分光光度法測定紡織品水萃取液pH值

申曉萍，李培才，洪 華，王紅衛，李 陽，周 麗，徐鑫華

(1.南通出入境檢驗檢疫局，江蘇南通226004;2.南京出入境檢驗檢疫局，南京210001)

目前紡織品水萃取液pH值的定量測量大多采用電位法原理制作而成的pH玻璃電極[1-2]。但pH玻璃電極尺寸大、易碎、保存和使用不方便，對低離子強度體系的測試值不穩定，容易受到電磁和無線電頻率干擾[3]。由于上述問題的存在，致使紡織品水萃取液pH值測定項目長期存在著示值不穩定，結果重現性差，實驗室間比對結果差異大的特點[4]，給實驗室操作人員帶來了很多不必要的麻煩。

近些年來，人們開始嘗試將現代光譜分析技術與酸堿指示劑結合起來，構成一種新型的pH檢測裝置[5-6]。這些指示劑在不同的pH環境下分子結構會發生變化，繼而導致體系的光學性能發生變化[5]。通過建立變化與pH值的對應關系，即可以測定當前環境的pH值。與pH玻璃電極相比，利用分光光度法原理制作而成的pH檢測裝置具有體積小、重量輕、抗電磁和無線電頻率干擾，成本低，不易受到二氧化碳干擾等優點[5]。目前已經應用于環境檢測、生物工藝等領域[7-8]。經過國內外文獻檢索，目前還未見有報道將此技術應用于紡織品水萃取液pH值的測試。本文利用分光光度法測定紡織品中水萃取液pH值，對響應時間、穩定性、測量范圍和準確度進行了分析;并與傳統的pH玻璃電極的測試結果進行了比較，為紡織品水萃取液的pH值測定提供了一種新的快速準確的測定方法。

1 實驗

1.1 材料和儀器

材料:紡織品(實驗室日常檢驗樣品);標準緩沖溶液(梅特勒-托利多儀器有限公司);鹽酸、氫氧化鈉(分析純，國藥集團化學試劑有限公司);實驗所有用水均為超純水(18.2MΩ)。

儀器:Five easy plus型電化學pH計(梅特勒-托利多儀器有限公司)，智能比色皿(海洋光學)，UV-1800型分光光度計(島津)。

1.2 實驗原理

實驗用的pH敏感比色皿內壁上利用溶膠凝膠技術固定了酸堿指示劑。凝膠層的骨架被設計為允許較小的離子擴散，但不允許較大的指示劑分子泄露出去。當比色皿中盛滿待測溶液后，H+擴散到溶膠凝膠骨架中并引起指示劑分子結構的轉化，這種轉化會導致比色皿在500～700 nm段的吸光度發生變化，并以617 nm處的變化最為劇烈。利用肉眼可以觀測到在低pH值條件下指示劑為黃色，用DY表示;在高pH值時，指示劑會變成藍色，用DB表示。此反應可以描述為:

反應式(1)平衡常數K可以表示為:

式中:[DB]為 DB濃度，[DY]為 DY濃度。

假設DY在某波長λ下的摩爾吸光系數為λ∈Y，DB在某波長λ下的摩爾吸光系數為λ∈B。則指示劑在某一特定H+濃度下在波長λ處的摩爾吸光系數λα可以描述為:

式中:λA為指示劑在某一特定H+濃度下在波長λ處的吸光度，DT為指示劑總濃度(DT=DY+DB);?為吸收光程。

公式(3)兩邊取對數并進一步轉換可得:

當指示劑處于高pH值環境時(根據比色皿制造商的建議該值為11)，可以認為比色皿壁上的指示劑全部以DY的形態存在，此時比色皿在617 nm的吸光度最高，記為 λAmax(λAmax=λ∈BDT?);反之，染料處于低pH值(根據比色皿制造商的建議該值為1)環境時，可以認為指示劑全部以DB的形態存在，此時指示劑在617 nm附近的吸光度最低記為λAmin(λAmin=λ∈YDT?)。公式(4)可進一步轉換為:

公式(5)中的λAmax和λAmin均可很方便地利用分光光度計測出，再測定出比色皿在一系列校正pH值緩沖溶液下的吸光度，將pH值對做圖，可獲得標準工作曲線。然后即可以通過測定工作曲線線性范圍內任一pH值條件下的推算出溶液的pH值。

1.3 實驗方法

1.3.1 標準緩沖溶液的配制

將 pH 4.01、6.86、8.00、9.18 的標準 pH 值緩沖溶液按照使用說明進行配置或者直接使用。由于測試期間實驗室溫度基本穩定在25℃左右，為測試和計算方便起見，沒有對溶液的pH值作進一步的溫度校正。pH 1.00溶液為0.1mol/L鹽酸溶液;pH 11.00溶液為0.001mol/L NaOH溶液。

1.3.2 光譜測定

光譜測定采用UV 1800型分光光度計。在一次典型的光譜測定中，比色皿依次被超純水和待測溶液清洗3次后添加約4/5體積的待測溶液，用保鮮膜將頂端密閉隔絕空氣后放入分光光度計的比色皿支架中。然后進行光譜，動力學或者吸光度測定并記錄數據，如果測定對象為吸光度，重復測定3次，最終結果取平均值。

2 結果與討論

2.1 比色皿的光譜與溶液pH值的關系

首先測定了比色皿在加入不同pH值緩沖溶液后的吸收光譜圖(500～700 nm)，實驗結果見圖1。從圖1中可以看出，隨著溶液pH值的降低，溶液在500～700 nm的吸光度逐漸降低，且比色皿在617 nm處的吸光度對pH值變化最敏感。因此，選定617 nm作為測量波長。

圖1 加入不同pH值緩沖溶液后比色皿的吸收光譜變化Fig.1 The change of the absorbancespectrometry of cuvette after filling with different pH buffersolution

2.2 響應的穩定性

圖2 吸光度變化Fig.2 The change of the absorbance

通過連續監測加入溶液后比色皿吸光度值變化趨勢的方法測定了本方法測定pH值的響應穩定性。首先用超純水將比色皿清洗3次，然后加入pH 4.01的標準緩沖溶液，記錄比色皿在617 nm處的吸光度在20min內的變化，見圖2(a)。從圖2(a)可以看出，吸光度值先是迅速降低，然后到10min左右逐漸穩定，穩定后吸光度隨時間幾乎不再變化。倒出緩沖溶液，依次用超純水和pH4.01的緩沖溶液將比色皿清洗3次，然后再次加入pH 4.01的緩沖溶液，再次記錄617 nm處的吸光度在20min內的變化，見圖2(b)。從圖2(b)可以看出，盡管已經用超純水清洗過3次，但比色皿的吸光度值依然保留了上次的數值，且隨時間變化很小，20min內吸光度的絕對標準偏差0.000 2，相對標準偏差僅為0.24%。利用不同pH值標準緩沖溶液重復上述實驗，結果基本相同。從實驗結果可以看出，盡管比色皿在617 nm處的吸光度值需要約10 min時間達到穩定，但穩定后響應值不再發生漂移。與之相比，利用pH玻璃電極測定紡織品水萃取液pH值時遇到的最突出問題就是響應值不穩定。在實驗室實際工作中，不但經常會碰到響應值隨時間連續變化難以穩定的情況[5]，更突出的問題是將電極從溶液中取出并用超純水清洗后，對同一溶液穩定后的兩次測量結果不一致，以至于操作人員無法判斷那個結果更接近于真值[9]。

2.3 分光光度法測定pH值標準曲線的繪制

首先按照比色皿使用說明給出的方法確定λAmax，即在比色皿中加入 pH 11.00的 NaOH溶液，等待20min后，掃描比色皿在750～450 nm波段的吸光光譜，并記錄在617 nm與750 nm兩個波長下的吸光度值，兩者的差值即為λAmax。λAmin的確定方法與λAmax相似，即在比色皿中加入pH 1.00的HCL溶液，等待20min后，掃描比色皿在750～450 nm波段的吸光光譜，并記錄在617 nm與750 nm兩個波長下的吸光度值，兩者的差值即為λAmin。確定好λAmax與λAmin以后，利用 pH 4.01、6.86、8.00、9.18 的 4 個標準緩沖溶液確定標準曲線。方法為用超純水將比色皿清洗3次，然后加入需要測試的緩沖溶液(加入前先用該緩沖溶液清洗比色皿3次)，等待20 min后，掃描比色皿在750～450 nm波段的吸光光譜，并記錄在617 nm與750 nm兩個波長下的吸光度值，兩者的差值即為該緩沖溶液所對應的吸光度λA。重復以上操作，得到4個系列標準緩沖溶液所對應的吸光度 λA。

從圖3可以看出，在pH4.01～9.18內標準曲線有良好的線性關系，線性相關系數為0.999 1。實驗使用的分光光度計測量吸光度的分辨率為0.000 1，因此可以從標準工作曲線對應的線性方程中推算出本方法測量pH值的分辨率為0.01pH單位。這個分辨率要高于電化學電極(通常為0.02pH單位)。

圖3 分光光度法測定pH值的標準曲線Fig.3 Thestandard curve for the determination of the pH value withspectrophotometry method

2.4 分光光度法測定pH值的準確性

重復測定6 次 pH 4.01、6.86、9.18 這3 個標準緩沖溶液所對應的吸光度值(每次結果取3次平均值)，代入標準曲線方程后得出測定的pH值(表1)。從實驗結果可以看出，3個標準緩沖溶液測定結果平均值分別為 3.97、6.93、9.14，標準誤差分別為 0.01、0.02和0.05。因此可以判定本方法在4～9的pH值范圍內，測定結果具有較好的準確性。

利用pH電極法采用同樣的實驗方法對上述標準緩沖溶液進行測定，3個溶液pH值測定結果分別為 4.06、6.88、9.18，絕對誤差分別為 0.01、0.01、0.02(表1)。從實驗結果來看，兩種方法對標準溶液測定結果差異不大，準確性基本一致。

表1 3種標準pH值緩沖溶液的分光光度法和pH電極法測定結果Tab.1 The measurement results of threestandard pH buffersolution obtained withspectrophotometry and pH electrode method

2.5 實際樣品測試

從實驗室日常的紡織品樣品中抽取了偏酸、中性、偏堿3個樣品對分光光度法測定紡織品水萃取液pH值進行了實際驗證并與pH玻璃電極的測定結果做了對比。樣品的前處理過程按照GB/T 7573—2009《紡織品水萃取液pH值的測定》進行，在此不再做詳細說明[2]。前處理完成后，將樣品的水萃取液分成兩份，分別利用分光光度法和pH電極方法測定pH值。根據標準要求，每個樣品前處理時需要3個平行樣，測試時，第一個平行樣品的測試結果不做記錄。最終測試結果為后兩個平行樣品的平均值(結果保留一位小數)[2]，實驗結果見表2。從實驗結果來看，兩者結果具有一定的差異，但總體來說是一致的。

表2 分光光度法與pH電極法對3個實際紡織品樣品水萃取液pH值的測定結果Tab.2 The measurement results of the aqueous extract of three actual textilessamples obtained withspectrophotometry and pH electrode method

為了進一步驗證了本方法測定實際樣品水萃取液pH值的準確性，從實驗室日常樣品中抽取了一個樣品進行了6次測定，實驗結果見表3。從結果來看，6 次測定的平均值為 8.7，偏差為 0.141，相對偏差為1.6%。能夠滿足樣品測試要求。

表3 分光光度法測定實際紡織品樣品水萃取液pH值的測定結果Tab.3 The measurement results of the aqueous extract of actual textilessamples obtained withspectrophotometry method

3 結論

溶液加入pH敏感比色皿約10 min后在617 nm處的吸光度值達到穩定，穩定后20 min內吸光度變化的絕對偏差為0.000 2，相對偏差為0.24%，在pH4.01～9.18的測量范圍內線性相關系數為0.999 1，對 pH 值分別為4.01、6.86、9.18 的 3 個標準緩沖溶液測定 6次結果誤差分別為 0.01、0.02、0.05pH單位。與pH玻璃電極的比對實驗表明兩者對紡織品水萃取液的測試結果相近，可以作為紡織品水萃取液pH值測定的一種替代方案。

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