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(qiáng)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(shí)間短以及所需樣品量少等優(yōu)點(diǎn)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?qiáng)拉曼光譜技術(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(jìn)行破壞性萃取才可進(jìn)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(jìn)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(jìn)行鑒定[8-9]。表面增強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

儀器：Cary50型紫外分光光度計(jì)，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(shí)期)由新疆文物考古研究所提供。

1.2 銀溶膠的制備

實(shí)驗(yàn)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(jì)檢測納米銀溶液的最大吸收波長。

1.4 表面增強(qiáng)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(jìn)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(jì)算方法

密度泛函理論(DFT)是獲得分子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、振動(dòng)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(jì)算了茜素和茜紫素的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和振動(dòng)光譜。計(jì)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(diǎn)。所有計(jì)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(qiáng)拉曼光譜技術(shù)具有極高的檢測靈敏度，主要是因?yàn)槠浼{米基底有很強(qiáng)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(qiáng)的主要機(jī)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(qiáng)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?yàn)殂y納米粒子不僅具有優(yōu)越的信號增強(qiáng)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。可以看出：制得的銀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。可以看出銀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(qiáng)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(gè)碳原子所構(gòu)成的絡(luò)合基團(tuán),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(shí)，會對鑒別茜草的的品種產(chǎn)生干擾。本文使用表面增強(qiáng)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(qiáng)度都很強(qiáng)。從圖4可以看出，532、785 nm波長下的SERS光譜中拉曼峰的強(qiáng)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(jìn)一步對茜素和茜紫素分子的SERS光譜進(jìn)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(dòng)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(jì)算得到茜素和茜紫素的振動(dòng)光譜，利用計(jì)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(jìn)行確認(rèn)，結(jié)果如表1、2所示。

圖5 由DFT計(jì)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(shí)驗(yàn)值/cm-1振動(dòng)模式 拉曼位移計(jì)算值/cm-1V1343(w) 面外彎曲振動(dòng)C19C7C9C8[24%],面外彎曲振動(dòng)O25C11C21C24[30%] 340V2479(w)彎曲振動(dòng)C8C9C11[20%], 彎曲振動(dòng)C24C21C7[23%] 476V3581(vw)彎曲振動(dòng)O22C21C24[14%], 彎曲振動(dòng)C4C5C6[26%] 585V4633(vw)彎曲振動(dòng)C9C11C24[14%] ,彎曲振動(dòng)O25C24C11[15%] 624V5662(vw)彎曲振動(dòng)C4C5C6[13%],彎曲振動(dòng)C1C5C6[20%] 674V6681(sh)扭絞振動(dòng)C3C2C1C6[11%],面外彎曲振動(dòng)O15C11C21C24[14%] 676V7819(w)扭絞振動(dòng)H12C1C6C5[17%], 面外彎曲振動(dòng)O18C4C7C17[17%] 812V8900(w)彎曲振動(dòng)C1C6C5[13%], 彎曲振動(dòng)O20C19C8[18%] 909V91 016(m)扭絞振動(dòng)H15C6C5C4[23%], 扭絞振動(dòng)H12C1C6C5[28%] 1 015V101 049(m ) 伸縮振動(dòng)C19C8[13%], 伸縮振動(dòng)C1C6[15%] 1 037V111 161(m)伸縮振動(dòng)C9C11[17%], 彎曲振動(dòng)H16C11C9[21%] 1 179V121 189(w)彎曲振動(dòng)H12C1C6[12%],彎曲振動(dòng)H13C2C1[29%] 1 192V131 206(w) 伸縮振動(dòng)C7C17[10%], 彎曲振動(dòng)H10C9C11[15%] 1 216V141 291(s ) 彎曲振動(dòng)H13C2C1[11%],彎曲振動(dòng)H14C5C6[18%] 1 298V151 324(s)伸縮振動(dòng)C2C1[12%],伸縮振動(dòng)C19C8[26%] 1 324V161 419(s) 伸縮振動(dòng)C21C7[10%], 彎曲振動(dòng)H23O22C21[34%] 1 399V171 457(w)伸縮振動(dòng)C8C9[24%], 彎曲振動(dòng)H26O25C24[35%] 1 459V181 552(w ) 伸縮振動(dòng)O18C17[14%], 彎曲振動(dòng)H10C9C11[16%]1 530V191 601(w)彎曲振動(dòng)C3C2C1[15%],伸縮振動(dòng)C1C6[29%] 1 627

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

從本文依據(jù)密度泛函理論計(jì)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(dòng)模式有伸縮振動(dòng)、彎曲振動(dòng)、面外彎曲振動(dòng)等類型，實(shí)驗(yàn)所得SRES光譜與計(jì)算所得結(jié)果基本一致。基于理論和實(shí)驗(yàn)光譜信息分析所得茜素和茜紫素振動(dòng)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(jìn)行操作，非萃取水解是因?yàn)槟壳斑€

表2 茜紫素振動(dòng)光譜的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值以及振動(dòng)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(diǎn)，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(shí)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(jià)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(qiáng)，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?yàn)榧徔椘肺奈镏械纳厥敲饺緞┤玖希峭ㄟ^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(jì)算結(jié)果，將1 019，900，681，342 cm-1處的增強(qiáng)信號歸屬于茜素分子的面振動(dòng)、苯環(huán)振動(dòng)、紐絞振動(dòng)模式引起的；將1 396，1 066，968，608 cm-1處的增強(qiáng)信號歸屬于茜紫素分子的苯環(huán)振動(dòng)，伸縮振動(dòng)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(gè)—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(yuǎn)高于785 nm激發(fā)波長下的SERS譜圖，而其信號強(qiáng)度比532 nm激發(fā)波長下的信號強(qiáng)度強(qiáng)，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(qiáng)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(jì)算出的茜素和茜紫素分子的理論拉曼光譜與實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(qiáng)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。

FZXB