拉曼光譜儀在紡織纖維成分分析檢測中的應用

拉曼光譜是一種光散射光譜，1928年印度物理學家拉曼發(fā)現(xiàn)拉曼散射效應（即當光穿過透明介質(zhì)被分子散射的光發(fā)生頻率變化），其所形成的光譜因此被命名為拉曼光譜。近年來，隨著科技的發(fā)展和儀器的進步，拉曼光譜技術應用也獲得飛速發(fā)展，已經(jīng)廣泛應用于食品安全檢測、文物考古、法庭科學、醫(yī)學檢測、寶石鑒定以及紡織纖維檢測等領域。

常用拉曼光譜技術

A、傅立葉變換拉曼光譜技術

傅立葉變換拉曼光譜技術是利用傅立葉變換技術對信號進行處理和收集，并通過多次疊加得到信噪比較高的拉曼光譜圖。一般采用1064nm的近紅外激光作為激發(fā)光源，分子的熒光不被激發(fā)，避免了許多樣品拉曼光譜中的熒光干擾，近90%的化合物可獲得拉曼光譜，對熒光強、顏色深的樣品更適用。這種技術克服了熒光干擾，具有測量波段寬、熱效應小、光譜頻率精度高等優(yōu)點，且具有多通路的特點，能同時測定所有頻率。

B、顯微共焦拉曼光譜技術

顯微共焦拉曼光譜技術是在光路形成過程中引入了共焦顯微鏡，消除了來自樣品離焦區(qū)域的雜散光，形成空間濾波，使測試樣品可小到1μm的量級。通過兩根光導纖維將顯微鏡與拉曼光譜儀組合起來，可將激發(fā)光的光斑聚焦到微米量級，進而對樣品的微區(qū)進行分析，通過CCD和一個TV監(jiān)視儀，可以選擇有關分析所感興趣的任何樣品的任意部位，整個過程非常直觀，易于進行觀察和控制。

C、表面增強拉曼光譜技術

表面增強拉曼主要用于吸附物質(zhì)的性質(zhì)、狀態(tài)研究。表面增強拉曼散射（SERS）效應是指在特殊制備的一些金屬良導體表面或溶膠中，吸附分子的拉曼散射信號比普通拉曼散射（NRS）信號大大增強的現(xiàn)象，其拉曼強度可增強1000~1000000倍。表面增強拉曼具有極髙的靈敏度和選擇性，可以獲得常規(guī)拉曼光譜所不易得到的結(jié)構(gòu)信息，被廣泛用于表面研究，吸附界面表面狀態(tài)研究，生物大小分子的界面取向及構(gòu)型，構(gòu)象研究和結(jié)構(gòu)分析等，可以有效分析化合物在界面的吸附取向，吸附態(tài)的變化和界面信息等。

D、激光共振拉曼光譜技術

共振拉曼光譜（RRS）是基于共振原理發(fā)展而來的拉曼技術，它產(chǎn)生激光頻率與待測分析物分子的某個電子吸收峰接近或重合時，這一分子的某個或幾個特征拉曼譜帶強度可達到正常拉曼譜帶的10000~1000000倍，從而觀察到正常拉曼效應中難以出現(xiàn)的、其強度可與基頻相比擬的泛音及組合振動光譜，克服了常規(guī)拉曼靈敏度低的缺點，具有所需樣品濃度低，反映結(jié)構(gòu)的信息量大等優(yōu)點。與正常拉曼光譜相比，共振拉曼光譜靈敏度高，可檢測低濃度和微量樣品，尤其適合于對生物大分子樣品的檢測。

拉曼光譜技術在紡織領域的應用

1、紡織纖維定性定量分析

目前紡織纖維定性檢測方法有顯微鏡觀察法、燃燒法、化學溶解法、藥品著色法、熔點試驗法和紅外吸收光譜法等。但這些方法都有一定的局限性。顯微鏡觀察法和燃燒法只能鑒別天然纖維或合成纖維；化學溶解法雖然能鑒別混紡產(chǎn)品，但其使用的有機溶劑對檢測人員身體健康有影響，而且還污染環(huán)境；紅外吸收光譜對測試環(huán)境溫度要求相當高，制樣復雜，檢測周期長，不能滿足快速檢測的要求。而拉曼光譜是一種振動光譜，只與物質(zhì)自身的結(jié)構(gòu)相關；拉曼光譜技術對樣品無接觸、無損傷和無需制樣，可提供快速、簡便無損傷的定性定量分析。

采用拉曼光譜分析法，通過對紡織纖維原始拉曼譜圖的特性分析，經(jīng)過光譜預處理得到信噪比更髙的標準拉曼譜圖，建立拉曼譜圖特征表數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)對紡織纖維的定性鑒別。通過直接測取織物、紗線或纖維的拉曼光譜圖，結(jié)合光譜預處理技術與特征峰提取、匹配識別定性鑒別滌綸、腈綸、錦綸和粘膠等纖維，并通過對94份測試樣品的測試驗證了算法的有效性。對照分析纖維素纖維、合成纖維和吸水性纖維等典型紡織纖維的紅外光譜和拉曼光譜圖，結(jié)果表明紅外光譜法及拉曼光譜法均可實現(xiàn)無損紡織品纖維定性鑒別，與紅外光譜法相比，拉曼光譜法操作更省力省時，更方便快捷。

2、紡織纖維結(jié)構(gòu)分析

拉曼位移的大小只與分子的能級結(jié)構(gòu)有關，即拉曼位移就是分子的振動頻率或轉(zhuǎn)動頻率，不同物質(zhì)的分子具有不同的能級結(jié)構(gòu)，因而具有不同的拉曼位移、拉曼線譜數(shù)目和拉曼相對強度，這是分子結(jié)構(gòu)分析的基礎。

利用拉曼光譜研究碳纖維結(jié)構(gòu)，通過所得碳纖維的R值與La之間存在的線性關系表征碳纖維的結(jié)構(gòu)。同時借助顯微共聚焦拉曼光譜技術，分析碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)，還可對碳纖維單絲微滴復合材料的界面性能進行一定的研究。利用激光顯微拉曼光譜技術對山羊絨和羊毛纖維的結(jié)構(gòu)進行研究，表明該技術能有效、方便地相對定量比較和研究山羊絨、羊毛纖維的二硫鍵含量、蛋白質(zhì)分子鏈的二級結(jié)構(gòu)及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)等。

3、紡織品染料鑒定

隨著人們對紡織品功能性和美觀性要求的增加，大多數(shù)紡織品都經(jīng)過染色處理和功能性整理。紡織品經(jīng)過染料和整理劑處理后，會在原有拉曼光譜圖中引入染料及整理劑的拉曼特征峰，其特征峰會因為引入染料的種類的不同、引入量的不同而發(fā)生很大的變化，故可通過拉曼光譜技術辨別紡織品印染所用的染料。

染料中的偶氮化合物使紡織品色彩艷麗多姿，但在其合成和分解過程中的中間產(chǎn)物則都有致癌作用，所以對偶氮化合物的檢測已經(jīng)成為一個重要的檢測指標。利用近紅外傅里葉變換拉曼光譜技術對27種染色纖維樣品進行檢驗，同時得到它們的本底纖維和染料的拉曼譜圖,然后利用計算機譜圖處理程序進行拉曼差譜處理，獲得了染色纖維上染料的拉曼譜圖，由此實現(xiàn)了對纖維上染料的鑒定，并根據(jù)染料分子的拉曼特征將24種染色纖維按局部特征結(jié)構(gòu)分為7類，更有助于對同色纖維上染料的鑒別。通過顯微激光拉曼光譜技術鑒別直接染料及其染色纖維，研究表明拉曼光譜是無損檢驗染料及其染色纖維的有效手段，染色纖維的拉曼光譜基本反映的是染料的拉曼信號。

4、紡織成分分析

利用傅里葉紅外-拉曼光譜法鑒別了天然綠色棉和染色棉，依據(jù)光譜圖的特性信息可以鑒別天然綠色棉和染色纖維。采用紅外光譜和拉曼光譜定性分折不同方法制取的慈竹纖維化學成分的變化，以及離析過程中超聲波處理對纖維化學成分的影響，經(jīng)驗證光譜法可以用于定性分析纖維的化學成分。

拉曼光譜因其快捷無損，無需制樣，精細如指紋的特性被廣泛應用于食品安全、物證檢測、文物考古和寶石鑒定等領域，其在紡織領域的應用也是其發(fā)展的必然趨勢之一，尤其是在紡織纖維檢測方面，極大地彌補了傳統(tǒng)方法的不足，因而具有很高的應用價值，也是紡織纖維檢測技術不斷進步和發(fā)展的證明。隨著數(shù)據(jù)分析技術的不斷進步，借助現(xiàn)代技術手段和儀器設備的發(fā)展，以及高新技術的加入和增強方法的研究，相信不久的將來，以拉曼光譜為核心技術的紡織纖維定性定量檢測手段一定會在紡織領域大放異彩。