拉曼光譜法鑒定文物及藝術品中染料的研究進展

何秋菊，王麗琴

1. 西北大學文化遺產學院，文化遺產研究與保護技術教育部重點實驗室，陜西 西安 710069 2. 首都博物館文物保護修復中心，北京 100045

拉曼光譜法鑒定文物及藝術品中染料的研究進展

何秋菊1, 2，王麗琴1*

1. 西北大學文化遺產學院，文化遺產研究與保護技術教育部重點實驗室，陜西 西安 710069 2. 首都博物館文物保護修復中心，北京 100045

中國是絲綢之路的發(fā)源地，染色歷史源遠流長。文物及藝術品中的有機染料蘊含著制作年代、原料來源、染色工藝及保存狀況等豐富的信息，但因染料成分復雜、含量低、易于降解，其鑒定一直是文物分析領域的難點。拉曼光譜作為一種指紋光譜在文物及藝術品中染料分析方面具有獨特的優(yōu)勢。系統闡述了顯微拉曼光譜法(MRS/μ-Raman)、近紅外傅里葉變換拉曼光譜法(NIR-FT-Raman)、表面增強拉曼光譜法(SERS)、共振拉曼光譜(RRS)法的原理、特點、局限性以及在染料鑒定中的研究進展和發(fā)展方向； 分類歸納總結出了黃梔子、姜黃等染料的拉曼光譜特性； 對比分析了紫茜素在采用不同波長激光器激發(fā)下的熒光現象； 介紹了以自制的灰綠色銀膠顆粒為基底，聯合薄層色譜(TLC) 分離技術及SERS鑒定茜草中的色素，表明銀溶膠微粒產生的表面增強效應可顯著降低拉曼光譜熒光背底。指出拉曼光譜作為一種快速、便捷的結構定性測試手段在文物和藝術品染料分析中應用前景廣闊，提出多種拉曼光譜技術相結合、拉曼光譜技術與分離技術相結合以及拉曼光譜技術與遠距離傳導技術相結合是拉曼光譜技術的發(fā)展趨勢。

拉曼光譜； 文物； 藝術品； 染料； 鑒定

引 言

古代文物及藝術品的染色是一門偉大的傳統技藝，有著悠久的歷史。最初的染色是從植物或動物中提取可溶性染料，變成固著在纖維上的穩(wěn)定性色素。自1856年英國化學家Perkin發(fā)明合成染料苯胺紫后，各類合成染料逐漸開始應用于文物和藝術品中[1]。經過染色一部分染料(如茜素、紫膠酸等)可在金屬鹽類媒染劑的作用下沉淀于纖維，另一部分還原性染料(如靛藍、泰爾紫等)通過發(fā)酵、氧化等過程固著于纖維，還有一部分染料(如藏紅花酸、蘇木等)可直接上染。通過對古代文物和藝術品中染色材料的鑒定，有助于了解其制作年代、原料來源及染色工藝。此外，由于有機染料易于老化，通過鑒定也有助于了解染料的保存狀況，對后期的修復、保護有著重要的指導意義。

然而，由于染料成分復雜、含量低，且在長時間存放過程中某些化學成分發(fā)生了變化，因而其鑒定一直是文物分析領域的難點。雖然紫外-可見光譜、三維熒光光譜、紅外光譜以及顯微拉曼光譜等分子光譜可用于染料樣品的分析鑒定[2-3]，但紫外-可見光譜和三維熒光光譜不能獲取復雜染料的指紋信息； 紅外光譜因較低的靈敏度及纖維載體帶來的干擾，難以對微量染料進行鑒定。顯微拉曼光譜具有操作簡便、無需制樣、靈敏度高等特點，20世紀80年代中期以來試用于染料的分析鑒定，但報道較少[4-5]。為了克服顯微拉曼光譜法存在的強熒光干擾等弊端，傅里葉變換拉曼、表面增強拉曼、共振拉曼等新型拉曼光譜技術開始引入染料的分析中[6-8]。本文系統闡述了幾種主要拉曼光譜法的原理、特點、局限性以及在文物及藝術品染料鑒定中的研究進展，指出了拉曼光譜技術在染料鑒定中的發(fā)展方向。

1 顯微拉曼光譜法(MRS/μ-Raman)

利用拉曼散射光譜特性可以獲取物質分子振動、轉動能級的相關信息[9]。顯微拉曼光譜技術是將拉曼光譜與顯微分析技術相結合的一種應用技術，其中激發(fā)光的光斑可聚焦至微米量級，實現樣品的微區(qū)分析，是一種理想的微量、痕量文物染料樣品分析技術。以CCD為代表的多通道探測器的應用，使拉曼信號積分累加效果顯著增強，其檢測限達到mg·L-1或mmol·L-1數量級[10]。

Clark等[11]利用顯微拉曼光譜技術對3副16世紀阿拉伯宇宙和地理學家Qazwini的手稿復制品“Wonders of Creation and Oddities of Existence”進行分析時，發(fā)現了染料印度黃的存在，由此推斷這些手稿來源于印度。Burgio等[12]利用拉曼光譜、X射線能譜和偏光顯微分析對比現代埃及沙草紙和大英博物館藏13世紀沙草紙顯色物質的區(qū)別時，發(fā)現現代沙草紙主要使用的是20世紀早期合成的酞菁藍、漢薩黃和β-萘酚紅等染料，據此推斷這幅作品繪制年代晚于1939年； 而在13世紀沙草紙上只發(fā)現了雌黃、埃及藍等礦物顏料，沒有現代合成材料。因此，拉曼光譜技術能夠實現藝術品的真?zhèn)舞b別。在對現有文獻數據[5-6, 13-14]總結的基礎上，課題組利用MRS技術系統研究了染料黃梔子、姜黃等的拉曼光譜特性，分類歸納見表1，該研究對染色材料的鑒定具有重要指導意義。

Table 1 Characteristic Raman frequency and intensity of dyestuffs

續(xù)表1

雙酮類姜黃素curcuminC21H20O6107s,154w,210s,272m,319w,379m,415w,461m,513w,573m,626w,678w,713w,764w,782w,809m,873w,962s,1031vw,1151m,1165m,1184s,1205w,1250m,1318w,1431w,1467vw,1496vw,1532vw,1602vs,1627s直接染色或媒染染料,提取于姜科、天南星科中的一些植物的根莖μ-Raman,785Ourwork類胡蘿卜素類紅花素SaffronC20H24O41020w,1166m,1210w,1283w,1537s,1613w直接型染料,草本植物紅花中提取NIR-FT-Raman[6]二氫吡喃類蘇木hematoxylinC16H12O5431w,706w,780w,899m,977w,1054vw,1153w,1270s,1326s,1390s(br),1447m,1560m,1657m,1702s,1760s媒染型染料,提取于蘇木心材,μ-Raman,632.8Ourwork生物堿類小檗堿berberine[C20H18NO4]+537m,562w,620w,640w,660w,697w,713w,730w,753w,769w,836w,888m,912w,933w,951w,999w,1027w,1042w,1101vw,1119vw,1145vw,1206m,1236w,1277m,1342w,1366w,1397vs,1425m,1447m,1500s,1520vs,1570m,1624s直接染色或媒染染料,提取于黃連、黃檗等μ-Raman,785Ourwork三萜類藤黃GambogicC38H44O8/C29H36O61224w,1249m,1281w,1333w,1383w,1437m,1594s,1634m直接型染料,提取于樹膠脂NIR-FT-Raman[6]偶氮類漢薩黃HansayellowC16H13ClN4O470m,85m(sh),95m,118m,124m,158m,177w,185w,212w,284w,353w,386w,394w,414w,617w,626w,655m,742m,761w,770w,785w,823w,849w,953m,1001m,1068w,1111w,1141s,1181w,1192w,1257m,1306s,1325m,1336m,1360w,1386m,1403w,1451w,1491s,1534w,1561w(sh),1568m,1605s,1619s,1672w1910年合成NIR-FT-Raman[6]萘酚類β萘酚β-naphtholC24H16Cl3N3O275w,99w,149m,247w,298w,347w,386w,431w,442w,454m,463m,528w,619m,681m,725w,731w,746w,813w,968w,989vs,1063w,1099w,1109w,1162m,1205w,1231s,1244w,1261w,1282m,1332w,1359s,1376m,1393m,1449w,1463w,1484m,1552m,1580s,1607w1939年合成NIR-FT-Raman[6]

vw： very weak； w： weak； m： medium； s： strong； vs： very strong； sh： shoulder； br： broad

在進行拉曼光譜分析時，常出現來自染料分子本身、載體材料(如絲線中的蛋白質)或雜質等產生的強熒光干擾，可根據被檢測樣品性質的不同，針對性地選擇可見、紫外或近紅外激光光源來消除干擾。例如，Asher等[15]采用244 nm紫外激光器進行激發(fā)，成功實現了若丹明染料干擾下低濃度芘的分析，而對于這類存在強熒光干擾的染料來說，很難利用可見光激發(fā)來進行拉曼光譜鑒別。本工作系統研究了532，633和785 nm三種波長激光器對古織物常用天然植物染料標準色素紫茜素(purpurin)、靛藍(indigo)等的拉曼光譜及其熒光特性，發(fā)現在不同激發(fā)光波長下染料具有不同的熒光現象。以紫茜素為例，染料分子的多個發(fā)色團羰基或π電子體系內的非鍵合電子基團在486 nm左右產生吸收峰(圖1)，以532或633 nm激發(fā)會出現十分強烈的熒光背景(分別見圖2a和圖2b)，而利用785 nm近紅外光激發(fā)避免了熒光干擾(圖2c)。但需要指出的是，使用近紅外光激發(fā)時，要避免熱效應

對染料樣品可能帶來的傷害[16]； 使用紫外光激發(fā)時，因光子能量高，可能會導致樣品的降解而帶來錯誤的信息[9]。

Fig.1 UV-Vis spectra of purpurin in ethanol

Fig.2 Raman spectra of purpurin with different laser excitationa： λ0=532 nm; b： λ0=633 nm; c： λ0=785 nm

2 近紅外傅里葉變換拉曼光譜法(NIR-FT-Raman)

近紅外傅里葉變換拉曼光譜法是上個世紀八、九十年代發(fā)展起來的新技術。以1 064 nm近紅外激光照射樣品、采用傅立葉變換技術收集信號，提高了測試的信噪比，解決了MRS分析染料時存在的光化學分解、熱效應、熒光效應等問題[17]。因此，NIR-FT-Raman在染料樣品的非破壞性分析方面顯示出了巨大的生命力。

Schulte等[18]通過NIR-FT-Raman分析了用于20世紀藝術作品的有機染料，能快速地鑒定出混雜在干性油和丙烯酸涂料中的漢薩黃、喹吖啶酮紫等染料。Andreev等[19]檢測出2世紀—9世紀紡織品上的藍色染色材料有靛藍、瑪雅藍和普魯士藍(圖3)，且各染料使用的年代帶有明顯的時代烙?。?靛藍在古埃及就已作為一種還原染料廣泛使用； 瑪雅藍在公元前1世紀開始使用； 普魯士藍(KFe[Fe(CN)6])出現的年代最晚，合成于1704年。可見，通過染料鑒定可以判斷文物及藝術品的制作時代。Céline等[20]在研究18世紀法國一藝術藏品織梭(圖4a)的染色成分時，利用NIR-FT-Raman技術減少了染料本身和其他添加材料的熒光干擾。因而盡管該藏品制作工藝復雜(經過了打底、繪制、裝飾和髹漆等多道工序，其剖面結構見圖4b)，使用材料種類多樣，但最終鑒定出了茜素、胭脂紅等染料的存在，同時發(fā)現了MRS難以檢測出的膠結材料亞麻籽油(圖5)。

Fig.3 Raman spectra of blue pigments

a： indigo C16H10N2O2;b： Maya blue (Attapulit (Mg,Al)2[OH|Si4O10]·2H2O)+indigo) ;c： Prussian blue, KFe[Fe(CN)6]

Fig.4 Photography of the artifacts

Fig.5 FT-Raman spectra

a: the weaving shuttle pictorial layer;b: alinseed oil reference film;c: a rabbit skin glue reference film;d: a gum Arabic

3 表面增強拉曼光譜法(SERS)

1974年Fleischmann發(fā)現了表面增強拉曼效應[21]，在物理化學界引起了極大的轟動。當痕量分子吸附于金、銀、銅等金屬膠?；虼植诮饘俚谋砻妫瑯悠防盘枏姸葧黾?04～107倍，這種效應稱為表面增強拉曼散射效應。表面增強拉曼光譜有效地彌補了拉曼信號靈敏度低的弱點，克服了MRS分析染料時的強熒光干擾。

Fig.6 Schematic illustration of a SERS procedure for direct dye analysis on a painting fragment

Fig.7 (a) SERS spectra of alizarin and

然而，SERS方法也有一定的局限性。由于該效應固有的SERS非彈性散射背底的升高及銀表面對激光的強烈散射等因素，在低波數區(qū)易產生干擾。同時，制備具有增強能力強、穩(wěn)定性高、重復性好、使用方便的SERS活性基底還時常面臨著許多技術難題。

Table 2 Main vibrations of μ-Raman and SERS of alizarin

ν： stretching；δ： in-plane bending；γ： out-of-plane stretching

4 共振拉曼光譜法(RRS)

實驗發(fā)現當采用紫外、可見以至紅外激發(fā)光源激發(fā)時，激光頻率與待測分子的某個電子吸收峰接近或重合時，則樣品的拉曼信號可共振增強104～106倍[29]，此特性有助于檢測少量至痕量的具有共振拉曼活性生色團的大分子多環(huán)芳香化合物。與MRS相比，共振拉曼光譜靈敏度高。結合表面增強技術，其靈敏度甚至可達到單分子檢測[30]。

Rosi等[31]首次利用RRS技術無損鑒定出9世紀的圣經和16世紀法國奧弗涅地區(qū)的羊皮紙地圖殘片中的地衣紫(lichen purple)，該染料是昂貴的泰爾紫的替代品。地衣紫的最大吸收波長(λmax)范圍為500～600 nm[32]，利用532 nm激光激發(fā)可顯著增強樣品信號。另一個RRS技術鑒定染料的例子是小檗堿的檢測。小檗堿的λmax為342 nm(圖8)，Bell等[33-34]利用363.8 nm激光器產生的共振增強效應、結合差減轉換法成功地消除了熒光干擾，鑒定出大英圖書館藏的中國古代《金剛經》上的黃色染料為小檗堿。

Fig.8 UV-Vis spectra of berberine in ethanol

RRS技術的主要缺點是要求所檢測的物質是多環(huán)芳香類物質，分子必須具有共扼π電子體系。同時，針對不同的電子生色團, 要求使用不同的激發(fā)光源。因此，對分析儀器限制較大。但隨著紫外、可見、紅外和近紅外激光光源的相繼出現，各種高性能拉曼光譜儀器的大力發(fā)展, 將會使共振拉曼光譜技術逐步得到推廣。

5 結 論

拉曼光譜作為一種快速、便捷的結構定性測試手段在文物和藝術品染料分析中具有獨特的優(yōu)勢，應用前景廣闊。激光技術的出現推動了拉曼技術的發(fā)展，MRS技術實現了樣品的微區(qū)分析； NIR-FT-Raman技術克服了激光對樣品的熱分解和熒光等問題； SERS技術的出現大幅度提高了拉曼光譜的靈敏度、增強了拉曼信號，使其應用范圍大大拓寬； RRS技術鑒定含有共扼π電子體系的生色團具有獨特的優(yōu)勢。

目前，拉曼光譜技術出現以下發(fā)展趨勢： (1)多種拉曼光譜技術相結合，以最大程度發(fā)揮各自的優(yōu)勢： 例如，將FT-Raman與SERS結合起來的SERS-FT-Raman技術[35]，不僅可以完全避免紅外區(qū)的熒光干擾，還可以避免可見光區(qū)強烈的SERS非彈性散射背底的干擾，可在低波數區(qū)獲得更清晰的拉曼信號。(2)拉曼光譜技術與分離技術相結合，可同時分離并鑒別混合染料中的復雜組分： 各類拉曼光譜結構定性測試手段與色譜、毛細管電泳等分離技術聯用，應運而生了TLC-Raman，CE-Raman，TCL-SERRS，TLC-FT-SERS和HPLC-SERS等聯合技術[36-38]。(3)拉曼光譜技術與遠距離傳導技術相結合，實現遠距離或大型文物及藝術品的實時、原位無損檢測： 例如，利用光纖技術將SERS材料組裝到光纖上所制成的高靈敏檢測傳感器[39-40]，實現了低濃度(10-9mol·L-1)物質的分析。

[1] Degano I，Ribechini E，Modugno F，et al. Applied Spectroscopy Reviews，2009，44(5)： 363.

[2] Liu Jian，Guo Danhua，Zhou Yang，et al. Journal of Archaeological Science，2011，38： 1763.

[3] Gulmini M，Idone A，Diana E，et al. Dyes and Pigments，2013，98： 136.

[4] Vandenabeele P，Moens L，Edwards H，et al. Journal of Raman Spectroscopy，2000，31： 509.

[5] Bell I M，Clark R J H，Gibbs P J，et al. Spectrochimica Acta A，1997，53： 2159.

[6] Burgio L，Clark R J H. Spectrochimica Acta A，2001，57： 1491.

[7] Chen Kui，Marco Leona，Tuan VoDinh. Sensor Review，2007，27(2)： 109.

[8] Efremov E V，Ariese F，Gooijer C. Analytica Chimica Acta, 2008, 606: 119.

[9] Smith G G D，Clark R J H. Journal of Archaeological Science，2004，31： 1137.

[10] Lenain B P. Analusis，2000，28： 11.

[11] Clark R J H，Gibbs P J. Journal of Archaeological Science，1998，25： 621.

[12] Burgio L，Clark R J H. Journal of Raman Spectroscopy，2000，31： 395.

[13] Whitney A，Duyne R，Casadio F. Journal of Raman Spectroscopy，2006，37： 993.

[14] Leona M，Stenger J，Ferloni E. Journal of Raman Spectroscopy，2006，37： 981.

[15] Asher S A，Munro C H，Chi Z. Laser Focus World，1997： 99.

[16] Harvey S D，Peters T J，Wright B W，et al. Applied Spectroscopy，2003 (57)： 580.

[17] Paris C，Coupry C. Journal of Raman Spectroscopy，2005，36： 77.

[18] Schulte F，Brzezinka K，Lutzenberger K，et al. Journal of Raman Spectroscopy，2008，39： 1455.

[19] Andreev G N，Schulz H，Fuchs R，et al. Journal of Analytical Chemistry，2001，371： 1009.

[20] Daher C，Drieu L，Bellot-Gurlet L，et al. Journal of Raman Spectroscopy，2014，45： 1207.

[21] Fleischmann M，Hendra P J，Mcquillan A J. Chemical Physics Letters，1974，26(2)： 163.

[23] Whitney A V，Duyne R，Casadio F J. Journal of Raman Spectroscopy，2006，37： 993.

[24] Chen Kui，Vo-Dinh Kim-Chi，Yan Fei，et al. Analytica Chimica Acta，2006，569： 234.

[25] Chen Kui，Leona M，Vo-Dinh Kim-Chi，et al. Journal of Raman Spectroscopy，2006，37： 520.

[26] Leona M，Lombardi J R. Journal of Raman Spectroscopy，2007，38： 853.

[27] Doherty B，Brunetti B G，Sgamellotti A，et al. Journal of Raman Spectroscopy，2011，42： 1932.

[29] Robert B. Photosynthesis Research，2009，101： 147.

[30] Shadi I T，Chowdhry B Z，Snowden M J，et al. Journal of Raman Spectroscopy，2004，35： 800.

[31] Rosi F，Clementi C，Paolantoni M，et al. Journal of Raman Spectroscopy，2013，44： 1451.

[32] Clementi C, Miliani C, Romani A，et al. Spectrochim. Acta Part A，2006，64： 906.

[33] Bell S，Bourguignon E，Grady A，et al. Spectroscopy Europe，2002，14(6)： 17.

[34] Bell S，Edwards H，Chalmers J，et al. Royal Society for Chemistry, Cambridge，2005，292.

[35] Zaffino C，Bruni S，Guglielmi V. Journal of Raman Spectroscopy，2014，45： 211.

[36] GONG Yan，LU Yong-kai，LIN Su-jun，et al(龔，盧永凱，林素君，等). Chemistry(化學通報)，2010，(8)： 689.

[37] Chen Jing，Abell J，Huang Yaowen. Lab on a Chip，2012，12: 3096.

[39] XU Wei-qing，XU Shu-ping，HU Bing，et al(徐蔚青，徐抒平，胡 冰，等). Chemical Journal of Chinese Universities(高等學校化學學報)，2004，25(1) ： 144.

[40] Stokes D L，VoDinh T. Sensors and Actuators B: Chemical，2000，69 (1)： 28.

*Corresponding author

Research Progress of Raman Spectroscopy on Dyestuff Identification of Ancient Relics and Artifacts

HE Qiu-ju1, 2，WANG Li-qin1*

1. College of Cultural Heritage，Key Laboratory of Culture Heritage Research and Conservation (Northwest University)，Ministry of Education，Xi’an 710069，China 2. Centre for the Conservation and Restoration of Cultural Heritage，Capital Museum，Beijing 100045，China

As the birthplace of Silk Road, China has a long dyeing history. The valuable information about the production time，the source of dyeing material，dyeing process and preservation status were existed in organic dyestuff deriving from cultural relics and artifacts. However，because of the low contents，complex compositions and easily degraded of dyestuff，it is always a challenging task to identify the dyestuff in relics analyzing field. As a finger-print spectrum，Raman spectroscopy owns unique superiorities in dyestuff identification. Thus，the principle，characteristic，limitation，progress and development direction of micro-Raman spectroscopy (MRS/μ-Raman)，near infrared reflection and Fourier transform Raman spectroscopy (NIR-FT-Raman), surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) and resonance raman spectroscopy (RRS) have been introduced in this paper. Furthermore, the features of Raman spectra of gardenia，curcumin and other natural dyestuffs were classified by MRS technology, and then the fluorescence phenomena of purpurin excitated with different wavelength laser was compared and analyzed. At last, gray green silver colloidal particles were made as the base，then the colorant of madder was identified combining with thin layer chromatography (TLC) separation technology and SERS，the result showed that the surface enhancement effect of silver colloidal particles could significantly reduce fluorescence background of the Raman spectra. It is pointed out that Raman spectroscopy is a rapid and convenient molecular structure qualitative methodology，which has broad application prospect in dyestuff analysis of cultural relics and artifacts. We propose that the combination of multi-Raman spectroscopy, separation technology and long distance transmission technology are the development trends of Raman spectroscopy.

Raman spectroscopy； Relics； Artifact； Dyestuff； Identification

Jan. 3, 2015; accepted Apr. 25, 2015)

2015-01-03，

2015-04-25

國家自然科學基金項目(21175104)資助

何秋菊，女，1982年生，西北大學文化遺產學院博士研究生 e-mail： keke8862@163.com *通訊聯系人 e-mail： wangliqin@nwn.edu.cn

O657.3； K854.2

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0401-07