吸光度法檢測纖維素納米晶體直徑方法研究

蘇德鳳 劉 路 邢佳琳 詹衛民 黃善聰 夏新興，*

（1.浙江理工大學紡織科學與工程學院，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，具有一定長徑比、化學成分為纖維素的生物質納米材料[1]，具有環境友好性、高親水性、優異的生物相容性、高透明性等優點[2]，在造紙、醫藥、食品、復合材料等諸多領域中應用前景廣泛[3-6]。迄今為止，納米纖維素的最重要質量指標——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[7-8]。

Rashid等人[9]使用SEM觀察短、中、長粒稻殼提取CNC的結構，發現CNC具有較大的長徑比，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聚，這是由于纖維間氫鍵作用力所導致的[10-11]。透射電子顯微鏡（TEM）的分辨率可達0.1～0.2 nm，放大倍數可達幾百萬倍。因此，相比于SEM，TEM更適合于觀察微小樣品的結構[12]。Maiti等人[13]利用TEM對酸水解法制備的CNC分散液進行表面形貌研究，發現CNC呈桿狀結構，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高團聚親和力而發生的。另外，原子力顯微鏡（AFM）也是一種檢測納米纖維素結構的分析儀器。Merindol等人[14]使用AFM對酸水解制備的納米纖維素進行表面形貌研究，發現采用質量分數40%硫酸水解制備的納米纖維素結構中，出現了團塊狀的纖維素結構。隨著硫酸質量分數增加到64%和78%，纖維形貌從單一纖維轉變為針狀結構。

雖然這些檢測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用Nano Measurer、Image J和Nanoscope analysis等軟件分析[15-17]。傳統的納米纖維素直徑檢測方法復雜，檢測時間長，費用昂貴，無法及時有效指導實際生產，嚴重限制了納米纖維素的規?；茝V使用。因此，急需開發一種簡捷的納米纖維素直徑檢測方法。

對某種物質進行定性和定量分析時，常采用吸光光度分析法[18]，其原理是根據該物質分子對不同波長的光具有選擇性吸收的特性而建立[19-20]。Awang等人[21]對CNC顆粒進行表征，并評估CNC顆粒對添加到潤滑油中的潤滑性能的影響。場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）圖像中展現出了CNC聚集區域與分散區域，CNC顆粒的形貌為球形，粒度分布的統計分析表明，平均直徑約75.3 nm。使用照片捕捉質量分數為0.1%～0.9%的CNC沉降性能與時間的關系，結果表明，隨著時間的增加，CNC顆粒趨于相互團聚，沉降顆粒數量增加。用紫外光譜儀對數控CNC顆粒在潤滑油中的潤滑性能進行分析，結果表明潤滑油的吸光度先增加后降低。質量分數為0.1%潤滑油在378 nm波長處吸光度為0.429。而質量分數為0.9%潤滑油在403 nm處表現出更高的吸光度2.142。

本研究調控酸水解中硫酸濃度，制備出不同直徑的CNC，研究CNC質量分數、吸收波長、靜置時間等對CNC吸光度的影響，探索CNC直徑與吸光度的關系，以期為CNC生產及應用提供有效指導。

1 實 驗

1.1 實驗原料

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 實驗儀器與設備

數顯恒速強力電動攪拌機，JB300-SH，上海標本模型廠；數顯恒溫水浴鍋，HH-4，金壇市江南儀器廠；高速離心機，TG16-WS，湘儀集團；TEM，JEM-1400Flash，JEOL公司；紫外可見光分光光度計：Cary 60 UV-Vis，美國安捷倫公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 不同直徑CNC制備

CNC直徑隨其制備過程中硫酸質量分數的增大而減小，故可以通過改變酸水解時硫酸質量分數來調控所制備CNC的直徑[22]。MCC分別與質量分數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1.5 h，終止反應后，對不同硫酸質量分數下的反應產物進行高速離心（11000 r/min），重復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CNC進行表征：配制一定質量分數的CNC分散液，取10 μL滴在銅網上，待其還未完全干燥時，滴加10 μL醋酸鈾染色劑（質量分數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

通過分析軟件Image J測量TEM圖中8種CNC的直徑，每圖取200根CNC測量。

1.3.4 吸收波長對吸光度的影響

測定CNC-64%的吸收波長，繪制吸收光譜曲線。根據朗伯-比爾定律：不同物質的最大吸收波長不一樣，在最大吸收波長處測吸光度所得結果誤差最小。最終確定分散液最大吸收波長。

1.3.5 CNC質量分數對吸光度的影響

將CNC-64%質量分數分別設置為0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%，觀測CNC質量分數對吸光度的影響。

1.3.6 靜置時間對吸光度的影響

將8種CNC分散液質量分數配制為0.06%，吸收波長為220 nm，靜置時間設置為0、1、2、3、4、5、6、12、24、36、48 h，觀測靜置時間對吸光度的影響。

1.3.7 CNC直徑與吸光度的關系

將質量分數0.06%的CNC分散液靜置0 h，在波長為220 nm下，觀測所對應CNC直徑對吸光度的影響。

2 結果與討論

2.1 CNC的形貌分析

圖1為CNC的TEM圖。由圖1可見，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檢測所得不同CNC平均直徑。從表1可見，隨著酸水解時硫酸質量分數逐漸增大，所制備的CNC直徑逐漸減小。這是因為硫酸會與纖維素大分子中葡萄糖β-1,4糖苷鍵反應，纖維素無定形區被大量水解[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 吸收波長對吸光度的影響

圖3為CNC-64%的吸收光譜曲線。由圖3可知，質量分數64%硫酸制備的CNC最大吸收波長為220 nm，此時吸光度達1.4155[24]。因此，確定最大吸收波長220 nm為最佳波長。

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

2.3 CNC質量分數對吸光度的影響

圖4為CNC質量分數對吸光度的影響。由圖4可知，隨著CNC質量分數增加，CNC分散液吸光度值升高。當CNC質量分數為0.02%、0.04%時，吸光度分別為0.0896、0.1657；當CNC質量分數為0.06%、0.08%、0.10%時，吸光度分別為0.4683、0.8106、0.9213。根據比爾定律：在不同的吸光度范圍內測量可引起不同的誤差，當吸光度值在0.2～0.8的范圍時，測試結果較為精準[25]。因此，選擇質量分數0.06%作為CNC最佳的質量分數，此時，吸光度值為0.4683，在0.2～0.8的范圍內。

圖4 CNC質量分數對吸光度的影響Fig.4 Effect of CNC mass fraction on absorbance

2.4 靜置時間對CNC吸光度的影響

圖5為靜置時間對8種硫酸質量分數下制備的CNC吸光度的影響，隨著靜置時間的增加，CNC-50%分散液和CNC-52%分散液吸光度有明顯下降。其他CNC分散液吸光度沒有明顯變化。靜置時間為0～6 h時，各分散液均沒有明顯變化，保持相對的膠體穩定性，所以制得CNC分散液可立即測量吸光度值，體現了該方法簡捷性。因此，CNC合理的靜置時間為0 h。

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

2.5 CNC直徑與吸光度的關系

通過以上實驗可以確定最優實驗條件，即波長220 nm、CNC分散液質量分數為0.06%、靜置時間為0 h，將其應用于所有CNC樣品中，測定CNC直徑對其吸光度的影響，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系，其關系式為Y（吸光度）=-0.0054X（CNC直徑）+0.4438；線性相關系數R2為0.9931。

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

3 結 論

以粒徑25 μm的微晶纖維素（MCC）為原料，分別與質量分數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1.5 h，制備不同直徑的CNC。

3.1 在CNC質量分數為0.06%、測試波長為220 nm、靜置時間為0 h時，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系，關系式為Y（吸光度）=-0.0054X（CNC直徑）+0.4438，線性相關系數R2為0.9931。