基于傅立葉衰減全反射紅外光譜技術的海藻纖維鑒別分析

王曉晴等

摘要：

采用傅立葉衰減全反射紅外光譜技術（FTIR-ATR）對新型功能性纖維——海藻纖維進行紅外光譜掃描，比對了散纖維和無紡布兩種外觀形態下的海藻纖維紅外光譜圖，并根據其分子結構深入探討分析了譜圖中各特征峰歸屬。試驗結果表明，兩種纖維形態的海藻纖維化學本質相同；FTIR-ATR技術可以有效鑒別海藻纖維，該分析方法具有結果可靠、操作簡便、快速等優點。

關鍵詞：海藻纖維；傅立葉衰減全反射紅外光譜；鑒別分析

海藻纖維是以海藻植物（如海帶、海草）中分離出的海藻酸為原料制成的一種新型生物可降解纖維，因其具有良好的生物相容性、可降解吸收性、高透氧性、阻燃性等特殊功能[1]，已在紡織領域[2]和醫學領域[3]得到了廣泛的關注，有著強大的市場前景和發展實力。但目前國內外對海藻纖維的各方面研究尚處于起步階段，尤其對其化學性能方面的研究更是鮮見報道[4]，因此與海藻纖維相關的檢測標準尚處于空缺狀態，這與其快速發展極其不相匹配。紅外光譜法是一種根據分子內部原子間的相對振動和分子轉動等信息來鑒別化合物的分析方法，它在紡織領域的應用主要是紡織品的定性[5-6]。本文所采用的傅立葉紅外光譜儀配有鍺晶體的衰減全反射ATR附件和OMNI采樣器[7]，這種采樣器用一個球形的極為堅固的鍺晶體作為采樣表面，對樣品提供點對點接觸，實現了對不可破壞的、表面的以及難以處理的微量樣品進行直接測定。已有研究[8-9]表明，傅立葉衰減全反射紅外光譜技術（FTIR-ATR）因樣品無需前處理，直接放在ATR附件上進行測定，成為一種紡織纖維樣品無損鑒定和快速的檢測方法。本文采用該技術對海藻纖維進行分析檢測，并通過對譜圖進行深入解析，確定相應特征峰，從而建立海藻纖維的傅立葉衰減全反射紅外光譜鑒別分析方法，為今后建立海藻纖維相關檢測標準提供一定的技術支撐。

1 試驗

1.1 試驗準備

試驗材料：海藻纖維（散纖維形態，無紡布形態，均為浙江越隆控股集團有限公司提供）。

試驗儀器：Nicolet 6700傅立葉紅外光譜儀（配有鍺晶體ATR附件和OMNI采樣器，美國熱

電尼高力公司）。

儀器試驗條件：儀器分辨率為4 cm-1，掃描范圍為650 cm-1～4000 cm-1，掃描次數為32次。試驗采用空氣為參比，在室溫下進行光譜采集。

1.2 試驗方法

將散纖維形態的海藻纖維和無紡布形態的海藻纖維分別用FTIR-ATR法進行光譜掃描，采用空氣為參比背景譜圖，扣除背景譜圖之后，得到最終的海藻纖維FTIR-ATR光譜圖。

2 結果與討論

2.1 樣品形態對譜圖的影響

圖1中的兩條譜線分別為散纖維形態和無紡布形態的海藻纖維的紅外光譜圖。如圖1所示，形態不同的海藻纖維樣品，采集得到的特征吸收峰位置和強度基本一致。這說明了海藻纖維在從散纖維制成無紡布纖維時，沒有發生化學本質變化，而只是外觀形態有所改變。

2.2 海藻纖維紅外光譜圖解析

海藻纖維的原材料來自于天然海藻中所提取的海藻多糖，已有研究表明，海藻酸為多糖類大分子聚合物，由β- D-甘露糖醛酸（M單元）和α- L-古羅糖醛酸（G單元）兩種組分構成，M和G是一對異構體，如圖2所示。這兩個組分按不規則的排列順序分布于分子鏈中，形成無規嵌段共聚物[10]。

通過Nicolet 6700傅立葉紅外光譜儀（配有鍺晶體ATR附件和OMNI采樣器）對海藻纖維進行650 cm-1～4000 cm-1波段范圍內的光譜掃描，扣除空白背景，得到最終的海藻纖維紅外光譜圖如圖3所示。

譜圖中的出峰位置和強度由海藻纖維化學基團振動時能級變化的大小決定。觀察圖3中海藻纖維譜圖中吸收峰的位置和強度，并結合海藻纖維化學結構，得到以下譜圖解析結果。3300cm-1左右出現的寬峰為O—H的伸縮振動；2900cm-1左右出現較為微弱的峰為C—H基的伸縮振動，該峰容易被3300cm-1處寬峰所覆蓋，不宜作為鑒別海藻纖維的特征峰；1400cm-1附近出現的一組峰為O—H面內振動引起的；810cm-1～720cm-1和1250cm-1～720cm-1處的一系列小峰為C—H的變形振動和C—C環骨架振動，該兩組小峰互覆蓋和干擾，特征性較差，實用鑒別價值不明顯；1200cm-1～1000cm-1處的較強吸收峰為C—O—C的不對稱伸縮振動引起的。此外，從圖2的結構式中看到，海藻纖維大分子鏈中存在羧酸根—COO-，它是一個多電子的共軛體系，會在兩個地方出現強吸收：不對稱伸縮振動出現在1610cm-1～1560cm-1，即圖3中1593cm-1處尖峰；對稱伸縮振動出現在1440cm-1～1360cm-1，強度弱于不對稱伸縮振動，并且覆蓋了部分O—H面內振動引起的小峰。綜上所述，3300 cm-1左右出現的寬峰、1200 cm-1～1000 cm-1處的較強吸收峰、1610 cm-1～1560cm-1和1440 cm-1～1360cm-1之間的強吸收尖峰可以一同構成鑒別海藻纖維的特征峰。

3 結論

1）海藻纖維的散纖維形態和無紡布形態在相同條件下的紅外光譜圖基本一致，兩者之間僅是外觀形態不同，化學本質一致。

2）采用傅立葉衰減全反射紅外光譜技術（FTIR-ATR）對新型功能性纖維——海藻纖維進行光譜掃描，可以得到清晰的海藻纖維紅外光譜圖。經過對譜圖的深入解析，結合海藻纖維化學結構，明確了各特征吸收峰的官能團歸屬。應用FTIR-ATR技術可以準確、簡便、快速、有效地對海藻纖維進行分析和表征，在海藻纖維的鑒別分析研究中有很好的使用價值。

參考文獻：

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[9] 吳佩云. 新型纖維的FTIR-ATR快速定性分析[J]. 毛紡科技， 2010，38（2）：48-53.

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（作者單位：浙江省紡織測試研究院）