基于表面增强拉曼光谱快速检测纺织品禁用染料

潘 菁，徐敏敏，袁亚仙，姚建林

（苏州大学材料与化学化工学部,苏州215123）

染料是一类重要的化合物，被广泛应用于油墨、皮革和纺织等行业，其中纺织工业平均每年消耗其总产量的一半以上［1］.生活水平的提高促使人们更加追求衣物的舒适度和安全性，对纺织品的质量和安全性的要求不断提高.纺织品上的染料会与人体皮肤长时间接触，当染料的色牢度不佳时，通过皮肤吸收使染料进入到血液，进而分散至全身，表现出某种生物学效应.大部分禁用染料都是以石油化工产品为原料，经人工合成得到的芳香族化合物.这类染料具有致癌、致畸和致敏等危害，且抗降解性强，暴露在光、溶剂和多数化学物质中都不会褪色.为此，亟待发展纺织品上有害染料的快速检测技术［2］.近年来，Pellegrini等［3］提取了纺织品中染料酸性橙37，使用红外光谱进行检测；Baran等［4］获得了纺织艺术品中靛蓝的中红外光谱；Fukunaga等［5］研究了纺织艺术品中的天然染料朱砂、雌黄、钴蓝、茜草红的透射光谱.然而，常规的红外光谱检测时常常需要先提取纺织品中的染料，样品制备过程较为复杂.同时，由于染料特别是违禁染料在纺织品中的浓度较低，其信号往往掩盖在纺织品本身信号中，因此直接检测仍存在技术上的困难.使用紫外-可见光谱对染料进行检测的报道较为罕见，这是由于紫外光谱仅能提供样品的吸收波长和吸光度等信息，难以对物质进行定性.目前运用光谱技术开展纺织品染料的直接检测仍值得深入研究，特别是高灵敏度快速的直接检测技术.

表面增强拉曼光谱（SERS）已被公认为是高灵敏的检测技术之一.通常，当纳米结构相互靠近时，表面等离激元耦合从而形成“热点”［6］.“热点”区域具有极高的局域表面光电场，因此这些区域的SERS效应十分显著，其检测能力甚至可达单分子水平［7，8］.大多数染料上的—SH和—NH2等基团易与Au和Ag等SERS基底表面形成化学键而吸附，从而给出较强的SERS信号.因此，SERS有望成为染料检测的理想技术［9，10］.目前，已有众多使用SERS技术进行染料检测的报道，如Hu等［11］利用自制的ZnO/Ag复合纳米基底检测有害染色剂苏丹红Ⅱ和Ⅳ的乙酸乙酯溶液，检出限低至10−12mol/L；Liu等［12］将纳米粒子组装在有机物薄膜上制备SERS基底，结合便携式拉曼光谱仪对罗丹明6G（R6G）染液进行了检测，检测限为10−6mol/L.这些方法实现了染料液体样品的高灵敏度检测.然而，以上研究大多是针对液体样品，并非直接在实际纺织品上开展染料检测，且液体样品往往来自于实际纺织品染料的提取液，需经过加热、离心、富集和吸附等一系列繁琐的操作步骤，非常耗时.

本文基于SERS技术，以碱性红9［13~15］和分散黄23［16］两种常见的致癌染料作为模型分子，利用银纳米粒子作为增强基底，通过将其滴加在纺织品表面直接进行检测，由此建立一种快速检测纺织品中禁用染料的新方法，实现了纺织品中染料的快速、高灵敏度检测.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

硝酸银（AgNO3，纯度99.9%）和二水合柠檬酸三钠（Na3C6H5O7·2H2O，纯度99.0%）均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；碱性红9（C19H18ClN3，纯度＞90%，分析纯）购自东京化成工业株式会社；分散黄23（C18H14N4O，分析纯）购自德国Dr.Ehrenstorfer公司；所用纺织品样品均为棉制品；实验用水均为超纯水（电阻率≥18.2 MΩ·cm），由Millipore超纯水机（德国默克公司）制得.

XploRA PLUS型拉曼光谱仪（日本Horiba公司）；TU-1810型紫外-可见分光光度计（UV-Vis，北京普析通用公司）；SU-8010型场发射扫描电子显微镜（FESEM，日本日立公司）；UltiMate 300型高效液相色谱仪（HPLC，美国Thermo Fisher公司）.

1.2 实验过程

1.2.1 染色过程使用的样品按如下过程进行染色［17~19］：首先，将纺织品在洗涤剂中浸泡清洗30 min，除去杂质和助剂.然后将清洗后的纺织品放入染液中，用40℃水浴加热，直到纺织品颜色与染液颜色一致.取出纺织品并浸泡在10 g/L Na2CO3溶液中30 min进行固色.最后将染色后的纺织品浸泡在水中，以漂去未固定的染料.重复这个过程几次，直到水的颜色不再变化，将纺织品平整地摆放在40℃烘箱中干燥保存，备用.

1.2.2 金纳米粒子的制备采用Frens柠檬酸盐还原法制备15和55 nm金纳米粒子［20］.将100 mL 0.01%（质量体积分数）HAuCl4溶液在剧烈搅拌下加热并冷凝回流，然后快速加入2 mL 1%（质量体积分数）柠檬酸钠水溶液，在沸腾条件下继续搅拌15 min，室温冷却后即得亮红色的15 nm金纳米粒子；将100 mL 0.01%（质量体积分数）HAuCl4溶液在剧烈搅拌下加热并冷凝回流，然后快速加入0.75 mL 1%（质量体积分数）柠檬酸钠水溶液，在沸腾条件下继续搅拌30 min，室温冷却后即得红棕色的55 nm金纳米粒子.此外，为了在实验中进行对比，以及获得稳定的SERS光谱特征，制备了30 nm的金纳米粒子单层膜［21］.

1.2.3 银纳米粒子的制备银纳米粒子参照文献［22］方法制备.将0.018 g硝酸银溶解在100 mL超纯水中，得到硝酸银溶液.将硝酸银溶液在三颈烧瓶中加热搅拌并冷凝回流，至沸腾时快速加入2 mL 1%柠檬酸钠水溶液，溶液迅速由无色变为灰黄色，然后再变成黄绿色，继续加热搅拌1 h使纳米粒子稳定.随后撤去加热装置，搅拌并自然冷却至常温，即得浓度约为4.07×1010个/mL，粒径约为80 nm的银纳米粒子溶液.

1.2.4 检测过程和方法如图1所示，将染色纺织品剪成尺寸为2 cm×2 cm的碎片，然后取一碎片固定在载玻片上，置于拉曼光谱仪显微镜头下，向纺织品表面滴加100 μL银纳米粒子即可直接进行SERS检测.其中物镜为50倍长焦镜头，数值孔径为0.5，光栅为1200 g/mm，光谱分辨率≤1 cm−1，对80 nm银纳米粒子采用532 nm激发波长；对55 nm金纳米粒子采用激发波长为638 nm.

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

2 结果与讨论

2.1 纺织品染色与基底表征

图2 （A）给出了经过清洗后的白色棉质纺织品，图2（B）为经10−5mol/L分散黄23染液染色后的纺织品.样品经过了完整的染色步骤，包括固色、漂洗等，纺织品的颜色较为均匀，说明纺织品表面各处的染料浓度较为一致，有利于得到稳定的SERS信号.图2（C）为银纳米粒子的紫外光谱，插图为其SEM照片.可见，其最大吸收峰的半峰宽较窄，说明银纳米粒子的粒径分布均匀，最大吸收波长为417 nm.结合SEM照片可见，银纳米粒子的粒径约为80 nm，形状呈现类球形.

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

2.2 染料的常规拉曼光谱测试

图3 （A）和（B）分别给出了两种染料样品粉末扣除背景后的常规拉曼光谱（Normal Raman spectrum，NRS）和染料吸附在金纳米粒子单层膜［21］上的SERS光谱.可见，两种染料的SERS光谱与粉末的常规拉曼光谱出现一定的差别，但主要特征谱峰较为一致.碱性红9的SERS特征光谱中，位于827和1520 cm−1处的峰归属于苯环的伸缩振动，914 cm−1处的峰归属于苯环的呼吸振动，1173 cm−1处的峰归属于C—C—C的非对称伸缩振动，1376 cm−1处的峰归属于C6H5-N的非对称弯曲振动，1584 cm−1处的峰归属于苯环的不完全对称振动［23］，这些特征峰在NRS谱中也出现了，其中1173 cm−1处的峰增强显著，从而可作为对比的特征峰.

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

将分散黄23的SERS光谱和常规拉曼光谱进行对比发现，SERS光谱的相对强度发生了变化，这也是SERS光谱的特点，如位于1130 cm−1处的峰归属于N=N伸缩振动，1183和1593 cm−1处的峰归属于苯环的伸缩振动［24］，其中1130 cm−1处的峰增强得特别显著，可作为特征峰.

2.3 增强基底的优化

金属纳米粒子的种类、粒径等因素通常显著影响基底的“热点”效应，从而影响基底的SERS增强性能.因此，采用不同的基底材料进行了基底SERS性能的对比研究，以便选择理想的基底用于纺织品染料的直接SERS测定.

2.3.1纳米粒子种类的影响将3种金属纳米粒子作为增强基底进行了比较，分别为80 nm银纳米粒子、15及55 nm金纳米粒子.以10−5mol/L碱性红9和分散黄23分别染色后的纺织品作为样品，进行SERS检测［图4（A）和（B）］.可见，银纳米粒子的增强性能明显优于金纳米粒子，在银纳米粒子表面的SERS光谱中，可清晰识别出染料分子的SERS特征峰，信号强度为金纳米粒子的2~3倍.该现象与金属表面的等离子体增强效应、激发光的频率以及金属本身的介电常数和光学性质有关.与金相比，银可以在很宽的激发光光子能量区间内产生较强的表面增强效应，因此银纳米粒子的增强性能优于金纳米粒子.以银纳米粒子作为SERS增强基底，其检测灵敏度更高，更适用于纺织品中染料的快速检测.

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 纳米粒子浓度的影响金属纳米粒子的浓度同样对“热点”的数目产生影响，从而影响SERS增强性能，为此对作为增强基底的银纳米粒子的浓度进行了优化［25］.以10−5mol/L碱性红9染色后的纺织品作为样品，将所制的80 nm银纳米粒子分别离心浓缩2倍、3倍及5倍后作为增强基底，所得的SERS光谱如图5所示.以样品在1173 cm−1处的SERS信号强度为参照，与未浓缩的银溶胶（纳米粒子浓度为4.07×1010个/mL）进行对比，当银溶胶浓缩了2倍（纳米粒子浓度为8.14×1010个/mL）时，染料的SERS信号积分强度增强了近3倍.这是由于金属纳米粒子浓缩后，纳米粒子发生聚集，形成了更多增强性能更强的“热点”，拉曼光谱信号被显著增强；随着金属纳米粒子进一步被浓缩，SERS信号强度继续增强后趋于稳定（图5插图），说明此时纳米粒子产生的“热点”效应趋于饱和.随着浓缩倍数的升高，银纳米粒子的浓度也越高，有效渗透到纺织品纤维内部的耗时增加.因此，结合信号强度和检测时长两方面考虑，最终选择浓缩3倍后的银溶胶作为SERS检测基底.

2.4 碱性红9和分散黄23染色样品的检测

采用不同浓度的碱性红9染液分别对空白纺织品进行染色，然后逐一滴加浓缩3倍后的80 nm银纳米粒子溶液，进行SERS检测.图6（A）为不同浓度的碱性红9染液对纺织品染色后的SERS光谱.当染液的浓度为10−5mol/L时，染料的特征峰可清晰识别，SERS信号强度较大；当染液浓度降低至10−6mol/L时，信号强度降低了一倍左右，但分子的SERS特征峰仍清晰可见；当染液浓度进一步低至10−7mol/L时，则难以检测到碱性红9分子的SERS信号.由此可见，该方法对纺织品上碱性红9染液的检出限为原始染液的10−6mol/L.实际上由于染色过程中的染料损失，在实际检测时，纺织品上所含染料浓度远低于原始染液的浓度，即该方法对染料的检出限实际远低于原始染液的10−6mol/L.为了更加精确确定纺织品中染料的实际浓度，采用高效液相色谱（HPLC）标准方法并结合常规的染料提取方法测定了纺织品中染料的浓度，具体参见本文支持信息，10−6mol/L原始染液染色后的纺织品的实际染料浓度约为0.16 mg/kg，该技术对于纺织品上碱性红9染料的检测限约0.16 mg/kg.

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

用不同浓度的分散黄23染液分别对空白纺织品进行染色，并进行SERS检测，所得光谱如图6（B）所示.当染液浓度为10−5mol/L时，能够识别分散黄23位于1130，1183和1583 cm−1处的SERS特征峰.当染液浓度降低一个数量级时，SERS特征峰强度明显下降，其位于1183和1593 cm−1处的特征峰较弱，但仍可通过整个光谱特征对染料分子进行识别.当染液浓度低至10−7mol/L时，无法获得纺织品上分散黄23的SERS信号.采用上述相同测定方法，10−6mol/L分散黄23染色纺织品的实际染料浓度约为0.24 mg/kg，即SERS直接检测技术对于纺织品上分散黄23染料的检测限约为0.24 mg/kg.

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

值得说明的是，在对碱性红9和分散黄23染料染色纺织品进行检测时发现，从向样品表面滴加银溶胶开始，至完成SERS检测的整个过程耗时未超过30 s，说明基于SERS的直接检测方法操作简单，便捷省时.此外，由于碱性红9分子结构中的—NH2可与金属纳米粒子基底形成化学键，有利于其在基底表面上的吸附；而分散黄23分子中的N=N无法与纳米粒子形成有效的化学键，从而使分散黄23的吸附能力远低于碱性红9.因此，在染液浓度和检测条件均相同时，纺织品上碱性红9的SERS信号强度达到了分散黄23的3倍左右，该方法对于碱性红9的检测更为有利.

根据国标GB20382-2006和GB38385-2019，碱性红9和分散黄23检出限分别为10和5 mg/kg［15，16］，由此说明基于SERS的纺织品染料直接检测的检测限均优于国家标准.

综上所述，本文发展了一种基于SERS技术快速检测纺织品染料的新方法.通过直接在纺织品表面滴加浓缩的银纳米粒子，能够实现纺织品表面染料的快速检测，SERS相关检测时长不超过30 s.根据实验结果，并结合HPLC的定量作用，基于该方法对两种常见禁用染料碱性红9和分散黄23的检出限分别为0.16和0.24 mg/kg，灵敏度均超出了国家标准中的要求.该方法不需要复杂的取样和样品前处理过程，在不破坏样品的前提下，可以快速实现禁用染料的识别，对纺织品安全监测具有重要意义.

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