分光光度法测定纺织品水萃取液pH值

申晓萍，李培才，洪 华，王红卫，李 阳，周 丽，徐鑫华

(1.南通出入境检验检疫局，江苏南通226004;2.南京出入境检验检疫局，南京210001)

目前纺织品水萃取液pH值的定量测量大多采用电位法原理制作而成的pH玻璃电极[1-2]。但pH玻璃电极尺寸大、易碎、保存和使用不方便，对低离子强度体系的测试值不稳定，容易受到电磁和无线电频率干扰[3]。由于上述问题的存在，致使纺织品水萃取液pH值测定项目长期存在着示值不稳定，结果重现性差，实验室间比对结果差异大的特点[4]，给实验室操作人员带来了很多不必要的麻烦。

近些年来，人们开始尝试将现代光谱分析技术与酸碱指示剂结合起来，构成一种新型的pH检测装置[5-6]。这些指示剂在不同的pH环境下分子结构会发生变化，继而导致体系的光学性能发生变化[5]。通过建立变化与pH值的对应关系，即可以测定当前环境的pH值。与pH玻璃电极相比，利用分光光度法原理制作而成的pH检测装置具有体积小、重量轻、抗电磁和无线电频率干扰，成本低，不易受到二氧化碳干扰等优点[5]。目前已经应用于环境检测、生物工艺等领域[7-8]。经过国内外文献检索，目前还未见有报道将此技术应用于纺织品水萃取液pH值的测试。本文利用分光光度法测定纺织品中水萃取液pH值，对响应时间、稳定性、测量范围和准确度进行了分析;并与传统的pH玻璃电极的测试结果进行了比较，为纺织品水萃取液的pH值测定提供了一种新的快速准确的测定方法。

1 实验

1.1 材料和仪器

材料:纺织品(实验室日常检验样品);标准缓冲溶液(梅特勒-托利多仪器有限公司);盐酸、氢氧化钠(分析纯，国药集团化学试剂有限公司);实验所有用水均为超纯水(18.2MΩ)。

仪器:Five easy plus型电化学pH计(梅特勒-托利多仪器有限公司)，智能比色皿(海洋光学)，UV-1800型分光光度计(岛津)。

1.2 实验原理

实验用的pH敏感比色皿内壁上利用溶胶凝胶技术固定了酸碱指示剂。凝胶层的骨架被设计为允许较小的离子扩散，但不允许较大的指示剂分子泄露出去。当比色皿中盛满待测溶液后，H+扩散到溶胶凝胶骨架中并引起指示剂分子结构的转化，这种转化会导致比色皿在500～700 nm段的吸光度发生变化，并以617 nm处的变化最为剧烈。利用肉眼可以观测到在低pH值条件下指示剂为黄色，用DY表示;在高pH值时，指示剂会变成蓝色，用DB表示。此反应可以描述为:

反应式(1)平衡常数K可以表示为:

式中:[DB]为 DB浓度，[DY]为 DY浓度。

假设DY在某波长λ下的摩尔吸光系数为λ∈Y，DB在某波长λ下的摩尔吸光系数为λ∈B。则指示剂在某一特定H+浓度下在波长λ处的摩尔吸光系数λα可以描述为:

式中:λA为指示剂在某一特定H+浓度下在波长λ处的吸光度，DT为指示剂总浓度(DT=DY+DB);ℓ为吸收光程。

公式(3)两边取对数并进一步转换可得:

当指示剂处于高pH值环境时(根据比色皿制造商的建议该值为11)，可以认为比色皿壁上的指示剂全部以DY的形态存在，此时比色皿在617 nm的吸光度最高，记为 λAmax(λAmax=λ∈BDTℓ);反之，染料处于低pH值(根据比色皿制造商的建议该值为1)环境时，可以认为指示剂全部以DB的形态存在，此时指示剂在617 nm附近的吸光度最低记为λAmin(λAmin=λ∈YDTℓ)。公式(4)可进一步转换为:

公式(5)中的λAmax和λAmin均可很方便地利用分光光度计测出，再测定出比色皿在一系列校正pH值缓冲溶液下的吸光度，将pH值对做图，可获得标准工作曲线。然后即可以通过测定工作曲线线性范围内任一pH值条件下的推算出溶液的pH值。

1.3 实验方法

1.3.1 标准缓冲溶液的配制

将 pH 4.01、6.86、8.00、9.18 的标准 pH 值缓冲溶液按照使用说明进行配置或者直接使用。由于测试期间实验室温度基本稳定在25℃左右，为测试和计算方便起见，没有对溶液的pH值作进一步的温度校正。pH 1.00溶液为0.1mol/L盐酸溶液;pH 11.00溶液为0.001mol/L NaOH溶液。

1.3.2 光谱测定

光谱测定采用UV 1800型分光光度计。在一次典型的光谱测定中，比色皿依次被超纯水和待测溶液清洗3次后添加约4/5体积的待测溶液，用保鲜膜将顶端密闭隔绝空气后放入分光光度计的比色皿支架中。然后进行光谱，动力学或者吸光度测定并记录数据，如果测定对象为吸光度，重复测定3次，最终结果取平均值。

2 结果与讨论

2.1 比色皿的光谱与溶液pH值的关系

首先测定了比色皿在加入不同pH值缓冲溶液后的吸收光谱图(500～700 nm)，实验结果见图1。从图1中可以看出，随着溶液pH值的降低，溶液在500～700 nm的吸光度逐渐降低，且比色皿在617 nm处的吸光度对pH值变化最敏感。因此，选定617 nm作为测量波长。

图1 加入不同pH值缓冲溶液后比色皿的吸收光谱变化Fig.1 The change of the absorbancespectrometry of cuvette after filling with different pH buffersolution

2.2 响应的稳定性

图2 吸光度变化Fig.2 The change of the absorbance

通过连续监测加入溶液后比色皿吸光度值变化趋势的方法测定了本方法测定pH值的响应稳定性。首先用超纯水将比色皿清洗3次，然后加入pH 4.01的标准缓冲溶液，记录比色皿在617 nm处的吸光度在20min内的变化，见图2(a)。从图2(a)可以看出，吸光度值先是迅速降低，然后到10min左右逐渐稳定，稳定后吸光度随时间几乎不再变化。倒出缓冲溶液，依次用超纯水和pH4.01的缓冲溶液将比色皿清洗3次，然后再次加入pH 4.01的缓冲溶液，再次记录617 nm处的吸光度在20min内的变化，见图2(b)。从图2(b)可以看出，尽管已经用超纯水清洗过3次，但比色皿的吸光度值依然保留了上次的数值，且随时间变化很小，20min内吸光度的绝对标准偏差0.000 2，相对标准偏差仅为0.24%。利用不同pH值标准缓冲溶液重复上述实验，结果基本相同。从实验结果可以看出，尽管比色皿在617 nm处的吸光度值需要约10 min时间达到稳定，但稳定后响应值不再发生漂移。与之相比，利用pH玻璃电极测定纺织品水萃取液pH值时遇到的最突出问题就是响应值不稳定。在实验室实际工作中，不但经常会碰到响应值随时间连续变化难以稳定的情况[5]，更突出的问题是将电极从溶液中取出并用超纯水清洗后，对同一溶液稳定后的两次测量结果不一致，以至于操作人员无法判断那个结果更接近于真值[9]。

2.3 分光光度法测定pH值标准曲线的绘制

首先按照比色皿使用说明给出的方法确定λAmax，即在比色皿中加入 pH 11.00的 NaOH溶液，等待20min后，扫描比色皿在750～450 nm波段的吸光光谱，并记录在617 nm与750 nm两个波长下的吸光度值，两者的差值即为λAmax。λAmin的确定方法与λAmax相似，即在比色皿中加入pH 1.00的HCL溶液，等待20min后，扫描比色皿在750～450 nm波段的吸光光谱，并记录在617 nm与750 nm两个波长下的吸光度值，两者的差值即为λAmin。确定好λAmax与λAmin以后，利用 pH 4.01、6.86、8.00、9.18 的 4 个标准缓冲溶液确定标准曲线。方法为用超纯水将比色皿清洗3次，然后加入需要测试的缓冲溶液(加入前先用该缓冲溶液清洗比色皿3次)，等待20 min后，扫描比色皿在750～450 nm波段的吸光光谱，并记录在617 nm与750 nm两个波长下的吸光度值，两者的差值即为该缓冲溶液所对应的吸光度λA。重复以上操作，得到4个系列标准缓冲溶液所对应的吸光度 λA。

从图3可以看出，在pH4.01～9.18内标准曲线有良好的线性关系，线性相关系数为0.999 1。实验使用的分光光度计测量吸光度的分辨率为0.000 1，因此可以从标准工作曲线对应的线性方程中推算出本方法测量pH值的分辨率为0.01pH单位。这个分辨率要高于电化学电极(通常为0.02pH单位)。

图3 分光光度法测定pH值的标准曲线Fig.3 Thestandard curve for the determination of the pH value withspectrophotometry method

2.4 分光光度法测定pH值的准确性

重复测定6 次 pH 4.01、6.86、9.18 这3 个标准缓冲溶液所对应的吸光度值(每次结果取3次平均值)，代入标准曲线方程后得出测定的pH值(表1)。从实验结果可以看出，3个标准缓冲溶液测定结果平均值分别为 3.97、6.93、9.14，标准误差分别为 0.01、0.02和0.05。因此可以判定本方法在4～9的pH值范围内，测定结果具有较好的准确性。

利用pH电极法采用同样的实验方法对上述标准缓冲溶液进行测定，3个溶液pH值测定结果分别为 4.06、6.88、9.18，绝对误差分别为 0.01、0.01、0.02(表1)。从实验结果来看，两种方法对标准溶液测定结果差异不大，准确性基本一致。

表1 3种标准pH值缓冲溶液的分光光度法和pH电极法测定结果Tab.1 The measurement results of threestandard pH buffersolution obtained withspectrophotometry and pH electrode method

2.5 实际样品测试

从实验室日常的纺织品样品中抽取了偏酸、中性、偏碱3个样品对分光光度法测定纺织品水萃取液pH值进行了实际验证并与pH玻璃电极的测定结果做了对比。样品的前处理过程按照GB/T 7573—2009《纺织品水萃取液pH值的测定》进行，在此不再做详细说明[2]。前处理完成后，将样品的水萃取液分成两份，分别利用分光光度法和pH电极方法测定pH值。根据标准要求，每个样品前处理时需要3个平行样，测试时，第一个平行样品的测试结果不做记录。最终测试结果为后两个平行样品的平均值(结果保留一位小数)[2]，实验结果见表2。从实验结果来看，两者结果具有一定的差异，但总体来说是一致的。

表2 分光光度法与pH电极法对3个实际纺织品样品水萃取液pH值的测定结果Tab.2 The measurement results of the aqueous extract of three actual textilessamples obtained withspectrophotometry and pH electrode method

为了进一步验证了本方法测定实际样品水萃取液pH值的准确性，从实验室日常样品中抽取了一个样品进行了6次测定，实验结果见表3。从结果来看，6 次测定的平均值为 8.7，偏差为 0.141，相对偏差为1.6%。能够满足样品测试要求。

表3 分光光度法测定实际纺织品样品水萃取液pH值的测定结果Tab.3 The measurement results of the aqueous extract of actual textilessamples obtained withspectrophotometry method

3 结论

溶液加入pH敏感比色皿约10 min后在617 nm处的吸光度值达到稳定，稳定后20 min内吸光度变化的绝对偏差为0.000 2，相对偏差为0.24%，在pH4.01～9.18的测量范围内线性相关系数为0.999 1，对 pH 值分别为4.01、6.86、9.18 的 3 个标准缓冲溶液测定 6次结果误差分别为 0.01、0.02、0.05pH单位。与pH玻璃电极的比对实验表明两者对纺织品水萃取液的测试结果相近，可以作为纺织品水萃取液pH值测定的一种替代方案。

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