潘 菁，徐敏敏，袁亞仙，姚建林

（蘇州大學材料與化學化工學部,蘇州215123）

染料是一類重要的化合物，被廣泛應用于油墨、皮革和紡織等行業(yè)，其中紡織工業(yè)平均每年消耗其總產(chǎn)量的一半以上［1］.生活水平的提高促使人們更加追求衣物的舒適度和安全性，對紡織品的質(zhì)量和安全性的要求不斷提高.紡織品上的染料會與人體皮膚長時間接觸，當染料的色牢度不佳時，通過皮膚吸收使染料進入到血液，進而分散至全身，表現(xiàn)出某種生物學效應.大部分禁用染料都是以石油化工產(chǎn)品為原料，經(jīng)人工合成得到的芳香族化合物.這類染料具有致癌、致畸和致敏等危害，且抗降解性強，暴露在光、溶劑和多數(shù)化學物質(zhì)中都不會褪色.為此，亟待發(fā)展紡織品上有害染料的快速檢測技術(shù)［2］.近年來，Pellegrini等［3］提取了紡織品中染料酸性橙37，使用紅外光譜進行檢測；Baran等［4］獲得了紡織藝術(shù)品中靛藍的中紅外光譜；Fukunaga等［5］研究了紡織藝術(shù)品中的天然染料朱砂、雌黃、鈷藍、茜草紅的透射光譜.然而，常規(guī)的紅外光譜檢測時常常需要先提取紡織品中的染料，樣品制備過程較為復雜.同時，由于染料特別是違禁染料在紡織品中的濃度較低，其信號往往掩蓋在紡織品本身信號中，因此直接檢測仍存在技術(shù)上的困難.使用紫外-可見光譜對染料進行檢測的報道較為罕見，這是由于紫外光譜僅能提供樣品的吸收波長和吸光度等信息，難以對物質(zhì)進行定性.目前運用光譜技術(shù)開展紡織品染料的直接檢測仍值得深入研究，特別是高靈敏度快速的直接檢測技術(shù).

表面增強拉曼光譜（SERS）已被公認為是高靈敏的檢測技術(shù)之一.通常，當納米結(jié)構(gòu)相互靠近時，表面等離激元耦合從而形成“熱點”［6］.“熱點”區(qū)域具有極高的局域表面光電場，因此這些區(qū)域的SERS效應十分顯著，其檢測能力甚至可達單分子水平［7，8］.大多數(shù)染料上的—SH和—NH2等基團易與Au和Ag等SERS基底表面形成化學鍵而吸附，從而給出較強的SERS信號.因此，SERS有望成為染料檢測的理想技術(shù)［9，10］.目前，已有眾多使用SERS技術(shù)進行染料檢測的報道，如Hu等［11］利用自制的ZnO/Ag復合納米基底檢測有害染色劑蘇丹紅Ⅱ和Ⅳ的乙酸乙酯溶液，檢出限低至10?12mol/L；Liu等［12］將納米粒子組裝在有機物薄膜上制備SERS基底，結(jié)合便攜式拉曼光譜儀對羅丹明6G（R6G）染液進行了檢測，檢測限為10?6mol/L.這些方法實現(xiàn)了染料液體樣品的高靈敏度檢測.然而，以上研究大多是針對液體樣品，并非直接在實際紡織品上開展染料檢測，且液體樣品往往來自于實際紡織品染料的提取液，需經(jīng)過加熱、離心、富集和吸附等一系列繁瑣的操作步驟，非常耗時.

本文基于SERS技術(shù)，以堿性紅9［13~15］和分散黃23［16］兩種常見的致癌染料作為模型分子，利用銀納米粒子作為增強基底，通過將其滴加在紡織品表面直接進行檢測，由此建立一種快速檢測紡織品中禁用染料的新方法，實現(xiàn)了紡織品中染料的快速、高靈敏度檢測.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

硝酸銀（AgNO3，純度99.9%）和二水合檸檬酸三鈉（Na3C6H5O7·2H2O，純度99.0%）均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司；堿性紅9（C19H18ClN3，純度＞90%，分析純）購自東京化成工業(yè)株式會社；分散黃23（C18H14N4O，分析純）購自德國Dr.Ehrenstorfer公司；所用紡織品樣品均為棉制品；實驗用水均為超純水（電阻率≥18.2 MΩ·cm），由Millipore超純水機（德國默克公司）制得.

XploRA PLUS型拉曼光譜儀（日本Horiba公司）；TU-1810型紫外-可見分光光度計（UV-Vis，北京普析通用公司）；SU-8010型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，日本日立公司）；UltiMate 300型高效液相色譜儀（HPLC，美國Thermo Fisher公司）.

1.2 實驗過程

1.2.1 染色過程使用的樣品按如下過程進行染色［17~19］：首先，將紡織品在洗滌劑中浸泡清洗30 min，除去雜質(zhì)和助劑.然后將清洗后的紡織品放入染液中，用40℃水浴加熱，直到紡織品顏色與染液顏色一致.取出紡織品并浸泡在10 g/L Na2CO3溶液中30 min進行固色.最后將染色后的紡織品浸泡在水中，以漂去未固定的染料.重復這個過程幾次，直到水的顏色不再變化，將紡織品平整地擺放在40℃烘箱中干燥保存，備用.

1.2.2 金納米粒子的制備采用Frens檸檬酸鹽還原法制備15和55 nm金納米粒子［20］.將100 mL 0.01%（質(zhì)量體積分數(shù)）HAuCl4溶液在劇烈攪拌下加熱并冷凝回流，然后快速加入2 mL 1%（質(zhì)量體積分數(shù)）檸檬酸鈉水溶液，在沸騰條件下繼續(xù)攪拌15 min，室溫冷卻后即得亮紅色的15 nm金納米粒子；將100 mL 0.01%（質(zhì)量體積分數(shù)）HAuCl4溶液在劇烈攪拌下加熱并冷凝回流，然后快速加入0.75 mL 1%（質(zhì)量體積分數(shù)）檸檬酸鈉水溶液，在沸騰條件下繼續(xù)攪拌30 min，室溫冷卻后即得紅棕色的55 nm金納米粒子.此外，為了在實驗中進行對比，以及獲得穩(wěn)定的SERS光譜特征，制備了30 nm的金納米粒子單層膜［21］.

1.2.3 銀納米粒子的制備銀納米粒子參照文獻［22］方法制備.將0.018 g硝酸銀溶解在100 mL超純水中，得到硝酸銀溶液.將硝酸銀溶液在三頸燒瓶中加熱攪拌并冷凝回流，至沸騰時快速加入2 mL 1%檸檬酸鈉水溶液，溶液迅速由無色變?yōu)榛尹S色，然后再變成黃綠色，繼續(xù)加熱攪拌1 h使納米粒子穩(wěn)定.隨后撤去加熱裝置，攪拌并自然冷卻至常溫，即得濃度約為4.07×1010個/mL，粒徑約為80 nm的銀納米粒子溶液.

1.2.4 檢測過程和方法如圖1所示，將染色紡織品剪成尺寸為2 cm×2 cm的碎片，然后取一碎片固定在載玻片上，置于拉曼光譜儀顯微鏡頭下，向紡織品表面滴加100 μL銀納米粒子即可直接進行SERS檢測.其中物鏡為50倍長焦鏡頭，數(shù)值孔徑為0.5，光柵為1200 g/mm，光譜分辨率≤1 cm?1，對80 nm銀納米粒子采用532 nm激發(fā)波長；對55 nm金納米粒子采用激發(fā)波長為638 nm.

Fig.1 Schematic diagram of SERS detection on textile samples containing banned dyes

2 結(jié)果與討論

2.1 紡織品染色與基底表征

圖2 （A）給出了經(jīng)過清洗后的白色棉質(zhì)紡織品，圖2（B）為經(jīng)10?5mol/L分散黃23染液染色后的紡織品.樣品經(jīng)過了完整的染色步驟，包括固色、漂洗等，紡織品的顏色較為均勻，說明紡織品表面各處的染料濃度較為一致，有利于得到穩(wěn)定的SERS信號.圖2（C）為銀納米粒子的紫外光譜，插圖為其SEM照片.可見，其最大吸收峰的半峰寬較窄，說明銀納米粒子的粒徑分布均勻，最大吸收波長為417 nm.結(jié)合SEM照片可見，銀納米粒子的粒徑約為80 nm，形狀呈現(xiàn)類球形.

Fig.2 Photograph of textiles before(A)and after(B)dying and UV?Vis spectrum of Ag NPs solution(C)

2.2 染料的常規(guī)拉曼光譜測試

圖3 （A）和（B）分別給出了兩種染料樣品粉末扣除背景后的常規(guī)拉曼光譜（Normal Raman spectrum，NRS）和染料吸附在金納米粒子單層膜［21］上的SERS光譜.可見，兩種染料的SERS光譜與粉末的常規(guī)拉曼光譜出現(xiàn)一定的差別，但主要特征譜峰較為一致.堿性紅9的SERS特征光譜中，位于827和1520 cm?1處的峰歸屬于苯環(huán)的伸縮振動，914 cm?1處的峰歸屬于苯環(huán)的呼吸振動，1173 cm?1處的峰歸屬于C—C—C的非對稱伸縮振動，1376 cm?1處的峰歸屬于C6H5-N的非對稱彎曲振動，1584 cm?1處的峰歸屬于苯環(huán)的不完全對稱振動［23］，這些特征峰在NRS譜中也出現(xiàn)了，其中1173 cm?1處的峰增強顯著，從而可作為對比的特征峰.

Fig.3 Normal Raman spectra and SERS spectra of basic red 9(A)and disperse yellow 23(B)

將分散黃23的SERS光譜和常規(guī)拉曼光譜進行對比發(fā)現(xiàn)，SERS光譜的相對強度發(fā)生了變化，這也是SERS光譜的特點，如位于1130 cm?1處的峰歸屬于N=N伸縮振動，1183和1593 cm?1處的峰歸屬于苯環(huán)的伸縮振動［24］，其中1130 cm?1處的峰增強得特別顯著，可作為特征峰.

2.3 增強基底的優(yōu)化

金屬納米粒子的種類、粒徑等因素通常顯著影響基底的“熱點”效應，從而影響基底的SERS增強性能.因此，采用不同的基底材料進行了基底SERS性能的對比研究，以便選擇理想的基底用于紡織品染料的直接SERS測定.

2.3.1納米粒子種類的影響將3種金屬納米粒子作為增強基底進行了比較，分別為80 nm銀納米粒子、15及55 nm金納米粒子.以10?5mol/L堿性紅9和分散黃23分別染色后的紡織品作為樣品，進行SERS檢測［圖4（A）和（B）］.可見，銀納米粒子的增強性能明顯優(yōu)于金納米粒子，在銀納米粒子表面的SERS光譜中，可清晰識別出染料分子的SERS特征峰，信號強度為金納米粒子的2~3倍.該現(xiàn)象與金屬表面的等離子體增強效應、激發(fā)光的頻率以及金屬本身的介電常數(shù)和光學性質(zhì)有關(guān).與金相比，銀可以在很寬的激發(fā)光光子能量區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生較強的表面增強效應，因此銀納米粒子的增強性能優(yōu)于金納米粒子.以銀納米粒子作為SERS增強基底，其檢測靈敏度更高，更適用于紡織品中染料的快速檢測.

Fig.4 SERS spectra of textiles dyed with basic red 9(A)and disperse yellow 23(B)obtained on different SERS substrates

2.3.2 納米粒子濃度的影響金屬納米粒子的濃度同樣對“熱點”的數(shù)目產(chǎn)生影響，從而影響SERS增強性能，為此對作為增強基底的銀納米粒子的濃度進行了優(yōu)化［25］.以10?5mol/L堿性紅9染色后的紡織品作為樣品，將所制的80 nm銀納米粒子分別離心濃縮2倍、3倍及5倍后作為增強基底，所得的SERS光譜如圖5所示.以樣品在1173 cm?1處的SERS信號強度為參照，與未濃縮的銀溶膠（納米粒子濃度為4.07×1010個/mL）進行對比，當銀溶膠濃縮了2倍（納米粒子濃度為8.14×1010個/mL）時，染料的SERS信號積分強度增強了近3倍.這是由于金屬納米粒子濃縮后，納米粒子發(fā)生聚集，形成了更多增強性能更強的“熱點”，拉曼光譜信號被顯著增強；隨著金屬納米粒子進一步被濃縮，SERS信號強度繼續(xù)增強后趨于穩(wěn)定（圖5插圖），說明此時納米粒子產(chǎn)生的“熱點”效應趨于飽和.隨著濃縮倍數(shù)的升高，銀納米粒子的濃度也越高，有效滲透到紡織品纖維內(nèi)部的耗時增加.因此，結(jié)合信號強度和檢測時長兩方面考慮，最終選擇濃縮3倍后的銀溶膠作為SERS檢測基底.

2.4 堿性紅9和分散黃23染色樣品的檢測

采用不同濃度的堿性紅9染液分別對空白紡織品進行染色，然后逐一滴加濃縮3倍后的80 nm銀納米粒子溶液，進行SERS檢測.圖6（A）為不同濃度的堿性紅9染液對紡織品染色后的SERS光譜.當染液的濃度為10?5mol/L時，染料的特征峰可清晰識別，SERS信號強度較大；當染液濃度降低至10?6mol/L時，信號強度降低了一倍左右，但分子的SERS特征峰仍清晰可見；當染液濃度進一步低至10?7mol/L時，則難以檢測到堿性紅9分子的SERS信號.由此可見，該方法對紡織品上堿性紅9染液的檢出限為原始染液的10?6mol/L.實際上由于染色過程中的染料損失，在實際檢測時，紡織品上所含染料濃度遠低于原始染液的濃度，即該方法對染料的檢出限實際遠低于原始染液的10?6mol/L.為了更加精確確定紡織品中染料的實際濃度，采用高效液相色譜（HPLC）標準方法并結(jié)合常規(guī)的染料提取方法測定了紡織品中染料的濃度，具體參見本文支持信息，10?6mol/L原始染液染色后的紡織品的實際染料濃度約為0.16 mg/kg，該技術(shù)對于紡織品上堿性紅9染料的檢測限約0.16 mg/kg.

Fig.5 SERS detections of textiles dyed with basic red 9 obtained on different?concentrated Ag NPs

用不同濃度的分散黃23染液分別對空白紡織品進行染色，并進行SERS檢測，所得光譜如圖6（B）所示.當染液濃度為10?5mol/L時，能夠識別分散黃23位于1130，1183和1583 cm?1處的SERS特征峰.當染液濃度降低一個數(shù)量級時，SERS特征峰強度明顯下降，其位于1183和1593 cm?1處的特征峰較弱，但仍可通過整個光譜特征對染料分子進行識別.當染液濃度低至10?7mol/L時，無法獲得紡織品上分散黃23的SERS信號.采用上述相同測定方法，10?6mol/L分散黃23染色紡織品的實際染料濃度約為0.24 mg/kg，即SERS直接檢測技術(shù)對于紡織品上分散黃23染料的檢測限約為0.24 mg/kg.

Fig.6 SERS detections of textiles dyed by basic red 9(A)and disperse yellow 23(B)with different concentrations

值得說明的是，在對堿性紅9和分散黃23染料染色紡織品進行檢測時發(fā)現(xiàn)，從向樣品表面滴加銀溶膠開始，至完成SERS檢測的整個過程耗時未超過30 s，說明基于SERS的直接檢測方法操作簡單，便捷省時.此外，由于堿性紅9分子結(jié)構(gòu)中的—NH2可與金屬納米粒子基底形成化學鍵，有利于其在基底表面上的吸附；而分散黃23分子中的N=N無法與納米粒子形成有效的化學鍵，從而使分散黃23的吸附能力遠低于堿性紅9.因此，在染液濃度和檢測條件均相同時，紡織品上堿性紅9的SERS信號強度達到了分散黃23的3倍左右，該方法對于堿性紅9的檢測更為有利.

根據(jù)國標GB20382-2006和GB38385-2019，堿性紅9和分散黃23檢出限分別為10和5 mg/kg［15，16］，由此說明基于SERS的紡織品染料直接檢測的檢測限均優(yōu)于國家標準.

綜上所述，本文發(fā)展了一種基于SERS技術(shù)快速檢測紡織品染料的新方法.通過直接在紡織品表面滴加濃縮的銀納米粒子，能夠?qū)崿F(xiàn)紡織品表面染料的快速檢測，SERS相關(guān)檢測時長不超過30 s.根據(jù)實驗結(jié)果，并結(jié)合HPLC的定量作用，基于該方法對兩種常見禁用染料堿性紅9和分散黃23的檢出限分別為0.16和0.24 mg/kg，靈敏度均超出了國家標準中的要求.該方法不需要復雜的取樣和樣品前處理過程，在不破壞樣品的前提下，可以快速實現(xiàn)禁用染料的識別，對紡織品安全監(jiān)測具有重要意義.

支持信息見http：//www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20210490.