盐对光纤传感系统测量染料浓度的影响

赵晓明，拓 晓，郭映雪

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)

盐对光纤传感系统测量染料浓度的影响

赵晓明，拓 晓，郭映雪

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)

通过实验分析了盐对光纤传感系统测量染料浓度的影响。在不同盐浓度条件下，利用光纤传感系统测量单组分、双组分和三组分混合染液中各组分浓度，分析各因素对染料浓度测定的影响。结果表明，盐不影响单组分、双组分混合染液染料浓度测量，但对于三组分混合染液，当其中两个染料的最大吸收波长距离较近时，盐对浓度测定影响较大，其测试误差增大，需要采用数学方法进行修正。

盐 光纤传感系统 染料 浓度

0 前言

活性染料染色过程中，为了使得染料尽快上染至纤维上，需要加入一定量的盐促染[1-4]。当纤维浸入染液后，纤维素分子中羟基会电离带负电荷，活性染料溶于水后也会电离带负电荷，因此染料与纤维之间因带有同种电荷，产生了一定的电荷斥力，减缓染料上染速率[5-14]。当加入盐后，其改变了纤维表面的带电情况，因为带有正电荷的钠离子中和了部分纤维上的负电荷，减小其与染料之间的电荷斥力，从而促进染料上染至纤维上[15-20]。本文通过实验分析了盐对光纤传感系统测量染料浓度的影响。在不同盐浓度条件下，利用光纤传感系统测量单组分、双组分和三组分混合染液中各组分浓度，分析各因素对染料浓度测定的影响。

1 实验材料和仪器

表1 实验材料和仪器

2 实验方法

选取活性红2G、活性红BES和活性蓝3G染料，分别配制0.0100g/L、0.0200g/L、0.0300g/L单组分染液，每种染液中含有0g/L、15g/L、20g/L、25g/L、30g/L、35g/L的NaCl。用光纤传感检测系统测试每种染液中染料的浓度，分析盐用量对不同浓度染液测量的影响。

选取活性红2G和活性蓝3G染料、活性红BES和活性蓝3G染料，设定三种染料浓度为0.0100g/L、0.0200g/L、0.0300g/L。分别从各自染料浓度中选取一种浓度，按照1:2、1:3、2:1、3:1四种比例，配制成活性红2G和活性蓝3G、活性红BES和活性蓝3G混合染液。每种染液中含有0g/L、15g/L、20g/L、25g/L、30g/L、35g/L的NaCl。用光纤传感检测系统测试每种染液中染料的浓度，分析盐用量对不同浓度染液测量的影响。

选取活性红2G、活性红BES和活性蓝3G染料，设定三种染料浓度为0.0100g/L、0.0200g/L、0.0300g/L。分别从各自染料浓度中选取一种浓度，按照1:2:3、2:3:1、3:1:2三种浓度比例，配制成活性红2G、活性红BES和活性蓝3G混合染液。每种染液中含有0g/L、5g/L、10g/L、15g/L、20g/L、25g/L、30g/L、35g/L的NaCl。用光纤传感检测系统测试每种染液中染料的浓度，分析盐用量对不同浓度染液测量的影响。

3 实验结果与讨论

3.1 盐对单组分染液的影响

图1 不同NaCl浓度下活性红2G染料实测浓度

由图1可知，利用光线传感系统检测单组分染料溶液时，随着增加NaCl浓度，不同染料浓度溶液染料实测浓度保持不变。在不同NaCl浓度下，当活性红2G实配浓度为0.0101g/L时，溶液中活性红2G实测浓度均为0.0100g/L；当活性红2G实配浓度为0.0202g/L时，溶液中活性红2G实测浓度均为0.0210g/L；当活性红2G实配浓度为0.0302g/L时，溶液中活性红2G实测浓度均为0.0310g/L，说明NaCl不干扰染料浓度的测定。

由表2可知，当活性红2G实配浓度分别为0.0101g/L时，染料实测浓度与实配浓度相对误差为0.99%；当活性红2G实配浓度为0.0202g/L时，染料实测浓度与实配浓度相对误差为3.96%；当活性红2G实配浓度为0.0302g/L时，染料实测浓度与实配浓度相对误差为2.65%。在不同的染料实配浓度溶液下，染料实测浓度与实配浓度的相对误差均小于4%，表明染料浓度与吸光度的线性关系较准确，NaCl不影响其检测染料浓度。这主要是因为NaCl为中性盐，溶于染液后不改变染液酸碱性质，不会导致活性红2G活性基团水解，且Na+和Cl-不会与活性红2G染料母体发生化学反应，其不与染料发生相互作用，所以NaCl不影响测定活性红2G浓度。

表2 不同NaCl浓度下活性红2G染料实测浓度与实配浓度

图2 不同NaCl浓度下活性红BES染料实测浓度

由图2可知，利用光纤传感系统检测单组分染料溶液时，随着增加NaCl浓度，不同溶液染料实测浓度依旧保持不变。在不同NaCl浓度下，当活性红BES实配浓度为0.0101g/L时，溶液中活性红BES实测浓度均为0.01g/L；当活性红BES实配浓度为0.0202g/L时，溶液中活性红BES实测浓度均为0.019g/L；当活性红BES实配浓度为0.0303g/L时，溶液中活性红BES实测浓度均为0.029g/L，表明NaCl不影响测定染料浓度。

表3 不同NaCl浓度下活性红BES染料实测浓度与实配浓度

由表3可知，当活性红BES实配浓度为0.0101g/L时，染料实测浓度与实配浓度相对误差为0.99%；当活性红BES实配浓度为0.0202g/L时，染料实测浓度与实配浓度相对误差为5.94%；当活性红BES实配浓度为0.0303g/L时，染料实测浓度与实配浓度相对误差为4.29%。在不同的染料实配浓度溶液下，染料实测浓度与实配浓度的相对误差均小于6%，表明染料浓度与吸光度的线性关系较准确，NaCl不影响其线性关系。这主要是因为NaCl为中性盐，溶于染液后不会改变染液酸碱性质，不会导致活性红BES活性基团水解，且Na+和Cl-不与活性红BES染料母体发生化学反应，其不与染料发生相互作用，所以NaCl不影响测定活性红BES浓度。

图3 不同NaCl浓度下活性蓝3G染料实测浓度

由图3可知，利用光纤传感系统检测单组分染料溶液时，随着NaCl浓度的增加，不同染料浓度溶液实测染料浓度依旧保持不变。在不同NaCl浓度下，当活性蓝3G实配浓度为0.0101g/L时，实测溶液中活性蓝3G的浓度均为0.01g/L；当活性蓝3G实配浓度为0.0202g/L时，实测溶液中活性蓝3G的浓度均为0.019g/L；当活性蓝3G实配浓度为0.0303g/L时，实测溶液中活性蓝3G的浓度均为0.032g/L，说明NaCl不影响测定染料浓度。

由表4可知，当活性蓝3G实配浓度为0.0101g/L时，染料实测浓度与实配浓度相对误差为0.99%；当活性蓝3G实配浓度为0.0202g/L时，染料实测浓度与实配浓度相对误差为5.94%；当活性蓝3G实配浓度为0.0303g/L时，染料实测浓度与实配浓度相对误差为5.61%。在不同的染料实配浓度溶液下，染料实测浓度与实配浓度的相对误差均小于6%，表明染料浓度与吸光度的线性关系较准确，NaCl不影响其线性关系。这主要是因为NaCl为中性盐，溶于染液后不会改变染液酸碱性质，不会导致活性蓝3G活性基团水解。且Na+和Cl-不会与活性蓝3G染料母体发生化学反应，不会与染料发生相互作用，所以NaCl不影响测定活性蓝3G浓度。

表4 不同NaCl浓度下活性蓝3G染料实测浓度与实配浓度

3.2 盐对双组分染液的影响

图4 不同NaCl浓度下1:2浓度比例染液中染料实测浓度

图5 不同NaCl浓度下1:3浓度比例染液中染料实测浓度

图6 不同NaCl浓度下2:1浓度比例染液中染料实测浓度

图7 不同NaCl浓度下3:1浓度比例染液中染料实测浓度

由图4、图5、图6、图7可知，不同染料浓度比例的混合染液中，活性红2G和活性蓝3G在六种NaCl浓度下测得的染料浓度保持一致，表明中性盐NaCl不影响活性红2G和活性蓝3G双组分混合染液各组分浓度测定。这主要是因为NaCl为中性盐，溶于染液后不会改变染液酸碱性质，不会导致活性染料的活性基团水解，其Na+和Cl-不与活性染料母体发生化学反应，且活性红2G与活性蓝3G峰间无相互干扰，所以NaCl不影响测定活性染料浓度。

表5 活性红2G和活性蓝3G混合染液染料实测浓度

由表5可知，不同盐浓度下，不同染料比例的活性红2G实测浓度与实配浓度的相对误差基本上在5%以内，并且其实配浓度与实测浓度的相对误差均小于活性蓝3G。当活性蓝3G浓度比例较大时，其实配浓度与实测浓度相对误差在6%以内；当活性蓝3G浓度比例较小时，其实配浓度与实测浓度相对误差达到10.89%。表明不同盐浓度下，活性红2G染料浓度与吸光度的线性关系好于活性蓝3G。

图8 不同NaCl浓度下1:2浓度比例染液中染料实测浓度

图9 不同NaCl浓度下1:3浓度比例染液中染料实测浓度

图10 不同NaCl浓度下2:1浓度比例染液中染料实测浓度

图11 不同NaCl浓度下3:1浓度比例染液中染料实测浓度

由图8、图9、图10、图11可知，不同染料浓度比例的混合染液中，活性红BES和活性蓝3G在六种NaCl浓度下测得的染料浓度保持一致，表明中性盐NaCl不影响活性红BES和活性蓝3G双组分混合染液各组分浓度测定。这主要是因为NaCl为中性盐，溶于染液后不会改变染液酸碱性质，不会导致活性染料的活性基团水解，其Na+和Cl-不与活性染料母体发生化学反应，且活性红BES与活性蓝3G峰间无相互干扰，所以NaCl不影响测定活性染料浓度。

表6 活性红BES和蓝3G混合染液实测浓度

由表6可知，不同盐浓度下，不同染料比例其实测浓度与实配浓度的相对误差基本上在5%以内，当活性较小时，其实配浓度与实测浓度相对误差均较小。表明活性红BES和活性蓝3G双组分混合染液中，染料浓度与吸光度的线性关系不受NaCl影响。

3.3 盐对三组分染液的影响

图12 不同NaCl浓度下1:2:3浓度比例染液中染料实测浓度

图13 不同NaCl浓度下2:3:1浓度比例染液中染料实测浓度

由图12、图13、如14可知，随着NaCl浓度的增加，三种混合溶液中活性蓝3G染料实测浓度均保持一致，表明NaCl对活性蓝3G没有影响。但是NaCl对于活性红BES和活性红2G存在一定影响，随着NaCl浓度的不断增加，三种比例下的活性红BES染料实测浓度不断增加，活性红2G染料实测浓度不断减少，这是可能因为首先活性红BES和活性红2G的最大吸收峰比较接近，两个吸收峰互相重叠，因此测量过程中存在了一定干扰。其次当溶液中加入NaCl后，溶液极性增强，混合染液在红色染料最大吸收波长处的吸收峰发生了红移，随着NaCl浓度的不断提高，溶液极性越强，红移越多，波长510nm、542nm处的吸光度值不断减少，波长562nm处的吸光度值不断增加，因此活性红BES染料浓度与吸光度线性关系中染料实测浓度不断增加，活性红2G染料浓度与吸光度线性关系中染料实测浓度不断减少。这可能是由于活性红BES和活性红2G染料母体中存在不含金属的单偶氮结构，所以染料母体结构含有-N=N-双键，其中N电负性强并有一个未成对的孤对电子，则两种活性染料母体结构中易形成分子间氢键，因此随着溶液极性不断增强，使得-N=N-双键的电子处于激发态的能量越来越低，电子越易被激发，从而发生了电子π-π*跃迁，产生红移，影响染料浓度的测定。

由于盐不影响单组分、双组分混合染液各组分染料浓度的测定，三组分混合染液可见光吸收光谱图中并未发现聚集体的吸收峰，且电子跃迁并未改变染料母体结构，因此可以判定随着NaCl浓度的增加，混合染液中各组分染料浓度并没有发生改变，从而得到染料浓度修正方程：

活性红BES染料浓度修正方程：

(1)

活性红2G染料浓度修正方程：

(2)

式(1)-(2)中，ΔC红BES表示为活性红BES实配浓度与实测浓度之差，ΔC红2G表示为活性红2G实配浓度与实测浓度之差，CNaCl表示溶液中NaCl浓度。

根据活性染料的修正方程，修正其实测浓度，并与实配浓度进行比较，结果如表7。

表7 活性红BES和活性红2G染料浓度修正结果

由表7可知，活性染料实测浓度经过修正方程修正后，其实测浓度与实配浓度的相对误差一部分在5%以内，还有一部分超过5%，表明修正方程修正活性红BES和活性红2G实测浓度效果一般。

4 结论

盐不影响单组分、双组分混合染液染料浓度测量，但对于三组分混合染液，当其中两个染料的最大吸收波长距离较近时，盐对浓度测定影响较大，其测试误差增大，需要采用数学方法进行修正。

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2016-12-08

国家自然科学基金项目(51206122)

赵晓明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生导师，研究方向：盐对光纤传感系统测量染料浓度的影响。

TS193

A

1008-5580(2017)01-0045-08