吸光度法檢測(cè)纖維素納米晶體直徑方法研究

蘇德鳳 劉 路 邢佳琳 詹衛(wèi)民 黃善聰 夏新興，*

（1.浙江理工大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，浙江杭州，310018；2.浙江金昌特種紙股份有限公司，浙江衢州，324400）

納米纖維素（NC）是指直徑1～100 nm，具有一定長(zhǎng)徑比、化學(xué)成分為纖維素的生物質(zhì)納米材料[1]，具有環(huán)境友好性、高親水性、優(yōu)異的生物相容性、高透明性等優(yōu)點(diǎn)[2]，在造紙、醫(yī)藥、食品、復(fù)合材料等諸多領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣泛[3-6]。迄今為止，納米纖維素的最重要質(zhì)量指標(biāo)——直徑，通常采用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和原子力顯微鏡（AFM）等大型儀器檢測(cè)[7-8]。

Rashid等人[9]使用SEM觀察短、中、長(zhǎng)粒稻殼提取CNC的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)CNC具有較大的長(zhǎng)徑比，直徑范圍分別在 11.7～28.9 nm、16.1～37.5 nm 和 19.9～48.3 nm之間。除此之外，在SEM圖像中還可以觀察到纖維團(tuán)聚，這是由于纖維間氫鍵作用力所導(dǎo)致的[10-11]。透射電子顯微鏡（TEM）的分辨率可達(dá)0.1～0.2 nm，放大倍數(shù)可達(dá)幾百萬(wàn)倍。因此，相比于SEM，TEM更適合于觀察微小樣品的結(jié)構(gòu)[12]。Maiti等人[13]利用TEM對(duì)酸水解法制備的CNC分散液進(jìn)行表面形貌研究，發(fā)現(xiàn)CNC呈桿狀結(jié)構(gòu)，平均直徑在30～60 nm。從TEM研究中可以明顯看出，CNC粒徑較大，這可能是由于CNC高團(tuán)聚親和力而發(fā)生的。另外，原子力顯微鏡（AFM）也是一種檢測(cè)納米纖維素結(jié)構(gòu)的分析儀器。Merindol等人[14]使用AFM對(duì)酸水解制備的納米纖維素進(jìn)行表面形貌研究，發(fā)現(xiàn)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%硫酸水解制備的納米纖維素結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)了團(tuán)塊狀的纖維素結(jié)構(gòu)。隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到64%和78%，纖維形貌從單一纖維轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧罱Y(jié)構(gòu)。

雖然這些檢測(cè)儀器能直接觀察到樣品的形貌，但納米纖維素的尺寸還需要運(yùn)用Nano Measurer、Image J和Nanoscope analysis等軟件分析[15-17]。傳統(tǒng)的納米纖維素直徑檢測(cè)方法復(fù)雜，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用昂貴，無(wú)法及時(shí)有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，嚴(yán)重限制了納米纖維素的規(guī)?；茝V使用。因此，急需開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)捷的納米纖維素直徑檢測(cè)方法。

對(duì)某種物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析時(shí)，常采用吸光光度分析法[18]，其原理是根據(jù)該物質(zhì)分子對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有選擇性吸收的特性而建立[19-20]。Awang等人[21]對(duì)CNC顆粒進(jìn)行表征，并評(píng)估CNC顆粒對(duì)添加到潤(rùn)滑油中的潤(rùn)滑性能的影響。場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）圖像中展現(xiàn)出了CNC聚集區(qū)域與分散區(qū)域，CNC顆粒的形貌為球形，粒度分布的統(tǒng)計(jì)分析表明，平均直徑約75.3 nm。使用照片捕捉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.9%的CNC沉降性能與時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著時(shí)間的增加，CNC顆粒趨于相互團(tuán)聚，沉降顆粒數(shù)量增加。用紫外光譜儀對(duì)數(shù)控CNC顆粒在潤(rùn)滑油中的潤(rùn)滑性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明潤(rùn)滑油的吸光度先增加后降低。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%潤(rùn)滑油在378 nm波長(zhǎng)處吸光度為0.429。而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%潤(rùn)滑油在403 nm處表現(xiàn)出更高的吸光度2.142。

本研究調(diào)控酸水解中硫酸濃度，制備出不同直徑的CNC，研究CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、吸收波長(zhǎng)、靜置時(shí)間等對(duì)CNC吸光度的影響，探索CNC直徑與吸光度的關(guān)系，以期為CNC生產(chǎn)及應(yīng)用提供有效指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

微晶纖維素（MCC），粒徑25 μm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硫酸，上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

數(shù)顯恒速?gòu)?qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)，JB300-SH，上海標(biāo)本模型廠；數(shù)顯恒溫水浴鍋，HH-4，金壇市江南儀器廠；高速離心機(jī)，TG16-WS，湘儀集團(tuán)；TEM，JEM-1400Flash，JEOL公司；紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)：Cary 60 UV-Vis，美國(guó)安捷倫公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 不同直徑CNC制備

CNC直徑隨其制備過(guò)程中硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小，故可以通過(guò)改變酸水解時(shí)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)調(diào)控所制備CNC的直徑[22]。MCC分別與質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%、52%、54%、56%、58%、60%、62%、64%的硫酸溶液以固液比1∶10（g/mL）的比例混合均勻，在50 ℃下反應(yīng)1.5 h，終止反應(yīng)后，對(duì)不同硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行高速離心（11000 r/min），重復(fù)7～8次離心洗滌后，收集離心管上層CNC溶液，置于透析袋中透析至溶液pH值為中性，分別制得不同粒徑CNC，分別記為CNC-50%、CNC-52%、CNC-54%、CNC-56%、CNC-58%、CNC-60%、CNC-62%、CNC-64%。

1.3.2 TEM分析

使用TEM對(duì)CNC進(jìn)行表征：配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CNC分散液，取10 μL滴在銅網(wǎng)上，待其還未完全干燥時(shí)，滴加10 μL醋酸鈾染色劑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%），染色2～3 min后，用濾紙將染料吸出，室溫干燥后，在120 kV的加速電壓下觀察，獲得CNC的TEM圖像。

1.3.3 CNC直徑檢測(cè)

通過(guò)分析軟件Image J測(cè)量TEM圖中8種CNC的直徑，每圖取200根CNC測(cè)量。

1.3.4 吸收波長(zhǎng)對(duì)吸光度的影響

測(cè)定CNC-64%的吸收波長(zhǎng)，繪制吸收光譜曲線。根據(jù)朗伯-比爾定律：不同物質(zhì)的最大吸收波長(zhǎng)不一樣，在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)吸光度所得結(jié)果誤差最小。最終確定分散液最大吸收波長(zhǎng)。

1.3.5 CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸光度的影響

將CNC-64%質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)置為0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%，觀測(cè)CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸光度的影響。

1.3.6 靜置時(shí)間對(duì)吸光度的影響

將8種CNC分散液質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制為0.06%，吸收波長(zhǎng)為220 nm，靜置時(shí)間設(shè)置為0、1、2、3、4、5、6、12、24、36、48 h，觀測(cè)靜置時(shí)間對(duì)吸光度的影響。

1.3.7 CNC直徑與吸光度的關(guān)系

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.06%的CNC分散液靜置0 h，在波長(zhǎng)為220 nm下，觀測(cè)所對(duì)應(yīng)CNC直徑對(duì)吸光度的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 CNC的形貌分析

圖1為CNC的TEM圖。由圖1可見(jiàn)，CNC均為棒狀。CNC-50%、CNC-52%、CNC-54%、CNC-56%、CNC-58%、CNC-60%直徑分布較為分散，而CNC-62%、CNC-64%直徑分布較為集中（如圖2所示）。表1展示了TEM檢測(cè)所得不同CNC平均直徑。從表1可見(jiàn)，隨著酸水解時(shí)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，所制備的CNC直徑逐漸減小。這是因?yàn)榱蛩釙?huì)與纖維素大分子中葡萄糖β-1,4糖苷鍵反應(yīng)，纖維素?zé)o定形區(qū)被大量水解[23]。

表1 CNC平均直徑Table 1 Average particle size of CNCs nm

圖1 CNC的TEM圖Fig.1 TEM images of CNCs

圖2 不同CNC直徑分布圖Fig.2 Distribution of different CNC particle sizes

2.2 吸收波長(zhǎng)對(duì)吸光度的影響

圖3為CNC-64%的吸收光譜曲線。由圖3可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)64%硫酸制備的CNC最大吸收波長(zhǎng)為220 nm，此時(shí)吸光度達(dá)1.4155[24]。因此，確定最大吸收波長(zhǎng)220 nm為最佳波長(zhǎng)。

圖3 CNC-64%吸收光譜曲線Fig.3 Absorption spectrum curve of CNC-64%

2.3 CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸光度的影響

圖4為CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸光度的影響。由圖4可知，隨著CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，CNC分散液吸光度值升高。當(dāng)CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%、0.04%時(shí)，吸光度分別為0.0896、0.1657；當(dāng)CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%、0.08%、0.10%時(shí)，吸光度分別為0.4683、0.8106、0.9213。根據(jù)比爾定律：在不同的吸光度范圍內(nèi)測(cè)量可引起不同的誤差，當(dāng)吸光度值在0.2～0.8的范圍時(shí)，測(cè)試結(jié)果較為精準(zhǔn)[25]。因此，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.06%作為CNC最佳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，此時(shí)，吸光度值為0.4683，在0.2～0.8的范圍內(nèi)。

圖4 CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸光度的影響Fig.4 Effect of CNC mass fraction on absorbance

2.4 靜置時(shí)間對(duì)CNC吸光度的影響

圖5為靜置時(shí)間對(duì)8種硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)下制備的CNC吸光度的影響，隨著靜置時(shí)間的增加，CNC-50%分散液和CNC-52%分散液吸光度有明顯下降。其他CNC分散液吸光度沒(méi)有明顯變化。靜置時(shí)間為0～6 h時(shí)，各分散液均沒(méi)有明顯變化，保持相對(duì)的膠體穩(wěn)定性，所以制得CNC分散液可立即測(cè)量吸光度值，體現(xiàn)了該方法簡(jiǎn)捷性。因此，CNC合理的靜置時(shí)間為0 h。

圖5 靜置時(shí)間對(duì)CNC吸光度的影響Fig.5 Effect of standing time on absorbance of CNCs

2.5 CNC直徑與吸光度的關(guān)系

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可以確定最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件，即波長(zhǎng)220 nm、CNC分散液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%、靜置時(shí)間為0 h，將其應(yīng)用于所有CNC樣品中，測(cè)定CNC直徑對(duì)其吸光度的影響，如圖6所示。由圖6可知，隨著CNC直徑增大，分散液的吸光度值逐漸減小，CNC直徑與吸光度有良好的線性關(guān)系，其關(guān)系式為Y（吸光度）=-0.0054X（CNC直徑）+0.4438；線性相關(guān)系數(shù)R2為0.9931。

圖6 CNC直徑對(duì)其吸光度的影響Fig.6 Effect of CNC particle size on its absorbance

3 結(jié) 論

以粒徑25 μm的微晶纖維素（MCC）為原料，分別與質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%、52%、54%、56%、58%、60%、62%、64%的硫酸溶液以固液比1∶10（g/mL）的比例，在50 ℃下反應(yīng)1.5 h，制備不同直徑的CNC。

3.1 在CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%、測(cè)試波長(zhǎng)為220 nm、靜置時(shí)間為0 h時(shí)，隨著CNC直徑增大，CNC分散液的吸光度值逐漸減小。

3.2 CNC直徑與吸光度有良好的線性關(guān)系，關(guān)系式為Y（吸光度）=-0.0054X（CNC直徑）+0.4438，線性相關(guān)系數(shù)R2為0.9931。