連續(xù)流動(dòng)分析法測定二醋酸纖維素絲束中二氧化鈦

方鉦中，楊斌，蔡國華，邊照陽，李巧玲，劉秀彩，張鼎方，張建平

1 福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，福建廈門集美區(qū)濱水路298號(hào) 361022；

2 國家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，河南鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號(hào) 450001

二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N食品級(jí)增白劑廣泛應(yīng)用于食品與化妝品行業(yè),具有較高的生物安全性[1-2]。超微二氧化鈦粉末作為紡織輔料中的一種消光劑[3]，在煙用二醋酸纖維素制造與加工過程中，添加于醋片漿液，起到增白與消光作用[4]。但是過量的二氧化鈦添加量對(duì)二醋酸纖維素絲束的物理品質(zhì)造成影響，增加絲束的摩擦系數(shù)并降低絲束抗拉伸強(qiáng)度，在絲束生產(chǎn)與卷煙濾嘴成型工序中易造成飛花現(xiàn)象增多，纖塵生成量增大，同時(shí)導(dǎo)致絲束斷裂概率增大等問題[5]。因此煙草行業(yè)對(duì)于煙用二醋酸纖維素絲束中二氧化鈦含量的控制顯得尤為重要，相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]已規(guī)范了二氧化鈦在二醋酸纖維素絲束中的建議使用量為（0.40±0.20）%（以質(zhì)量計(jì)）。

正由于TiO2的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，目前關(guān)于鈦離子以及二氧化鈦的檢測方法涉及種類較為多樣，主要的傳統(tǒng)化學(xué)分析方法包括了：二安替比林甲烷比色法[7,8]（紫外分光光度法[9]）、滴定法[10,11]、灰化稱量法[12]等；現(xiàn)代化學(xué)儀器分析方法包括了：原子吸收法[13]、電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜法[14,15]、電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用法[16,17]、X射線熒光光譜法[18]等。在煙草領(lǐng)域，目前二醋酸纖維素絲束中二氧化鈦的檢測方法主要為YC/T169.11—2009標(biāo)準(zhǔn)方法[12]，該方法屬于灰化稱量法，將二醋酸纖維素絲束經(jīng)乙醚浸泡去油劑后高溫灰化，通過測量不揮發(fā)物質(zhì)量計(jì)算獲得檢測結(jié)果。此外，曹建國[4]采用X射線熒光光譜法檢測二醋酸纖維素片丙酮漿液中TiO2的含量，與標(biāo)準(zhǔn)灰化稱量方法比對(duì)，檢測結(jié)果較為一致，具有重復(fù)性好、準(zhǔn)確度高、分析時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)；劉秀彩等[19]采用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法檢測煙用絲束中TiO2的含量，也獲得了較為良好的檢測結(jié)果；以上兩種檢測方法由于儀器及檢測成本高昂，行業(yè)普及率偏低，目前僅適用于技術(shù)研究領(lǐng)域，并未在全行業(yè)推廣至日常檢測項(xiàng)目。

連續(xù)流動(dòng)分析法（Continuous Flow Analysis）最早于1957年由Skeggs博士提出[20]，之后由Technicon公司將該技術(shù)商業(yè)化，現(xiàn)今是濕化學(xué)自動(dòng)分析方法中重要的一種。國內(nèi)煙草行業(yè)于上世紀(jì)80年代引進(jìn)連續(xù)流動(dòng)分析儀技術(shù)[21]，目前在煙草及煙草制品中煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、氯、氫氰酸[22]等檢測領(lǐng)域均作為標(biāo)準(zhǔn)檢測方法予以推廣，儀器及方法的行業(yè)普及率很高。二安替比林甲烷比色法是鈦離子及其衍生物檢測方法中的經(jīng)典方法[23]，采用二安替比林甲烷（DAM）試劑與樣品溶液中Ti4+離子絡(luò)合生成黃色絡(luò)合產(chǎn)物，絡(luò)合產(chǎn)物的吸光度與溶液中Ti4+離子濃度成正相關(guān)關(guān)系，可用于樣品中Ti4+的含量分析。目前二安替比林甲烷比色法測定鈦及二氧化鈦已廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、冶金、土壤分析等領(lǐng)域。因此本研究采用二安替比林甲烷顯色反應(yīng)與連續(xù)流動(dòng)分析儀器相結(jié)合技術(shù)，用于測定煙用二醋酸纖維素絲束中TiO2含量，旨在建立一種結(jié)果準(zhǔn)確、檢測成本相對(duì)低廉的檢測方法，為行業(yè)研究人員探索開發(fā)新型檢測方法提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器：API-300型連續(xù)流動(dòng)分析儀（配311型自動(dòng)進(jìn)樣器，302D型定量泵，303A型反應(yīng)槽并自制鈦離子分析用管路模塊，305D型檢測器配420nm濾光片）（美國Astoria公司）；Lambda-35型紫外可見光分光光度計(jì)（美國Perkin Elmer公司）；CEM MARS-6型微波消解儀（配EasyPrep消解罐）（美國CEM公司）；BHW－09C型趕酸加熱器（上海博通化學(xué)儀器科技有限公司）；AL204電子天平（感量0.0001g）（瑞士Mettler Toledo公司）；Milli-Q Intergral 5超純水機(jī)（美國Merck Millipore公司）。

標(biāo)準(zhǔn)品：10000μg/mL Ti4+標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(1%硝酸介質(zhì)，美國Perkin Elmer公司)。

試劑：65%硝酸、40%氫氟酸、30%過氧化氫、37%鹽酸均購于美國Merck公司；二安替比林甲烷，抗壞血酸（分析純，國藥），十二烷基聚乙醇醚（Brij35，分析純）；超純水（電阻率≥18MΩ）。

樣品：采集三個(gè)不同供應(yīng)商廠家的二醋酸纖維素絲束樣品各兩個(gè)規(guī)格，分別對(duì)應(yīng)編號(hào)a、b、c、d、e、f。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：準(zhǔn)確移取1mL Ti4+標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（含量為10000 μg/mL），用1%（質(zhì)量百分比）硝酸水溶液定容至100 mL容量瓶，獲得濃度為100μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。

標(biāo)準(zhǔn)工作液：準(zhǔn)確移取0.5 mL、1 mL、2 mL、4 mL、6 mL、8 mL、10 mL標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（100 μg/ml），用1%（質(zhì)量百分比）硝酸水溶液分別定容至100 mL容量瓶。

1.3 樣品前處理

稱量約0.2 g（精確至0.001g）二醋酸纖維素干絲束樣品于超高壓消解罐中，加入6 mL 65%硝酸，1 mL 40%氫氟酸；靜置5 min，再加入2 mL過氧化氫，開口靜置15 min后，將消解罐旋緊密封進(jìn)行程序升溫微波消解，消解程序見下表1。

表1 微波消解程序Tab.1 Digestion procedure of microwave

消解完畢，待超高壓消解罐降至室溫，將消解罐敞口置入趕酸加熱器，在130℃條件下，趕酸2～3 h至殘余液體約為0.5 mL停止，將殘余液體轉(zhuǎn)移至100 mL塑料容量瓶，并用1%（質(zhì)量百分比）硝酸水溶液清洗消解罐3次，將洗液移入容量瓶并用1%（質(zhì)量百分比）硝酸水溶液定容至100 mL，搖勻即得待測樣品溶液。

隨樣品消解過程同時(shí)進(jìn)行不加絲束樣品的空白樣制備。

1.4 檢測儀器

優(yōu)化方案為：待測樣品溶液與2%的抗壞血酸水溶液混合后通入透析器上層管路，0.8∶1鹽酸水溶液與5%的二安替比林甲烷試劑混合后通入透析器下層管路。溶液經(jīng)過透析器滲透混合后流經(jīng)螺旋混合管或加熱反應(yīng)器到達(dá)比色池，測量420 nm處的吸光度。流動(dòng)分析儀的管路模塊為本研究自行設(shè)計(jì)，反應(yīng)管路見圖下1所示。螺旋反應(yīng)管路為常溫不加熱或保持30 ℃ 恒溫。

圖1 連續(xù)流動(dòng)管路示意圖Fig.1 Schematic diagram of CFA pipeline

表2 流動(dòng)分析儀管徑配置表Tab.2 Pipe diameter configuration of CFA

1.5 樣品檢測

將標(biāo)準(zhǔn)工作溶液上機(jī)檢測獲得吸光度檢測結(jié)果，由吸光度結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)工作溶液濃度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。將樣品溶液上機(jī)檢測吸光度結(jié)果代入標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算得到樣品溶液濃度C（結(jié)果精確至0.0001μg/mL）。將樣品溶液濃度C按公式（1）計(jì)算得出二醋酸纖維素絲束中二氧化鈦的含量，數(shù)值以%計(jì)：

式中：

ω為絲束中二氧化鈦含量（單位：%）；

C為樣品溶液中Ti4+離子濃度（μg/mL）；

C0為空白樣品溶液中Ti4+離子濃度（μg/mL）；

m為二醋酸纖維素絲束樣品質(zhì)量（g）。

2 結(jié)果與討論

2.1 連續(xù)流動(dòng)分析儀檢測器濾光片波長的選擇

移取15 mL標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（100 μg/mL），定容至100 mL，配制為15 μg/mL標(biāo)準(zhǔn)樣品溶液A。在連續(xù)流動(dòng)分析儀正常工作狀態(tài)下進(jìn)樣，將經(jīng)過流動(dòng)分析儀比色池流出的反應(yīng)液接出至UV比色皿中；另外在測量空白樣品時(shí)，將經(jīng)過流動(dòng)分析儀比色池流出的空白反應(yīng)液接出至UV參比比色皿中。樣品比色皿與參比比色皿裝入紫外-可見光分光光度計(jì)，進(jìn)行全波段吸光度掃描，掃描結(jié)果如下圖2所示。

圖2 反應(yīng)液紫外光譜圖Fig.2 UV spectrogram of mixed solution

由譜圖可以看到，顯色反應(yīng)液在390～450 nm波長處產(chǎn)生較強(qiáng)且相對(duì)平坦的吸收峰，因此該波段可作為選擇合適濾光片的參考波段。從濾光片廠商型號(hào)中挑選，故選擇420 nm波長的濾光片，以滿足檢測需要。

2.2 連續(xù)流動(dòng)分析儀管路長度優(yōu)化

本研究考察了螺旋混合管反應(yīng)時(shí)間對(duì)儀器吸光度的影響，通過增減螺旋混合管匝數(shù)的方法控制混合反應(yīng)的時(shí)間。通過測量透析器出口至比色池之間空氣泡通過時(shí)間，以秒表計(jì)時(shí)，選用已知濃度為15 μg/mL標(biāo)準(zhǔn)樣品A、8 μg/mL標(biāo)準(zhǔn)樣品B用于測試檢測儀器的吸光度響應(yīng)值。測量結(jié)果見圖3所示。

通過實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)時(shí)間大于95 s后吸光度趨于穩(wěn)定，大于190s后吸光度略有下降。據(jù)此推測產(chǎn)生這樣現(xiàn)象的原因可能在于：當(dāng)反應(yīng)時(shí)間少于95 s時(shí)顯色反應(yīng)不完全且不均勻，降低了吸光度的信號(hào)強(qiáng)度；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間大于190 s時(shí)，一個(gè)可能性較大的原因是由于溶質(zhì)分子或離子在管路內(nèi)液體中的擴(kuò)散效應(yīng)，降低了進(jìn)入比色池內(nèi)液體中反應(yīng)產(chǎn)物的濃度，導(dǎo)致吸光度的下降。

因此綜合以上推論，反應(yīng)時(shí)間選擇在150～200 s的區(qū)間內(nèi)作為本方法的反應(yīng)時(shí)間較為合適。為達(dá)到此混合反應(yīng)時(shí)間，可在透析器至比色池間接入3～4個(gè)25匝螺旋混合圈，或者接入一個(gè)加熱反應(yīng)器，其信號(hào)靈敏度也滿足流動(dòng)分析儀正常工作所需要求。

圖3 反應(yīng)時(shí)間與吸光度關(guān)系圖Fig.3 Relation between absorbance and mixing time

2.3 連續(xù)流動(dòng)分析儀管路溫度優(yōu)化

本實(shí)驗(yàn)選用在透析器后接入1個(gè)25匝螺旋混合管，再接入1個(gè)筒狀加熱反應(yīng)器后接入比色池，通過加熱器使反應(yīng)溫度在室溫至100℃的區(qū)間范圍進(jìn)行控制。通過測量已知濃度為2 μg/mL標(biāo)準(zhǔn)樣品C以及空白樣品，檢測結(jié)果見下圖4所示。

圖4 反應(yīng)溫度與吸光度關(guān)系圖Fig.4 Relation between absorbance and reaction temperature

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，儀器的基線噪聲水平隨著溫度的升高而降低，但是通過扣除空白樣品進(jìn)行校正后，反應(yīng)溫度對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品C的吸光度無顯著影響。因此為簡化實(shí)驗(yàn)操作，較優(yōu)的測量方案采用室溫或者加熱器控制溫度在30 ℃左右進(jìn)行檢測。

2.4 反應(yīng)體系酸度的優(yōu)化

本研究還考察了反應(yīng)體系的酸度對(duì)檢測信號(hào)的影響，分別配制濃鹽酸：水（體積比）為1.3∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1、0.2∶1、0.05∶1、0.01∶1 的鹽酸溶液，接入連續(xù)流動(dòng)分析儀管路系統(tǒng)。測試已知濃度為12 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)樣品D的吸光度值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5所示。

當(dāng)鹽酸濃度大于0.8∶1時(shí)，響應(yīng)信號(hào)較為穩(wěn)定，隨著鹽酸濃度降低，吸光度信號(hào)呈下降趨勢(shì)。但是還要考慮到儀器對(duì)強(qiáng)酸度環(huán)境的耐受性，在不影響樣品檢測靈敏度的情況下，優(yōu)先考慮相對(duì)較低濃度的鹽酸溶液作為流動(dòng)相的pH值調(diào)節(jié)溶液，最終選擇濃度為0.8∶1 的鹽酸溶液。

圖5 反應(yīng)體系酸度與吸光度關(guān)系圖Fig.5 Relation between absorbance and the acidity of the reaction system

2.5 方法驗(yàn)證

2.5.1 線性關(guān)系實(shí)驗(yàn)

使用配制的0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0μg/mL的鈦離子標(biāo)準(zhǔn)工作溶液, 按上述優(yōu)化的連續(xù)流動(dòng)分析儀條件進(jìn)樣檢測，以相應(yīng)濃度C(μg/mL) 對(duì)吸光度峰高ABS作回歸分析,得到回歸方程為：

ABS=0.0123C+0.0004，R2=0.99995

表明鈦離子濃度在0.5～10.0 μg/mL的范圍內(nèi)與吸光度有較好的線性關(guān)系。

使用曲線最低濃度點(diǎn)連續(xù)測定10次，取3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為檢出限，則檢出限(S/N＝3時(shí))為0.04μg/mL，取10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為方法定量限，則鈦離子的定量限（S/N＝10時(shí)）為0.14 μg/mL。

2.5.2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

采用上述所建立的檢測方法，對(duì)3個(gè)煙用絲束樣品中TiO2含量進(jìn)行平行測定（n=6），結(jié)果由表3可以看出，樣品RSD＜3%，說明所建方法的重復(fù)性良好，能滿足檢測要求。

表3 TiO2檢測結(jié)果重復(fù)性實(shí)驗(yàn)Tab.3 Repeat test for determination results of TiO2

2.5.3 樣品放置實(shí)驗(yàn)

將消解后3個(gè)樣品，置于0～5℃的冰箱保存，按照上述所建立的檢測方法每天測定5次，連續(xù)檢測3天，考察樣品溶液的穩(wěn)定性，從結(jié)果（表4）可以看出：3個(gè)樣品第1天所測得5個(gè)平行結(jié)果RSD均為最小，隨著放置時(shí)間延長，測量結(jié)果平行性均出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。另外后兩天檢測結(jié)果的平均值相較第一天檢測結(jié)果也出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。因此樣品消解處理結(jié)束完后，應(yīng)盡量在24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行上機(jī)測定，否則測試結(jié)果將有可能出現(xiàn)變化。

2.5.4 回收率實(shí)驗(yàn)

采用標(biāo)準(zhǔn)品加入法測定方法的回收率。取a、c絲束樣品，分別加入低、中、高標(biāo)準(zhǔn)品溶液，采用上述方法進(jìn)行微波消解前處理，采用上述所建立的檢測方法測定其TiO2含量，根據(jù)原含量、加標(biāo)量和加標(biāo)后測定值計(jì)算方法回收率。結(jié)果見表5所示，回收率在97.8%～105.6%之間，能滿足分析要求。

表4 TiO2檢測結(jié)果穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)Tab.4 Stability test for determination results of TiO2 %

表5 TiO2的加標(biāo)回收率Tab.5 Recovery of TiO2

2.5.5 方法比對(duì)

應(yīng)用建立的連續(xù)流動(dòng)方法與現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法（YC/T 169.11—2009）分別對(duì)6個(gè)煙用絲束樣品中的二氧化鈦含量進(jìn)行了測定，每個(gè)樣品測檢測2次取其平均值結(jié)果如表6所示。兩組檢測結(jié)果進(jìn)行T檢驗(yàn)分析，t=0.8923＜t0.05=2.2281，因?yàn)樾袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法樣品的前處理過程中使用“乙醚萃取油劑后的干絲束”作為檢測樣品，故檢測結(jié)果與連續(xù)流動(dòng)法相比存在一定偏差，但不同樣品間的變化趨勢(shì)一致性較高，可以認(rèn)為兩種方法在二醋酸纖維素絲束中二氧化鈦檢測結(jié)果方面無顯著性差異。

表6 不同方法檢測結(jié)果比對(duì)Tab.6 Comparison of determination results by different methods

3 結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了利用連續(xù)流動(dòng)分析儀檢測絲束中二氧化鈦含量的可行性，采用二安替比林甲烷顯色法原理，在連續(xù)流動(dòng)分析儀上測定經(jīng)過微波消解前處理后樣品溶液中鈦離子含量，進(jìn)而計(jì)算出二氧化鈦含量。該方法通過與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行比對(duì)，可以準(zhǔn)確測量二氧化鈦含量，方法的一致性較好。該方法平均回收率為97.8%～105.6%，重復(fù)性RSD≤3%，檢出限0.04 μg/mL，定量限0.14 μg/mL。因此該方法作為煙用絲束中二氧化鈦含量的測定方法的補(bǔ)充，可以滿足質(zhì)量監(jiān)控檢測需求。