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拉曼光谱在纺织品检测中的应用
点击次数:898 发布时间:2017-12-28
 纺织品与民生息息相关,纤维的性能、编织形态以及面料的功能整理都决定着纺织品的整体性能。通过鉴定纤维的种类,研究纤维的性能及纱线中纤维的混纺比例等,从而得到纺织品性能的影响因素。对于这些方面的检测手段也是多种多样,然而在快速检测方面还没有太多的研究。本文主要介绍了拉曼光谱在纺织品中快速鉴定与检测等方面的应用。激光拉曼光谱实验技术已广泛地应用于无机、有机和高分子等各个领域之中,它和红外光谱、紫外光谱一样,是进行结构分析的一种重要工具[1]。
 
  1、拉曼光谱的原理
 
  具有拉曼活性的分子与具有红外活性的分子具有完全相反的特性,只有伴有偶极矩变化的振动即极性基团与非对称分子才可以产生红外吸收谱带,而伴有极化率变化的振动即非活性基团以及对称分子具有拉曼活性。也就是说红外活性很弱的物质拉曼信号就很强。并且,水以及二氧化碳对红外光谱具有很大的影响,而对拉曼光谱是没有影响的。
 
  拉曼光谱是一种纯粹的光学检测方法,当激发光的光子与样品分子相互作用时,某些光子在发生散射的同时改变了光的频率,这种散射就是拉曼[2]。拉曼谱线的数目、拉曼位移和谱线强度等参量提供了被散射分子及晶体结构的有关信息,揭示原子的空间排列和相互作用[3]。因此,依据不同物质的拉曼光谱指纹特性,可以完成对其定性分析的目的[4]。
 
  拉曼光谱是一种光散射,而光散射是一种电磁辐射,是在很小的范围的不均匀性引起的衍射。当光通过某种介质时,只是改变了传播方向,光的频率并无变化,这种现象称为弹性碰撞,这种散射称为瑞利散射。然而当光的频率发生了变化,这种现象称为非弹性碰撞,这种散射称为拉曼散射。发生弹性碰撞的几率要比非弹性碰撞的几率大的多。所以拉曼散射信号很弱,受瑞利散射以及荧光的影响很大。
 
  随着拉曼光谱的发展,即激光拉曼之后,显微拉曼、表面增强拉曼的出现弥补了拉曼光谱信号弱的弱点。
 
  显微拉曼光谱仪与普通的激光拉曼光谱仪没有太大的差异,只是在光路中连接了显微镜,从而消除来自样品的杂散光,形成空间滤波,保证了探测器到达的散光是激光采样区的信号,获得真实的分子水平的信息[5]。显微拉曼光谱仪可以利用同一物镜收集拉曼散射光[6],使收集到的散射信号大大增强,光谱仪出来的峰形较好便于分析。更为重要的是,显微技术使拉曼测量的空间分辨率提升到了微米级尺度。弥补了激光拉曼光谱仪信号强度弱的缺点,即使将激光功率减弱了也不会受荧光太大的影响。
 
  表面增强拉曼散射(SurfaceEnhancedRamanScattering,简称SERS)是指当一些分子被吸附到某些粗糙的金属(如银、铜、金等)表面上时,它们的拉曼散射强度会增加104~106倍[3]。
 
  表面增强拉曼散射增强机制的理论至今还没有确定下来,但可能是由于作用在分子上的局域电场的增加和分子极化率的改变,即来自于极化率受活性衬底表面的影响而产生的极大变化[3]。使拉曼散射的信号增强,便于后续的分析工作。
 
  拉曼光谱也可以进行定量研究,拉曼光谱峰的强度与物质含量是成比例的。样品浓度的不同,引起的散射指数也会有所变化。邹明等[7]利用内标法对甘氨酸的浓度进行了定量的分析,并取得了良好的效果。即为了消除溶液以及噪声的影响,加入了内标以相对强度的方式来消除影响,得到了甘氨酸浓度与拉曼峰强度的关系式。由此可见,拉曼光谱对样品进行定量分析是可取的。
 
  2、拉曼光谱鉴定纺织品中的纤维
 
  纺织品与人类生活息息相关,由于其使用的广泛性和普遍性,也使纺织品成为刑事案件、交通事故等各类案件中可利用的重要物证。在考古中可以经过鉴定纺织品以及古代染料,对于保护古代纺织品以及了解当时人民的风俗习惯等方面都具有重要的意义。
 
  纤维一般分为植物纤维和化学纤维,植物纤维有棉纤维、麻纤维等,化学纤维有氨纶、腈纶等。纤维的性能决定着纺织品的基本性能,棉纤维具有很好的吸水性、涤纶具有好的疏水性,因此一般运动服采用涤棉混纺,吸汗透湿性好,干爽舒服。还有一些功能性纤维例如亚麻纤维具有抗菌性能,聚丙烯酸酯类纤维弹性很大等。研究纺织品的特性,首先需要鉴定纤维的种类。
 
  目前检测纤维常用的是红外光谱法、热分析法、裂解气相色谱法等方法[8],由于面料是由纤维一根一根织成的,有一定的孔隙,从而纤维以及面料上的涂层用红外测试出的峰形很宽,不容易对其进行分析。并且红外光谱对样品及环境的要求都很高,这对检测的准确度有很大的影响,更不能满足快速鉴别的要求。其他的方法不能对单根纤维进行有效的检测,且在检测中会对纤维造成一定的损耗。
 
  激光拉曼光谱是将成束的激光聚焦到样品上,聚焦到样品上是一个直径可达到1mm的光斑,即检测的对象就是光斑处。省去制样的繁琐过程,也不受样品状态的影响,检测的结果直接反应样品的zui原始的信息。
 
  激光拉曼光谱需样量很小,但有的样品受荧光影响较大。然而拉曼光谱技术中的显微激光拉曼光谱仪的出现弥补了两者的缺点,真正实现了对单根纤维的检验[9]。显微拉曼是一种微区分析,不仅能使它检测物质的主要成分,并且在进行光谱测试的同时,可以在显微镜下观察形貌特征。显微拉曼也是一种非破坏的方法,只需很少的样品,不需要特殊处理,可以直接测试,并对物体没有任何损伤,这些是某些常规鉴定仪器所不能或难以做到的[10]。
 
  3、拉曼光谱技术检测纺织品中的染料、涂层等
 
  染料可分为化学染料和植物染料,不同的面料所需染料的性质不同。尤其是古代纺织品的鉴定可以通过检测染料来判断其真假。涂层可以赋予纺织品很多优良的性能,例如防风、防水、透气等。
 
  利用显微拉曼光谱来测定纺织品上的染料种类以及面料整理后的涂层等,从微区上分析染料的成分及对性能方面的影响因素,涂层对面料功能的影响程度。显微拉曼光谱技术不仅能对样品中的成分进行分析,还能在分析过程中观察其形貌。此技术不仅使检测的精度大大提高,还为研究者带来了极大的方便。对古代纺织品可实现无损分析,不仅不破坏文物的原貌,还能将其分析的透彻清楚,对古代文物的保护以及还原当初风貌具有重大的意义。
 
  用于纺织品上的染料,也可以用表面增强拉曼进行微区分析,能检测到染料中的细微变化。将染料进行处理后然后再将其吸附到金属衬底上,荧光对光谱峰的影响可以忽略。表面增强拉曼分析古代纺织品中的染料,与当今的化学染料做对比,从而了解到古代纺织品的科技发展程度,以及现代纺织行业可以借鉴古时候的技术对当今的技术进行改革与提升。
 
  这种检测方法所需的样品量很少,所得的光谱峰比较强,相对于激光拉曼光谱有很大的优势,更方便与对图谱进行分析对比等。
 
  4、拉曼光谱检测纺织品中有害物质
 
  纺织品中会残留一些高危化合物,例如甲醛、禁用偶氮染料、重金属、全氟辛烷磺酸基化合物等。现今,检测这些化合物的方法很多,有液相色谱法,气象色谱法,红外光谱法等,但是这些方法对样品的请处理要求很高,不能实现快速、无损的要求。
 
  下面以甲醛为例进行说明。
 
  甲醛,不仅仅在纺织品中有,还在刚装修好的室内中含有,对人体的危害也是备受广大消费者的关注。因此,如何能够快速检测甲醛成为当今的讨论的热点话题。一般的方法是用分光光度计法进行检测,或者是用液相色谱进行分析检测,但是这两种方法都需要显色剂对其进行显色,然后再进行检验,都不能实现快速的检测。
 
  因此,利用拉曼对其进行快速检测,陶家友等[11]已经利用拉曼对甲醛浓度的检测进行了研究,实现了拉曼对甲醛浓度的检测。该方法不需要辅助试剂,直接测量甲醛溶液以及收集到的样品,根据甲醛特征峰的峰值,确定甲醛的浓度。这是一种低成本、快捷的甲醛浓度检测方法。
 
  5、总结
 
  拉曼光谱具有无损、快速、制样简单、可微区分析、操作简便等优点,拉曼光谱可以在0.1秒内的时间里完成检测,因此,拉曼可以对实验过程进行时时监测。对于助剂合成、面料整理等过程,进行实时观测,对实验结果的影响可以落实到实验过程中的细节上,更能准确的分析出原因。
 
  纺织品中的物质品种繁多,使检测的请处理工作十分繁琐,然而应用拉曼光谱技术对其进行分析,可省去请处理环节,直接对其进行检测。能够实现方便、快捷、准确的检测,并且对结果的影响因素较少。总之,拉曼光谱技术在纺织品检测这方面的应用很是广泛,是将来发展的主要方向。
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