拉曼光譜技術(shù)在紡織文物染料鑒定中的應(yīng)用研究

孫輝

（滕州市墨子研究中心，山東 滕州 277599）

紡織文物在出土后，難免出現(xiàn)有機高分子斷裂和氧化問題，導(dǎo)致靚麗光鮮的色彩往往變得黯然失色?，F(xiàn)有的古代紡織品染色工藝的文字記錄不完整、單一，因此在紡織文物出土后需要及時利用拉曼光譜技術(shù)對紡織文物的染料進行鑒定，為文物鑒定、保護、存儲、研究等提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究背景

拉曼光譜技術(shù)在紡織文物染料鑒定中的應(yīng)用，旨在分析和鑒定紡織文物的染料，不僅能回溯紡織文物的生產(chǎn)年代與染色技藝，而且還能助力文物復(fù)原、修復(fù)、保存、展出等。通常而言，紡織文物在出土?xí)r，往往經(jīng)過了土壤對微生物的腐蝕與分解，導(dǎo)致染料自身的成分出現(xiàn)變化。同時，紡織文物染料的成分較為復(fù)雜，且含量較低，尤其在外界環(huán)境多種因素的綜合影響下，極易發(fā)生成分變化的情況，因此，文物分析領(lǐng)域始終將染料鑒定作為研究的重點。

目前，在紡織文物染料鑒定時，通常采用的色譜技術(shù)為薄層色譜技術(shù)、高效液相色譜技術(shù)及液質(zhì)聯(lián)合應(yīng)用技術(shù)。在這三種常規(guī)的色譜技術(shù)中，液質(zhì)聯(lián)合應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)勢更高，不僅靈敏度強，而且分離效果好。而其不足就是在前期紡織文物染料萃取、水解及衍生等環(huán)節(jié)中過程較為復(fù)雜，針對不同的染料、萃取體系，得到的萃取效果也存在較大差異。為實現(xiàn)萃取效果最優(yōu)化，就需要采用兼具測量簡單和無損分析的拉曼光譜技術(shù)，本研究結(jié)合這一背景下進行。

2 技術(shù)原理

拉曼光譜技術(shù)是以拉曼光譜現(xiàn)象為前提，這一現(xiàn)象最初是1928年印度科學(xué)家拉曼在對CCl4進行光散射現(xiàn)象研究時發(fā)現(xiàn)的，即一束光照射在樣品上時形成的投射、散射和反射三種不同的現(xiàn)象。拉曼經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)，反射、投射的光占比遠大于散射光。少數(shù)散射光頻率不會變化，而傳播方向會發(fā)生變化，即瑞利散射，而其余的散射光頻率會出現(xiàn)變化，也就是入射光和樣品分析形成能量交換，從而會改變散射光頻率，即得到拉曼光譜。利用拉曼光譜技術(shù)對紡織文物的染料進行鑒定，主要是利用拉曼光譜獲取并分析振動和轉(zhuǎn)動信息，最終達到對染料識別與檢測的目的。

具體而言，就是光照射在分子時形成彈性與非彈性兩種不同的散射現(xiàn)象，具體詳見圖1所示，從圖可以看出，若光子和分子形成的是彈性散射，此時的分子吸收頻率光子Vo的變化過程是電子基態(tài)→電子激發(fā)態(tài)→釋放頻率→電子基態(tài)，在這一過程中，由于只是運動方向發(fā)生了變化，沒有出現(xiàn)能量交換，因此這一散射就屬于瑞利散射。而如果是入射光子和分子形成非彈性散射，此時的分子吸收頻率光子Vo和發(fā)射分子Vo－的變化過程是低能態(tài)→高能態(tài)，即斯托克斯散射。但分子吸收頻率光子Vo和發(fā)射光子Vo+V的變化過程是高能態(tài)→低能態(tài)，即反斯托克斯散射。因此，拉曼散射有斯托克斯散射和反斯托克斯散射兩種不同的散射。散射光強度和入射光所激發(fā)分析數(shù)量之間的關(guān)系是正相關(guān)，由此斯托克斯散射和反斯托克斯散射就會受到基態(tài)能級和受激態(tài)能級帶來的影響。而玻爾茲曼分布理論告訴我們，室溫下的分子以基態(tài)為主，且基態(tài)能級的分子數(shù)量比受激態(tài)能級分子數(shù)量要大很多，所以斯托克斯散射的強度最高，此時散射光譜即拉曼散射光譜。

圖1 拉曼散射原理示意圖

3 光譜類型

拉曼光譜技術(shù)在紡織文物染料鑒定中應(yīng)用時，拉曼光譜技術(shù)的類型較多，比如在應(yīng)用研究中主要是以表面增強型拉曼光譜技術(shù)為例進行的研究，在實際研究中，需要掌握不同拉曼光譜技術(shù)的特點，結(jié)合實際進行選擇，有針對性地加強應(yīng)用研究，使得整個研究更具有專業(yè)性和有效性。以下對常見的拉曼光譜技術(shù)類型進行概述。

3.1 顯微拉曼光譜技術(shù)

該技術(shù)對紡織文物染料鑒定主要是獲取被檢測對象中的物質(zhì)分子振動和轉(zhuǎn)動能級等有關(guān)信息，是在拉曼光譜技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用顯微分析技術(shù)的綜合應(yīng)用，利用激發(fā)光光板能聚焦到μm量級，從而對紡織文物染料進行微區(qū)分析，屬于理想化的痕量和微量紡織文物染料樣品分析技術(shù)。

3.2 近紅外傅里葉變換拉曼光譜技術(shù)

該技術(shù)對紡織文物染料鑒定主要是采取1064nm的近紅外激光對紡織文物樣品照射后，借助傅里葉變換技術(shù)進行信號收集，使測試信噪比得到提升，尤其是在非破壞性分析方面有著較強的優(yōu)勢。

3.3 表面增強拉曼光譜法

該技術(shù)對紡織文物染料鑒定主要是為了提升拉曼信號靈敏度，不僅在燃料分析時沒有強熒光的干擾，而且靈敏度很高，能對紡織文物中的染料屬于天然染料或合成染料進行鑒定。

3.4 共振拉曼光譜技術(shù)

該技術(shù)對紡織文物染料鑒定主要是為了提升拉曼光譜靈敏度，若與表面增強拉曼光譜技術(shù)綜合應(yīng)用，能實現(xiàn)單分子檢測的目的。

4 應(yīng)用要點

4.1 紡織文物常見染料

紡織文物中的染料來源以植物為主，主要有紅、黃、綠、藍、紫、黑、褐色。紡織文物中的各種染料來源具體詳見圖2。

圖2 紡織文物染料來源

4.2 應(yīng)用過程

實驗試劑：在本實驗中，采用的試劑主要有AgNO3、C6H9Na3O9、HCl、HNO3、C2H6O、C15H10O7、C15H10O5、C27H30O16、C15H10O5、C16H14O6、C15H10O8、C16H16O5、C15H10O6、C21H20O11、C15H10O6、C14H8O4、C14H8O5、C22H20O13、C15H10O5、C8H5NO2、C16H10N2O2、C16H10N2O2、C21H20O6、C14H6O8。

實驗儀器：在本實驗中，采用的儀器主要有高速離心機、磁力攪拌器、電子天平、紫外可見分光光度計、共聚焦顯微拉曼光譜儀、場發(fā)射掃描電鏡。

實驗對象：本研究選取某紡織文物，對其是否含有常見的紅花、槐米、茜草、蘇木等資料進行鑒定，對各自的鑒定情況進行分析。

紅花鑒定：紅花是紡織文物中紅色染料的主要來源之一，屬于橘生科草本植物，最早從地中海起源，公元前就進入了中亞、南亞地區(qū)，公元前3世紀(jì)進入中國中原地區(qū)，到了唐朝，紅花成為唐代紡織品中紅色染料的主要來源。紅色染料就是從紅花中萃取紅花素，紅色素可以染成大紅色，也能利用調(diào)節(jié)酸染成桃紅色和銀紅色。為檢測某出土紡織文物中是否含有紅花素，首先應(yīng)選取標(biāo)準(zhǔn)紅花染色樣品（桃紅色、大紅色），在對某出土紡織文物進行染料鑒定時，要從該文物上提取2.5mm的纖維，并進行原位非萃取水解處理，再添加5μL銀膠，等干燥之后，利用共聚焦顯微開始拉曼檢測，檢測時的激發(fā)波長為524nm，最終得到圖3所示的拉曼光譜圖。在本試驗中，若將銀膠直接滴加到被檢測的纖維上，因受到強烈熒光作用，難以對其使用拉曼光譜檢測，所以將被檢測纖維進行預(yù)處理的基礎(chǔ)上再滴加銀膠，得到圖3所示的拉曼光譜圖，可知并沒有從中采集到紅花素的拉曼光譜圖。

圖3 某紡織文物紅花染色纖維拉曼光譜圖

槐米鑒定：因在上述該紡織文物中沒有檢測到紅花素，所以擬對其中是否包含槐米進行鑒定。槐米富含染色用的黃酮類染料，也是紡織文物中常見的黃色染料來源。在本實驗中，要鑒定該紡織文物中是否含有槐米染料，同樣需選取槐米染色樣品（黃綠色、純黃色），該樣品是利用槐米在絲綢纖維中染色得到的兩個樣品，二者的色澤差異說明成分存在差異，為了明確該紡織文物的染料成分，采用拉曼光譜技術(shù)與原位非萃取水解技術(shù)，分別選取一根2.5mm的織物文物纖維，并進行HF處理后添加納米銀進行檢測，檢測得到的結(jié)果具體詳見圖4。從圖4可以看出，黃綠色激發(fā)波長的散射峰和純黃色激發(fā)波長的散射峰特征分別與蘆丁和槲皮素的特征峰基本吻合，由于蘆丁與槲皮素的特征峰在此前的研究中做過，有詳細的對比數(shù)據(jù)，所以本研究不再對此過程進行詳細描述。

圖4 某紡織文物槐米染色纖維拉曼光譜圖

茜草鑒定：茜草是目前出土紡織文物中應(yīng)用最早的紅色染料，從商周時期就開始作為紅色染料使用。在本實驗的某出土紡織文物中，在檢測出含有蘆丁和槲皮素后，又對其是否含有茜草進行了檢測。茜草中主要包含茜素和茜紫素，按照上述槐米鑒定方法處理后，得到圖5所示的拉曼光譜圖。

圖5 某紡織文物茜草染色纖維拉曼光譜圖

蘇木鑒定：蘇木是一種紅色的天然染料，在本實驗中，對該紡織文物中是否含有蘇木進行了鑒定，選取明礬作為媒染劑，采取前媒染、后媒染兩種不同的處理工序，得到標(biāo)準(zhǔn)染色色澤效果（鮮紅色、暗紅色），再采用兩種方法處理選取的2.5mm該紡織文物纖維，利用拉曼光譜對其分析后，得到圖6所示的光譜圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩種不同色澤的拉曼光譜處理效果幾乎相同，并沒有對染料結(jié)構(gòu)帶來影響，再將其與巴西木染料標(biāo)準(zhǔn)品得到拉曼光譜對比后，發(fā)現(xiàn)該纖維的染料是巴西木染料。

圖6 某紡織文物蘇木染色纖維拉曼光譜圖

4.3 注意事項

4.3.1 紡織文物纖維拉曼光譜采集

由于拉曼光譜技術(shù)不僅速度快，而且操作簡便，特別是其靈敏度較高及超高的精度，能更好契合紡織文物無損分析，具有受水干擾小的優(yōu)勢。為了得到信噪比更高和特征峰更明顯及譜圖清晰的拉曼光譜圖，需要高度重視紡織文物纖維的拉曼光譜采集，應(yīng)切實注意以下幾點：一是若光源功率過高，可能導(dǎo)致紡織文物纖維樣品的結(jié)構(gòu)被破壞；二是一旦在采集時遭受熒光信號干擾，勢必會導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析受到影響。因此在上述實驗中，也曾出現(xiàn)少數(shù)拉曼峰被熒光背景信號淹沒的問題，使得拉曼光譜信號的數(shù)據(jù)信息提取和分析受到了較大的影響，所以采用了表面增強拉曼光譜法。在激發(fā)光區(qū)域中，因為紡織文物纖維樣品的表面電磁場在增強，使得吸附分子的拉曼散射信號增強，為解決這一問題，首先制作了專業(yè)納米銀溶液，具體的做法如下：精準(zhǔn)稱量1mol/L的硝酸銀溶液0.2mL，1%的聚乙烯吡咯烷酮溶液2mL，去離子水10mL，將三者置于燒杯中形成混合溶液，借助磁力攪拌器按照500r/min的速度進行攪拌，拌勻后馬上添加0.1mol/L抗壞血酸溶液1mL，且持續(xù)攪拌10min后，待液體顏色恒定之后，再按照500r/min的速度離心處理10min后停止攪拌，將上清液取出后，添加去離子水10mL，溶解后形成納米銀溶液。在此基礎(chǔ)上，采用移液管把納米銀溶液滴在樣品表面，當(dāng)表面干燥之后，采用532nm的激光波長和12.5mw的共焦顯微拉曼光譜儀對樣品進行檢測，發(fā)現(xiàn)熒光信號在減弱的同時拉曼峰在增強，獲得的樣品信息更多，從而解決了熒光干擾問題。

4.3.2 拉曼光譜數(shù)據(jù)處理

一是在預(yù)處理過程中，首先應(yīng)通過平滑處理來消除噪聲，使信號質(zhì)量得到提升；其次應(yīng)通過基線校正來消除基線漂移問題；最后是采用歸一化處理，因樣品材料因素，其形成的拉曼信號強度較差，因此可能存在同一紡織文物樣品不同部位纖維的光譜數(shù)據(jù)處于不同數(shù)量級，通過歸一化處理才能確保數(shù)據(jù)達到同一數(shù)量級，在滿足精度要求的同時還能節(jié)約存儲空間。

二是在分析主要成分時，主要是采用PCA法進行分析，該方法屬于多變量分析法，需要把多個有關(guān)的數(shù)據(jù)變量轉(zhuǎn)換成少數(shù)新的特征變量，才能進行數(shù)據(jù)降維。再利用新特征變量來描述有關(guān)數(shù)據(jù)特征信息，在避免互相干擾的同時減少信息交叉重疊的情況，降低數(shù)據(jù)難度。

三是在主要成分提取算法步驟方面，首先將原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理；其次是將原變量相關(guān)系數(shù)矩陣確定出來；再次是確定對應(yīng)的相關(guān)關(guān)系矩陣的特征值并排序，從而確定對應(yīng)的特征向量；最后是對各成分貢獻率進行確定，需要說明的是，本研究主要是對應(yīng)用過程的實施要點進行梳理，因為得到的核心數(shù)據(jù)涉及一定的數(shù)據(jù)安全保密條例，所以本研究并沒有明確提出樣品的成分貢獻率。當(dāng)確定貢獻率后，就需要計算主成分的得分矩陣，并繼續(xù)處理數(shù)據(jù)和建模分析。

5 結(jié)語

綜上所述，拉曼光譜技術(shù)在紡織文物染料鑒定中的應(yīng)用，應(yīng)結(jié)合紡織文物染料鑒定的需要，并結(jié)合鑒定的目的，綜合應(yīng)用多種不同的拉曼光譜技術(shù)，在實際應(yīng)用中結(jié)合樣品信息和樣品數(shù)量以及光譜中的數(shù)據(jù)點對數(shù)據(jù)進行精準(zhǔn)處理和提取，才能降低數(shù)據(jù)處理量和提升處理速度，保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，最終確定主要成分的占比，從中學(xué)習(xí)和總結(jié)經(jīng)驗與教訓(xùn)，不斷提升紡織文物染料鑒定的專業(yè)性與科學(xué)性。