荧光标记田菁胶在上浆检测中的应用

李曼丽 范雪荣 金恩琪 袁久刚

（1.绍兴文理学院，浙江绍兴，312000；2.江南大学，江苏无锡，214122）

田菁是一种盛产于我国浙江、江苏、福建、广东等南方省份的野生植物，其籽经过研磨加工后得到田菁胶（又称田仁粉）。田菁胶大分子由数量众多的糖环构成，其上有大量羟基，故其对纺织纤维的黏附性与淀粉十分相似，对棉、麻等天然纤维纱线的上浆效果较好［1⁃2］。此外，因受新冠肺炎疫情的冲击，俄罗斯、越南、印度等主要产粮国纷纷限制粮食出口，田菁胶原料来源广泛、价格低廉，虽无食用价值，却满足了疫情背景下“上浆不用粮”的要求，成为一种发展潜力极大的生物基浆料。目前，纺织界尚未开发出专门针对田菁胶浆浆纱切片着色的显色剂，故纺织检测人员在进行田菁胶浆液浸透性和被覆性测试时，只能暂用淀粉浆的显色剂（即碘⁃碘化钾试剂）替代。现行检测方法中用到的普通光学显微镜分辨力有限，拍摄的浆纱切片截面照片多模糊不清。对于色纺纱（尤其是中深色纱）而言，因受原纱本身颜色的干扰，通过显色剂着色来观察浆纱切片的各部分组成并不可行。由此可见，依靠碘⁃碘化钾试剂给田菁胶浆浆纱切片着色以评估浆液浸透性和被覆性的方法存在较大局限，实用性很差。

异硫氰酸荧光素（以下简称FITC）是一种常用的荧光标记试剂，其量子产率高，有较好的光稳定性和较低的温度系数，被广泛用于蛋白质检测、免疫荧光技术及DNA序列分析等［3⁃5］。然而，目前尚未见有FITC标记荧光田菁胶产物在浆纱质量检测领域内应用的研究报道。因此，本研究以田菁胶为代表，将不同浓度的荧光单体FITC接枝到田菁胶的分子链上，制备出一系列具有不同标记率的FITC⁃田菁胶衍生物，旨在开发出一种FITC标记的具有良好荧光特性的检测用改性田菁胶浆料，这将对有效解决纺织浆液浸透性、被覆性测定难问题产生十分积极的作用。

1 试验部分

1.1 原料与试剂

田菁胶，郑州千里行科技有限公司；FITC，二甲基亚砜（DMSO），二月桂酸二丁基锡（DBT⁃DL），无水乙醇，火棉胶，以上化学试剂均为化学纯，国药集团化学试剂有限公司；纯棉19.1 tex纱，无锡庆丰纺织有限公司。

1.2 FITC⁃田菁胶衍生物的制备及标记率测试

首先称取10.0 g田菁胶，将其加入容量为500 mL的三颈烧瓶中，再量取100 mL的DMSO，充分搅拌下同时使烧瓶内温度上升至95℃。精确称取一定质量的FITC放入烧杯中，FITC与田菁胶的质量百分比为0.625%～3.125%，再向该烧杯中加入15 mL DBTDL和20 mL DMSO的混合溶液，待FITC充分溶解后，加入至上述田菁胶溶液中。此时开始计时，95℃恒温下反应5 h，然后冷却至室温。因田菁胶分子上存在大量的亲核试剂——羟基，故田菁胶可与FITC发生亲核加成反应。反应完成后的溶液用乙醇沉淀，10 000 r/min离心，用乙醇彻底洗涤，得到具有5个不同标记率的FITC⁃田菁胶产物，依照FITC与田菁胶投料质量百分比由低到高的顺序，将此系列FITC⁃田菁胶产物依次简称为FITC⁃田菁胶1号～5号。将该产物溶解于蒸馏水中，在蒸馏水中避光透析72 h除去未反应的试剂，将产物冷干、粉碎。根据UV⁃Vis分光光度计吸光度的测试结果，FITC乙醇水溶液的最大吸收波长为438 nm。故在438 nm下测定5个已知浓度（0.125 mg/L～2.000 mg/L）FITC溶液的吸光度并拟合，见图1。由图1中的线性回归方程可知溶液吸光度与FITC浓度的对应关系，从而计算出不同FITC浓度下FITC⁃田菁胶衍生物的标记率。取上述5个FITC⁃田菁胶衍生物样品溶于蒸馏水中配制成1 000 mg/L的水溶液，采用UV⁃Vis分光光度计测定各FITC⁃田菁胶样品的标记率。

图1 FITC溶液吸光度与FITC浓度的线性关系

1.3 红外及荧光光谱表征

采用Thermo Nicolet Avatar 380型傅里叶变换红外光谱仪分别对田菁胶和FITC⁃田菁胶衍生物进行结构表征［6］，FITC⁃田菁胶衍生物在红外测试前已经过透析纯化处理，残留荧光小分子已全部除去。使用日立F⁃7000型荧光分光光度计测定FITC⁃田菁胶溶液的荧光发射光谱。将不同标记率的样品溶解于蒸馏水中形成溶液（1 000 mg/L），预先设置固定的激发光波长（438 nm）后，测定荧光发射光谱。

1.4 浆纱性能测试

采用GA 392型电子式单纱上浆机对棉纱进行上浆试验，具体上浆步骤参见文献［7⁃8］。以哈氏纤维切片器将浆纱切成厚度不大于20μm的切片，用徕卡DM 3000型荧光显微镜分别在明场和蓝色激发光下拍摄浆纱切片横截面照片。通过Photoshop的直方图功能测量切片截面浆膜、浆纱已浸透部分及未浸透部分的面积。根据文献［9］230⁃234计算出浸透率、被覆率和浆膜完整率。每组样本取10个平行样，得到平均值。

上浆结束后，浆纱的上浆率、强伸、耐磨以及毛羽贴伏等使用性能测试按照参考文献［9］217⁃229进行。

2 结果与讨论

2.1 荧光单体浓度对标记率和标记效率的影响

不同FITC荧光单体浓度条件下制备出的FITC⁃田菁胶衍生物样品的标记率见表1。标记率为接枝到田菁胶上的荧光素基团与田菁胶基质的质量百分比。

表1 荧光单体浓度对FITC⁃田菁胶衍生物标记率的影响

由表1可知，单体浓度越高，能与田菁胶发生亲核加成反应的单体物质的量就越大，换言之，FITC⁃田菁胶衍生物上荧光素基团的数量就越多，标记率变大。因此，FITC⁃田菁胶衍生物溶液的吸光度也随之增大。

2.2 红外光谱分析

未标记田菁胶和FITC⁃田菁胶衍生物的红外光谱图见图2。由图2可知，除保留有天然田菁胶的全部特征吸收峰外（如3 360 cm-1附近的羟基伸缩振动峰、1 030 cm-1～1 100 cm-1的脂环醚反对称伸缩振动峰），FITC⁃田菁胶衍生物在1 580 cm-1附近出现了新的特征峰，其对应的正是标记到田菁胶分子链上荧光基团中芳环的C=C骨架振动［10］。由红外光谱可知，经FITC标记后的田菁胶衍生物分子链上包含了荧光素基团。

图2 未标记田菁胶和FITC⁃田菁胶衍生物的红外光谱图

2.3 标记率对荧光光谱的影响

具备不同标记率的FITC⁃田菁胶衍生物的荧光光谱图见图3。

图3 不同标记率FITC⁃田菁胶衍生物的荧光光谱图

从图3可以看出，FITC⁃田菁胶衍生物的荧光强度先是随着其标记率的增加而增强，当标记率为0.509%时（即4号样品）达到最大值，然后开始下降。

FITC是目前应用最为广泛的一种聚集诱导猝灭（ACQ）荧光分子，ACQ荧光分子通常在溶液状态下具有很强的发光效率，在聚集或固体状态时，其荧光会减弱甚至消失。因此，只有在大分子上标记适量的荧光素基团，才可以赋予大分子良好的荧光性能。如FITC⁃田菁胶，该类衍生物的荧光强度与其标记率紧密相关。在用荧光素标记田菁胶时，FITC⁃田菁胶的荧光量子产率先随着分子上含有的荧光素基团数量的增加而上升。然而，由于ACQ现象的出现，当标记率超过0.509%时，荧光量子产率降低。因此，0.509%可被认为是FITC开始聚集的临界标记率。在做荧光强度测试时，FITC⁃田菁胶溶液的浓度为1 000 mg/L。在FITC⁃田菁胶大分子完全分散均匀及标记达到临界值（即FITC：5.069 mg/L=1.308 5×10-5mol/L=7.877×1018个/L）的情况下，一分子FITC占据约1.27×105nm3的立方空间（棱长50.27 nm），该临界距离与TIAN W G等［11］的研究结果（55 nm）基本一致。共轭ACQ发光材料聚集的主要原因是FITC之间的π⁃π堆积作用，π⁃π堆积作用一般发生距离在0.34 nm～0.40 nm范围内［12⁃13］。显然，在FITC⁃田菁胶的标记率达到临界值时，FITC之间的平均距离远大于0.40 nm。因此可以推测，在荧光素基团浓度达到产生π⁃π堆积作用的数值前，FITC⁃田菁胶溶液中已发生ACQ现象。产生ACQ现象的原因是天然田菁胶分子量较大（一般在800 000 g/mol～1 000 000 g/mol），且存在着大量的分子间氢键，须在95℃的高温下才能完全溶解。在高温搅拌溶解的过程中，由于缺乏空间约束，FITC经历了强烈的热运动。因此，即使在较大的空间内，FITC之间也可能发生碰撞产生π⁃π堆积作用，从而产生ACQ现象。

2.4 标记率对浸透性和被覆性的影响

具备不同标记率的FITC⁃田菁胶衍生物上浆后的纯棉浆纱切片截面照片见图4。图中第1行和第2行分别为荧光显微镜在明场和蓝光激发下观察到的照片，其中：S指浆纱截面积，S1指原纱截面积，S2指浆纱未浸透部分截面积。

图4 明场和蓝光激发下FITC⁃田菁胶浆纱的切片截面照片

本研究采用相同的浆纱机和工艺参数利用FITC⁃田菁胶荧光浆料对同一种经纱进行上浆。因此，所有FITC⁃田菁胶浆液的3个指标在理论上应该是相似的。然而，随着FITC⁃田菁胶标记率的提升，其浆液浸透率和被覆率均呈现先上升后下降的趋势，见图5。

图5 具有不同标记率的FITC⁃田菁胶浆液的浸透率、被覆率和浆膜完整率

究其原因，一方面，当标记率低于临界值（即0.509%）时，改性田菁胶的分子链中没有足够的荧光素基团，荧光强度不够。因此，利用荧光显微镜在明场和蓝光激发下观察到的浆膜和纱线被浆液浸透部分面积均小于其实际面积，由浸透率和被覆率计算公式可推知，纱线被浆液浸透部分和浆膜的面积越小，浸透率和被覆率越低。另一方面，当标记率高于临界值时，浸透率和被覆率反而开始下降，这是由于荧光素基团ACQ现象的发生。因此只有具有适中标记率（0.509%）的FITC⁃田菁胶衍生物才适合作为功能性浆料评价浆液的浸透性和被覆性。由浆膜完整率计算方法可知，在明场下观察到的浆膜包覆角与浆膜面积并无直接关联，因此具有不同标记率的FITC⁃田菁胶的浆膜完整率并不存在显著差异。

2.5 未标记田菁胶与FITC⁃田菁胶浆纱使用性能比较

采用FITC对一种浆料进行标记的目的是赋予浆料良好的荧光特性以测定此种浆料浆液的浸透性和被覆性。然而，如果采用荧光标记法对此种浆料的浆纱使用性能造成了明显的改变，那么用其荧光改性产品来评价未改性时浆液的浸透性和被覆性就将失去实用意义。因此，本研究通过将未标记的田菁胶和具有适宜标记率（0.509%）的FITC⁃田菁胶所浆棉纱的主要使用性能（拉伸断裂强度、伸长率、耐磨性、毛羽贴伏性能）进行对比测试，验证FITC的适量标记对田菁胶浆纱使用性能的影响是否显著，结果如下。0号为未标记田菁胶，0号和4号浆纱的上浆率分别为11.13%和10.85%。

由于该FITC⁃田菁胶衍生物的标记率很低，荧光标记对田菁胶的大分子结构影响很小，故该衍生物与未标记的田菁胶浆纱具有相似的使用性能，以上数据也说明了这一点。浆纱的主要使用性能在很大程度上取决于浆液的浸透性和被覆性。因此，未标记和已标记的田菁胶浆液具有对棉纱相似的浸透性和被覆性。在这种情况下，此FITC⁃田菁胶浆液的浸透性和被覆性可视为未标记田菁胶浆液性能的真实反映。

3 结论

（1）制备具有适中标记率的FITC⁃田菁胶荧光浆料，为准确测定田菁胶浆液对纱线的浸透性和被覆性提供一条有效途径。FITC荧光单体的投料浓度对FITC⁃田菁胶衍生物的标记率有着较大的影响，FITC⁃田菁胶的标记率随着单体浓度的增加而逐步增加。

（2）FITC⁃田菁胶的标记率对其荧光强度产生了显著影响。随着标记率的增加，该荧光浆料的荧光强度呈现先增加后降低的趋势，当标记率达到0.509%时，FITC⁃田菁胶衍生物的荧光强度最大。

（3）FITC⁃田菁胶的标记率对其浆液浸透率、被覆率的准确测定产生直接影响，而对浆膜完整率的测定则未产生显著影响。随着标记率的增加，FITC⁃田菁胶浆液的浸透率、被覆率均呈现先增加后降低的趋势，而其浆膜完整率则均较为接近；当标记率达到0.509%时，浆纱切片的亮度佳且适于观测，测得的浆纱切片各部分面积可用于准确计算田菁胶浆液的浸透率和被覆率。

（4）通过对FITC⁃田菁胶衍生物与未标记田菁胶浆纱使用性能的对比，发现具有适宜标记率（0.509%）的FITC⁃田菁胶与未标记田菁胶浆纱的使用性能十分接近。因此，该田菁胶荧光浆料浆液对纱线的浸透性、被覆性可视为未标记田菁胶浆液性能的真实反映。

采用FITC对常用纺织浆料进行荧光标记是一种可准确评价其未标记产品浆液浸透性与被覆性的新方法，有很大潜力取代浆纱质量检测领域内普遍使用而存在问题较多的碘⁃碘化钾着色法。