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三波长法检测纸品中可迁移荧光增白剂含量的研究

2020-06-30 241 上传者：管理员

摘要：在现行GB/T27741—2018的“纸和纸板可迁移性荧光增白剂的测定”对纸制品进行萃取时,其中的残余木素会部分析出,对可迁移性荧光增白剂含量的光谱检测造成了干扰。据此,提出了一种旨在消除未知光谱干扰影响的、基于紫外光谱等吸收偏离校正的三波长法检测纸制品中荧光增白剂的新方法。因为未知干扰在321～374nm处光谱近似为一条相似斜率的曲线,导致荧光增白剂最大吸收峰以及所对应的两个等吸收点的吸光度发生偏差。因此可通过三波长法和数学计算扣除未知干扰在最大吸收波长处对荧光增白剂吸光度检测的干扰,从而得到可迁移性荧光增白剂在最大吸收波长处的准确吸光度,以实现对可迁移性荧光增白剂的准确定量检测。结果表明:该方法的重复性检测的相对标准偏差为3.7%;定量检测限为19mg·kg-1;回收率在99.1%～107%之间。与现行可迁移性荧光增白剂检测方法相比,由于该方法具有分析简便、仪器易操作等优点,因此更适合于对各种纸制品(尤其是印刷品)中的可迁移荧光增白剂含量的快速、准确检测,并可以为纸制品质量安全的生产控制和市场监督提供保证。

关键词：
三波长紫外光谱
可迁移性荧光增白剂
残余木素
等吸收波长
纸制品
造纸工业
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引言

漂白是提高纸浆白度的一个重要方式,它是氧化剂与由蒸煮得到的未漂纸浆中的残余木素(呈黄色)进行反应,将木素去除或对其改性,消除木素苯环结构上的助色基团,从而达到纸浆增白的效果。尽管上述的漂白工艺对提高纸浆白度十分有效,但其不仅要消耗能源、化学品,还会产生漂白废液。鉴于荧光增白剂能对波长范围在300～400nm之间的紫外光有很好的吸收,并能发射出波长在420～480nm之间蓝紫色荧光,因此少量添加的荧光增白剂产生的荧光能与纸基上的黄光互补而造成视觉上的增白效果[1]。然而,由于荧光增白剂与人体皮肤接触或被摄入体内会对人体健康造成一定的伤害,因此许多国家制定了法律法规来限制或限量其在一些产品中的使用。很显然,一种有效检测可迁移性荧光增白剂的方法,将为上述这些产品质量安全的生产控制和市场监督提供保证。

虽然白度法[2]和荧光分光光度法[3]能有效甄别纸制品中是否含有荧光增白剂,但这些方法无法测试荧光物质的含量。我国目前所采用的标准方法是高效液相色谱法(HPLC)(检测器为UV或质谱)和紫外光谱法(UV),如:GB/T27741—2018“纸和纸板可迁移性荧光增白剂的测定”的方法[4]。国内外造纸所用的荧光增白剂几乎都是水溶性二苯乙烯双三嗪氨基的衍生物,如二磺酸、四磺酸及六磺酸类[5]。由于FWA的种类很多,且在不同企业在纸张中所施加的FWA的种类各异并且可能复合使用,因此采用HPLC法可以对这些FWAs上进行有效分离并分别检测。但是,除了对含有荧光增白剂的样品使用有毒性的甲醇溶剂进行萃取外,HPLC应用的最大问题是很难获得种类齐全的荧光增白剂的标准样品。与HPLC法相比,紫外光谱法仪器价格相对较低,操作简便、耗材费用低等优点。然而,紫外光谱法法主要缺点是选择性差,因此,萃取液中在荧光增白剂吸收波长处有吸收光谱的其他物质(如:从纤维上析出的残余木素)都能对其测定的准确性产生影响。对于干扰成分已知的样品,通常可以采用双波长光谱吸光度的检测,通过数学计算扣除干扰物光谱的影响。前期的研究中提出了一种以305和348nm双波长的吸光度,用于对生活用纸中荧光增白剂含量的检测(以VBL计)[6]。该方法是基于两个假定,即:(1)所添加的荧光增白剂的光谱与C.I.85荧光增白剂(VBL)的光谱相同;(2)纸品中的干扰成分仅为纤维上析出的木素。然而,实际的应用中符合这些假设的样品非常有限,如:造纸用的荧光增白剂种类众多,且在纸质印刷的萃取液中的颜料或油墨的成分是未知的。因此,有必要找到一种方法以采用紫外分光光度法对各种纸制品中的荧光增白剂的含量进行检测。

本文提出了一种基于紫外光谱等吸收偏离校正的三波长法检测纸品中可迁移荧光增白剂的含量。研究的主要焦点为:对造纸常用的各种荧光增白剂的光谱特征进行分析,确定两个适合的等吸收点波长;对不含荧光增白剂的各种纸制品原料萃取液在荧光增白剂吸收范围处的光谱特征进行分析;在上述分析的基础上导出可迁移性荧光增白剂含量基于三波长法的计算公式;对该方法的重现性的准确性进行评价。本研究对于在生产过程中对荧光增白剂的添加量的控制和快速检测纸制品中荧光增白剂的含量,具有现实意义和提供了方法指导。

1、实验部分

1.1仪器和试剂

仪器:8453型紫外-可见分光光度计(美国Agilent公司)(光程为1cm的石英比色皿);恒温水浴锅(HH-8,常州澳华仪器有限公司);250mL具塞锥形瓶;水系滤膜(0.45μm)。

试剂和材料:三嗪型二苯乙烯二磺酸类荧光增白剂C.I.85(VBL,分子质量为872.84);三嗪型二苯乙烯四磺酸类荧光增白剂C.I.220(BBU,分子质量为1165.03);三嗪型二苯乙烯六磺酸类荧光增白剂C.I.353(MST,分子质量为1334.10);市售本色未漂纸巾纸。0.1%氨水[5]。

萃取液:用0.1%氨水调节过pH的蒸馏水,溶液pH为7.5～9.0。

1.2步骤[4]4]

1.2.1样品的萃取

称取约1.00g试样于250mL锥形瓶中,加入50mL萃取液,然后放80℃水浴锅中,萃取1h。置于室温下避光冷却,然后用0.45μm滤膜过滤,保留滤液。每个试样做两次平行实验,同时做空白试验。

1.2.2萃取液的测定

分别吸取1.0,2.0,5.0,10.0,15.0和20.0mLVBL荧光增白剂标准溶液于100mL容量瓶中,用萃取液稀释到刻度。配制1.0,2.0,5.0,10.0,15.0和20.0mg·L-1的VBL荧光增白剂标准工作溶液。

调节紫外可见分光光度计的波长为347nm。测定标准工作溶液、试样滤液和空白溶液中荧光增白剂的吸光度。计算试样滤液和空白溶液中荧光增白剂含量。

2、结果与讨论

2.1不同荧光增白剂的光谱特征及等吸收点波长的选择

国内外造纸所用的荧光增白剂通常为水溶性的二苯乙烯双三嗪氨基衍生物,分别为二磺酸、四磺酸及六磺酸类物质,即:VBL,BBU和MST,对在300～400nm间的这些光谱进行归一化处理后可以发现(如图1所示),在该波长范围内它们的光谱是有微小差别的,即:荧光增白剂分子所带的磺酸基团越多,其光谱越向红移。VBL,BBU和MST的最大吸收波长分别为347,349和350nm。由该图还可以发现,在低于320nm时,这些荧光增白剂光谱的峰形差异很大,而在大于320nm时,可以找出这些物质对称于其最大吸收波长的无数个等吸收波长,如:321和373nm是VBL等吸收波长,321和374nm是BBU的等吸收波长,321和374nm是MST的等吸收波长。

图1三种常见荧光增白剂归一化后的紫外光谱

2.2常见纸制品非荧光萃取成分在321～374nm间的光谱

常见纸制品包括生活用纸和印刷纸的非荧光成分,主要是样品萃取时所析出的木素、颜料或油墨的成分。图2是三种市售无荧光增白剂添加的纸巾纸以及市售纸制品B的干扰光谱基础上分别添加了三种不同荧光增白剂后的紫外光谱。由图中三种市售A,B,C可知,通过萃取可使纸品中的一些有紫外吸收的成分析出,进而能对荧光增白剂的检测产生干扰。如果仔细观察在321～374nm范围内的这些光谱可以发现,尽管斜率不同,它们的吸光度以相似的梯度下降并可近似认为直线关系。不仅如此,仔细观察可以发现VBL,BBU和MST这三种物质与干扰光谱叠加后的的最大吸收波长分别为347,349和350nm,与它们的纯光谱一致。因此,干扰物质的光谱并不能改变最大吸收波长的位置。

图2干扰光谱的基础上分别添加了荧光增白剂后的紫外吸收光谱

若以市售B,荧光增白剂VBL为例子,根据对以上各种光谱观察的结果可以假定:当存在其他物质光谱干扰时,某一给定的荧光增白剂在两个等吸收点波长处的吸光度之差为A321-A373(如图3所示)。因此,可通过三角形的性质得到A347的偏差值(x),从而扣除偏差得到该荧光增白剂在347nm处的真实的净吸光度,即:A321-A373。

图3干扰物质光谱对VBL光谱等吸收点(321和373nm)吸光度的影响

2.3基于等吸收偏离校正的三波长检测方法的建立

便于理解,这里的推导以VBL为例。设干扰物质的吸光度为Ai,荧光增白剂的吸光度为Af。由于VBL和干扰物质在321,347和373nm均有吸收,因此它们叠加后在这三个波长处的吸光度值可表示为

公式1

公式2

公式3

其中,A347,A321,A373分别是纸品A在347,321和373nm处的吸光度。

由图3可知,根据相似三角形性质可得

公式4

联立式(2)、式(3)和式(4)且选定VBL在321和373nm为等吸收波长(即:Af321=Af373)可以得到

公式5

联立式(1),式(3)和(5)并化简、重排后得到

公式6

因此,只需要对含荧光增白剂的未知样品进行含有两个等吸收的三波长的检测,按式(6)计算出该荧光增白剂最大吸收和等吸收点的差值。这样,根据该荧光增白剂用对应差值做的标准曲线,就可以定量未知样品中荧光增白剂的含量。

2.4方法的校正和评价

2.4.1方法的校正

鉴于荧光增白剂的种类较多、标准物质不易获取,为此本文采用一种合适的荧光增白剂,即:VBL,作为标准物质进行方法的校正,基于所有荧光增白剂在321～374nm之间的共性光谱计算其含量。

图4VBL的紫外吸收光谱

图4是VBL标准溶液的光谱图,其中的插图是在347和373nm吸光度的差值与荧光增白剂含量进行线性拟合所得到标准曲线,并可用方程式(7)描述

Af347−Af373=−0.0005(±0.0006)+0.0140(±0.0001)c(n=6,R2=0.999) (7)

将式(7)代入式(6),可得到萃取液中荧光增白剂含量的计算式,即

c=A347−A373−12(A321−A373)+0.00050.0140 (8)

由该方程的截距(a),斜率(s)以及截距的标准偏差(Δa),按照式(9)计算出方法的定量检测限(LOQ)为0.38mg·L-1。若按照本文规定的样品萃取的体积条件,计算出的纸制品中LOQ为19mg·kg-1。

LOQ=a+10×|Δa|s (9)

2.4.2方法的精密度和准确性的评价

方法的重现性评价是基于一市售印刷纸按照上述条件进行试样配置和光谱测定,重复四次检测所得出的。结果表明:本方法测定荧光增白剂的相对标准偏差为3.74%。

由于荧光增白剂在纸制品中存在吸附,为了验证本方法的准确性,对图2中市售B添加定量的VBL,按照上述同样的步骤进行处理和测定,并计算出该方法测定的回收率(见表1)。

表1方法的回收率

由表1的结果可知,本方法对可迁移性荧光增白剂的测定具有很好的准确性,其回收率都在99.1%～107%的范围内,因此该方法可以适用测定纸制品中可迁移性荧光增白剂含量。

表2为提出的方法和单波长法计算得到加入1mgVBL的50mL市售B萃取液中VBL的含量。由表可得,单波长法测量值偏大,提出的三波长法更准确。

表2三波长法和单波长法的比较

2.5三个检测波长的确定以及三种常用荧光增白剂的转换系数

以上的公式推导和方法的评价都是基于VBL的。由图2可知,不同的荧光增白剂的最大吸收波长略有差异。因此,如按方程式(6)进行计算将会产生一定的误差。为此,在计算时首先要确认被测样品光谱的最大吸收值所在的波长,然后根据该波长来选取相应的两个等吸收点的波长,如:VBL(二磺酸类)的最大吸收波长为347nm,其等吸收波长为321和373nm;BBU(四磺酸类)的为349nm,321和374nm;MST(六磺酸类)的为350,321和374nm。

如图3所示,设等吸收波长为λ1和λ2,最大吸收峰所在波长为λm,设图中两相似三角形中大三角形底边为a,小三角形底边为b。

根据式(6)可推导所有未知样品中的荧光增白剂含量计算通式如式(10)

Afm−Afλ2=Am−Aλ2−ba(Aλ1−Aλ2) (10)

3、结论

提出了一种对于干扰成分未知的样品,采用等吸收偏离校正的三波长法,通过数学计算扣除干扰物光谱的影响,计算样品中荧光增白剂的含量的方法。该方法的相对标准偏差为3.7%;回收率在99.1%～107%之间,可用于快速测定未知干扰纸制品中可迁移性荧光增白剂含量。

何智恒,徐嵘,林君峰,闫宁,陈春霞,陈润权,柴欣生.基于紫外光谱等吸收偏离校正的三波长法检测纸品中可迁移荧光增白剂的含量[J].光谱学与光谱分析,2020,40(06):1758-1762.

基金:国家重点研发计划项目(2017YFF0211506)资助