应用流式细胞仪判断二次胶黏物

蒋国斌陈中豪

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640; 2.华南理工大学造纸与污染控制国家工程研究中心,广东广州,510640)

·流式细胞仪·

应用流式细胞仪判断二次胶黏物

蒋国斌1,2陈中豪2

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640; 2.华南理工大学造纸与污染控制国家工程研究中心,广东广州,510640)

在纸浆悬浮液中分别加入3种阳离子定着剂A159、A160和A169,并分别采用浊度法和流式细胞仪测定了纸浆悬浮液中溶解和胶体物质(DCS)的含量。结果表明,在3种定着效果完全不同的阳离子定着剂作用下,通过浊度计测定,滤液的浊度与处理前相比都有大幅度的下降,但3种定着剂的作用效果无显著差异。而通过流式细胞仪测定,良好定着剂处理后,DCS的数量显著减少, 但DCS的颗粒大小未发生变化;较差定着剂处理后,DCS的数量虽然也有大幅度的减少,但DCS颗粒却变大,胶体系统失稳并形成了絮凝沉淀。因此,定着剂对胶体系统的处理效果,可通过流式细胞仪的检测较好地表征出来。

二次胶黏物;浊度法;流式细胞仪

(＊E-mail:jianggb1@gmail.com)

Abstract:Three different cationic fixativesA159,A160 and A169 were added to the OCC pulp suspension and the amount of DCS in the stock was tested using TurbidityMeter and Flow Cytometer(FCM)respectively in order to disclose the advantage of FCM in theDCS testing. Results showed that turbidityof three samples all descended greatly after adding the fixations,but no significant differenceswere found among those three samples by using TurbidityMeter test.FCM test results demonstrated that the amountofDCSwasmuch less than the un-treatment samples,but the DCS particle size was almost unchanged for the treatment with good perfor mance fixative.Though the amount of DCS decreased,the size ofDCS particle became bigger for the bad perfor mance fixative trea tment,the lattermight be resulted in destabilization and flocculation of the colloidal system,and this destabilization could not be found by TurbidityMeter.Therefore,different fixation performance of cationic fixatives could bewell represented via FCM test,whichwould help us to exactly est imate the amount and deposition ofDCS in the pulp suspension.

Key words:secondary stickies;TurbidityMeter;Flow Cytometer

随着二次纤维回用量的增加,胶黏物障碍问题日趋严重。胶黏物本身具黏性,常和无机填料、细小纤维等黏附在一起形成黏性沉积物,沉积在成形网和压榨毛布及压辊上,黏附在烘缸表面,并可残留在纸幅和聚集在白水中,从而影响纸幅脱水,并在白水中形成阴离子垃圾,影响阳离子助剂的作用效果,对造纸用水的封闭循环造成障碍[1-2]。按胶黏物在浆水系统中的存在形式和行为,可分为一次胶黏物和二次胶黏物。前者主要是热熔物和压敏胶黏剂,常以固体颗粒的形式分散在纸浆悬浮液中,较易通过筛选、净化、浮选等方式去除。而后者主要来自于残留在浆水体系中的木材抽出物和涂布损纸中的乳胶粒子,常以溶解和胶体物质(DCS)的形式存在,用机械法不易除去。同时,DCS常随外界条件的变化发生物理化学性质的改变而产生沉积问题,从而加大了其控制的难度及危害性[3-5]。

对废纸浆而言,胶黏物的数量是一个重要的质量参数[5]。在纸张成形过程中,使胶黏物与纤维结合在一起被带出系统,可以减少系统中胶黏物的数量。此外,也可通过加强备料、筛选和净化来减少胶黏物的数量。然而,如何对DCS的数量进行定量,是废纸大量回用中遇到的主要问题。目前,还没有一种全球通用的用于纸浆悬浮液中胶黏物定量的方法。为此,各种各样的仪器及分析方法还在源源不断地应用到胶黏物的研究[6-8]。

如何减少胶黏物的数量,降低其发生沉积的可能性,减少回用水中的阴离子垃圾,对回用废纸比例较大的新闻纸厂和箱纸板厂来说非常重要,但如何定量浆水系统中DCS含量是需要首先了解的。目前,普遍采用浊度法测定DCS含量。然而,浊度法虽然可对纸浆悬浮液中DCS含量有一个简单快速的认识和了解,但其只能间接表征DCS浓度,而不是一种精确的或完全值得信赖的方法。鉴于此,将流式细胞仪引入本研究,以经过机械处理后的浆料作为研究对象,用3种定着效果不同的阳离子定着剂A159(聚胺型定着剂,低分子质量)、A160(聚胺型定着剂,高分子质量) 和A169(聚二烯丙基二甲基氯化铵型定着剂,低分子质量阳离子型)对浆料进行处理后,分别采用浊度仪和流式细胞仪检测了纸浆悬浮液中DCS的沉积情况,以比较流式细胞仪和浊度法对DCS定量的准确性。

1 实 验

1.1 原料和仪器

浆料为全OCC浆,理文纸业公司提供。阳离子定着剂A159、A160和A169均为瑞士某化工公司提供;特种荧光染料Nile Red由美国Molecular Probes公司生产。

2100 N浊度仪,美国Hach公司生产;流式细胞仪(Cyflow)由德国PARTEC公司生产。

1.2 实验方法

1.2.1 浊度的测量

浊度采用2100N浊度仪测定。对于无纤维存在的情况,取500 mL浆料(浆浓3.5%,下同),分别加入阳离子定着剂A159、A160和A169后,静置10 min再测定残余浊度;对于有纤维存在的情况,取500 mL浆料,分别加入阳离子定着剂A159、A160 和A169进行沉积处理,处理后的纸浆悬浮液通过200目铜网过滤,取最初的100 mL滤液并静置10 min,测定残余浊度。

1.2.2 流式细胞仪分析

取500 mL浆料,经过200目铜网过滤后,分别加入阳离子定着剂A159、A160和A169进行处理。静置10 min后,加入特种荧光染料,混匀染色5 min;将染色后的浆料稀释至一定浓度,随后加入标准颗粒(聚苯乙烯类似物)作为参照物,搅拌均匀后静置10 min,采用流式细胞仪进行检测和数据分析。

2 结果与分析

2.1 浊度仪分析

2.1.1 浊度仪分析原理

浊度测量的是样品的相对澄清度,而不是样品在外观上混浊的程度表现[9]。浊度计发出光线,使之穿过一段样品,并从与入射光呈90°的方向上检测有多少光被水中的颗粒物所散射,光强度的减少与样品中颗粒物的数量有直接关系。浆料经阳离子定着剂处理后滤液的浊度变化机理如图1所示,一部分带负电的DCS在阳离子定着剂的作用下,黏附在纤维表面,减少了存在纸浆悬浮液中DCS的含量,滤液浊度有一定程度的降低。

图1 浆料经阳离子定着剂处理后滤液浊度变化的机理

2.1.2 浊度仪分析结果

用浊度仪测量浆料经3种阳离子定着剂A159、A160和A169处理前后滤液浊度,结果如图2所示。由图2可知,在3种定着剂作用下,所得滤液的浊度与处理前相比,都有大幅度的下降,浊度的变化和加入定着剂的量呈线性关系,且3种定着剂处理的滤液浊度下降的幅度基本相同。

图2 滤液浊度与定着剂用量的关系

通过对定着剂处理后浆料滤液浊度变化机理所做的分析(见图3),可以发现,在定着剂固着效果良好的情况下,带负电的DCS在阳离子定着剂的作用下,可有效地黏附在纤维表面,并随着纤维被带出纸机系统,减少了存在于纸浆悬浮液中DCS的数量;然而,在定着剂定着效果最差的情况下,DCS并没有被成功地定着到纤维表面,而这种差异通过浊度计未能检测出来,从而使失稳后的DCS絮凝成块,继续留在浆水系统中,并有可能在成形网等设备的表面形成沉积,对造纸用水的封闭循环产生了障碍。

图3 定着效果不同的定着剂处理后浆料滤液浊度变化的机理

2.2 流式细胞仪分析

2.2.1 流式细胞仪工作原理

流式细胞术(flow cytometry,FCM)也称荧光激活细胞分类术,已广泛应用于生物学、免疫学、遗传学、临床检验等领域,具有检测速度快、测量指标多、采集数据量大、分析全面和方法灵活等特点。流式细胞仪主要由液流系统、光学系统及电学系统组成。

(1)液流系统:样本被压进喷嘴(SIP)的中央,使其与水平方向的激光光束垂直相交。

(2)光学系统:液流推进装置使样本呈单列,并以均等的时间依次通过激光照射区,被荧光染色的样本受照射后,可产生散射光和荧光两种信号。散射光分为前向散射光(forward scatter,FSC)及侧向散射光(side scatter,SSC)。FSC与样本体积大小呈正比,SSC与样本的颗粒度和复杂性有关。

(3)电学系统:光学信号经电学系统采集转变为电学信号,经专业软件处理得出检测结果[10-12]。

流式细胞仪的工作原理图如图4所示。

图4 流式细胞仪的工作原理图

FCM用高能量激光照射高速流动状态下被荧光染色的细胞结构,测量其产生的散射光和发射荧光的强度,从而对细胞的特性进行快速的定性或定量分析[13]。流式细胞仪能测量细胞的5个参数:FSC、SSC、绿色荧光(FL-1)、黄色荧光(FL-2)和红色荧光(FL-3),这5个参数分别表示散射光及荧光信号的相对强度,单位为道数。FSC和SSC是细胞对激发光的散射信号,分别反映了细胞的大小和细胞的粒度,细胞越大,胞内颗粒物越多,则FSC和SSC越强。FL-1、FL-2和FL-3记录了绿、黄和红3种颜色荧光,分别代表这3种荧光所标记的细胞参数。流式细胞仪就是通过测量这些参数对细胞进行分类计数及统计分析的,用门(gate)圈出各个细胞群体,分析细胞群体中各细胞亚群的比例及其各项指标的大小。

同时,样品管中还加有已知数量的易于与细胞区分的荧光微球作为绝对计数的内标。

2.2.2 流式细胞仪分析结果

本实验中,将经过滤后的纸浆悬浮液中的DCS颗粒及其他组分类比为一个个的细胞。当纸浆悬浮液中的DCS颗粒和其他组分被染色后,由于纸浆悬浮液中各组分颗粒特性的差异,流式细胞仪收集的颗粒的荧光信号也会有所不同,因此,根据荧光信号的强弱可将DCS颗粒和其他组分区分开来。同时,根据内参中标准颗粒的大小和数量,可统计出DCS的大小和数量。

当纸浆悬浮液中带负电荷的DCS颗粒染上荧光染料后,在流式细胞仪推进装置的稳定作用下,使样本呈单列,每颗DCS粒子以均等的时间依次通过仪器的激光照射区,被荧光染料染色的DCS受到照射后发出散射光信号和荧光信号,经电学系统采集后,转变成电学信号,经专业软件处理后,得到DCS的数量和大小等信息。

经不同的定着剂处理后,样品的流式细胞仪分析结果如图5所示,DCS颗粒数量和大小的变化如表1和表2所示。其中,图5中的R2区域为内部参照,R1区域为检测区域,分别代表DCS的数量和大小信息。

图5 不同定着剂处理后的样品的流式细胞仪分析

表1 设定区域内不同定着剂处理后DCS数量的变化

表2 不同定着剂处理后DCS颗粒的数量及大小变化

结果表明,与空白样相比,分别经定着剂A160、A159及A169处理后的样品,DCS在数量上均有明显的减少。然而,在定着效果不同的处理中,数量减少的情况却有着明显的区别,其数量减少的顺序为A160>A159>A169;经A169处理后的样品,DCS颗粒数量比经A160处理后的样品的多,表明胶黏物颗粒没有很好地定着到纤维上,还在纸浆悬浮液中继续存在,定着效果不是非常理想。此外,对于DCS颗粒大小,在良好定着剂A160处理时,DCS数量显著减少的同时,DCS的颗粒大小并没有太多变化, DCS之间未聚集成块。而经A169处理后的样品, DCS的数量虽然减少了,但颗粒大小也增大了,DCS之间发生了聚集。

因此,不理想的阳离子定着剂的加入使胶体系统失稳形成絮凝沉淀的情况,可通过流式细胞仪的检测直接表征出来,从而可准确地对纸料悬浮液中DCS的数量和沉积情况进行评估,弥补了浊度法存在的不足。同时,流式细胞仪的应用还可以对定着剂的不同定着效果有一个客观的评价。

3 结 语

浊度法虽然可检测到纸料悬浮液中溶解和胶体物质(DCS)的数量及浓度的变化,但不能区分DCS颗粒良好固着和失稳凝絮两种效果的差别,不能对纸料悬浮液中的DCS颗粒准确的定量。DCS的数量和颗粒大小的变化通过流式细胞仪的检测可以得到客观的反应,从而对阳离子定着剂定着效果的优劣做出正确的判断。

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(责任编辑:陈丽卿)

Estimation of D issolved and ColloidalMaterials by Flow Cytometer

J IANG Guo-bin1,2,＊CHEN Zhong-hao2

(1.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou, Guangdong Province,510640;2.National Engineering Research Center of Paper m aking and Pollution Control, South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)

蒋国斌先生,在读博士研究生;主要研究方向:造纸化学品。

TS749+.7;TS744

A

0254-508X(2010)05-0001-04

2009-12-03(修改稿)