拉曼光谱技术在纺织文物染料鉴定中的应用研究

来源:用户上传      作者:孙辉

　　摘 要：纺织文物是出土文物中常见的文物类型之一，为加强纺织文物的储存与文化传承，助力文物修复与保护工作，在前期基础工作中，主要是提取纺织文物的历史信息，鉴定纺织文物的物化性能，起草修复和保护方案。本研究紧密结合一线研究工作的实践，以拉曼光谱技术在纺织文物染料鉴定中的应用作为研究要点，选取某纺织文物作为研究案例，对其染料进行鉴定，以切实做好前期基础工作。
　　关键词：拉曼光谱技术；纺织文物；染料鉴定；应用
　　DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.01.035
　　纺织文物在出土后，难免出现有机高分子断裂和氧化问题，导致靓丽光鲜的色彩往往变得黯然失色。现有的古代纺织品染色工艺的文字记录不完整、单一，因此在纺织文物出土后需要及时利用拉曼光谱技术对纺织文物的染料进行鉴定，为文物鉴定、保护、存储、研究等提供必要的数据支撑。
　　1 研究背景
　　拉曼光谱技术在纺织文物染料鉴定中的应用，旨在分析和鉴定纺织文物的染料，不仅能回溯纺织文物的生产年代与染色技艺，而且还能助力文物复原、修复、保存、展出等。通常而言，纺织文物在出土时，往往经过了土壤对微生物的腐蚀与分解，导致染料自身的成分出现变化。同时，纺织文物染料的成分较为复杂，且含量较低，尤其在外界环境多种因素的C合影响下，极易发生成分变化的情况，因此，文物分析领域始终将染料鉴定作为研究的重点。
　　目前，在纺织文物染料鉴定时，通常采用的色谱技术为薄层色谱技术、高效液相色谱技术及液质联合应用技术。在这三种常规的色谱技术中，液质联合应用技术的优势更高，不仅灵敏度强，而且分离效果好。而其不足就是在前期纺织文物染料萃取、水解及衍生等环节中过程较为复杂，针对不同的染料、萃取体系，得到的萃取效果也存在较大差异。为实现萃取效果最优化，就需要采用兼具测量简单和无损分析的拉曼光谱技术，本研究结合这一背景下进行。
　　2 技术原理
　　拉曼光谱技术是以拉曼光谱现象为前提，这一现象最初是1928年印度科学家拉曼在对CCl4进行光散射现象研究时发现的，即一束光照射在样品上时形成的投射、散射和反射三种不同的现象。拉曼经过研究后发现，反射、投射的光占比远大于散射光。少数散射光频率不会变化，而传播方向会发生变化，即瑞利散射，而其余的散射光频率会出现变化，也就是入射光和样品分析形成能量交换，从而会改变散射光频率，即得到拉曼光谱。利用拉曼光谱技术对纺织文物的染料进行鉴定，主要是利用拉曼光谱获取并分析振动和转动信息，最终达到对染料识别与检测的目的。
　　具体而言，就是光照射在分子时形成弹性与非弹性两种不同的散射现象，具体详见图1所示，从图可以看出，若光子和分子形成的是弹性散射，此时的分子吸收频率光子Vo的变化过程是电子基态→电子激发态→释放频率→电子基态，在这一过程中，由于只是运动方向发生了变化，没有出现能量交换，因此这一散射就属于瑞利散射。而如果是入射光子和分子形成非弹性散射，此时的分子吸收频率光子Vo和发射分子Vo－的变化过程是低能态→高能态，即斯托克斯散射。但分子吸收频率光子Vo和发射光子Vo+V的变化过程是高能态→低能态，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两种不同的散射。散射光强度和入射光所激发分析数量之间的关系是正相关，由此斯托克斯散射和反斯托克斯散射就会受到基态能级和受激态能级带来的影响。而玻尔兹曼分布理论告诉我们，室温下的分子以基态为主，且基态能级的分子数量比受激态能级分子数量要大很多，所以斯托克斯散射的强度最高，此时散射光谱即拉曼散射光谱。
　　3 光谱类型
　　拉曼光谱技术在纺织文物染料鉴定中应用时，拉曼光谱技术的类型较多，比如在应用研究中主要是以表面增强型拉曼光谱技术为例进行的研究，在实际研究中，需要掌握不同拉曼光谱技术的特点，结合实际进行选择，有针对性地加强应用研究，使得整个研究更具有专业性和有效性。以下对常见的拉曼光谱技术类型进行概述。
　　3.1 显微拉曼光谱技术
　　该技术对纺织文物染料鉴定主要是获取被检测对象中的物质分子振动和转动能级等有关信息，是在拉曼光谱技术的基础上应用显微分析技术的综合应用，利用激发光光板能聚焦到μm量级，从而对纺织文物染料进行微区分析，属于理想化的痕量和微量纺织文物染料样品分析技术。
　　3.2 近红外傅里叶变换拉曼光谱技术
　　该技术对纺织文物染料鉴定主要是采取1064nm的近红外激光对纺织文物样品照射后，借助傅里叶变换技术进行信号收集，使测试信噪比得到提升，尤其是在非破坏性分析方面有着较强的优势。
　　3.3 表面增强拉曼光谱法
　　该技术对纺织文物染料鉴定主要是为了提升拉曼信号灵敏度，不仅在燃料分析时没有强荧光的干扰，而且灵敏度很高，能对纺织文物中的染料属于天然染料或合成染料进行鉴定。
　　3.4 共振拉曼光谱技术
　　该技术对纺织文物染料鉴定主要是为了提升拉曼光谱灵敏度，若与表面增强拉曼光谱技术综合应用，能实现单分子检测的目的。
　　4 应用要点
　　4.1 纺织文物常见染料
　　纺织文物中的染料来源以植物为主，主要有红、黄、绿、蓝、紫、黑、褐色。纺织文物中的各种染料来源具体详见图2。
　　4.2 应用过程
　　实验试剂：在本实验中，采用的试剂主要有AgNO3、C6H9Na3O9、HCl、HNO3、C2H6O、C15H10O7、C15H10O5、C27H30O16、C15H10O5、C16H14O6、C15H10O8、C16H16O5、C15H10O6、C21H20O11、C15H10O6、C14H8O4、C14H8O5、C22H20O13、C15H10O5、C8H5NO2、C16H10N2O2、C16H10N2O2、C21H20O6、C14H6O8。

　　实验仪器：在本实验中，采用的仪器主要有高速离心机、磁力搅拌器、电子天平、紫外可见分光光度计、共聚焦显微拉曼光谱仪、场发射扫描电镜。
　　实验对象：本研究选取某纺织文物，对其是否含有常见的红花、槐米、茜草、苏木等资料进行鉴定，对各自的鉴定情况进行分析。
　　红花鉴定：红花是纺织文物中红色染料的主要来源之一，属于橘生科草本植物，最早从地中海起源，公元前就进入了中亚、南亚地区，公元前3世纪进入中国中原地区，到了唐朝，红花成为唐代纺织品中红色染料的主要来源。红色染料就是从红花中萃取红花素，红色素可以染成大红色，也能利用调节酸染成桃红色和银红色。为检测某出土纺织文物中是否含有红花素，首先应选取标准红花染色样品（桃红色、大红色），在对某出土纺织文物进行染料鉴定时，要从该文物上提取2.5mm的纤维，并进行原位非萃取水解处理，再添加5μL银胶，等干燥之后，利用共聚焦显微开始拉曼检测，检测时的激发波长为524nm，最终得到图3所示的拉曼光谱图。在本试验中，若将银胶直接滴加到被检测的纤维上，因受到强烈荧光作用，难以对其使用拉曼光谱检测，所以将被检测纤维进行预处理的基础上再滴加银胶，得到图3所示的拉曼光谱图，可知并没有从中采集到红花素的拉曼光谱图。
　　槐米鉴定：因在上述该纺织文物中没有检测到红花素，所以拟对其中是否包含槐米进行鉴定。槐米富含染色用的黄酮类染料，也是纺织文物中常见的黄色染料来源。在本实验中，要鉴定该纺织文物中是否含有槐米染料，同样需选取槐米染色样品（黄绿色、纯黄色），该样品是利用槐米在丝绸纤维中染色得到的两个样品，二者的色泽差异说明成分存在差异，为了明确该纺织文物的染料成分，采用拉曼光谱技术与原位非萃取水解技术，分别选取一根2.5mm的织物文物纤维，并进行HF处理后添加{米银进行检测，检测得到的结果具体详见图4。从图4可以看出，黄绿色激发波长的散射峰和纯黄色激发波长的散射峰特征分别与芦丁和槲皮素的特征峰基本吻合，由于芦丁与槲皮素的特征峰在此前的研究中做过，有详细的对比数据，所以本研究不再对此过程进行详细描述。
　　茜草鉴定：茜草是目前出土纺织文物中应用最早的红色染料，从商周时期就开始作为红色染料使用。在本实验的某出土纺织文物中，在检测出含有芦丁和槲皮素后，又对其是否含有茜草进行了检测。茜草中主要包含茜素和茜紫素，按照上述槐米鉴定方法处理后，得到图5所示的拉曼光谱图。
　　苏木鉴定：苏木是一种红色的天然染料，在本实验中，对该纺织文物中是否含有苏木进行了鉴定，选取明矾作为媒染剂，采取前媒染、后媒染两种不同的处理工序，得到标准染色色泽效果（鲜红色、暗红色），再采用两种方法处理选取的2.5mm该纺织文物纤维，利用拉曼光谱对其分析后，得到图6所示的光谱图。从图中可以发现，两种不同色泽的拉曼光谱处理效果几乎相同，并没有对染料结构带来影响，再将其与巴西木染料标准品得到拉曼光谱对比后，发现该纤维的染料是巴西木染料。
　　4.3 注意事项
　　4.3.1 纺织文物纤维拉曼光谱采集
　　由于拉曼光谱技术不仅速度快，而且操作简便，特别是其灵敏度较高及超高的精度，能更好契合纺织文物无损分析，具有受水干扰小的优势。为了得到信噪比更高和特征峰更明显及谱图清晰的拉曼光谱图，需要高度重视纺织文物纤维的拉曼光谱采集，应切实注意以下几点：一是若光源功率过高，可能导致纺织文物纤维样品的结构被破坏；二是一旦在采集时遭受荧光信号干扰，势必会导致数据分析受到影响。因此在上述实验中，也曾出现少数拉曼峰被荧光背景信号淹没的问题，使得拉曼光谱信号的数据信息提取和分析受到了较大的影响，所以采用了表面增强拉曼光谱法。在激发光区域中，因为纺织文物纤维样品的表面电磁场在增强，使得吸附分子的拉曼散射信号增强，为解决这一问题，首先制作了专业纳米银溶液，具体的做法如下：精准称量1mol/L的硝酸银溶液0.2mL，1%的聚乙烯吡咯烷酮溶液2mL，去离子水10mL，将三者置于烧杯中形成混合溶液，借助磁力搅拌器按照500r/min的速度进行搅拌，拌匀后马上添加0.1mol/L抗坏血酸溶液1mL，且持续搅拌10min后，待液体颜色恒定之后，再按照500r/min的速度离心处理10min后停止搅拌，将上清液取出后，添加去离子水10mL，溶解后形成纳米银溶液。在此基础上，采用移液管把纳米银溶液滴在样品表面，当表面干燥之后，采用532nm的激光波长和12.5mw的共焦显微拉曼光谱仪对样品进行检测，发现荧光信号在减弱的同时拉曼峰在增强，获得的样品信息更多，从而解决了荧光干扰问题。
　　4.3.2 拉曼光谱数据处理
　　一是在预处理过程中，首先应通过平滑处理来消除噪声，使信号质量得到提升；其次应通过基线校正来消除基线漂移问题；最后是采用归一化处理，因样品材料因素，其形成的拉曼信号强度较差，因此可能存在同一纺织文物样品不同部位纤维的光谱数据处于不同数量级，通过归一化处理才能确保数据达到同一数量级，在满足精度要求的同时还能节约存储空间。
　　二是在分析主要成分时，主要是采用PCA法进行分析，该方法属于多变量分析法，需要把多个有关的数据变量转换成少数新的特征变量，才能进行数据降维。再利用新特征变量来描述有关数据特征信息，在避免互相干扰的同时减少信息交叉重叠的情况，降低数据难度。
　　三是在主要成分提取算法步骤方面，首先将原始数据进行标准化处理；其次是将原变量相关系数矩阵确定出来；再次是确定对应的相关关系矩阵的特征值并排序，从而确定对应的特征向量；最后是对各成分贡献率进行确定，需要说明的是，本研究主要是对应用过程的实施要点进行梳理，因为得到的核心数据涉及一定的数据安全保密条例，所以本研究并没有明确提出样品的成分贡献率。当确定贡献率后，就需要计算主成分的得分矩阵，并继续处理数据和建模分析。
　　5 结语
　　综上所述，拉曼光谱技术在纺织文物染料鉴定中的应用，应结合纺织文物染料鉴定的需要，并结合鉴定的目的，综合应用多种不同的拉曼光谱技术，在实际应用中结合样品信息和样品数量以及光谱中的数据点对数据进行精准处理和提取，才能降低数据处理量和提升处理速度，保证数据采集质量，最终确定主要成分的占比，从中学习和总结经验与教训，不断提升纺织文物染料鉴定的专业性与科学性。
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