银杏提取的碳量子点作为洞窟渗水检测的新型示踪剂

隐蔽泄漏威胁古老石雕

在中国河谷上方的悬崖上，古老的石佛与彩绘石窟保存了千年以上。然而它们面临的一个现代主要威胁却十分平常：水缓慢渗透通过岩石。找出这些水的来源及其在悬崖内部的流动路径，对于保护这些珍宝至关重要——但必须在不损伤脆弱石材的前提下进行。本研究引入了一种新的、基于植物的发光示踪剂，可安全追踪岩石内部的隐蔽水路，帮助保护者看到曾经不可见的路径。

一种新型安全的发光示踪剂

保护人员已使用多种工具——如地下雷达和电阻探测——来寻找石材中的水。但这些技术主要为油田和地下水研究而设计，未必适合精细复杂的洞窟墙体，且常缺乏所需的细节分辨率。另一个选择是示踪法：向疑似水源投加可检测物质，观察其出现位置。但许多人造示踪剂可能污染、与古石反应或以其他方式损害文物。在这项工作中，研究者转向碳量子点——由常见的银杏叶制成、仅数十亿分之一米大小的碳微粒。这些量子点在特定光源下强烈发光，易溶于水，并由碳、氢、氧、氮等简单元素构成，使其作为温和示踪剂具有吸引力。

从银杏叶到明亮纳米微粒

团队使用可扩展至现场工作的水热法制备这些量子点。新鲜银杏叶被清洗、与去离子水混合并在密闭容器中加热，随后过滤、离心并纯化，得到清澈发光的碳点溶液。电子显微镜显示粒子典型直径约为3纳米——足够小可通过砂岩内部的细小孔隙和裂缝而不易团聚。化学测试表明其表面富含亲水基团，帮助颗粒保持分散而不沉降。该量子点在酸碱度、温度和水化学条件的变化下仍保持强而稳定的发光，这些条件类似于作为实地测试对象的乐山大佛周围自然渗水环境。

评估对石材的安全性

为了确保这种新示踪剂不会在不知不觉中侵蚀石材，研究者从乐山大佛附近采集了新鲜砂岩。他们将岩石粉碎，分别与纯水或示踪剂溶液混合，并在两周内跟踪钙、镁、钠、钾等金属离子进入水中的释放情况。如果示踪剂与矿物发生反应，会导致这些离子含量与纯水处理不同。结果显示差异极小，可归因于正常测量不确定性。换言之，几乎所有化学变化都源于水与岩石的相互作用——而非碳点或两种常用对照染料（荧光素和罗丹明B）。这表明基于银杏的碳点不太可能通过改变岩石化学性质或孔隙结构而造成新的损伤。

追踪砂岩中的流动

随后，团队考察了这些碳点随水在岩石中迁移的性能。他们用粉碎砂岩填充透明柱体，使其饱和后分别注入碳点、荧光素或罗丹明B溶液。通过收集出口处的水并随时间测量其发光强度，构建出“突破曲线”，以揭示每种示踪剂通过柱体的速度与完整性。碳点和荧光素在约一孔隙体积流量后即在出口出现，并维持高且稳定的信号，且在改用清水冲洗后较快被洗出。相比之下，罗丹明B到达较晚、累积较慢，并在大量清水通过后仍滞留，表明其易吸附于岩石，在该砂岩中迁移性差。

对洞窟保护的意义

综合来看，银杏提取的碳量子点具备在洞窟示踪所需的三项关键特性：在极低用量下仍具高可见性、能随渗水高效通过典型洞窟砂岩、且与岩石的化学相互作用极小。与结晶盐不同，它们不会在细小裂缝中结晶；与某些染料或放射性示踪剂不同，它们对石材和周围环境的风险极低。这使其成为绘制水进入位置、流动路径和出露点的有前景新工具。借助更清晰的隐蔽水路图谱，保护人员将更有效地设计排水、密封或其他保护措施，帮助这些不可替代的石质遗产世代相传。

引用: Sun, B., Shi, W., Ma, F. et al. Ginkgo-derived carbon quantum dots as a novel tracer for water seepage detection in grottoes. npj Herit. Sci. 14, 114 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02344-7

关键词: 文化遗产保护, 渗水, 碳量子点, 洞窟砂岩, 荧光示踪剂