莨纱绸生产用河泥关键成分的定量方法

李哲阳, 郭胜南, 林柳兴, 马明波, 周文龙

(浙江理工大学 纺织科学与工程学院(国际丝绸学院),杭州 310018)

莨纱绸(又称香云纱)是第二批国家级非物质文化遗产项目“香云纱染整技艺”的产品,其以蚕丝织物、薯莨、河泥为原料,依靠人工完成整个生产过程。先将织物用植物薯莨块根的水浸出液浸染,并在阳光下暴晒,反复十余次后,织物表面便形成一层色素沉积物,然后涂上广东佛山地区特有的河泥,待充分反应后洗去浮泥,最终在织物表面形成黑色的涂层。所得的面料凉爽舒适,质地柔软平滑,抗皱且易洗速干[1],并且还具有防紫外线、抗菌抗氧化[2]等功能性。

在莨纱绸生产工艺中,涂泥是关键的一步。本研究近年来通过研究莨纱绸生产用河泥的结构特征,确定了河泥中的腐殖酸(Humic Acids,HA)和富里酸(Fulvic Acid,FA)为构筑涂层的关键有机成分[3],两者在河泥中的含量影响了莨纱绸生产用河泥的品质。因此,对河泥中有机成分含量的测定十分必要。目前,定量土壤腐殖酸和富里酸的常用方法是基于“碱溶酸析”分离纯化后称重,但该分离纯化过程十分繁琐,且难以做到完全分离。也有一些学者通过现代技术开发了其他方法,如高温灼烧测定样品质量的变化[4]或二氧化碳的分解量[5]来推算有机物含量,但该方法只能测量出有机物总含量,无法对各个组分进行测试。通过体积排阻液相色谱[6]也可以对其进行定量评估,所测得的腐殖酸和富里酸含量较为精确,但过程较为复杂冗长,无法进行快速定量。此外,利用腐殖酸、富里酸类物质的荧光特性,以三维荧光图谱[7-8]分析其相对含量,但该方法主要适用于液体体系,难以对固态物质进行直接测定。

与河泥中其他组分不同,腐殖酸和富里酸分子具有典型的酚类结构[9],可利用多酚类定量时常用的福林酚显色—比色法进行定量。福林酚法是通过在碱性条件下,酚类物质会将福林酚试剂中的Mo6+、W6+还原,产生Mo5+、W5+,从而显示出蓝色[10],颜色的深浅与参与反应的酚类物质质量浓度成正比,通过测试其吸光度可以间接测定其含量。因此,本研究首先探究了福林酚与碳酸钠溶液的用量、反应温度、反应时间及超声处理条件等影响因素,获得了最佳反应条件;然后评价了该方法的稳定性、重复性和可靠性;最后,比较了本方法与传统的分离称重法对莨纱绸生产用河泥关键有机成分的定量结果。本研究旨在实现对莨纱绸生产用河泥品质的快速定量检测与评价。

1 实 验

1.1 材料与仪器

材料:含水率50%～60%的实验用河泥(广东顺德的佛山成艺晒莨厂、西樵镇的百东永鸿纺织厂、杭州下沙消防主题公园塘底中富含有机物与金属离子的河深层底泥),碳酸钠AR(杭州高晶精细化工有限公司),福林酚BR(上海麦克林生化科技股份有限公司)。

仪器:DTC-10J超声波清洗机(鼎泰生化科技设备制造有限公司),HH-12468数显恒温水浴箱(常州鸿泽实验科技有限公司),TU-1950紫外-可见分光光度计(北京普析通用仪器有限公司)。

1.2 方 法

1.2.1 标准品溶液的制备

取一定量西樵河泥,按文献[3]的方法分离纯化,得到腐殖酸与富里酸(质量比约为4.8︰1.0),将粉末混合并称重,用150 mg/mL碳酸钠溶液溶解,配成腐殖酸与富里酸总质量浓度为3 mg/mL的标准品溶液。

1.2.2 福林酚法测试

分别取适量西樵河泥粉末与标准品溶液于试管中,各加入1.0 mL、1 mol/L福林酚试剂,1.0 mL、150 mg/mL碳酸钠溶液,并以去离子水稀释至5.0 mL,置于超声波清洗机中,并在40 ℃、40 kHz条件下超声处理60 min。以去离子水为空白对照,测试其在600～800 nm内的紫外-可见光吸收光谱,确定最大吸收波长(检测波长)。

取5组10.0 mg西樵河泥粉末于试管中,分别加入0.6～1.4 mL、1 mol/L福林酚试剂,0.6 mL、150 mg/mL碳酸钠溶液,用去离子水稀释总溶液至5 mL,于40 ℃超声60 min。取溶液用针式过滤器过滤后,在特定波长下测定吸光度值。

取8组10.0 mg西樵河泥粉末,分别加入1.0 mL福林酚试剂,0.1～0.8 mL、150 mg/mL碳酸钠溶液,用去离子水稀释总溶液至5 mL,于40 ℃超声60 min。取溶液过滤后,在检测波长处测定吸光度值。

取6组10.0 mg西樵河泥粉末,各加入1.0 mL福林酚试剂,0.6 mL、150 mg/mL碳酸钠溶液,3.4 mL去离子水,分别于40、60、80 ℃下超声或水浴加热处理,且每隔一段时间在检测波长处测定吸光度值。

1.2.3 标准曲线的测定

分别取0.2～0.5 mL的标准品溶液于试管中,各加1.0 mL福林酚试剂,3.4 mL去离子水和0.4～0.1 mL的150 mg/mL碳酸钠溶液,于40 ℃超声60 min后,在特定波长下测定其吸光度值,最后以溶液质量浓度与吸光度值求得标准曲线的拟合方程。

1.2.4 分析方法的评价

1) 稳定性。取10.0 mg河泥粉末,在最佳条件下进行反应,显色后置于室温下放置。测定完全反应后溶液1～6 h内的吸光度,并以下式计算相对标准偏差RSD:

(1)

式中:Xi为测试所得吸光度值,X为吸光度值的算术平均值,n为测试总次数。

2) 重复性。取6组10.0 mg河泥,在最佳条件下反应60 min。完全反应后于检测波长处测定其吸光度值,根据标准曲线计算对应的腐殖酸和富里酸总质量。

3) 加标回收率。取7组5.0 mg河泥,其中6组加入0.16 mL标准品溶液,另一空白组加入0.16 mL、150 mg/mL碳酸钠溶液,再向7组各加入1.00 mL福林酚试剂,0.44 mL、150 mg/mL碳酸钠溶液和3.40 mL去离子水。完全反应后于检测波长处测定其吸光度值,并按下式计算加标回收率P:

P=(m2-m1)/m

(2)

式中:m2为加标试样测定值,m1为试样测定值,m为加标量。

1.2.5 河泥样品的检验

各取适量西樵、顺德、下沙河泥及按文献[3]的方法分离得到的胡敏素及其他不溶物组分,各加1.0 mL福林酚试剂,3.4 mL去离子水和0.6 mL碳酸钠溶液,于40 ℃超声处理60 min,反应后于检测波长处测定其吸光度,并计算所对应的腐殖酸和富里酸总质量。

2 结果与分析

2.1 测定波长的选择

福林酚试剂与多酚类显色反应后产物的最大吸收波长一般在720～780 nm[11-12],该波长处也常被选择为检测波长。如图1所示,福林酚分别与河泥或标准品反应产物的最大吸收峰均在760 nm处,且标准品溶液并未在此处出现吸收峰。为排除干扰,进一步测试了福林酚试剂与碳酸钠混合溶液在760 nm的吸收峰。结果表明,混合溶液在此处的吸收较弱,并没有对该处吸光度产生较大影响,因此可以选取吸收波长760 nm处作为后续的检测波长。

图1 各样品、福林酚和碳酸钠及其反应产物的吸收光谱图Fig.1 Absorption spectra of various samples, Folin-Ciocalten and Na2CO3, and their reaction products

2.2 福林酚用量的影响

为探究福林酚法对腐殖酸和富里酸总量定量测试所需的最佳条件,首先需要确定福林酚试剂的用量。如图2所示,福林酚用量在1.0 mL以下时,随着福林酚用量的增加,样品的吸光度显著升高;福林酚用量为1.0 mL以上时,样品的吸光度则保持稳定。这是因为在福林酚用量较少时,河泥中仅有少量的腐殖酸与富里酸与福林酚试剂中的Mo6+、W6+发生显色反应,而随着福林酚用量的增加,被还原的Mo6+、W6+含量增加,颜色也随之变深。当福林酚过量后,河泥中的腐殖酸与富里酸充分反应,此时继续增加福林酚的用量,吸光度不再变化。由此可知,10.0 mg西樵河泥需1.0 mL以上的1 mol/L福林酚才能较为充分反应,因此选择1.0 mL、1 mol/L的福林酚试剂来进行后续实验。

图2 福林酚用量对反应的影响Fig.2 Effect of the dosage of Folin-Ciocalten on the reaction

2.3 碳酸钠溶液质量浓度的影响

碱质量浓度较低时,反应不够充分,所得吸光度值较低。较高的碱质量浓度为酚酸根离子的形成提供了更合适的介质,从而产生浊度并影响分光光度计读数[13]。在选定使用1.0 mL福林酚的基础上,探究碳酸钠的用量十分重要。如图3所示,随着碳酸钠质量浓度的增加,吸光度呈现先增大后减小的趋势。当150 mg/mL的碳酸钠溶液用量为0.6 mL,即总溶液中碳酸钠的质量浓度为18 mg/mL时,样品的吸光度值最大。因此,选择0.6 mL、150 mg/mL的碳酸钠溶液来进行后续实验。

图3 碳酸钠质量浓度对反应的影响Fig.3 Effect of the Na2CO3 concentration on the reaction

2.4 反应温度、反应时间及超声条件的影响

如图4所示,反应温度对反应速率具有显著影响,温度越高反应速率越快,达到吸光度稳定所需的时间越短。在40 ℃下,吸光度达到稳定需要6 h,而在80 ℃下则仅需1 h。此外,在后续实验中增加了超声处理以充分提取河泥中的腐殖酸与富里酸。由图4可以看到,反应溶液置于水浴中再辅以超声处理,河泥中的反应物更为完全地提取出来,其达到稳定时的吸光度值有着明显提高。此外,超声处理使得反应的速率加快,吸光度达到稳定所需的时间为1 h。在80 ℃超声条件下,溶液的初始吸光度值较高,60 min后才趋于稳定,最终与40、60 ℃超声条件下得到的吸光度值相同。而考虑到在40、60、80 ℃超声条件下吸光度稳定所需的时间皆相同,最终选定在40 ℃超声60 min的条件下进行后续测试。

图4 反应温度、时间对反应程度的影响Fig.4 Effect of the reaction temperature and time on the degree of reaction

2.5 标准曲线

在1.0 mL、1 mol/L的福林酚试剂,0.6 mL、150 mg/mL的碳酸钠溶液和40 ℃超声60 min的最佳条件下,分别用不同质量浓度的标准品溶液与碳酸钠、福林酚进行反应,利用多酚在碱性条件下会与福林酚试剂反应显蓝色的原理,以紫外-可见光谱测试其760 nm处的吸光度,从而间接地测定其腐殖酸与富里酸的含量。以总溶液中标准物的质量浓度作为X轴,吸光度作为Y轴,获得标准曲线。如图5所示,拟合求得方程为Y=1.304 76X+0.269 43,相关系数R2=0.998 34,表明标准物质量浓度在0.12～0.30 mg/mL时,溶液中标准物的质量浓度与吸光度有较强的相关性,且回归效果较好。

图5 福林酚法对河泥关键成分定量的标准曲线Fig.5 Standard curve for quantitative determination of key components in river mud using the Folin-Ciocalten method

2.6 分析方法的评价

为确定福林酚法定量测试河泥腐殖酸和富里酸总含量的可行性,进一步对该方法的稳定性、重复性和加标回收率进行了测试。如表1所示,河泥与福林酚、碳酸钠溶液反应完成后,溶液在1～6 h的吸光度基本保持不变,RSD值仅为0.68%,表明该方法在一定时间范围内具有较好的稳定性。由表2可知,在重复性方面,对6组反应后样品的吸光度进行了测试,代入标准曲线计算后得到对应的腐殖酸和富里酸总质量,所得RSD值为1.43%,表明该方法的重复性较好。加标回收率的测试结果如表3所示,在5次加标测试中,最低加标回收率为97.71%,最高为106.46%,平均加标回收率为102.96%,RSD值为3.41%,表明了以福林酚法进行测试具有一定的可靠性。因此,使用福林酚法定量测试河泥中腐殖酸和富里酸总含量具有可行性。

表1 福林酚法测定河泥样品的稳定性实验结果Tab.1 Results of the stability of river mud samples measured by the Folin-Ciocalten method

表2 福林酚法测定河泥样品的重复性实验结果Tab.2 Results of the repeatability of river mud samples measured by the Folin-Ciocalten method

表3 福林酚法测定河泥样品的加标回收率实验结果Tab.3 Results of the spiked recovery rate of river mud samples measured by the Folin-Ciocalten method

2.7 河泥关键有机成分的定量分析

如表4所示,测试三地河泥(西樵、顺德、下沙河泥)中腐殖酸、富里酸总质量占河泥质量的比重为9.64%、5.61%、1.88%,由于不同河泥中存在如硅酸盐、碳酸盐等矿物含量的不同,导致三地河泥中腐殖酸、富里酸含量在数值上差异较大。

表4 河泥样品中腐殖酸和富里酸总量的测定结果Tab.4 Determination results of humic acid and fulvic acid content in river mud samples

此外,该方法测得的河泥中腐殖酸、富里酸含量与文献[3]中提取纯化所得的含量基本吻合(8.55%、3.04%、0.43%)。测定值略高于实际提取值,这可能是由于胡敏素及其他不溶物与腐殖酸、富里酸组分过于紧密的结合,在碱溶酸析等提取过程中三者未能完全分离导致的。为核实这一猜测,本研究进一步取三地河泥所分离的胡敏素及其他不溶物分别进行测试,检验所提取的胡敏素及其他不溶物中腐殖酸、富里酸的含量,结果如表5所示。由表5可以看到,三种样品中确实仍有部分腐殖酸和富里酸未能去除,分别占1.97%、1.76%、1.36%,因此导致了测定值略高于实际提取值。

表5 胡敏素及其他不溶物样品中腐殖酸和富里酸含量的测定结果Tab.5 Determination results of humic acid and fulvic acid content in samples of humin and other insoluble substances

3 结 论

本研究通过福林酚显色-比色法对莨纱绸生产用河泥的关键成分进行定量分析。首先利用多酚在碱性条件下会与福林酚试剂反应显蓝色的原理,以紫外-可见光谱测试其吸光度,从而间接地测定其腐殖酸与富里酸的含量。此外,本研究测定了反应所需的最佳工艺条件,并对该方法的稳定性、重复性和加标回收率进行了评价。

1) 在10.0 mg河泥中,1.0 mL、1 mol/L福林酚试剂,0.6 mL 150 mg/mL碳酸钠溶液,3.4 mL去离子水,40 ℃下40 kHz超声60 min,于760 nm波长处进行测试。在最佳反应条件的基础上建立了标准曲线,方程为Y=1.304 76X+0.269 43,R2=0.998 34。

2) 该方法稳定性、重复性的RSD值分别为0.68%、1.43%,平均加标回收率为102.96%,RSD值为3.41%,表明该方法简便易行且准确性高。通过此法测定三地河泥中腐殖酸和富里酸的总含量分别为9.64%、5.61%、1.88%。因此,福林酚显色-比色法可以实现对莨纱绸生产用河泥品质的快速定量检测与评价。

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