Overcoming Challenges in Trace Natural Dye Analysis through Metal Coordination Affinity-Driven SERS Detection = 금속 배위 친화도 구동 SERS 검출을 통한 미량 천연 염료 분석의 한계 극복 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) has emerged as a powerful tool for analyzing natural dyes in cultural heritage textiles; however, its applicability remains limited due to the weak surface affinity, strong fluorescence, and aggregation behavior of many plant-derived dye molecules. Natural dye molecules in plant generally share chromophores composed of aromatic ring-based π-conjugated structures and auxochromic groups such as –OH, –NH₂, and –COOH, which enhance solubility and promote interactions with textile fibers. However, their weak affinity for metal surfaces and tendency to aggregate hinder effective adsorption to SERS substrates. Moreover, previous SERS studies have largely relied on aggregation-based approaches using metal nanoparticles, particularly for anthraquinone dyes, yet these methods often suffer from low reproducibility and limited understanding of dye-substrate interaction mechanisms. This study addresses these challenges by developing a non-aggregated, metal-coordinated SERS strategy inspired by traditional mordant dyeing processes. Bumpy silver nanoshells (AgNS) were functionalized with 3-mercaptopropionic acid (MPA) and incorporated with Fe³⁺ ions to selectively attract non-thiol natural dyes such as tannic acid and shikonin, thereby enhancing adsorption geometry and surface affinity. The Fe³⁺-tethered AgNS@MPA system produced substantially sharper vibrational features and markedly improved signal-to-noise ratio (SNR), yielding a fivefold and fourfold enhancement for tannic acid and shikonin, respectively, compared with AgNS alone. The increased surface concentration of analytes enabled significantly improved detection limits, lowering from 1 μM to 0.1 μM for tannic acid and achieving an LOD of 0.025 μM for shikonin using an EtOH/H₂O mixed-solvent system. The mixed-solvent strategy effectively disrupted π–π stacking of shikonin molecules and promoted more efficient metal coordination, further enhancing sensitivity. The proposed method was successfully applied to complex plant extracts. Three tannin-based plant extracts were clearly distinguished from one another, demonstrating its capability for resuolving structurally similar mixtures. For shikonin extract, the characteristic shikonin spectrum was detected with significantly improved sensitivity.
In conclusion, by integrating metal-coordination–based surface affinity control with solvent-dependent modulation of molecular aggregation, this study enables highly sensitive, reproducible, and selective SERS detection of natural dyes. Furthermore, by proposing a protocol for identifying optimal SERS detection conditions for different dye molecules, it provides broadly applicable guidelines for future cultural heritage analyses involving diverse natural dyes. The outcomes of this research offer important insights into dye-substrate interaction mechanisms and demonstrate the potential to achieve enhanced SERS spectra and high detection sensitivity for structurally similar yet distinguishable natural dyes. Overall, this work is expected to lay the foundation for a versatile analytical strategy applicable across the field of cultural heritage science.

국문 초록 (Abstract)

표면 증강 라만 분광법(SERS)은 문화유산 직물에 존재하는 천연 염료를 분석하는 강력한 도구로 자리매김해 왔으나, 식물 유래 염료들의 금속 표면에 대한 낮은 친화도, 강한 형광, 그리고 응집 경향 때문에 그 적용성에는 여전히 한계가 존재한다. 식물 내 천연 염료 분자들은 일반적으로 방향족 고리 기반의 π-공액 구조로 이루어진 발색단과 –OH, –NH₂, –COOH와 같은 조색단을 공통적으로 지닌다. 특히 조색단은 염료 분자의 용매에 대한 용해도를 높이고, 섬유와의 상호작용을 촉진한다. 그러나 이러한 작용기들은 금속 표면에 대한 친화도가 낮고, 분자 간 응집이 쉽게 일어나 SERS 기판에 효과적으로 흡착되기 어렵다. 또한 기존 연구는 주로 안트라퀴논계 염료를 대상으로 금속 나노입자의 응집 기반 기법에 의존해 왔으나, 재현성이 낮고 염료-기판 상호작용 메커니즘에 대한 이해가 제한적이라는 한계를 지닌다.
이에 본 연구는 이러한 어려움을 극복하기 위해 전통 매염 염색 과정을 모사한 비응집 기반 금속 배위 SERS 전략을 개발하였다. 범피 은 나노쉘(AgNS) 표면은 3-머캅토프로피온산(MPA)으로 기능화 되었고, 여기에 를 도입함으로써 탄닌산과 시코닌과 같이 티올기를 갖지 않는 천연 염료를 선택적으로 금속 표면으로 유도함으로써 흡착 배향을 조절하고 표면 친화도를 향상시켰다. Fe³⁺으로 배위된 AgNS@MPA SERS 기판은 기존 AgNS에 비해 훨씬 선명한 SERS 진동 밴드와 크게 향상된 신호대잡음비(SNR)를 보여주었고, 기판 근처에서 염료의 국소 농도가 증가하여 SERS 스펙트럼의 검출한계(LOD)가 크게 개선되는 등 높은 감도의 분석이 가능해졌다. 구체적으로는 탄닌산과 시코닌에 대해 SNR이 각각 약 5배 및 4배 향상되었으며, LOD는 농도 의존 실험 결과 모두 1 μM에서 0.1 μM으로 낮아졌다. 추가적으로 물에 대한 용해도가 낮아 수용액 기반 검출에 제한이 있는 시코닌에 대해서 혼합 용매 조건을 도입하여 분석하였다. 혼합 용매 전략은 시코닌의 π–π 적층 구조를 효과적으로 해체하여 금속 배위를 촉진함으로써 감도를 향상시켰다. 4PL 비선형 회귀 분석 결과, EtOH/H₂O 혼합 용매 조건 하에서 시코닌은 0.025 μM 수준까지 검출이 가능한 것으로 나타났다. 제안된 방법은 식물 추출물 분석에서도 성공적으로 검증되었다. 세 종류의 탄닌산 기반 식물 추출물은 서로 명확히 구분되었으며, 시코닌 기반 식물 추출물에서는 특징적인 시코닌 스펙트럼을 기존 방법보다 높은 감도로 검출할 수 있었다.
결론적으로 금속 배위 기반 표면 친화도 제어와 용매 의존적 응집 조절을 결합함으로써, 민감도·재현성·선택성이 높은 천연 염료 SERS 검출을 가능하게 하였다. 최종적으로 천연 염료 분자에 대한 최적의 SERS 검출 조건을 찾을 수 있는 프로토콜을 제안함으로써, 다양한 천연 염료의 향후 문화유산 분석에 광범위하게 적용 가능한 지침을 제공한다. 본 연구의 결과는 염료-기판 상호작용 메커니즘에 대한 중요한 통찰을 제공하여 구조적으로 유사성을 지니지만 서로 구별 가능한 특성을 지닌 다양한 천연 염료들에 대해 향상된 SERS 스펙트럼과 높은 수준의 검출 감도를 제공할 잠재력을 지닌다. 향후, 문화유산 과학 분야에서 활용 가능한 범용적인 분석 전략의 기반을 마련할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Experiments 6
• 2.1. Chemicals and Materials 6
• 2.2. Dye extraction and Powder preparation 7
• 2.3. Synthesis of AgNS and AgNS@MPA 9
• 2.4. Measurement workflow of molecular affinity-driven SERS detection of dyes 11
• 2.5. Instruments and Measurements 14
• 3. Results and Discussion 15
• 3.1. Characterization of synthesized nanoparticles 15
• 3.2. SERS detection of tannic acid using Fe³⁺-tethered AgNS@MPA 18
• 3.3. SERS detection of tannin-based natural dyes with Fe³⁺- tethered AgNS@MPA 28
• 3.4. SERS detection of shikonin using Fe³⁺- tethered AgNS@MPA 31
• 3.5. SERS measurements of shikonin-based natural dyes with Fe³⁺-tethered AgNS@MPA 40
• 3.6. Proposed protocol of natural dye SERS detection 49
• 4. Conclusion 51
• Bibliography 53
• 국문 초록 57