國內(nèi)外動物纖維顯微鏡定量分析法的比較

馬志強(qiáng)

(天祥(天津)質(zhì)量技術(shù)服務(wù)有限公司, 天津 300384)

紡織品的纖維含量是指導(dǎo)產(chǎn)品標(biāo)注標(biāo)簽的重要依據(jù)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性非常重要。纖維含量的測試方法主要分為3類,一是手工物理拆分法，此方法簡單易操作，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，不受其他因素的影響，但只局限于特定類型的紡織產(chǎn)品；二是化學(xué)溶解法，利用纖維化學(xué)溶解性能的差異，選用針對性的溶解試劑進(jìn)行化學(xué)溶解，此方法適用于絕大多數(shù)紡織產(chǎn)品；三是顯微鏡法，對于同類纖維混紡的產(chǎn)品，化學(xué)方法無法區(qū)分，如羊絨與其他動物毛纖維的混紡制品，雖然可以采用光譜法、DNA堿基序列對法等，但是目前應(yīng)用最廣泛且可行的分析方法依然是顯微鏡法[1-3]。采用顯微鏡法檢測動物纖維含量是通過觀察纖維表面的鱗片結(jié)構(gòu)特征[4]而進(jìn)行分析。顯微鏡方法除了依據(jù)檢測人員的經(jīng)驗(yàn)之外，也需要參照相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)外使用顯微鏡分析法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括GB,AATCC(美國紡織化學(xué)和染色家協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)),ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)), JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))等。 本文通過比較各測試方法間的差異，指導(dǎo)技術(shù)人員正確使用各種測試標(biāo)準(zhǔn)，確保測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 顯微鏡法的分類

顯微鏡分析方法依據(jù)顯微鏡類型的不同主要可以分為二類：一是光學(xué)顯微鏡，二是掃描電子顯微鏡。

1.1 光學(xué)顯微鏡

傳統(tǒng)光學(xué)投影顯微鏡(LM)，是通過顯微鏡將纖維放大500倍后進(jìn)行測量，因?yàn)槭艿焦庠戳炼鹊南拗?，對環(huán)境要求較高，需要在暗房內(nèi)手動操作使用且耗時(shí)長，對于檢測人員來說容易疲勞，檢測效率低[5-6]?，F(xiàn)在常用顯微鏡電腦影像采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的模式是基于光學(xué)顯微鏡的方式，測量準(zhǔn)確度與光學(xué)顯微鏡一致。電腦影像采集系統(tǒng)的優(yōu)勢在于不受環(huán)境光線的影響，不需要暗房操作，同時(shí)電腦的使用可以解決大量的手動測量和計(jì)算等繁瑣過程，大大提高了工作效率[7]。

采用光學(xué)顯微鏡方法的標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 16988—2013《特種動物纖維與綿羊毛混合物含量的測定》， AATCC TM20A—2018e《纖維定量分析》，ISO 17751-1∶2016《羊絨、羊毛、特種動物纖維及其混合物的定量分析 第1部分:光鏡法》，JIS L1030-2∶2012《纖維混紡含量試驗(yàn)方法 第2部分》等。

1.2 掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡(SEM)工作原理是利用被聚焦的、具有一定能量的電子束在纖維表面掃描，激發(fā)產(chǎn)生二次電子，通過接收轉(zhuǎn)換，獲得樣品表面形態(tài)的掃描圖像。掃描電子顯微鏡的最大特點(diǎn)是放大倍數(shù)可以高達(dá)數(shù)萬倍，能觀察纖維表面極其細(xì)小的特征[8-9]。由于掃描電鏡的電子束通過轟擊纖維表面進(jìn)行成像，所以其與光學(xué)顯微鏡相比最大的不足是僅可以觀察纖維的表面形態(tài)，無法觀察纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特征，如動物纖維的髓腔、色素等信息對纖維鑒別非常重要[10]。

采用掃描電子顯微鏡方法依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)主要包括GB/T 14593—2008《山羊絨、綿羊毛及其混合纖維定量分析方法 掃描電鏡法》，ISO 17751-2∶2016《羊絨、羊毛、特種動物纖維及其混合物的定量分析 第2部分:掃描電鏡法》、JIS L1030-2∶2012《纖維混紡含量試驗(yàn)方法 第2部分》等。

2 顯微鏡定量分析方法對比

顯微鏡定量分析的原理是測量樣品中纖維的體積，結(jié)合纖維密度得到每種纖維的質(zhì)量，再根據(jù)樣品中每種纖維出現(xiàn)的根數(shù)，通過計(jì)算得到各纖維的百分含量。各檢測機(jī)構(gòu)使用的檢測儀器和方法不統(tǒng)一，對檢驗(yàn)結(jié)果也有一定的影響。本文通過對標(biāo)準(zhǔn)在測試過程的重要環(huán)節(jié)和參數(shù)進(jìn)行比較，研究各標(biāo)準(zhǔn)間的差異對纖維含量測量結(jié)果的影響。

2.1 纖維直徑測量

2.1.1 測量過程比較

由于動物纖維橫截面接近圓形，纖維的縱向比較均勻，通常測量纖維的直徑，即可計(jì)算出纖維的截面積，以代表纖維體積。纖維直徑的測量是獲得測試數(shù)據(jù)的最重要過程，是顯微鏡測試方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不同標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，會對測試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。纖維直徑測量標(biāo)準(zhǔn)比較見表1。

表1 纖維直徑測量標(biāo)準(zhǔn)比較

由表1可以看出，各標(biāo)準(zhǔn)對測試的環(huán)境條件要求不同。GB和ISO都要求在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下對樣品進(jìn)行調(diào)濕處理，而其他的標(biāo)準(zhǔn)則沒有相關(guān)的要求。標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境可以提供穩(wěn)定的測試條件，使樣品釋放應(yīng)力，纖維表面的鱗片恢復(fù)正常的狀態(tài)。雖然動物纖維作為蛋白質(zhì)類纖維，其本身具有較高的回潮率，正常情況下在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下吸濕性很少，受標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境的影響也非常小，但為了測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，建議實(shí)驗(yàn)室在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境條件下對樣品進(jìn)行調(diào)濕預(yù)處理。

對于LM顯微鏡來說，視野邊緣會產(chǎn)生失真現(xiàn)象，影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通常檢測人員只對視野中央直徑約10 cm的圓環(huán)范圍內(nèi)的纖維進(jìn)行識別和測量。光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)是500倍，當(dāng)切取的纖維長度在0.2～0.3 mm時(shí)，放大后的纖維長度為10～15 cm，此長度正好顯示在視野中央，利于對纖維形態(tài)的觀察和測量。纖維切取長度過長，放大后會超過一個(gè)視野，容易導(dǎo)致重復(fù)測量。根據(jù)檢測人員經(jīng)驗(yàn)可知，纖維切取的長度越長，纖維之間交叉重疊的情況也越多，因?yàn)榻徊嬷丿B的纖維不在同一個(gè)平面上，圖像有一定的失真，不能進(jìn)行纖維直徑的測量。大量交叉重疊纖維的出現(xiàn)，會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)選取的隨機(jī)性下降，影響測量的準(zhǔn)確性。故此切取纖維長度為0.3 mm左右最為適宜，既保證了觀察的纖維數(shù)量，又可以避免重復(fù)測量。

纖維直徑的測量數(shù)據(jù)對纖維含量影響最大，各標(biāo)準(zhǔn)對測量纖維直徑的纖維根數(shù)要求不同，GB/T 16988—2013要求的測量根數(shù)最多，達(dá)300根，而其他標(biāo)準(zhǔn)為100～150根。由于動物纖維縱向相對較均勻，如山羊絨、美利奴羊毛、羊駝毛等纖維直徑離散較小，測量100根纖維計(jì)算直徑平均值可以反映纖維直徑的真實(shí)情況。但對于纖維粗細(xì)程度差異較大的，如土種毛、低支毛等，測試100根纖維計(jì)算直徑所得平均值不能完全反映纖維的真實(shí)情況，因此在滿足測試標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，應(yīng)適當(dāng)增加測量纖維直徑的樣本量，使測試數(shù)據(jù)能更好的反映實(shí)際值。

2.1.2 纖維平均直徑計(jì)算

測量纖維直徑后，根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)要求計(jì)算纖維平均直徑。

①LM測量法的GB/T 16988—2013和ISO 17751-1∶2016纖維平均直徑計(jì)算公式：

式中：D為纖維平均直徑，μm；M為纖維直徑組中值，μm；N為纖維根數(shù)。

②SEM測量法和 GB/T 14593—2008纖維平均直徑計(jì)算公式：

式中：d為單根纖維直徑，μm。

LM和SEM測量法對于纖維平均直徑的計(jì)算方式有差異，LM測量法是采用的組中值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到纖維平均直徑，而SEM采用的是實(shí)測值平均的方法，由于SEM的放大倍數(shù)高，測量的精確性更高，其測量值更接近真實(shí)值。

除此之外，直徑測量的操作過程中，LM和SEM在制備樣片時(shí)也有各自不同的要求。LM制作切片簡單快捷成本低；而SEM需要對纖維表面進(jìn)行鍍金膜處理，操作復(fù)雜成本高。LM制片時(shí)，纖維需要浸潤在介質(zhì)里，由于纖維長時(shí)間浸潤在液體石蠟中會導(dǎo)致纖維直徑發(fā)生變化，影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在AATCC標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定，進(jìn)行測試的切片應(yīng)當(dāng)天制作，建議實(shí)驗(yàn)室借鑒AATCC的要求當(dāng)天測試當(dāng)天制做切片。

2.2 纖維含量測量

2.2.1 纖維記數(shù)

纖維根數(shù)的記錄是通過概率統(tǒng)計(jì)的方法，將出現(xiàn)在視野中的纖維進(jìn)行鑒別判斷，記錄出現(xiàn)的次數(shù)，次數(shù)的比值即代表不同種類纖維的根數(shù)比。各標(biāo)準(zhǔn)纖維根數(shù)記數(shù)見表2。由表2可以看出，各標(biāo)準(zhǔn)對纖維根數(shù)的記數(shù)要求存在差異。纖維根數(shù)比代表了體積比，通常要求記錄纖維總根數(shù)應(yīng)達(dá)到1 000根以上，GB/T 16988—2013要求測量根數(shù)達(dá)到1 500根以上，超過其他標(biāo)準(zhǔn)。根數(shù)的增加有利于提高最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，但也會增加檢測人員的工作量，特別是對于操作復(fù)雜的SEM測量法。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)纖維根數(shù)記數(shù)

2.2.2 纖維含量計(jì)算

各標(biāo)準(zhǔn)對于纖維含量的計(jì)算方法都是依據(jù)纖維直徑的測量結(jié)果，并結(jié)合纖維密度等參數(shù)，但不同標(biāo)準(zhǔn)，纖維含量的計(jì)算方法不同。

①GB/T 16988—2013、ISO 17751-1及ISO 17751-2纖維含量計(jì)算公式為：

式中：N為纖維根數(shù)；S為纖維直徑的標(biāo)準(zhǔn)差，μm；ρ為纖維密度，g/cm3。

②AATCC TM20A—2018e纖維含量計(jì)算公式為：

③JIS L1030-2∶2012纖維含量計(jì)算公式為：

式中：A為纖維橫截面積，μm2；a為第1種纖維；b為第2種纖維。

④GB/T 14593—2008纖維含量計(jì)算公式為：

在進(jìn)行纖維含量計(jì)算時(shí)，GB/T 16988—2013考慮了直徑的標(biāo)準(zhǔn)方差，進(jìn)一步減小了測量誤差對纖維含量的影響，最接近真實(shí)值。對于沒有引入直徑方差的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果位于臨界值時(shí)，建議考慮直徑方差的影響。

纖維含量計(jì)算公式中的纖維密度是由各相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)提供的，各標(biāo)準(zhǔn)的纖維密度見表3。由表3可以看出，各標(biāo)準(zhǔn)的纖維密度是有差異的，所以檢測人員在進(jìn)行纖維含量計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)所采用的標(biāo)準(zhǔn)使用相應(yīng)的纖維密度。

表3 各標(biāo)準(zhǔn)的纖維密度 g/cm3

3 結(jié) 論

本文對測試動物纖維含量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，通過對用光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡的纖維直徑測量參數(shù)以及含量測量參數(shù)的比較，找出各標(biāo)準(zhǔn)間的差異，為檢測技術(shù)人員提供參照。

①通過本文研究可以看出，LM和SEM因?yàn)樵O(shè)備的不同，操作過程及方法也不同；當(dāng)采用相同的設(shè)備，但采用不同國家或地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，其操作和計(jì)算等也存在差異；其中影響纖維含量最主要的參數(shù)是纖維直徑和纖維根數(shù)。檢測人員應(yīng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行樣品準(zhǔn)備、測量操作和計(jì)算，在準(zhǔn)確鑒別纖維的基礎(chǔ)之上，注意標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，避免混淆，確保測試數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

②雖然對于動物纖維鑒別和定量分析的方法很多，但目前顯微鏡法依然是國際上最為主流的方法。作為檢測人員要熟練掌握顯微鏡設(shè)備的各項(xiàng)操作，了解設(shè)備的優(yōu)勢和不足，要準(zhǔn)確理解每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。各技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都有其自身的優(yōu)勢，檢測人員應(yīng)讀懂標(biāo)準(zhǔn)，在工作中準(zhǔn)確應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，掌握標(biāo)準(zhǔn)的核心技術(shù)。