分光光度法測(cè)定紡織品水萃取液pH值

申曉萍，李培才，洪 華，王紅衛(wèi)，李 陽，周 麗，徐鑫華

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

目前紡織品水萃取液pH值的定量測(cè)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(duì)低離子強(qiáng)度體系的測(cè)試值不穩(wěn)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(cè)定項(xiàng)目長(zhǎng)期存在著示值不穩(wěn)定，結(jié)果重現(xiàn)性差，實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)結(jié)果差異大的特點(diǎn)[4]，給實(shí)驗(yàn)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(xiàn)代光譜分析技術(shù)與酸堿指示劑結(jié)合起來，構(gòu)成一種新型的pH檢測(cè)裝置[5-6]。這些指示劑在不同的pH環(huán)境下分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，繼而導(dǎo)致體系的光學(xué)性能發(fā)生變化[5]。通過建立變化與pH值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可以測(cè)定當(dāng)前環(huán)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(cè)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(yōu)點(diǎn)[5]。目前已經(jīng)應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)、生物工藝等領(lǐng)域[7-8]。經(jīng)過國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)檢索，目前還未見有報(bào)道將此技術(shù)應(yīng)用于紡織品水萃取液pH值的測(cè)試。本文利用分光光度法測(cè)定紡織品中水萃取液pH值，對(duì)響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度進(jìn)行了分析;并與傳統(tǒng)的pH玻璃電極的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較，為紡織品水萃取液的pH值測(cè)定提供了一種新的快速準(zhǔn)確的測(cè)定方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和儀器

材料:紡織品(實(shí)驗(yàn)室日常檢驗(yàn)樣品);標(biāo)準(zhǔn)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(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);實(shí)驗(yàn)所有用水均為超純水(18.2MΩ)。

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

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)用的pH敏感比色皿內(nèi)壁上利用溶膠凝膠技術(shù)固定了酸堿指示劑。凝膠層的骨架被設(shè)計(jì)為允許較小的離子擴(kuò)散，但不允許較大的指示劑分子泄露出去。當(dāng)比色皿中盛滿待測(cè)溶液后，H+擴(kuò)散到溶膠凝膠骨架中并引起指示劑分子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化會(huì)導(dǎo)致比色皿在500～700 nm段的吸光度發(fā)生變化，并以617 nm處的變化最為劇烈。利用肉眼可以觀測(cè)到在低pH值條件下指示劑為黃色，用DY表示;在高pH值時(shí)，指示劑會(huì)變成藍(lán)色，用DB表示。此反應(yīng)可以描述為:

反應(yīng)式(1)平衡常數(shù)K可以表示為:

式中:[DB]為 DB濃度，[DY]為 DY濃度。

假設(shè)DY在某波長(zhǎng)λ下的摩爾吸光系數(shù)為λ∈Y，DB在某波長(zhǎng)λ下的摩爾吸光系數(shù)為λ∈B。則指示劑在某一特定H+濃度下在波長(zhǎng)λ處的摩爾吸光系數(shù)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(zhǎng)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(duì)數(shù)并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換可得:

當(dāng)指示劑處于高pH值環(huán)境時(shí)(根據(jù)比色皿制造商的建議該值為11)，可以認(rèn)為比色皿壁上的指示劑全部以DY的形態(tài)存在，此時(shí)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(jù)比色皿制造商的建議該值為1)環(huán)境時(shí)，可以認(rèn)為指示劑全部以DB的形態(tài)存在，此時(shí)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(jìn)一步轉(zhuǎn)換為:

公式(5)中的λAmax和λAmin均可很方便地利用分光光度計(jì)測(cè)出，再測(cè)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(duì)做圖，可獲得標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。然后即可以通過測(cè)定工作曲線線性范圍內(nèi)任一pH值條件下的推算出溶液的pH值。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的配制

將 pH 4.01、6.86、8.00、9.18 的標(biāo)準(zhǔn) pH 值緩沖溶液按照使用說明進(jìn)行配置或者直接使用。由于測(cè)試期間實(shí)驗(yàn)室溫度基本穩(wěn)定在25℃左右，為測(cè)試和計(jì)算方便起見，沒有對(duì)溶液的pH值作進(jìn)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(cè)定

光譜測(cè)定采用UV 1800型分光光度計(jì)。在一次典型的光譜測(cè)定中，比色皿依次被超純水和待測(cè)溶液清洗3次后添加約4/5體積的待測(cè)溶液，用保鮮膜將頂端密閉隔絕空氣后放入分光光度計(jì)的比色皿支架中。然后進(jìn)行光譜，動(dòng)力學(xué)或者吸光度測(cè)定并記錄數(shù)據(jù)，如果測(cè)定對(duì)象為吸光度，重復(fù)測(cè)定3次，最終結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 比色皿的光譜與溶液pH值的關(guān)系

首先測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)pH值變化最敏感。因此，選定617 nm作為測(cè)量波長(zhǎng)。

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(yīng)的穩(wěn)定性

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

通過連續(xù)監(jiān)測(cè)加入溶液后比色皿吸光度值變化趨勢(shì)的方法測(cè)定了本方法測(cè)定pH值的響應(yīng)穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液，記錄比色皿在617 nm處的吸光度在20min內(nèi)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(wěn)定，穩(wěn)定后吸光度隨時(shí)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(nèi)的變化，見圖2(b)。從圖2(b)可以看出，盡管已經(jīng)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(shù)值，且隨時(shí)間變化很小，20min內(nèi)吸光度的絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差0.000 2，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.24%。利用不同pH值標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，結(jié)果基本相同。從實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)間達(dá)到穩(wěn)定，但穩(wěn)定后響應(yīng)值不再發(fā)生漂移。與之相比，利用pH玻璃電極測(cè)定紡織品水萃取液pH值時(shí)遇到的最突出問題就是響應(yīng)值不穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)室實(shí)際工作中，不但經(jīng)常會(huì)碰到響應(yīng)值隨時(shí)間連續(xù)變化難以穩(wěn)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(duì)同一溶液穩(wěn)定后的兩次測(cè)量結(jié)果不一致，以至于操作人員無法判斷那個(gè)結(jié)果更接近于真值[9]。

2.3 分光光度法測(cè)定pH值標(biāo)準(zhǔn)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(gè)波長(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液確定標(biāo)準(zhǔn)曲線。方法為用超純水將比色皿清洗3次，然后加入需要測(cè)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(gè)波長(zhǎng)下的吸光度值，兩者的差值即為該緩沖溶液所對(duì)應(yīng)的吸光度λA。重復(fù)以上操作，得到4個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液所對(duì)應(yīng)的吸光度 λA。

從圖3可以看出，在pH4.01～9.18內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)曲線有良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)為0.999 1。實(shí)驗(yàn)使用的分光光度計(jì)測(cè)量吸光度的分辨率為0.000 1，因此可以從標(biāo)準(zhǔn)工作曲線對(duì)應(yīng)的線性方程中推算出本方法測(cè)量pH值的分辨率為0.01pH單位。這個(gè)分辨率要高于電化學(xué)電極(通常為0.02pH單位)。

圖3 分光光度法測(cè)定pH值的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 Thestandard curve for the determination of the pH value withspectrophotometry method

2.4 分光光度法測(cè)定pH值的準(zhǔn)確性

重復(fù)測(cè)定6 次 pH 4.01、6.86、9.18 這3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液所對(duì)應(yīng)的吸光度值(每次結(jié)果取3次平均值)，代入標(biāo)準(zhǔn)曲線方程后得出測(cè)定的pH值(表1)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液測(cè)定結(jié)果平均值分別為 3.97、6.93、9.14，標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)，測(cè)定結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性。

利用pH電極法采用同樣的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液進(jìn)行測(cè)定，3個(gè)溶液pH值測(cè)定結(jié)果分別為 4.06、6.88、9.18，絕對(duì)誤差分別為 0.01、0.01、0.02(表1)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，兩種方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)定結(jié)果差異不大，準(zhǔn)確性基本一致。

表1 3種標(biāo)準(zhǔn)pH值緩沖溶液的分光光度法和pH電極法測(cè)定結(jié)果Tab.1 The measurement results of threestandard pH buffersolution obtained withspectrophotometry and pH electrode method

2.5 實(shí)際樣品測(cè)試

從實(shí)驗(yàn)室日常的紡織品樣品中抽取了偏酸、中性、偏堿3個(gè)樣品對(duì)分光光度法測(cè)定紡織品水萃取液pH值進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證并與pH玻璃電極的測(cè)定結(jié)果做了對(duì)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(cè)定》進(jìn)行，在此不再做詳細(xì)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(cè)定pH值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，每個(gè)樣品前處理時(shí)需要3個(gè)平行樣，測(cè)試時(shí)，第一個(gè)平行樣品的測(cè)試結(jié)果不做記錄。最終測(cè)試結(jié)果為后兩個(gè)平行樣品的平均值(結(jié)果保留一位小數(shù))[2]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，兩者結(jié)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(duì)3個(gè)實(shí)際紡織品樣品水萃取液pH值的測(cè)定結(jié)果Tab.2 The measurement results of the aqueous extract of three actual textilessamples obtained withspectrophotometry and pH electrode method

為了進(jìn)一步驗(yàn)證了本方法測(cè)定實(shí)際樣品水萃取液pH值的準(zhǔn)確性，從實(shí)驗(yàn)室日常樣品中抽取了一個(gè)樣品進(jìn)行了6次測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。從結(jié)果來看，6 次測(cè)定的平均值為 8.7，偏差為 0.141，相對(duì)偏差為1.6%。能夠滿足樣品測(cè)試要求。

表3 分光光度法測(cè)定實(shí)際紡織品樣品水萃取液pH值的測(cè)定結(jié)果Tab.3 The measurement results of the aqueous extract of actual textilessamples obtained withspectrophotometry method

3 結(jié)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(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后20 min內(nèi)吸光度變化的絕對(duì)偏差為0.000 2，相對(duì)偏差為0.24%，在pH4.01～9.18的測(cè)量范圍內(nèi)線性相關(guān)系數(shù)為0.999 1，對(duì) pH 值分別為4.01、6.86、9.18 的 3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液測(cè)定 6次結(jié)果誤差分別為 0.01、0.02、0.05pH單位。與pH玻璃電極的比對(duì)實(shí)驗(yàn)表明兩者對(duì)紡織品水萃取液的測(cè)試結(jié)果相近，可以作為紡織品水萃取液pH值測(cè)定的一種替代方案。

[1]YUPING M，JINGRONG C，KEMING F.New technology for the detection of pH[J].Journal of Biochemical and Biophysical Methods，2005，63(1):1-9.

[2]GB/T 7573—2009紡織品-水萃取液pH值的測(cè)定[S].GB/T 7573—2009 Textiles-Determination of pH of aqueous extract[S].

[3]王喆，霍金花.紡織品水萃取液pH值測(cè)量過程中電極讀數(shù)不易穩(wěn)定的原因探討[J].中國(guó)纖檢，2004(9):13.WANG Zhe，HUO Jinhua.Study on the reasons for the easily change of electrode reading in the measurement of pH of textiles aqueous extract[J].China Fiber Inspection，2004(9):13.

[4]陳林茂.對(duì)紡織品水萃取液pH值檢測(cè)存在問題的探討[J].中國(guó)纖檢，2009(10):68-70.CHEN Linmao.The discussion on the problems in the determination of pH of textiles aqueous extract[J].China Fiber Inspection，2009(10):68-70.

[5]陳鑫，顧錚天.pH光纖化學(xué)傳感器研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，48(11):1-8.CHEN Xin，GU Zhengtian.Progress of optical fiber pH chemicalsensor[J].Laser ＆ Optoelectronics Progress，2011，48(11):1-8.

[6]羅發(fā)亮，劉志宏，陳天祿.用于pH測(cè)定的光化學(xué)敏感膜[J].分析化學(xué)，2005，33(4):483-486.LUO Faliang，LIU Zhihong，CHEN Tianlu.An optical chemicalsensing membrane for the determination of pH[J].Chinese Journal of Analytical Chemistry，2005，33(4):483-486.

[7]ROVATI L，F(xiàn)ABBRI P，F(xiàn)ERRARI L.Construction and evaluation of a disposable pHsensor based on a large core plastic optical fiber[J].Review of Scientific Instruments，2011，82(2):023106-023106-7.

[8]PANOVA A A，PANTNO P，WALT D R. Insitu fluorescence imaging of localized corrosion with a pH-sensitive imaging fiber[J].Analytical Chemistry，1997，69(8):1635-1641.

[9]何行月.紡織品水萃取液pH值檢測(cè)準(zhǔn)確性的影響因素[J].針織工業(yè)，2012(8):62-64.HE Xingyue.Thestudy on the factors influencing the detection accuracy of the pH of textiles aqueous extract[J].Knitting Industries，2012(8):62-64.