基于傅立葉衰減全反射紅外光譜技術(shù)的海藻纖維鑒別分析

王曉晴等

摘要：

采用傅立葉衰減全反射紅外光譜技術(shù)（FTIR-ATR）對(duì)新型功能性纖維——海藻纖維進(jìn)行紅外光譜掃描，比對(duì)了散纖維和無(wú)紡布兩種外觀形態(tài)下的海藻纖維紅外光譜圖，并根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)深入探討分析了譜圖中各特征峰歸屬。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種纖維形態(tài)的海藻纖維化學(xué)本質(zhì)相同；FTIR-ATR技術(shù)可以有效鑒別海藻纖維，該分析方法具有結(jié)果可靠、操作簡(jiǎn)便、快速等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：海藻纖維；傅立葉衰減全反射紅外光譜；鑒別分析

海藻纖維是以海藻植物（如海帶、海草）中分離出的海藻酸為原料制成的一種新型生物可降解纖維，因其具有良好的生物相容性、可降解吸收性、高透氧性、阻燃性等特殊功能[1]，已在紡織領(lǐng)域[2]和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[3]得到了廣泛的關(guān)注，有著強(qiáng)大的市場(chǎng)前景和發(fā)展實(shí)力。但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)海藻纖維的各方面研究尚處于起步階段，尤其對(duì)其化學(xué)性能方面的研究更是鮮見報(bào)道[4]，因此與海藻纖維相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)尚處于空缺狀態(tài)，這與其快速發(fā)展極其不相匹配。紅外光譜法是一種根據(jù)分子內(nèi)部原子間的相對(duì)振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)等信息來(lái)鑒別化合物的分析方法，它在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用主要是紡織品的定性[5-6]。本文所采用的傅立葉紅外光譜儀配有鍺晶體的衰減全反射ATR附件和OMNI采樣器[7]，這種采樣器用一個(gè)球形的極為堅(jiān)固的鍺晶體作為采樣表面，對(duì)樣品提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不可破壞的、表面的以及難以處理的微量樣品進(jìn)行直接測(cè)定。已有研究[8-9]表明，傅立葉衰減全反射紅外光譜技術(shù)（FTIR-ATR）因樣品無(wú)需前處理，直接放在ATR附件上進(jìn)行測(cè)定，成為一種紡織纖維樣品無(wú)損鑒定和快速的檢測(cè)方法。本文采用該技術(shù)對(duì)海藻纖維進(jìn)行分析檢測(cè)，并通過(guò)對(duì)譜圖進(jìn)行深入解析，確定相應(yīng)特征峰，從而建立海藻纖維的傅立葉衰減全反射紅外光譜鑒別分析方法，為今后建立海藻纖維相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)提供一定的技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)材料：海藻纖維（散纖維形態(tài)，無(wú)紡布形態(tài)，均為浙江越隆控股集團(tuán)有限公司提供）。

試驗(yàn)儀器：Nicolet 6700傅立葉紅外光譜儀（配有鍺晶體ATR附件和OMNI采樣器，美國(guó)熱

電尼高力公司）。

儀器試驗(yàn)條件：儀器分辨率為4 cm-1，掃描范圍為650 cm-1～4000 cm-1，掃描次數(shù)為32次。試驗(yàn)采用空氣為參比，在室溫下進(jìn)行光譜采集。

1.2 試驗(yàn)方法

將散纖維形態(tài)的海藻纖維和無(wú)紡布形態(tài)的海藻纖維分別用FTIR-ATR法進(jìn)行光譜掃描，采用空氣為參比背景譜圖，扣除背景譜圖之后，得到最終的海藻纖維FTIR-ATR光譜圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品形態(tài)對(duì)譜圖的影響

圖1中的兩條譜線分別為散纖維形態(tài)和無(wú)紡布形態(tài)的海藻纖維的紅外光譜圖。如圖1所示，形態(tài)不同的海藻纖維樣品，采集得到的特征吸收峰位置和強(qiáng)度基本一致。這說(shuō)明了海藻纖維在從散纖維制成無(wú)紡布纖維時(shí)，沒有發(fā)生化學(xué)本質(zhì)變化，而只是外觀形態(tài)有所改變。

2.2 海藻纖維紅外光譜圖解析

海藻纖維的原材料來(lái)自于天然海藻中所提取的海藻多糖，已有研究表明，海藻酸為多糖類大分子聚合物，由β- D-甘露糖醛酸（M單元）和α- L-古羅糖醛酸（G單元）兩種組分構(gòu)成，M和G是一對(duì)異構(gòu)體，如圖2所示。這兩個(gè)組分按不規(guī)則的排列順序分布于分子鏈中，形成無(wú)規(guī)嵌段共聚物[10]。

通過(guò)Nicolet 6700傅立葉紅外光譜儀（配有鍺晶體ATR附件和OMNI采樣器）對(duì)海藻纖維進(jìn)行650 cm-1～4000 cm-1波段范圍內(nèi)的光譜掃描，扣除空白背景，得到最終的海藻纖維紅外光譜圖如圖3所示。

譜圖中的出峰位置和強(qiáng)度由海藻纖維化學(xué)基團(tuán)振動(dòng)時(shí)能級(jí)變化的大小決定。觀察圖3中海藻纖維譜圖中吸收峰的位置和強(qiáng)度，并結(jié)合海藻纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)，得到以下譜圖解析結(jié)果。3300cm-1左右出現(xiàn)的寬峰為O—H的伸縮振動(dòng)；2900cm-1左右出現(xiàn)較為微弱的峰為C—H基的伸縮振動(dòng)，該峰容易被3300cm-1處寬峰所覆蓋，不宜作為鑒別海藻纖維的特征峰；1400cm-1附近出現(xiàn)的一組峰為O—H面內(nèi)振動(dòng)引起的；810cm-1～720cm-1和1250cm-1～720cm-1處的一系列小峰為C—H的變形振動(dòng)和C—C環(huán)骨架振動(dòng)，該兩組小峰互覆蓋和干擾，特征性較差，實(shí)用鑒別價(jià)值不明顯；1200cm-1～1000cm-1處的較強(qiáng)吸收峰為C—O—C的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起的。此外，從圖2的結(jié)構(gòu)式中看到，海藻纖維大分子鏈中存在羧酸根—COO-，它是一個(gè)多電子的共軛體系，會(huì)在兩個(gè)地方出現(xiàn)強(qiáng)吸收：不對(duì)稱伸縮振動(dòng)出現(xiàn)在1610cm-1～1560cm-1，即圖3中1593cm-1處尖峰；對(duì)稱伸縮振動(dòng)出現(xiàn)在1440cm-1～1360cm-1，強(qiáng)度弱于不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，并且覆蓋了部分O—H面內(nèi)振動(dòng)引起的小峰。綜上所述，3300 cm-1左右出現(xiàn)的寬峰、1200 cm-1～1000 cm-1處的較強(qiáng)吸收峰、1610 cm-1～1560cm-1和1440 cm-1～1360cm-1之間的強(qiáng)吸收尖峰可以一同構(gòu)成鑒別海藻纖維的特征峰。

3 結(jié)論

1）海藻纖維的散纖維形態(tài)和無(wú)紡布形態(tài)在相同條件下的紅外光譜圖基本一致，兩者之間僅是外觀形態(tài)不同，化學(xué)本質(zhì)一致。

2）采用傅立葉衰減全反射紅外光譜技術(shù)（FTIR-ATR）對(duì)新型功能性纖維——海藻纖維進(jìn)行光譜掃描，可以得到清晰的海藻纖維紅外光譜圖。經(jīng)過(guò)對(duì)譜圖的深入解析，結(jié)合海藻纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)，明確了各特征吸收峰的官能團(tuán)歸屬。應(yīng)用FTIR-ATR技術(shù)可以準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便、快速、有效地對(duì)海藻纖維進(jìn)行分析和表征，在海藻纖維的鑒別分析研究中有很好的使用價(jià)值。

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（作者單位：浙江省紡織測(cè)試研究院）