熒光標記田菁膠在上漿檢測中的應用

李曼麗 范雪榮 金恩琪 袁久剛

（1.紹興文理學院，浙江紹興，312000；2.江南大學，江蘇無錫，214122）

田菁是一種盛產(chǎn)于我國浙江、江蘇、福建、廣東等南方省份的野生植物，其籽經(jīng)過研磨加工后得到田菁膠（又稱田仁粉）。田菁膠大分子由數(shù)量眾多的糖環(huán)構成，其上有大量羥基，故其對紡織纖維的黏附性與淀粉十分相似，對棉、麻等天然纖維紗線的上漿效果較好［1?2］。此外，因受新冠肺炎疫情的沖擊，俄羅斯、越南、印度等主要產(chǎn)糧國紛紛限制糧食出口，田菁膠原料來源廣泛、價格低廉，雖無食用價值，卻滿足了疫情背景下“上漿不用糧”的要求，成為一種發(fā)展?jié)摿O大的生物基漿料。目前，紡織界尚未開發(fā)出專門針對田菁膠漿漿紗切片著色的顯色劑，故紡織檢測人員在進行田菁膠漿液浸透性和被覆性測試時，只能暫用淀粉漿的顯色劑（即碘?碘化鉀試劑）替代?，F(xiàn)行檢測方法中用到的普通光學顯微鏡分辨力有限，拍攝的漿紗切片截面照片多模糊不清。對于色紡紗（尤其是中深色紗）而言，因受原紗本身顏色的干擾，通過顯色劑著色來觀察漿紗切片的各部分組成并不可行。由此可見，依靠碘?碘化鉀試劑給田菁膠漿漿紗切片著色以評估漿液浸透性和被覆性的方法存在較大局限，實用性很差。

異硫氰酸熒光素（以下簡稱FITC）是一種常用的熒光標記試劑，其量子產(chǎn)率高，有較好的光穩(wěn)定性和較低的溫度系數(shù)，被廣泛用于蛋白質檢測、免疫熒光技術及DNA序列分析等［3?5］。然而，目前尚未見有FITC標記熒光田菁膠產(chǎn)物在漿紗質量檢測領域內(nèi)應用的研究報道。因此，本研究以田菁膠為代表，將不同濃度的熒光單體FITC接枝到田菁膠的分子鏈上，制備出一系列具有不同標記率的FITC?田菁膠衍生物，旨在開發(fā)出一種FITC標記的具有良好熒光特性的檢測用改性田菁膠漿料，這將對有效解決紡織漿液浸透性、被覆性測定難問題產(chǎn)生十分積極的作用。

1 試驗部分

1.1 原料與試劑

田菁膠，鄭州千里行科技有限公司；FITC，二甲基亞砜（DMSO），二月桂酸二丁基錫（DBT?DL），無水乙醇，火棉膠，以上化學試劑均為化學純，國藥集團化學試劑有限公司；純棉19.1 tex紗，無錫慶豐紡織有限公司。

1.2 FITC?田菁膠衍生物的制備及標記率測試

首先稱取10.0 g田菁膠，將其加入容量為500 mL的三頸燒瓶中，再量取100 mL的DMSO，充分攪拌下同時使燒瓶內(nèi)溫度上升至95℃。精確稱取一定質量的FITC放入燒杯中，F(xiàn)ITC與田菁膠的質量百分比為0.625%～3.125%，再向該燒杯中加入15 mL DBTDL和20 mL DMSO的混合溶液，待FITC充分溶解后，加入至上述田菁膠溶液中。此時開始計時，95℃恒溫下反應5 h，然后冷卻至室溫。因田菁膠分子上存在大量的親核試劑——羥基，故田菁膠可與FITC發(fā)生親核加成反應。反應完成后的溶液用乙醇沉淀，10 000 r/min離心，用乙醇徹底洗滌，得到具有5個不同標記率的FITC?田菁膠產(chǎn)物，依照FITC與田菁膠投料質量百分比由低到高的順序，將此系列FITC?田菁膠產(chǎn)物依次簡稱為FITC?田菁膠1號～5號。將該產(chǎn)物溶解于蒸餾水中，在蒸餾水中避光透析72 h除去未反應的試劑，將產(chǎn)物冷干、粉碎。根據(jù)UV?Vis分光光度計吸光度的測試結果，F(xiàn)ITC乙醇水溶液的最大吸收波長為438 nm。故在438 nm下測定5個已知濃度（0.125 mg/L～2.000 mg/L）FITC溶液的吸光度并擬合，見圖1。由圖1中的線性回歸方程可知溶液吸光度與FITC濃度的對應關系，從而計算出不同F(xiàn)ITC濃度下FITC?田菁膠衍生物的標記率。取上述5個FITC?田菁膠衍生物樣品溶于蒸餾水中配制成1 000 mg/L的水溶液，采用UV?Vis分光光度計測定各FITC?田菁膠樣品的標記率。

圖1 FITC溶液吸光度與FITC濃度的線性關系

1.3 紅外及熒光光譜表征

采用Thermo Nicolet Avatar 380型傅里葉變換紅外光譜儀分別對田菁膠和FITC?田菁膠衍生物進行結構表征［6］，F(xiàn)ITC?田菁膠衍生物在紅外測試前已經(jīng)過透析純化處理，殘留熒光小分子已全部除去。使用日立F?7000型熒光分光光度計測定FITC?田菁膠溶液的熒光發(fā)射光譜。將不同標記率的樣品溶解于蒸餾水中形成溶液（1 000 mg/L），預先設置固定的激發(fā)光波長（438 nm）后，測定熒光發(fā)射光譜。

1.4 漿紗性能測試

采用GA 392型電子式單紗上漿機對棉紗進行上漿試驗，具體上漿步驟參見文獻［7?8］。以哈氏纖維切片器將漿紗切成厚度不大于20μm的切片，用徠卡DM 3000型熒光顯微鏡分別在明場和藍色激發(fā)光下拍攝漿紗切片橫截面照片。通過Photoshop的直方圖功能測量切片截面漿膜、漿紗已浸透部分及未浸透部分的面積。根據(jù)文獻［9］230?234計算出浸透率、被覆率和漿膜完整率。每組樣本取10個平行樣，得到平均值。

上漿結束后，漿紗的上漿率、強伸、耐磨以及毛羽貼伏等使用性能測試按照參考文獻［9］217?229進行。

2 結果與討論

2.1 熒光單體濃度對標記率和標記效率的影響

不同F(xiàn)ITC熒光單體濃度條件下制備出的FITC?田菁膠衍生物樣品的標記率見表1。標記率為接枝到田菁膠上的熒光素基團與田菁膠基質的質量百分比。

表1 熒光單體濃度對FITC?田菁膠衍生物標記率的影響

由表1可知，單體濃度越高，能與田菁膠發(fā)生親核加成反應的單體物質的量就越大，換言之，F(xiàn)ITC?田菁膠衍生物上熒光素基團的數(shù)量就越多，標記率變大。因此，F(xiàn)ITC?田菁膠衍生物溶液的吸光度也隨之增大。

2.2 紅外光譜分析

未標記田菁膠和FITC?田菁膠衍生物的紅外光譜圖見圖2。由圖2可知，除保留有天然田菁膠的全部特征吸收峰外（如3 360 cm-1附近的羥基伸縮振動峰、1 030 cm-1～1 100 cm-1的脂環(huán)醚反對稱伸縮振動峰），F(xiàn)ITC?田菁膠衍生物在1 580 cm-1附近出現(xiàn)了新的特征峰，其對應的正是標記到田菁膠分子鏈上熒光基團中芳環(huán)的C=C骨架振動［10］。由紅外光譜可知，經(jīng)FITC標記后的田菁膠衍生物分子鏈上包含了熒光素基團。

圖2 未標記田菁膠和FITC?田菁膠衍生物的紅外光譜圖

2.3 標記率對熒光光譜的影響

具備不同標記率的FITC?田菁膠衍生物的熒光光譜圖見圖3。

圖3 不同標記率FITC?田菁膠衍生物的熒光光譜圖

從圖3可以看出，F(xiàn)ITC?田菁膠衍生物的熒光強度先是隨著其標記率的增加而增強，當標記率為0.509%時（即4號樣品）達到最大值，然后開始下降。

FITC是目前應用最為廣泛的一種聚集誘導猝滅（ACQ）熒光分子，ACQ熒光分子通常在溶液狀態(tài)下具有很強的發(fā)光效率，在聚集或固體狀態(tài)時，其熒光會減弱甚至消失。因此，只有在大分子上標記適量的熒光素基團，才可以賦予大分子良好的熒光性能。如FITC?田菁膠，該類衍生物的熒光強度與其標記率緊密相關。在用熒光素標記田菁膠時，F(xiàn)ITC?田菁膠的熒光量子產(chǎn)率先隨著分子上含有的熒光素基團數(shù)量的增加而上升。然而，由于ACQ現(xiàn)象的出現(xiàn)，當標記率超過0.509%時，熒光量子產(chǎn)率降低。因此，0.509%可被認為是FITC開始聚集的臨界標記率。在做熒光強度測試時，F(xiàn)ITC?田菁膠溶液的濃度為1 000 mg/L。在FITC?田菁膠大分子完全分散均勻及標記達到臨界值（即FITC：5.069 mg/L=1.308 5×10-5mol/L=7.877×1018個/L）的情況下，一分子FITC占據(jù)約1.27×105nm3的立方空間（棱長50.27 nm），該臨界距離與TIAN W G等［11］的研究結果（55 nm）基本一致。共軛ACQ發(fā)光材料聚集的主要原因是FITC之間的π?π堆積作用，π?π堆積作用一般發(fā)生距離在0.34 nm～0.40 nm范圍內(nèi)［12?13］。顯然，在FITC?田菁膠的標記率達到臨界值時，F(xiàn)ITC之間的平均距離遠大于0.40 nm。因此可以推測，在熒光素基團濃度達到產(chǎn)生π?π堆積作用的數(shù)值前，F(xiàn)ITC?田菁膠溶液中已發(fā)生ACQ現(xiàn)象。產(chǎn)生ACQ現(xiàn)象的原因是天然田菁膠分子量較大（一般在800 000 g/mol～1 000 000 g/mol），且存在著大量的分子間氫鍵，須在95℃的高溫下才能完全溶解。在高溫攪拌溶解的過程中，由于缺乏空間約束，F(xiàn)ITC經(jīng)歷了強烈的熱運動。因此，即使在較大的空間內(nèi)，F(xiàn)ITC之間也可能發(fā)生碰撞產(chǎn)生π?π堆積作用，從而產(chǎn)生ACQ現(xiàn)象。

2.4 標記率對浸透性和被覆性的影響

具備不同標記率的FITC?田菁膠衍生物上漿后的純棉漿紗切片截面照片見圖4。圖中第1行和第2行分別為熒光顯微鏡在明場和藍光激發(fā)下觀察到的照片，其中：S指漿紗截面積，S1指原紗截面積，S2指漿紗未浸透部分截面積。

圖4 明場和藍光激發(fā)下FITC?田菁膠漿紗的切片截面照片

本研究采用相同的漿紗機和工藝參數(shù)利用FITC?田菁膠熒光漿料對同一種經(jīng)紗進行上漿。因此，所有FITC?田菁膠漿液的3個指標在理論上應該是相似的。然而，隨著FITC?田菁膠標記率的提升，其漿液浸透率和被覆率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，見圖5。

圖5 具有不同標記率的FITC?田菁膠漿液的浸透率、被覆率和漿膜完整率

究其原因，一方面，當標記率低于臨界值（即0.509%）時，改性田菁膠的分子鏈中沒有足夠的熒光素基團，熒光強度不夠。因此，利用熒光顯微鏡在明場和藍光激發(fā)下觀察到的漿膜和紗線被漿液浸透部分面積均小于其實際面積，由浸透率和被覆率計算公式可推知，紗線被漿液浸透部分和漿膜的面積越小，浸透率和被覆率越低。另一方面，當標記率高于臨界值時，浸透率和被覆率反而開始下降，這是由于熒光素基團ACQ現(xiàn)象的發(fā)生。因此只有具有適中標記率（0.509%）的FITC?田菁膠衍生物才適合作為功能性漿料評價漿液的浸透性和被覆性。由漿膜完整率計算方法可知，在明場下觀察到的漿膜包覆角與漿膜面積并無直接關聯(lián)，因此具有不同標記率的FITC?田菁膠的漿膜完整率并不存在顯著差異。

2.5 未標記田菁膠與FITC?田菁膠漿紗使用性能比較

采用FITC對一種漿料進行標記的目的是賦予漿料良好的熒光特性以測定此種漿料漿液的浸透性和被覆性。然而，如果采用熒光標記法對此種漿料的漿紗使用性能造成了明顯的改變，那么用其熒光改性產(chǎn)品來評價未改性時漿液的浸透性和被覆性就將失去實用意義。因此，本研究通過將未標記的田菁膠和具有適宜標記率（0.509%）的FITC?田菁膠所漿棉紗的主要使用性能（拉伸斷裂強度、伸長率、耐磨性、毛羽貼伏性能）進行對比測試，驗證FITC的適量標記對田菁膠漿紗使用性能的影響是否顯著，結果如下。0號為未標記田菁膠，0號和4號漿紗的上漿率分別為11.13%和10.85%。

由于該FITC?田菁膠衍生物的標記率很低，熒光標記對田菁膠的大分子結構影響很小，故該衍生物與未標記的田菁膠漿紗具有相似的使用性能，以上數(shù)據(jù)也說明了這一點。漿紗的主要使用性能在很大程度上取決于漿液的浸透性和被覆性。因此，未標記和已標記的田菁膠漿液具有對棉紗相似的浸透性和被覆性。在這種情況下，此FITC?田菁膠漿液的浸透性和被覆性可視為未標記田菁膠漿液性能的真實反映。

3 結論

（1）制備具有適中標記率的FITC?田菁膠熒光漿料，為準確測定田菁膠漿液對紗線的浸透性和被覆性提供一條有效途徑。FITC熒光單體的投料濃度對FITC?田菁膠衍生物的標記率有著較大的影響，F(xiàn)ITC?田菁膠的標記率隨著單體濃度的增加而逐步增加。

（2）FITC?田菁膠的標記率對其熒光強度產(chǎn)生了顯著影響。隨著標記率的增加，該熒光漿料的熒光強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當標記率達到0.509%時，F(xiàn)ITC?田菁膠衍生物的熒光強度最大。

（3）FITC?田菁膠的標記率對其漿液浸透率、被覆率的準確測定產(chǎn)生直接影響，而對漿膜完整率的測定則未產(chǎn)生顯著影響。隨著標記率的增加，F(xiàn)ITC?田菁膠漿液的浸透率、被覆率均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，而其漿膜完整率則均較為接近；當標記率達到0.509%時，漿紗切片的亮度佳且適于觀測，測得的漿紗切片各部分面積可用于準確計算田菁膠漿液的浸透率和被覆率。

（4）通過對FITC?田菁膠衍生物與未標記田菁膠漿紗使用性能的對比，發(fā)現(xiàn)具有適宜標記率（0.509%）的FITC?田菁膠與未標記田菁膠漿紗的使用性能十分接近。因此，該田菁膠熒光漿料漿液對紗線的浸透性、被覆性可視為未標記田菁膠漿液性能的真實反映。

采用FITC對常用紡織漿料進行熒光標記是一種可準確評價其未標記產(chǎn)品漿液浸透性與被覆性的新方法，有很大潛力取代漿紗質量檢測領域內(nèi)普遍使用而存在問題較多的碘?碘化鉀著色法。