表面增強拉曼光譜對紡織品文物中茜素和茜紫素的快速檢測

陳 磊， 裴克梅， 康曉靜， 李文瑛， 趙 豐， 劉 劍

(1. 浙江理工大學(xué) 化學(xué)系， 浙江 杭州 310018； 2. 新疆文物考古研究所， 新疆 烏魯木齊 830011； 3. 中國絲綢博物館， 浙江 杭州 310002)

表面增強拉曼光譜技術(shù)(SERS)廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化工、環(huán)境檢測等諸多領(lǐng)域[1-3]，因其對樣品的非接觸性、非破壞性、檢測靈敏度高、檢測時間短以及所需樣品量少等優(yōu)點成為文物考古中一種理想的檢測分析方法。近十年以來，科技考古工作者已經(jīng)嘗試?yán)帽砻嬖鰪娎庾V技術(shù)檢測分析文物和藝術(shù)品中著色劑的成分組成[4]。

當(dāng)前對文物和藝術(shù)品中染料的分析手段主要有高效液相色譜法(HPLC)、紫外-可見光譜法(UV-Vis)、傅里葉變換紅外光譜法(FT-IR)、近紅外光譜法(NIR)和拉曼光譜法等[5]。高效液相色譜法可以靈敏地分辨出染料的成分組成，但是其需要較多樣品量(質(zhì)量為0.2～1 mg)，且需進行破壞性萃取才可進行，使其不適合用來研究一些珍貴的文物藝術(shù)品[6]。紫外-可見光譜法因缺乏特異性且易受基質(zhì)干擾進而限制其在文物藝術(shù)品中的應(yīng)用[7]。紅外光譜和常規(guī)拉曼光譜易因基質(zhì)帶來干擾，難以對一些微量染料進行鑒定[8-9]。表面增強拉曼光譜通過在有一定粗糙度的金屬(如金、銀、銅等)表面吸附染料分子，產(chǎn)生SERS效應(yīng)使樣品的拉曼信號增強104～107倍，并且能夠淬滅染料分子的熒光背景[10]，因此，SERS與其他分析技術(shù)相比，具有明顯優(yōu)勢。

茜草(Madder)類植物作為紅色染料自古以來就被廣泛應(yīng)用于紡織品染色，是文物類樣品尤其是紡織品文物中常用的一類染料。本文利用原位非萃取水解法和SERS技術(shù)對新疆營盤出土的紡織品文物中茜草類植物染料茜素和茜紫素進行鑒定，對于紡織品文物染料分析研究具有重要的意義。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：Cary50型紫外分光光度計，美國Varian(瓦里安)公司；共焦顯微拉曼光譜儀，法國Horiba Jobin-Yvon公司；Sigma300場發(fā)射掃描電子顯微鏡，德國ZEISS(蔡司)公司。

試劑：硝酸銀(純度為99.80%)、檸檬酸鈉二水合物(純度為99.99%)、鹽酸(純度為36%)、硝酸(純度為65%)、氫氟酸(純度為37%)；茜素(標(biāo)準(zhǔn)品)、茜紫素(標(biāo)準(zhǔn)品)，Sigma-Aldrich (上海)貿(mào)易有限公司；文物樣品間色毛裙(YP0158，出土于新疆營盤，魏晉時期)由新疆文物考古研究所提供。

1.2 銀溶膠的制備

實驗前，所有的玻璃儀器均用王水(濃硝酸與濃鹽酸的體積比為3∶1)浸泡清洗處理。按照Lee-Meisel法[11]，采用檸檬酸鈉還原硝酸銀法制備銀溶膠。具體操作：稱取90 mg硝酸銀并加入500 mL二次去離子水，在劇烈攪拌下，油浴加熱至沸騰，緩慢滴加10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的檸檬酸鈉水溶液，繼續(xù)反應(yīng)1 h，然后待其自然冷卻后離心濃縮得到納米銀溶膠。

1.3 銀溶膠的測試方法

取2 μL納米銀溶膠，自然干燥后使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡在放大10萬倍，電壓為10 kV條件下觀察納米銀膠粒的形貌和粒徑。

取2 μL納米銀溶膠溶于3 mL二次去離子水中，使用紫外分光光計檢測納米銀溶液的最大吸收波長。

1.4 表面增強拉曼光譜測試

分別取0.1 μg茜素和茜紫素標(biāo)準(zhǔn)品放在洗凈的載玻片上，用移液槍分別移取2 μL銀溶膠滴加在茜素和茜紫素上，待其混勻后使用共聚焦顯微拉曼光譜儀檢測茜素和茜紫素。

采用原位非萃取水解法對文物樣品進行預(yù)處理[12]。具體方法：向由聚乙烯材料制成的管中滴加2 μL氫氟酸(HF)，在文物樣品(YP0158)中取1根長約2 mm的纖維放入離心管中，密閉離心管，約15 min后取出纖維并放在載玻片上，取2 μL銀溶膠涂敷在纖維上，待其干燥，使用共聚焦顯微拉曼光譜儀檢測3種不同激發(fā)波長(532、633、785 nm)下的SERS光譜。

1.5 計算方法

密度泛函理論(DFT)是獲得分子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、振動光譜的常用量子化學(xué)方法，因此，本文采用密度泛函理論方法B3LYP和基組6-311G(d,p)計算了茜素和茜紫素的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和振動光譜。計算所得的優(yōu)化結(jié)構(gòu)均無虛頻，表明它們對應(yīng)勢能面上的極小點。所有計算在程序包Gaussian09中完成[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 銀膠的表征

表面增強拉曼光譜技術(shù)具有極高的檢測靈敏度，主要是因為其納米基底有很強的局域表面等離子激元共振效應(yīng)(LSPR)。等離子激元共振效應(yīng)被認(rèn)為是SERS電磁場增強的主要機制，與金屬納米材料的性質(zhì)有關(guān)，如金屬本身的性質(zhì)，金屬納米粒子的大小和形狀、聚集狀態(tài)等[14]。為改善SERS的信號強度和重現(xiàn)性問題，研究者們開發(fā)出許多不同類型納米結(jié)構(gòu)的金屬基底，如粗糙的電極基底、膠體基底、金屬薄膜基底等。到目前為止，使用最廣泛的貴金屬基底是由檸檬酸鹽還原硝酸銀制得。這是因為銀納米粒子不僅具有優(yōu)越的信號增強效果，而且制備簡單、使用方便[15]。

圖1示出銀溶膠的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)照片?？梢钥闯觯褐频玫你y納米銀溶膠粒徑不均，形狀不規(guī)整；銀納米粒子的粒徑分布在20～80 nm范圍內(nèi)，有球形結(jié)構(gòu)、柱形結(jié)構(gòu)、桿狀結(jié)構(gòu)等。

圖1 銀溶膠的場發(fā)射掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 FESEM image of silver colloids

圖2示出銀溶膠紫外-可見吸收光譜圖?？梢钥闯鲢y溶膠的最大吸收波長在425 nm處，符合納米銀溶液的紫外吸收波長范圍，表明銀溶膠制備成功。

圖2 銀溶膠紫外-可見吸收光譜圖Fig.2 UV-Vis spectrum of silver colloids

2.2 茜素和茜紫素SERS光譜

本文研究用的茜素和茜紫素是提取于西茜草(Rubia tinctorium L.)植物中的一類天然染料[16]，屬于蒽醌類染料，由于其強烈的熒光背景，寬的背景峰，無法從普通拉曼光譜中采集到茜素和茜紫素的分子光譜。

茜素和茜紫素分子結(jié)構(gòu)相似，分子中含有的羰基、羥基和醌環(huán)上3個碳原子所構(gòu)成的絡(luò)合基團,能生成較為穩(wěn)定的五元螯合環(huán)配位絡(luò)合物。當(dāng)文物或藝術(shù)品中既含有茜素又含有茜紫素時，會對鑒別茜草的的品種產(chǎn)生干擾。本文使用表面增強拉曼光譜技術(shù)，以納米銀溶膠為SERS基底，直接檢測茜素和茜紫素的標(biāo)準(zhǔn)品，找出在適合激發(fā)波長下茜素和茜紫素的特征峰及其差異，為紡織品文物中染料的準(zhǔn)確判斷提供依據(jù)。

取2 μL銀溶膠滴加在茜素和茜紫素標(biāo)準(zhǔn)品上，采集到清晰的拉曼光譜，如圖3、4所示，表明銀溶膠可以有效淬滅茜素和茜紫素的熒光。本文研究了2種天然染料茜素和茜紫素在3種不同激發(fā)波長下的SERS光譜。從圖3可以看出，不同激發(fā)波長(532、633、785 nm)下的茜素光譜并無太大差異，且拉曼峰強度都很強。從圖4可以看出，532、785 nm波長下的SERS光譜中拉曼峰的強度比633 nm弱了很多。

圖3 茜素標(biāo)準(zhǔn)品在3種激發(fā)波長下的SERS光譜Fig.3 SERS spectra of alizarin standard at three wavelengthes

圖4 茜紫素標(biāo)準(zhǔn)品在3種激發(fā)波長下的SERS光譜Fig.4 SERS spectra of purpurin standard at three wavelength

為進一步對茜素和茜紫素分子的SERS光譜進行深入分析，借助密度泛函理論(DFT)B3LYP方法和6-311G(d，p)基組經(jīng)過多次優(yōu)化直至分子的振動模式?jīng)]有虛頻，最后得到茜素和茜紫素的穩(wěn)定構(gòu)型，如圖5所示。并通過計算得到茜素和茜紫素的振動光譜，利用計算結(jié)果對茜素和茜紫素在激發(fā)波長633 nm下的SERS光譜中指紋區(qū)域拉曼峰進行確認(rèn)，結(jié)果如表1、2所示。

圖5 由DFT計算的茜素和茜紫素最穩(wěn)定幾何結(jié)構(gòu)Fig.5 Optimized structure of alizarin (a) and purpurin (b) by density functional theory

序號拉曼位移實驗值/cm-1振動模式 拉曼位移計算值/cm-1V1343(w) 面外彎曲振動C19C7C9C8[24%],面外彎曲振動O25C11C21C24[30%] 340V2479(w)彎曲振動C8C9C11[20%], 彎曲振動C24C21C7[23%] 476V3581(vw)彎曲振動O22C21C24[14%], 彎曲振動C4C5C6[26%] 585V4633(vw)彎曲振動C9C11C24[14%] ,彎曲振動O25C24C11[15%] 624V5662(vw)彎曲振動C4C5C6[13%],彎曲振動C1C5C6[20%] 674V6681(sh)扭絞振動C3C2C1C6[11%],面外彎曲振動O15C11C21C24[14%] 676V7819(w)扭絞振動H12C1C6C5[17%], 面外彎曲振動O18C4C7C17[17%] 812V8900(w)彎曲振動C1C6C5[13%], 彎曲振動O20C19C8[18%] 909V91 016(m)扭絞振動H15C6C5C4[23%], 扭絞振動H12C1C6C5[28%] 1 015V101 049(m ) 伸縮振動C19C8[13%], 伸縮振動C1C6[15%] 1 037V111 161(m)伸縮振動C9C11[17%], 彎曲振動H16C11C9[21%] 1 179V121 189(w)彎曲振動H12C1C6[12%],彎曲振動H13C2C1[29%] 1 192V131 206(w) 伸縮振動C7C17[10%], 彎曲振動H10C9C11[15%] 1 216V141 291(s ) 彎曲振動H13C2C1[11%],彎曲振動H14C5C6[18%] 1 298V151 324(s)伸縮振動C2C1[12%],伸縮振動C19C8[26%] 1 324V161 419(s) 伸縮振動C21C7[10%], 彎曲振動H23O22C21[34%] 1 399V171 457(w)伸縮振動C8C9[24%], 彎曲振動H26O25C24[35%] 1 459V181 552(w ) 伸縮振動O18C17[14%], 彎曲振動H10C9C11[16%]1 530V191 601(w)彎曲振動C3C2C1[15%],伸縮振動C1C6[29%] 1 627

注：vw表示非常弱; w表示弱; m表示中等強度; s表示強; sh表示肩峰。振動模式中的百分?jǐn)?shù)值表示不同振動模式所占比例。下同。

從本文依據(jù)密度泛函理論計算得到的結(jié)果可以看出，茜素和茜紫素分子中存在的主要振動模式有伸縮振動、彎曲振動、面外彎曲振動等類型，實驗所得SRES光譜與計算所得結(jié)果基本一致?；诶碚摵蛯嶒灩庾V信息分析所得茜素和茜紫素振動譜帶的差異，將拉曼峰位移在343,479,681，900，1 016 cm-1處的特征峰作為判斷茜素存在的依據(jù)，而將拉曼峰位移在609,970，1 064，1 391 cm-1等處的特征峰作為有茜紫素存在的依據(jù)。

2.3 紡織品文物的處理檢測

在紡織類文物中，大多數(shù)的染料都是通過與媒染劑形成絡(luò)合物再印染到載體(蠶絲、毛、麻等)上。傳統(tǒng)的水解萃取方法對紡織類文物樣品中染料提取的效率不高，并且所需樣品量較多，因此對珍貴的文物而言，傳統(tǒng)的萃取方法可行性不高。為最大限度地提高分析效率并且最小化地?fù)p傷文物樣品，本文采用原位非萃取水解方法預(yù)處理文物樣品，原位即直接在樣品上進行操作，非萃取水解是因為目前還

表2 茜紫素振動光譜的實驗值和計算值以及振動模式Tab.2 Calculated and experimental wave numbers of Purpurin

注：br代表寬峰。

沒有既可水解染料和媒染劑又可無損安全的用在文物上的試劑。原位非萃取水解法結(jié)合SERS技術(shù)用于文物和藝術(shù)品中染料的分析具有所需樣品量少、萃取效率高的優(yōu)點，基本不會對文物樣品造成損傷，因此非常適合珍貴文物的有關(guān)檢測。本文分析的文物樣品是文物間色毛裙(YP0158，由新疆文物考古研究所提供)，它出土于新疆營盤，約在東漢末年魏晉時期，距今已有1 800年左右的歷史。從間色毛裙文物樣品中取1根長約2 mm的纖維，其質(zhì)量只是高效液相色譜分析所需質(zhì)量的1/50[17]，已接近于無損分析。

圖6示出間色毛裙(YP0158)單根纖維經(jīng)氫氟酸蒸汽處理并滴加銀溶膠后的電鏡照片和纖維在633 nm激發(fā)波長下的SERS光譜。如圖6(b)所示，未經(jīng)原位非萃取水解處理的纖維樣品直接滴加銀溶膠檢測，采集的SERS光譜信號很弱，幾乎得不出有價值的分子信息。經(jīng)原位非萃取水解處理后即氫氟酸蒸汽處理，采集的光譜拉曼峰數(shù)量多，信號強，可依據(jù)光譜判斷出樣品中存在的染料。經(jīng)過和未經(jīng)預(yù)處理采集的光譜差異明顯，這是因為紡織品文物中的色素是媒染劑染料，它是通過與媒染劑形成絡(luò)合物染色到纖維上，氫氟酸蒸汽的預(yù)處理破壞了染料與媒染劑之間的配位鍵，使得染料分子恢復(fù)為自由體，因此可以采集到染料的SERS光譜。

圖6 紡織品文物的表征Fig.6 Characterization of textile relics. (a)SEM image (×50);(b)SERS spectra of fiber sample

依據(jù)圖3、4得到的茜素和茜紫素的拉曼位移以及密度泛函理論計算結(jié)果，將1 019，900，681，342 cm-1處的增強信號歸屬于茜素分子的面振動、苯環(huán)振動、紐絞振動模式引起的；將1 396，1 066，968，608 cm-1處的增強信號歸屬于茜紫素分子的苯環(huán)振動，伸縮振動模式引起的。茜素分子和茜紫素分子的結(jié)構(gòu)相似，只是一個—OH的差別，所以部分拉曼譜峰的位置一致，比如1 324、1 287、1 158 cm-1等處拉曼譜峰是2種物質(zhì)都有的特征峰，無法用來判斷拉曼譜峰具體為何種色素分子導(dǎo)致。圖6檢測結(jié)果表明：經(jīng)過原位非萃取水解法的處理可顯著提高樣品的SERS光譜質(zhì)量；此文物樣品中含有茜素和茜紫素2種天然染料。

不同的文物樣品中，由于染料的載體(棉、麻、毛、絲等)不同，染料本身分子結(jié)構(gòu)的差異，所適合的激發(fā)波長也必定不同，本文所檢測文物樣品間色毛裙在3種不同激發(fā)波長(532、633、785 nm)下的SERS光譜如圖7所示。

圖7 文物纖維在激發(fā)波長下的SERS譜圖Fig.7 SERS spectra of single fiber sample at excitation wavelengthes

由圖7可看出，633 nm激發(fā)波長下間色毛裙(YP0158)纖維的SERS譜圖質(zhì)量遠高于785 nm激發(fā)波長下的SERS譜圖，而其信號強度比532 nm激發(fā)波長下的信號強度強，也就是說激發(fā)波長633 nm更適合用來檢測此文物纖維樣品中存在的染料分子信息。

3 結(jié) 論

本文采用原位非萃取水解法前處理技術(shù)和表面增強拉曼光譜技術(shù)(SERS)成功鑒定了新疆營盤出土紡織品間色毛裙(YP0158)文物中的染料。依據(jù)密度泛理論(DFT)計算出的茜素和茜紫素分子的理論拉曼光譜與實驗測得的拉曼光譜基本一致，并對茜素和茜紫素分子的主要拉曼峰進行確認(rèn)。結(jié)果表明：間色毛裙(YP0158)中含有茜素和茜紫素2種蒽醌類染料；原位非萃取水解處理能夠顯著提高樣品的SERS檢測效果；激發(fā)波長633 nm相較于532 nm和785 nm，更適合用來檢測文物纖維樣品中的染料。本文研究為表面增強拉曼光譜技術(shù)在文物檢測領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一定的參考和支持。

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