O_c 采用预处理（2% NaOCl 24 h + 0.1 M 乙酸 4 h）与未处理（仅研磨）平行制备，经 103% H₃PO₄ 70℃ 反应由 IRMS 测定；δ¹⁸O_p 按 Stephan 2000 法转为 Ag₃PO₄ 后由 TC/EA-IRMS 测定。结构表征方面，未处理粉末经微聚焦 XRD（RIGAKU DMax Rapid II，CuKα）获 (002)(211)(112)(300) 峰宽（FWHM）；FTIR（Bruker Vertex 70 ATR）取 4000–400 cm^?1 谱，分别计算峰面积比（CO₃/PO₄、OH/PO₄）与峰高强度指数（IRSF、C/C、C/P、API、BPI）。以 δ¹⁸O_p 代入平衡式算理论 δ¹⁸O_c，实测值与理论值之差记为 Δ¹⁸O_c 作为改造量度。

研究结果

3.1 预处理对碳酸盐 δ¹⁸O 值的影响

通过 BSZ 与 OSH 样品预处理/未处理 δ¹⁸O_c 对比发现：未改造样品（落在 Chenery 平衡线内）预处理前后 Δ¹⁸O_c 差异极小；已改造样品预处理后 Δ¹⁸O_c 绝对值增大——BSZ 改造样均值由未处理 1.16‰ 增至处理 1.99‰（负向偏移加深），OSH 改造样由 1.21‰ 增至 3.73‰（正向偏移加深）。结论：Garvie-Lok 式预处理对已改造生物磷灰石产生额外非原始同位素移动，对未改造样基本中性。

3.2 磷灰石结晶度与同位素变化

XRD 仅检出碳酸根羟磷灰石，无外来矿物。以未处理样 (112) 峰 FWHM proxy 结晶度缺陷密度，发现 Δ¹⁸O_c≈0 的未改造样 FWHM₍₁₁₂₎ 最低；BSZ 改造样 FWHM 升高且 Δ¹⁸O_c 负偏，OSH 改造样 FWHM 升高且 Δ¹⁸O_c 正偏。结论：原始釉质结晶度下降（缺陷增多）与偏离磷酸盐-碳酸盐平衡伴生，但 XRD 单用无法区分是 CO₃^2?/OH^? 重排还是体相磷酸盐交换。

3.3 FTIR 峰与同位素变化

FTIR 峰面积比显示：BSZ 改造样 CO₃/PO₄ 面积比高、且 ~710 cm^?1 出现次生碳酸盐峰，指向低湿环境下次生碳酸盐加入及 B 型替代增强；OSH 改造样 CO₃/PO₄ 未升高，但 OSH2013.11.32 的 OH/PO₄ 极高，结合遗址常年浸泡土壤水、夏季蒸发致 ¹⁸O 富集，判定为釉质碳酸盐与土壤水氧同位素交换（正向偏移）。峰强度指数（IRSF/C/C/C/P/API/BPI）仅在重度改造时越出 France 等（2020）“完好保存”范围，而峰面积比在轻度改造即可分离。结论：FTIR 峰面积比敏感于早期诊断改造，峰强度指数适于判别晚期重度改造，二者联用佳。

3.4 预处理对碳酸盐含量的作用

未处理→预处理后，BSZ 改造样 CO₃/PO₄ 面积比下降但未降至未改造水平（次生碳酸盐未除尽且处理中氧化步诱生人工碳酸盐沉淀），故 δ¹⁸O_c 更负向偏离；OSH 改造样无次生碳酸盐，CO₃/PO₄ 下降属结构碳酸盐溶解，OH/PO₄ 同步降，支持乙酸处理促进表面 OH 氧交换。结论：预处理既溶结构碳酸盐、又可能促同位素交换，对已改造样是“雪上加霜”。

3.5 FTIR 指数作为改造标记的评价

将 IRSF、C/C、C/P、API、BPI 与 Δ¹⁸O_c 作图，France 等（2020）完好范围不能涵盖本文轻度改造样；BSZ 改造样具高 C/P、高 BPI、低 C/C（B 型主导），与峰面积结论互证。结论：峰值高度类指数仅响应进展期改造，峰面积比是更前置的诊断指标。

3.6 FTIR 指数与化学处理效应

对 Δ¹⁸O_c 漂移最大 4 样（BSZ05C、BSZ23C、OSH2013.11.113、OSH2013.11.32）比较处理前后：BSZ 样 C/C 升、BPI 与 ~710 cm^?1 强度降（次生 B 型碳酸盐部分移除），但 C/P 与 API 亦降（结构 A/B 型被误溶），IRSF 不变；OSH 样 C/C 升、API/BPI 降、IRSF 略升（无次生碳酸盐，仅结构碳酸盐重分布）。结论：该预处理在“去次生”同时损伤原生结构碳酸盐并诱发交换，净效应加剧偏离平衡。

讨论与结论翻译

讨论指出，沉积后改造主因为次生碳酸盐加入/结构纳入与土壤水同位素交换；预处理仅当样品原本未改造时近似中性，一旦有改造便放大不平衡，机制含次生碳酸盐种子化人工沉淀、乙酸步表面 OH 交换等。FTIR 峰面积比优于峰强度作早期预警，指数类补完机制解释。

结论节译：比较处理与未处理样表明，当存在沉积后改造时化学预处理会显著改动 δ¹⁸O_c 使其更离平衡，无改造时位移不显著；次生碳酸盐加入及与土壤水交换是碳酸盐相失平衡主因；FTIR 峰面积比之于峰强度对诊断改造更灵敏，指数类仅识重度改造但助解机制；Garvie-Lok 等（2004）式 δ¹⁸O_c 预处理不能彻底去除次生碳酸盐，且引发重结晶、A/B 型结构碳酸盐溶解与氧交换，故测牙釉质 δ¹⁸O_c 前应免用样品预处理，与 Varkulevi?iūt? 等（2025）一致。高 CO₃/OH 含量釉质 δ¹⁸O_c 用于迁徙解释须谨慎。