基于分子亲和力的SERS检测技术：利用金属配位作用识别天然染料

《Dyes and Pigments》：Molecular Affinity–driven SERS Detection of Natural Dyes using Metal Coordination

表面增强拉曼光谱（SERS）因低亲和力限制天然染料检测应用，本研究引入金属配位锚定策略，通过3-巯基丙酸（MPA）和Fe3+修饰Ag纳米多壳层，增强非巯基染料（单宁酸、紫草素）表面吸附，提升信噪比与检测灵敏度，并扩展至混合溶剂系统提高染料溶解性，为复杂天然染料分析提供新方法。

　　

作者：金世珍（Sejin Kim）、郭成俊（Sungjun Kwak）、赵美淑（Mi Sook Cho）、李章俊（Jang-Jon Lee）、郑大洪（Dae Hong Jeong） 所属机构：韩国首尔国立大学教育学院化学教育系，首尔08826

摘要

表面增强拉曼光谱（SERS）技术在分析文化遗产纺织品中使用的天然植物染料方面发挥了重要作用，但染料分子与SERS基底金属表面的亲和力较低，限制了其实际应用。以往的SERS研究主要采用金属纳米粒子与染料分子（如蒽醌）的诱导聚集方法，但这些方法往往导致重现性差和检测灵敏度低。在本研究中，我们借鉴传统的媒染工艺，提出了一种非聚集性的金属配位固定策略。通过用3-巯基丙酸（MPA）和Fe³⁺修饰多孔银纳米壳（AgNSs），使单宁酸和紫草素染料分子通过特定官能团选择性地吸附在金属表面。这种功能化处理提高了基底表面的染料浓度，从而增强了SERS光谱的信噪比（SNR）并降低了检测限（LOD），实现了高灵敏度的检测。此外，通过使用混合溶剂体系提高染料的溶解度，该方法成功应用于天然染料提取物。该方法具有显著的分析能力，能够检测低浓度的染料，并区分具有相似分子结构的天然染料。这些发现表明，该方法有望实现通用检测，能够区分结构相关的多种天然染料。

引言

从植物中提取的天然有机染料长期以来一直是传统纺织品的主要着色材料。鉴于这些纺织品作为文化遗产的重要性，准确识别和分析天然染料对于它们的保护和修复至关重要[1]。除了历史价值外，天然染料近年来在研究和工业领域也重新受到关注，被视为合成色素的可持续和环保替代品，这进一步凸显了可靠分析方法的需求[2][3][4][5][6]。然而，在老化纺织品中，染料分子通常浓度较低且难以提取。此外，共轭染料系统产生的荧光背景以及天然染料混合物复杂的成分结构使得其鉴定更加复杂[7]。尽管传统的分析技术（如HPLC-DAD和LC-MS）具有高化学特异性[8][9][10]，但它们通常需要破坏性取样、复杂的提取过程和较大的样品量，这限制了其在珍贵文化遗产纺织品中的应用[7]。表面增强拉曼光谱（SERS）通过纳米结构产生的局域表面等离子体共振（LSPR）效应显著增强了拉曼信号强度，同时减少了荧光的干扰，从而实现了对微量天然有机染料的高灵敏度检测和可靠鉴定[12][13][14]。 天然有机染料通常包含发色团和助色团（如酚基（–OH）、氨基（–NH₂）和羰基（–COOH）等），这些基团存在于多环和富电子结构中。助色团有助于提高染料分子的溶解性，并通过与纤维中功能团的金属媒染作用形成配位键[15][16]。然而，天然有机染料中的助色团通常缺乏亲金属官能团（如巯基），导致其与金属纳米粒子的亲和力降低。此外，染料分子容易形成J-聚集体和H-聚集体，这种聚集受浓度、溶剂和分子构型等因素影响[17][18][19]。 迄今为止，基于SERS的研究主要集中在蒽醌衍生物染料（如茜素和紫素）上[20][21][22][23]。在这些研究中，染色纤维经过水解释放出染料分子，然后与贵金属胶体纳米颗粒悬浮液中的盐混合。盐的加入会诱导纳米颗粒聚集，形成染料分子物理吸附的热点区域。在这些区域，局部光场浓度较高，增强了分子拉曼散射。然而，基于聚集的方法往往由于热点分布不可控和盐引起的显著背景干扰而重现性较差[24][25][26]。尽管提取技术和微创方法取得了显著进展，但关于促进染料分子吸附到纳米颗粒表面的基本化学机制的研究仍不足[27][28][29]。大多数早期研究主要关注特征拉曼带的获取，而对单个染料-金属基底系统之间的相互作用机制探索较少。了解染料与基底以及染料与纤维之间的相互作用机制，可以为难以用传统SERS检测的染料提供新的检测策略。从长远来看，这些基础研究有助于实现对具有相似但不同性质的染料的分类和检测，从而提升实际检测能力。 为解决这一难题，我们借鉴传统媒染工艺，提出了一种基于分子亲和力的金属配位固定策略，旨在改进目前难以用SERS检测的染料的识别。所提出的非聚集SERS基底经巯基丙酸（MPA）功能化处理，模拟纺织纤维表面，并引入Fe³⁺离子以促进与染料分子的配位结合。单宁酸和紫草素在东亚地区（包括韩国、中国和日本）长期用于染制棕色至黑色和红色至紫色的纺织品，被选为研究目标[30]。由于其广泛的氢键网络、聚集行为和溶解性，这些染料是研究分子亲和力限制的SERS检测的理想候选物[31][32]。金属配位固定方法能够将染料分子吸引到贵金属表面，并通过金属配位调节其结合方式，从而在不强制聚集SERS基底纳米颗粒的情况下定位染料分子，实现精确的染料-纳米颗粒相互作用和SERS光谱特征分析。染料在SERS基底上的局部浓度提高有望显著提升检测灵敏度，提供更高的信噪比（SNR）和更低的检测限（LOD）。此外，混合溶剂体系用于提高染料在溶液中的溶解度，便于后续吸附到金属表面。总之，该方法扩展到了天然染料提取物的检测，证明了其检测低浓度样品和区分成分重叠的染料混合物的能力。

材料与试剂

四乙基正硅酸盐（TEOS）、氢氧化铵（NH₄OH，28–30%）、硝酸银（AgNO₃，99.9%）、十六烷胺（CH₃(CH₂)₁₅NH₂，98%）、3-巯基丙酸（MPA，99%）、3-巯基丙基三甲氧硅烷（MPTMS）、三氯化铁（FeCl₃，试剂级，97%）、紫草素（C₁₆H₁₆O₅，染料含量98%）、单宁酸（C₇₆H₅₂O₄₆，ACS试剂级）均购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。无水乙醇（EtOH，99.9%）、乙二醇（EG，≥99%）、异丙醇（IPA）也用于实验。

合成纳米粒子的表征

通过用MPTMS修饰约150纳米的二氧化硅核心，然后使用十六烷胺还原AgNO₃，制备了表面多孔的AgNSs。随后用MPA修饰这些纳米粒子。表面固定的MPA作为配体，捕获Fe³⁺等金属离子，促进其与染料分子的配位，从而提高其表面亲和力。MPA和Fe³⁺的羧基端基团起到媒染作用，模拟传统染色过程。

结论

本研究提出了一种基于金属配位的SERS方法，借鉴传统媒染工艺用于检测天然有机染料。通过用巯基丙酸（MPA）修饰AgNS并引入Fe³⁺，显著提高了非巯基天然有机染料（如单宁酸和紫草素）与金属纳米颗粒表面的亲和力。与传统方法相比，该方法采用非聚集状态操作，具有显著优势。

作者贡献声明

李章俊（Jang-Jon Lee）：负责资源准备和方法学设计。 郑大洪（Dae Hong Jeong）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、项目管理和概念构思。 金世珍（Sejin Kim）：负责初稿撰写、验证、实验研究和数据分析。 郭成俊（Sungjun Kwak）：负责数据可视化、方法学设计和实验研究。 赵美淑（Mi Sook Cho）：负责方法学设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。