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羊绒/羊毛纤维检测鉴别方法研究进展

  来源:《现代科学仪器》期刊2016-09-20点击:687


【核心介绍】造假技术的发展和天然羊绒随环境变化而变粗、鳞片变厚等人为及自然因素导致羊绒与羊毛的准确鉴别越来越困难。本文综述了近十年的检测鉴别方法以期为羊绒羊毛的检测鉴别工作提供一定的指导。显微镜法和计算机图像识别法以羊绒羊毛的外观为鉴别基础,主观性强,对鉴别人员经验要求高;近红外光谱技术数学模型建立困难,精度有待提高;PCR技术提取DNA困难;所以急需开发其它更准确的方法,而基于蛋白质组学的羊绒羊毛鉴定法,从蛋白质组成上对羊绒与羊毛进行区分,能更加客观、高效的鉴别羊绒羊毛,是一种极具潜力的检测方法。  

羊绒/羊毛纤维检测鉴别方法研究进展

娟,王 ,韩啸天,龚*

(北京服装学院 材料科学与工程学院,北京,100029)

摘要  造假技术的发展和天然羊绒随环境变化而变粗、鳞片变厚等人为及自然因素导致羊绒与羊毛的准确鉴别越来越困难。本文综述了近十年的检测鉴别方法以期为羊绒羊毛的检测鉴别工作提供一定的指导。显微镜法和计算机图像识别法以羊绒羊毛的外观为鉴别基础,主观性强,对鉴别人员经验要求高;近红外光谱技术数学模型建立困难,精度有待提高;PCR技术提取DNA困难;所以急需开发其它更准确的方法,而基于蛋白质组学的羊绒羊毛鉴定法,从蛋白质组成上对羊绒与羊毛进行区分,能更加客观、高效的鉴别羊绒羊毛,是一种极具潜力的检测方法。

关键词  羊绒;羊毛;鉴别方法

中图分类号  TS102.3+1      

                       

Research Progress of Cashmere and Wool Fiber Identification Method

Zhang Juan,Wang Yan,Han Xiaotian,Gong Yan*

School of Materials Science and Engineering, Beijing Institute of Fashion Technology, Beijing 100029

Abstract The development of counterfeiting technology and that natural environment lets cashmere coarsen and scale thickenit makes cashmere and wool accurately identify more and more difficult. This paper reviews testing methods of the recent ten years for cashmere and wool  to provide certain guidance. Microscope and computer image recognition method based on the identification of the appearance of the cashmere and wool, so subjectivity is strong and the demand of personnel experience is high; Near infrared spectroscopy is difficult to make mathematical model , precision needs to be improved ; PCR technology is difficult to extract DNA ; So it is urgently needed to develop other more accurate methods, and identification method based on proteomics of cashmere and wool distinguishes cashmere and wool from the protein, it can be more objective and efficient. It is a kind of potential detection method.

Keywords  Cashmere ; Wool; Identification method

羊绒在国际市场上统称为“开司米”(Cashmere),是指取自山羊身上的底层细绒毛[1].其具有优异的保暖性、舒适性,深受国内外消费者的喜爱。由于市场上羊毛、驼绒、狐狸绒等纤维原料价格远远低于羊绒原料价格,在高利润的诱惑下,不法厂商掺杂造假、以次充好,甚至对羊毛进行脱鳞片处理、拉伸处理等改变其外貌和细度来冒充羊绒,给准确鉴别羊绒带来极大挑战。羊绒鉴别普遍采用显微镜法进行,然而,羊毛及羊绒在显微镜下的鳞片和细度等特征及其相似,使用该方法鉴定时主观性强,对操作人员的经验要求高,容易产生误判[2]。所以,急需开发其它更准确的方法,本文综述了羊绒羊毛检测鉴别方法研究进展,以其尽快开发出更加客观、高效的鉴别羊绒羊毛,以应对目前的市场需求。

1显微镜法

    显微镜法仍旧是目前羊绒/羊毛纤维检测鉴别常用方法之一,主要有光学显微镜法、扫描电子显微镜法(SEM法)等。光学显微镜法是通过纤维的外观特征对其进行检测鉴定,主要观察纤维的粗细、鳞片、光洁程度等[3]。扫描电子显微镜法的测试原理是利用细聚焦电子束在固体样品表面逐点扫描,激发出二次电子、背散射电子、X射线等信号,经过放大后在阴极射线管上产生反映样品表面形貌的图像[4]。无论是光学显微镜法还是电子扫描显微镜法都不同程度的依赖于人的主观判断,对检测人员的经验要求比较高,且扫描电镜法成本较高。在2014年天津工业大学的傅宏俊等人选择用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)来进行羊绒/羊毛的检测鉴别[5]

原子力显微镜是用一端固定而另一端装有纳米级针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌的[6]。用原子力显微镜(AFM)对羊毛与羊绒纤维的表面形貌进行观察,对纤维的表面AFM 图像进行分析和比较,从中找出可鉴别不同种类纤维的形貌指标,从而达到准确鉴别羊毛与羊绒的目的。,AFM 具有如下优点:①具有极高的分辨率,它通过探针与试样材料表面原子间力的变化进行材料表面形貌的测试,超越了光线和电子束波长对分辨率的限制,因此使人们的观察视野得以向微观世界极大地延伸;②可以直接观察到试样的三维图像以及材料的局部表面结构,得到的表面形貌图形更加直观,并可获得材料表面粗糙度等重要信息。但傅宏俊等等人仅对鳞片厚度、鳞片边缘倾斜角度2 项指标进行了初步测试与分析,在其他形貌指标发掘等方面还有待进一步深入研究。且目前掺假技术多集中在破坏毛纤维的鳞片层、颜色等来影响显微镜法鉴别准确性,例如羊毛脱鳞片掺假羊绒牦牛毛脱色掺假羊绒牦牛毛脱鳞片掺假羊绒等,所以显微镜法外还需要其它方法辅助才能准确鉴别羊绒羊毛。

2计算机图谱识别法

计算机图像处理技术是将图像信号转换成数字信号,并利用计算机对其进行处理。目前多为扫描电子显微镜获取纤维的微观结构图像后通过图像采集卡输入计算机图像库进行处理,根据对纤维直径、鳞片密度、可见高度、鳞片径高比、边缘厚度、形状、周长、面积、覆盖指数及鳞片与纤维毛干的角度等大量测试数据的统计分析,建立了相应的统计模型,从中提取所需的表面形态特征参数,利用模式识别来自动鉴别羊绒羊毛纤维[7]

东华大学张凤羽等人利用BEI0NF6纤维细度仪采集图像,显微镜来观察纤维鳞片特征,由计算机来储存获取的图像,利用图像处理工具对釆集的图像进行处理,提取鳞片的纹图信息。未采用扫描电子显微镜来采集图像,降低了检测成本,有利于该方法的推广应用。

由于描述纤维鳞片的特征指标较多,目前多以单个指标考察,即使用多指标组合来鉴别纤维也缺乏理论依据,误差较大,拉伸羊毛、脱鳞片羊毛的出现更给以往计算机图谱识别法

带来检测困难。所以东华大学的张凤羽等人根据鳞片轮廓的形态,建立求解鳞片翘角与厚度的数学模型,并依此结果研究了鉴别澳毛与羊绒的可能性和准确性。通过对澳毛和羊绒鳞片翘角和厚度的统计、分布密度函数及其两类错误概率的分析,得出两类错误之和的误判率少于11.3%的结果。这为羊绒与澳毛混合体的鉴别提供了又一特征组合指标[8]

3近红外光谱技术

    近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的,记录的主要是含氢基团C一H、O一H、_N一H、S一H、P一H等振动的倍频和合频吸收。不同基团(如甲基、亚甲基、苯环等)或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别。所以近红外光谱具有丰富的结构和组成信息,非常适合用于碳氢有机物质的组成性质测量。只要测量未知样品的近红外光谱,再通过软件自动对模型库进行检索,选择正确模型,根据校正模型和样品的近红外光谱就可以预测样品的性质参数[9]

近红外光谱技术由于其检测方便、信息量大、无损等特性受到人们越来越多的关注,并且与化学计量学结合时能在一定程度上抵消其光谱峰重叠、信息弱等缺点。周莹等人探究了近红外光谱在纺织纤维上的应用,广泛应用于自然纺织纤维的品种鉴别、纤维内杂质检验以及生产过程中染料的鉴别等[10]

    目前主要是近红外光谱检测羊绒羊毛再利用偏最小二乘法,建立近红外光谱定量分析的数学模型。但试验的样品数量和代表性有限,预测模型的精确度也可以再有所提高,真正将近红外光谱应用于现实工作中还需要进行大量实验,建立更准确的数学模型来获得稳定、准确、可靠的检测结果[11]

4 PCR技术

  PCR技术应用在羊绒羊毛的检测上已经获得很深入的研究,该方法是提取羊绒羊毛的DNA,然后用PCR技术进行扩增,通过对比二者DNA的不同来进行羊绒羊毛的鉴别[12]。该方法的缺点是毛干DNA提取困难,因为毛发中的DNA主要集中在毛囊细胞中,经过加工处理的羊绒羊毛很少带有完整的毛囊,所以从毛囊细胞中提取DNA十分不易。而毛干中DNA含量比毛囊中更少,所以DNA的提取方法仍旧是目前研究的热点。所幸已经有比较成熟的山羊绒DNA提取试剂盒,如王玫等人利用TaKaRa MiniBEST Universal Genomic DNA Extraction Kit Ver.5.0试剂盒提取山羊绒DNA,能够得到很好的DNA扩增曲线,引物探针反应性能和特异性能均较好。应用该试剂盒能克服目前PCR技术中DNA提取不易这一难点[13]。陈国培等人开发出一种SDS-异硫氢酸胍-巯基乙醇羊绒羊毛DNA提取方法,该方法是利用异硫氢酸胍破坏角蛋白的氢键、盐键等,再利用巯基乙醇打断角蛋白中的二硫键,而SDS作为一种阴离子表面活性剂可促进羊绒羊毛的溶胀,该提取方法与荧光PCR法结合可准确客观的鉴别羊绒羊毛[14]PCR技术是一种客观有效的羊绒羊毛鉴别手段,但其成本较高,且毛干中存在的DNA量极少提取困难,加之染色等化学处理和定型等热处理对本就很少的DNA造成破坏,所以该技术的应用还存在一定局限性。

5蛋白质组学法

    蛋白质组学法是近几年刚兴起的羊绒羊毛鉴别方法,羊绒羊毛蛋白含量极为丰富,蛋白质的提取也有一定的研究基础。英国科学家Sanger完成了第一个蛋白质的氨基酸顺序测定,而且证明任何蛋白质都一个特有的确定的氨基酸序列[15]由于不同的蛋白质具有不同的氨基酸序列,蛋白质的氨基酸序列是由对应基因所编码,因而不同蛋白质的分子链具有与DNA法相同的指纹特征。找到某种技术对不同种类蛋白质的氨基酸顺序进行检测,可以用来对物种进行鉴定[16]

Stefan Clerens等人早在五年前就已经测定出72个完整的和30个部分羊毛特征蛋白质序列,并且确定了113个羊毛蛋白质,丰富了动物纤维蛋白质数据库[17],为蛋白质组学法进行羊绒羊毛的鉴别提供了可能性。

副教授一直致力于蛋白质组学鉴别羊绒羊毛的研究。该方法是利用基质辅助激光解吸电离/飞行时间质谱(Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization/Time of Flight, MALDI/TOF)进行羊绒羊毛蛋白质的测定,通过比较二者蛋白序列的差异进行鉴别。二者差别之一是:羊绒提取多肽在质荷比为2691.3处有特征峰值,经质谱网络数据库检索得出其氨基酸排列顺序为:YSCQLNQVQSLIVNVESQLAEIR(每个大写字母代表一种氨基酸,如Y代表酪氨酸)。所测羊毛提取多肽在质荷比2664.5处有特征峰值,经质谱网络数据库检索得出其氨基酸序列为:YSCQLSQVQSLIVNVESQLAEIR。即在羊毛中是S(丝氨酸)的位置,在羊绒中变成了N(天冬酰胺),据此可以进行羊绒和羊毛的鉴别。

目前羊绒与细羊毛混纺、羊毛改性技术、环境等因素导致的羊绒变粗等都导致羊绒与羊毛的准确客观鉴别难上加难。由于现有成熟检测方法的局限性,急需开发其它更准确的方法,基于蛋白质组学的羊绒羊毛鉴定法,从蛋白质组成上对羊绒与羊毛进行区分,才能更加客观、高效的鉴别羊绒羊毛,以应对目前的市场需求。目前该方法还在探究实验阶段,还需要增加样本量,探究稳定的蛋白提取工艺以及后期检测的仪器方法等。

6结论

本文综述了显微镜法、近红外光谱法、PCR技术等羊绒羊毛检测技术的进展,虽然各种技术都有所进展,但目前尚未有准确可靠简便易行的方法,且蛋白质组学法仍在实验室探究阶段,虽然有一定可行性但是还不成熟。要使羊绒羊毛检测技术满足市场需要还任重道远,需要加大科研力度。

致谢:

感谢北京市教委项目(基于蛋白质组学定性定量检测羊绒及其织物的方法,项目编号KM201010012007,校内编号AJ2010-08)及北京市科技新星(大气PM2.5新型阻隔防护材料的研究,项目编号xx2014B033)资助,感谢中国科学院半导体研究所周晓光博士的技术指导。

参考文献

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[5]傅宏俊,于淼,刘建中等.基于AFM 的羊毛与羊绒纤维的表面形貌研究[J].天津工业大学学报,2014,33(2):28-31.

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[17]Stefan Clerens,Charisa D.Cornellison,Santanu Deb-Choudhury,at.Developing the wool proteome[J].Journal of proteomics73(2010):1722-1731.

  (来源:《现代科学仪器》期刊

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