染液染料濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)與分析

陳永恒，羅維平，馬雙寶

染液染料濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)與分析

陳永恒，羅維平*，馬雙寶

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200）

基于單組分染液染料濃度檢測(cè)和分析的方法，提出雙組分染液中單組分染料濃度的檢測(cè)和分析方法。利用分光光度計(jì)測(cè)量染液染料的濃度以及EXCEL的多元線性回歸法建立濃度和吸光度的回歸方程，再F檢驗(yàn)和T檢驗(yàn)其顯著性。計(jì)算各單組分染液染料實(shí)測(cè)濃度和實(shí)配濃度的相對(duì)誤差，驗(yàn)證雙組分染液中各單組分染料濃度與吸光度線性回歸方程的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明濃度相對(duì)誤差控制在1.5%以內(nèi)，符合實(shí)際的濃度檢測(cè)要求。

單組分；雙組分；回歸方程；吸光度；濃度

在紡織品染色的過程中，染廠面臨著經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的壓力，因此從染廠的角度出發(fā)，最優(yōu)的染色工藝成為了迫切的需要，為了進(jìn)一步優(yōu)化染色工藝，那么對(duì)染液染料濃度的檢測(cè)就提出了更高的要求。我國(guó)現(xiàn)有的染液染料濃度檢測(cè)的設(shè)備都是離線式，實(shí)時(shí)在線的檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用不廣[1]。所以對(duì)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)設(shè)備研究的空間很大，如果研發(fā)成功并能廣泛應(yīng)用于染色工藝，將會(huì)推動(dòng)染色行業(yè)革命性的進(jìn)步。

檢測(cè)染料濃度的方法主要有液相色譜法、熒光分光光度法、分光光度法等[2]。液相色譜法在測(cè)量混合染液染料各組分濃度時(shí)，不能直接用色譜給出結(jié)果，同時(shí)也要把樣品分開才能檢測(cè)，測(cè)定的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因此主要應(yīng)用于離線式染料濃度檢測(cè)。熒光分光光度法根據(jù)發(fā)射的光譜或者激發(fā)的光譜對(duì)染料的濃度進(jìn)行分析，雖然無需預(yù)先分開各組分，但是我國(guó)的設(shè)備一般只用于單組分低濃度染料的檢測(cè)。分光光度法連續(xù)從染液中采樣，通過分光光度計(jì)的吸光量變化，能快捷的測(cè)量染液中染料的濃度，做到了染料濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，因此分光光度法是染料濃度檢測(cè)的常用方法。

1 實(shí)驗(yàn)原理及材料儀器

分光光度法的運(yùn)用基礎(chǔ)是建立在被測(cè)染液濃度的吸光度值在一定的范圍內(nèi)滿足朗伯-比爾定律：

由式（3）可知，當(dāng)染液的吸光系數(shù)和染液的光程不變時(shí)，染液的吸光度和染液染料的濃度成一定的比例關(guān)系，分光光度計(jì)的工作原理就是根據(jù)這個(gè)關(guān)系設(shè)計(jì)的。本文主要闡述的是利用分光光度計(jì)去測(cè)量染液染料的吸光度，基于朗伯—比爾定律實(shí)時(shí)的反應(yīng)染液染料濃度的變化。

表1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

多元線性回歸法是數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)中比較重要的方法，其被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域[3]。為了保證回歸方程的獨(dú)立性，多元線性回歸的自變量的個(gè)數(shù)要大于方程的個(gè)數(shù)，因此N-1種染液染料濃度的計(jì)算過程應(yīng)選取N個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行分析。

本實(shí)驗(yàn)所選取的材料和儀器見表1。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 單組分染液染料濃度測(cè)定

稱取0.02g活性紫染料，加入100ml溶劑，然后對(duì)半稀釋，依次配制出濃度為0.2mg/ml，0.1mg/ml，0.05mg/ml，0.025mg/ml，0.0125mg/ml的活性紫染液。稱取0.01g活性黃染料，加入100ml溶劑，然后對(duì)半稀釋，依次配制出濃度為0.1mg/ml，0.05mg/ml，0.025mg/ml，0.0125mg/ml，0.00625mg/ml的活性黃染液。用分光光度計(jì)測(cè)量每種濃度染液在每個(gè)波長(zhǎng)下的吸光度，繪制出波長(zhǎng)和吸光度的光譜圖，分別確定活性紫、活性黃的最大吸收波長(zhǎng)。取最大吸收波長(zhǎng)下的吸光度，建立回歸方程并繪制吸光度和對(duì)應(yīng)濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線，確定單組分染液染料濃度和吸光度是否呈線性關(guān)系，如果呈線性關(guān)系，即可進(jìn)行雙組分染液染料濃度檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)。

2.2 雙組分染液染料濃度測(cè)定

稱取0.02g活性紫染料和0.01g活性黃染料，混合后加入100ml溶劑，然后對(duì)半稀釋，依次配制出五種不同濃度的染液。用分光光度計(jì)測(cè)量五種染液每個(gè)波長(zhǎng)下的吸光度，依據(jù)多元線性回歸法建立雙組分混合染液?jiǎn)谓M分染料濃度與吸光度回歸方程時(shí)，需采用可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)三個(gè)整數(shù)波長(zhǎng)的吸光度值作為自變量，根據(jù)朗伯比爾定律可知，染料在其最大吸收波長(zhǎng)下濃度與吸光度線性關(guān)系最好，因此選擇其中兩個(gè)波長(zhǎng)為兩種染料的最大吸收波長(zhǎng)下的吸光度值與測(cè)得的雙組分混合染液可見光范圍內(nèi)每個(gè)整數(shù)波長(zhǎng)下的吸光度值組合。使用多元線性回歸法建立回歸方程，計(jì)算回歸方程的相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)誤差，當(dāng)回歸方程的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大、標(biāo)準(zhǔn)誤差達(dá)到最小時(shí)，找到最佳的第三波長(zhǎng)，確定波長(zhǎng)組合，選取最佳第三波長(zhǎng)、活性紫最大吸收波長(zhǎng)、活性黃最大吸收波長(zhǎng)下的雙組分染液吸光度值，建立雙組分染液中各單組分染料濃度與吸光度的回歸方程。

2.3 F檢驗(yàn)

原定假設(shè)和備擇假設(shè)：

F檢驗(yàn)的方程為：

2.4 T檢驗(yàn)

原定假設(shè)和備擇假設(shè)：

T檢驗(yàn)的方程為：

3 結(jié)果和討論

3.1 單組分染液的分析

利用分光光度計(jì)獲取活性紫、活性黃染液各個(gè)波長(zhǎng)下的吸光度，用MATLAB繪制波長(zhǎng)和吸光度的關(guān)系圖，如圖1所示。

圖1 波長(zhǎng)和吸光度圖

表2 活性紫染料濃度和吸光度

表3 活性黃染料濃度和吸光度

因?yàn)榛钚匀玖系淖畲笪詹ㄩL(zhǎng)在可見光范圍內(nèi)才符合要求，通過分析圖1可知活性紫的最大吸收波長(zhǎng)為558nm，活性黃的最大吸收波長(zhǎng)為426nm。

活性紫染料的濃度以及在最大吸收波長(zhǎng)下的吸光度如表2所示。

活性黃染料的濃度以及在最大吸收波長(zhǎng)下的吸光度如表3所示。

活性紫染料濃度-吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖2所示。

圖2 活性紫染料濃度與吸光度線性關(guān)系

圖3 活性黃染料濃度與吸光度線性關(guān)系

活性黃染料濃度-吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖3所示。

3.2 雙組分染液的分析

用分光光度計(jì)測(cè)量五種濃度雙組分混合染液每個(gè)可見光整數(shù)波長(zhǎng)下的吸光度，根據(jù)多元線性回歸法用不同波長(zhǎng)組合下的吸光度值建立的回歸方程，計(jì)算得到回歸方程的相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)誤差，繪制出不同波長(zhǎng)組合下的第三波長(zhǎng)和回歸方程的相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)誤差關(guān)系圖。

不同波長(zhǎng)組合下第三波長(zhǎng)和回歸方程相關(guān)系數(shù)的關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同波長(zhǎng)組合下混合染液染料濃度與吸光度的相關(guān)系數(shù)

圖5 不同波長(zhǎng)組合下混合染液濃度與吸光度標(biāo)準(zhǔn)誤差

不同波長(zhǎng)組合下第三波長(zhǎng)和標(biāo)準(zhǔn)誤差的關(guān)系如圖5所示。

由圖4、圖5可知，當(dāng)?shù)谌齻€(gè)波長(zhǎng)為464nm時(shí)，活性紫濃度與吸光度線性關(guān)系的相關(guān)系數(shù)為0.999999，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.000001，活性黃濃度與吸光度線性關(guān)系的相關(guān)系數(shù)為0.999999，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.0000004，此時(shí)活性紫和活性黃回歸方程線性關(guān)系的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大，標(biāo)準(zhǔn)誤差達(dá)到最小，表明其濃度和吸光度的線性關(guān)系最好，因此選擇波長(zhǎng)組合為558nm、426nm、464nm。

第三波長(zhǎng)為464nm時(shí)，雙組分混合染液中每種濃度對(duì)應(yīng)的吸光度依次為0.066、0.139、0.297、0.641、1.363。活性紫用0.025mg/ml的濃度作為測(cè)試集，其他四種濃度為訓(xùn)練集，活性黃用0.0125mg/ml的濃度作為測(cè)試集，其他四種濃度為訓(xùn)練集，由此得到雙組分混合染液中各單組分染料濃度與吸光度回歸方程。

活性紫和活性黃混合染液中活性紫回歸方程為：

活性紫和活性黃混合染液中活性黃回歸方程為：

3.3 F檢驗(yàn)

選取活性紫和活性黃雙組分混合染液中個(gè)單組分染料濃度與吸光度回歸方程，F(xiàn)檢驗(yàn)其顯著性。

表4 活性紫回歸方程F檢驗(yàn)

表5 活性紫回歸方程F檢驗(yàn)

3.4 T檢驗(yàn)

選取活性紫和活性黃雙組分混合染液中單個(gè)組分染料濃度與吸光度回歸方程，T檢驗(yàn)其回歸系數(shù)顯著性。

表6 活性紫回歸系數(shù)T檢驗(yàn)

選取活性紫和活性黃雙組分混合染液中單個(gè)組分染料濃度與吸光度回歸方程，T檢驗(yàn)其回歸系數(shù)顯著性。

表7 活性黃回歸系數(shù)T檢驗(yàn)

3.5 檢驗(yàn)濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性

利用測(cè)試集對(duì)單組分染液中染料的濃度真實(shí)值和測(cè)量值比較，結(jié)果如表8所示。

表8 染液染料濃度測(cè)量值與真實(shí)值比較

由表8可知，單組分染液中活性紫、活性黃實(shí)測(cè)濃度與實(shí)配濃度的相對(duì)誤差分別為0.12%、1.2%，由此可知單組分染液染料濃度的檢測(cè)方法可行。

利用測(cè)試集對(duì)雙組分混合染液中各單組分染料的濃度真實(shí)值和測(cè)量值比較，結(jié)果如表9所示。

表9 混合染液各單組分濃度測(cè)量值與真實(shí)值比較

由表9可知，雙組分混合染液中活性紫、活性黃實(shí)測(cè)濃度與實(shí)配濃度的相對(duì)誤差分別為0.04%、0.008%，由此可知對(duì)于雙組分混合染液中各單組分染料濃度與吸光度的回歸相關(guān)系數(shù)越大、標(biāo)準(zhǔn)誤差越小，則活性染料實(shí)測(cè)濃度和實(shí)配濃度的相對(duì)誤差越小。

4 結(jié)論

活性紫最大吸收波長(zhǎng)為558nm，活性黃最大吸收波長(zhǎng)為426nm。驗(yàn)證了朗伯-比爾定律，單組分染液活性染料在最大吸收波長(zhǎng)下的吸光度和濃度線性關(guān)系強(qiáng)。在單組分染液染料濃度檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，找到了一種雙組分混合染液中各單組分染料濃度的檢測(cè)方法，由此可以推廣到多組分混合染液中各單組分染料濃度的檢測(cè)。利用多元線性回歸法建立的多元線性回歸方程經(jīng)過檢驗(yàn)具有較高的準(zhǔn)確性，單組分染液中染料濃度相對(duì)誤差在1.5%以內(nèi)，雙組分混合染液中各單組分染料的濃度相對(duì)誤差在1%以內(nèi)，準(zhǔn)確度很高。

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Data and Analysis of Dye Dyes Concentration Detection

CHEN Yong-heng, LUO Wei-ping, MA Shuang-bao

(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China）

Based on the method of single-group dyeing liquid dye concentration detection and analysis, the detection and analysis method of single-part dye concentration in double-group dyeing solution was proposed. The regression equations of concentration and absorbance were established by spectrophotometer to measure the concentration of dyeing liquid dyes and using multivariate linear regression method of EXCEL, and the significance of F test and T test was obtained. The relative error of the measured concentration and the actual concentration of each single-group dyeing liquid dye was calculated, and the accuracy of the single-part dye concentration and the absorbance linear regression equation in the two-group dyeing solution was verified. The results show that the concentration error is controlled within 1.5%, which conforms to the actual concentration detection requirements.

single group; double-part; regression equation; absorbance; concentration

羅維平（1967-），女，教授，研究方向：嵌入式系統(tǒng)，數(shù)字化紡織設(shè)備設(shè)計(jì).

湖北省數(shù)字紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室公開項(xiàng)目（DTL2018023）.

TQ610.17

A

2095－414X(2020)04－0019－06