莨紗綢生產用河泥關鍵成分的定量方法

李哲陽, 郭勝南, 林柳興, 馬明波, 周文龍

(浙江理工大學 紡織科學與工程學院(國際絲綢學院),杭州 310018)

莨紗綢(又稱香云紗)是第二批國家級非物質文化遺產項目“香云紗染整技藝”的產品,其以蠶絲織物、薯莨、河泥為原料,依靠人工完成整個生產過程。先將織物用植物薯莨塊根的水浸出液浸染,并在陽光下暴曬,反復十余次后,織物表面便形成一層色素沉積物,然后涂上廣東佛山地區特有的河泥,待充分反應后洗去浮泥,最終在織物表面形成黑色的涂層。所得的面料涼爽舒適,質地柔軟平滑,抗皺且易洗速干[1],并且還具有防紫外線、抗菌抗氧化[2]等功能性。

在莨紗綢生產工藝中,涂泥是關鍵的一步。本研究近年來通過研究莨紗綢生產用河泥的結構特征,確定了河泥中的腐殖酸(Humic Acids,HA)和富里酸(Fulvic Acid,FA)為構筑涂層的關鍵有機成分[3],兩者在河泥中的含量影響了莨紗綢生產用河泥的品質。因此,對河泥中有機成分含量的測定十分必要。目前,定量土壤腐殖酸和富里酸的常用方法是基于“堿溶酸析”分離純化后稱重,但該分離純化過程十分繁瑣,且難以做到完全分離。也有一些學者通過現代技術開發了其他方法,如高溫灼燒測定樣品質量的變化[4]或二氧化碳的分解量[5]來推算有機物含量,但該方法只能測量出有機物總含量,無法對各個組分進行測試。通過體積排阻液相色譜[6]也可以對其進行定量評估,所測得的腐殖酸和富里酸含量較為精確,但過程較為復雜冗長,無法進行快速定量。此外,利用腐殖酸、富里酸類物質的熒光特性,以三維熒光圖譜[7-8]分析其相對含量,但該方法主要適用于液體體系,難以對固態物質進行直接測定。

與河泥中其他組分不同,腐殖酸和富里酸分子具有典型的酚類結構[9],可利用多酚類定量時常用的福林酚顯色—比色法進行定量。福林酚法是通過在堿性條件下,酚類物質會將福林酚試劑中的Mo6+、W6+還原,產生Mo5+、W5+,從而顯示出藍色[10],顏色的深淺與參與反應的酚類物質質量濃度成正比,通過測試其吸光度可以間接測定其含量。因此,本研究首先探究了福林酚與碳酸鈉溶液的用量、反應溫度、反應時間及超聲處理條件等影響因素,獲得了最佳反應條件;然后評價了該方法的穩定性、重復性和可靠性;最后,比較了本方法與傳統的分離稱重法對莨紗綢生產用河泥關鍵有機成分的定量結果。本研究旨在實現對莨紗綢生產用河泥品質的快速定量檢測與評價。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

材料:含水率50%～60%的實驗用河泥(廣東順德的佛山成藝曬莨廠、西樵鎮的百東永鴻紡織廠、杭州下沙消防主題公園塘底中富含有機物與金屬離子的河深層底泥),碳酸鈉AR(杭州高晶精細化工有限公司),福林酚BR(上海麥克林生化科技股份有限公司)。

儀器:DTC-10J超聲波清洗機(鼎泰生化科技設備制造有限公司),HH-12468數顯恒溫水浴箱(常州鴻澤實驗科技有限公司),TU-1950紫外-可見分光光度計(北京普析通用儀器有限公司)。

1.2 方 法

1.2.1 標準品溶液的制備

取一定量西樵河泥,按文獻[3]的方法分離純化,得到腐殖酸與富里酸(質量比約為4.8︰1.0),將粉末混合并稱重,用150 mg/mL碳酸鈉溶液溶解,配成腐殖酸與富里酸總質量濃度為3 mg/mL的標準品溶液。

1.2.2 福林酚法測試

分別取適量西樵河泥粉末與標準品溶液于試管中,各加入1.0 mL、1 mol/L福林酚試劑,1.0 mL、150 mg/mL碳酸鈉溶液,并以去離子水稀釋至5.0 mL,置于超聲波清洗機中,并在40 ℃、40 kHz條件下超聲處理60 min。以去離子水為空白對照,測試其在600～800 nm內的紫外-可見光吸收光譜,確定最大吸收波長(檢測波長)。

取5組10.0 mg西樵河泥粉末于試管中,分別加入0.6～1.4 mL、1 mol/L福林酚試劑,0.6 mL、150 mg/mL碳酸鈉溶液,用去離子水稀釋總溶液至5 mL,于40 ℃超聲60 min。取溶液用針式過濾器過濾后,在特定波長下測定吸光度值。

取8組10.0 mg西樵河泥粉末,分別加入1.0 mL福林酚試劑,0.1～0.8 mL、150 mg/mL碳酸鈉溶液,用去離子水稀釋總溶液至5 mL,于40 ℃超聲60 min。取溶液過濾后,在檢測波長處測定吸光度值。

取6組10.0 mg西樵河泥粉末,各加入1.0 mL福林酚試劑,0.6 mL、150 mg/mL碳酸鈉溶液,3.4 mL去離子水,分別于40、60、80 ℃下超聲或水浴加熱處理,且每隔一段時間在檢測波長處測定吸光度值。

1.2.3 標準曲線的測定

分別取0.2～0.5 mL的標準品溶液于試管中,各加1.0 mL福林酚試劑,3.4 mL去離子水和0.4～0.1 mL的150 mg/mL碳酸鈉溶液,于40 ℃超聲60 min后,在特定波長下測定其吸光度值,最后以溶液質量濃度與吸光度值求得標準曲線的擬合方程。

1.2.4 分析方法的評價

1) 穩定性。取10.0 mg河泥粉末,在最佳條件下進行反應,顯色后置于室溫下放置。測定完全反應后溶液1～6 h內的吸光度,并以下式計算相對標準偏差RSD:

(1)

式中:Xi為測試所得吸光度值,X為吸光度值的算術平均值,n為測試總次數。

2) 重復性。取6組10.0 mg河泥,在最佳條件下反應60 min。完全反應后于檢測波長處測定其吸光度值,根據標準曲線計算對應的腐殖酸和富里酸總質量。

3) 加標回收率。取7組5.0 mg河泥,其中6組加入0.16 mL標準品溶液,另一空白組加入0.16 mL、150 mg/mL碳酸鈉溶液,再向7組各加入1.00 mL福林酚試劑,0.44 mL、150 mg/mL碳酸鈉溶液和3.40 mL去離子水。完全反應后于檢測波長處測定其吸光度值,并按下式計算加標回收率P:

P=(m2-m1)/m

(2)

式中:m2為加標試樣測定值,m1為試樣測定值,m為加標量。

1.2.5 河泥樣品的檢驗

各取適量西樵、順德、下沙河泥及按文獻[3]的方法分離得到的胡敏素及其他不溶物組分,各加1.0 mL福林酚試劑,3.4 mL去離子水和0.6 mL碳酸鈉溶液,于40 ℃超聲處理60 min,反應后于檢測波長處測定其吸光度,并計算所對應的腐殖酸和富里酸總質量。

2 結果與分析

2.1 測定波長的選擇

福林酚試劑與多酚類顯色反應后產物的最大吸收波長一般在720～780 nm[11-12],該波長處也常被選擇為檢測波長。如圖1所示,福林酚分別與河泥或標準品反應產物的最大吸收峰均在760 nm處,且標準品溶液并未在此處出現吸收峰。為排除干擾,進一步測試了福林酚試劑與碳酸鈉混合溶液在760 nm的吸收峰。結果表明,混合溶液在此處的吸收較弱,并沒有對該處吸光度產生較大影響,因此可以選取吸收波長760 nm處作為后續的檢測波長。

圖1 各樣品、福林酚和碳酸鈉及其反應產物的吸收光譜圖Fig.1 Absorption spectra of various samples, Folin-Ciocalten and Na2CO3, and their reaction products

2.2 福林酚用量的影響

為探究福林酚法對腐殖酸和富里酸總量定量測試所需的最佳條件,首先需要確定福林酚試劑的用量。如圖2所示,福林酚用量在1.0 mL以下時,隨著福林酚用量的增加,樣品的吸光度顯著升高;福林酚用量為1.0 mL以上時,樣品的吸光度則保持穩定。這是因為在福林酚用量較少時,河泥中僅有少量的腐殖酸與富里酸與福林酚試劑中的Mo6+、W6+發生顯色反應,而隨著福林酚用量的增加,被還原的Mo6+、W6+含量增加,顏色也隨之變深。當福林酚過量后,河泥中的腐殖酸與富里酸充分反應,此時繼續增加福林酚的用量,吸光度不再變化。由此可知,10.0 mg西樵河泥需1.0 mL以上的1 mol/L福林酚才能較為充分反應,因此選擇1.0 mL、1 mol/L的福林酚試劑來進行后續實驗。

圖2 福林酚用量對反應的影響Fig.2 Effect of the dosage of Folin-Ciocalten on the reaction

2.3 碳酸鈉溶液質量濃度的影響

堿質量濃度較低時,反應不夠充分,所得吸光度值較低。較高的堿質量濃度為酚酸根離子的形成提供了更合適的介質,從而產生濁度并影響分光光度計讀數[13]。在選定使用1.0 mL福林酚的基礎上,探究碳酸鈉的用量十分重要。如圖3所示,隨著碳酸鈉質量濃度的增加,吸光度呈現先增大后減小的趨勢。當150 mg/mL的碳酸鈉溶液用量為0.6 mL,即總溶液中碳酸鈉的質量濃度為18 mg/mL時,樣品的吸光度值最大。因此,選擇0.6 mL、150 mg/mL的碳酸鈉溶液來進行后續實驗。

圖3 碳酸鈉質量濃度對反應的影響Fig.3 Effect of the Na2CO3 concentration on the reaction

2.4 反應溫度、反應時間及超聲條件的影響

如圖4所示,反應溫度對反應速率具有顯著影響,溫度越高反應速率越快,達到吸光度穩定所需的時間越短。在40 ℃下,吸光度達到穩定需要6 h,而在80 ℃下則僅需1 h。此外,在后續實驗中增加了超聲處理以充分提取河泥中的腐殖酸與富里酸。由圖4可以看到,反應溶液置于水浴中再輔以超聲處理,河泥中的反應物更為完全地提取出來,其達到穩定時的吸光度值有著明顯提高。此外,超聲處理使得反應的速率加快,吸光度達到穩定所需的時間為1 h。在80 ℃超聲條件下,溶液的初始吸光度值較高,60 min后才趨于穩定,最終與40、60 ℃超聲條件下得到的吸光度值相同。而考慮到在40、60、80 ℃超聲條件下吸光度穩定所需的時間皆相同,最終選定在40 ℃超聲60 min的條件下進行后續測試。

圖4 反應溫度、時間對反應程度的影響Fig.4 Effect of the reaction temperature and time on the degree of reaction

2.5 標準曲線

在1.0 mL、1 mol/L的福林酚試劑,0.6 mL、150 mg/mL的碳酸鈉溶液和40 ℃超聲60 min的最佳條件下,分別用不同質量濃度的標準品溶液與碳酸鈉、福林酚進行反應,利用多酚在堿性條件下會與福林酚試劑反應顯藍色的原理,以紫外-可見光譜測試其760 nm處的吸光度,從而間接地測定其腐殖酸與富里酸的含量。以總溶液中標準物的質量濃度作為X軸,吸光度作為Y軸,獲得標準曲線。如圖5所示,擬合求得方程為Y=1.304 76X+0.269 43,相關系數R2=0.998 34,表明標準物質量濃度在0.12～0.30 mg/mL時,溶液中標準物的質量濃度與吸光度有較強的相關性,且回歸效果較好。

圖5 福林酚法對河泥關鍵成分定量的標準曲線Fig.5 Standard curve for quantitative determination of key components in river mud using the Folin-Ciocalten method

2.6 分析方法的評價

為確定福林酚法定量測試河泥腐殖酸和富里酸總含量的可行性,進一步對該方法的穩定性、重復性和加標回收率進行了測試。如表1所示,河泥與福林酚、碳酸鈉溶液反應完成后,溶液在1～6 h的吸光度基本保持不變,RSD值僅為0.68%,表明該方法在一定時間范圍內具有較好的穩定性。由表2可知,在重復性方面,對6組反應后樣品的吸光度進行了測試,代入標準曲線計算后得到對應的腐殖酸和富里酸總質量,所得RSD值為1.43%,表明該方法的重復性較好。加標回收率的測試結果如表3所示,在5次加標測試中,最低加標回收率為97.71%,最高為106.46%,平均加標回收率為102.96%,RSD值為3.41%,表明了以福林酚法進行測試具有一定的可靠性。因此,使用福林酚法定量測試河泥中腐殖酸和富里酸總含量具有可行性。

表1 福林酚法測定河泥樣品的穩定性實驗結果Tab.1 Results of the stability of river mud samples measured by the Folin-Ciocalten method

表2 福林酚法測定河泥樣品的重復性實驗結果Tab.2 Results of the repeatability of river mud samples measured by the Folin-Ciocalten method

表3 福林酚法測定河泥樣品的加標回收率實驗結果Tab.3 Results of the spiked recovery rate of river mud samples measured by the Folin-Ciocalten method

2.7 河泥關鍵有機成分的定量分析

如表4所示,測試三地河泥(西樵、順德、下沙河泥)中腐殖酸、富里酸總質量占河泥質量的比重為9.64%、5.61%、1.88%,由于不同河泥中存在如硅酸鹽、碳酸鹽等礦物含量的不同,導致三地河泥中腐殖酸、富里酸含量在數值上差異較大。

表4 河泥樣品中腐殖酸和富里酸總量的測定結果Tab.4 Determination results of humic acid and fulvic acid content in river mud samples

此外,該方法測得的河泥中腐殖酸、富里酸含量與文獻[3]中提取純化所得的含量基本吻合(8.55%、3.04%、0.43%)。測定值略高于實際提取值,這可能是由于胡敏素及其他不溶物與腐殖酸、富里酸組分過于緊密的結合,在堿溶酸析等提取過程中三者未能完全分離導致的。為核實這一猜測,本研究進一步取三地河泥所分離的胡敏素及其他不溶物分別進行測試,檢驗所提取的胡敏素及其他不溶物中腐殖酸、富里酸的含量,結果如表5所示。由表5可以看到,三種樣品中確實仍有部分腐殖酸和富里酸未能去除,分別占1.97%、1.76%、1.36%,因此導致了測定值略高于實際提取值。

表5 胡敏素及其他不溶物樣品中腐殖酸和富里酸含量的測定結果Tab.5 Determination results of humic acid and fulvic acid content in samples of humin and other insoluble substances

3 結 論

本研究通過福林酚顯色-比色法對莨紗綢生產用河泥的關鍵成分進行定量分析。首先利用多酚在堿性條件下會與福林酚試劑反應顯藍色的原理,以紫外-可見光譜測試其吸光度,從而間接地測定其腐殖酸與富里酸的含量。此外,本研究測定了反應所需的最佳工藝條件,并對該方法的穩定性、重復性和加標回收率進行了評價。

1) 在10.0 mg河泥中,1.0 mL、1 mol/L福林酚試劑,0.6 mL 150 mg/mL碳酸鈉溶液,3.4 mL去離子水,40 ℃下40 kHz超聲60 min,于760 nm波長處進行測試。在最佳反應條件的基礎上建立了標準曲線,方程為Y=1.304 76X+0.269 43,R2=0.998 34。

2) 該方法穩定性、重復性的RSD值分別為0.68%、1.43%,平均加標回收率為102.96%,RSD值為3.41%,表明該方法簡便易行且準確性高。通過此法測定三地河泥中腐殖酸和富里酸的總含量分別為9.64%、5.61%、1.88%。因此,福林酚顯色-比色法可以實現對莨紗綢生產用河泥品質的快速定量檢測與評價。

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