利用分光光度法同时测定混合染料中三种染色剂成分的初步研究

Preliminary study on simultaneous determination of three kinds of water -soluble dyes using spectrophotometry
WANG ZHIHUI
(Beijing Purkinje General Instrument Co.ltd Beijing 100083)
Abstract: The article presents a simultaneous determination method for three kinds of water-soluble dyes: acid red, acid brown and acid black by solving simultaneous equations using a UV-VIS spectrophotometer. The proposed method is simple and easy to operate. It can be used to analyze the samples directly without preseperation. The determination results are more convincible than those of using colorimetry. This method is of value for further application in determining some chemical products.
Key words: Acid red; Acid brown; Acid black; UV-VIS spectrophotometry; Simultaneous equations

酸性红是一种单偶氮类酸性染料。酸性棕属三偶氮类酸性染料，是一种性能优良的棕色酸性染料,适用于羊毛、丝绸、锦纶等织物的染色，其特点是：溶解性好，牢度高（特别是耐高温色牢度好），上色率高。酸性黑属三偶氮类酸性染料，可用于羊毛、蚕丝的染色和印花，也可用于皮革的着色，是一种蓝光黑色粉末，可溶于水，于硫酸中呈暗紫色。此三种染料以适当比例混合，加入水和助染剂可用于木材的染色。混合染料经过一次木材染色后颜色变浅，一定浓度的染料会被木材吸附，如果需要用此混合染料溶液继续为木材染色，需要按一定比例添加损失掉的染料的量，因此要求测定三种成分的染色剂的减少量。这可通过测定染色前后混合溶液中三种染料的浓度来确定。本文利用解联立方程的方法，在紫外可见分光光度计上实现了对酸性红、酸性棕和酸性黑的混合染料中三种成分浓度的同时测定。

1． 原理
多组分定量方法的原理是利用多组分吸光度的加和性，即混合物的总吸光度等于混合物中各组分吸光度之和。从而可以利用解联立方程法求得混合物中各组分的含量。
假设混合溶液中有x, y, z三种成分，而且三种成分之间会互相干扰，见图1。先在波长λ1处测量溶液的吸光度Aλ1x,y,z和纯组分的x, y, 和z的摩尔吸收系数ελ1x, ελ1y和ελ1z，然后再在波长λ2处测量溶液的吸光度Aλ2x,y,z和纯组分的x, y和z的吸收强度ελ2x, ελ2y和ελ2z，最后在λ3处测量溶液的吸光度Aλ3x,y,z和纯组分的x, y和z的吸收强度ελ3x, ελ3y和ελ3z根据吸光度加和原则可知
Aλ1x,y,z=ελ1xlCx + ελ1ylCy + ελ1zlCy
Aλ2x,y,z=ελ2xlCx + ελ2ylCy + ελ2zlCy
Aλ3x,y,z=ελ3xlCx + ελ3ylCy + ελ3zlCy
上述三式中l为比色皿厚度，在整个实验中为一固定值。各纯组分在不同波长处的摩尔吸收系数ελ1x、ελ1y、ελ1z、ελ2x、ελ2y、ελ2y、ελ2z、ελ3x、ελ3y和ελ3z均可以由已知浓度的纯组分的x, y和z测得，吸光度Aλ1x,y,z、Aλ2x,y,z和Aλ3x,y,z由实验测定，并解联立方乘可以求得各组分的浓度Cx、Cy和Cz。多组分的可以用计算机处理测定结果。
2． 实验部分
2.1 仪器和试剂
仪器：TU-1901紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）
试剂：酸性红、酸性棕和酸性棕固体粉末；使用前和使用后的混合染色剂溶液(沧州正大木业)
2.2实验部分
2.2.1标准溶液配制




图1 互相干扰的三组分吸收光谱图
1） 酸性红标准溶液
准确称取酸性红粉末0.0132g，溶解并转移至100mL容量瓶中，定容。分别移取7.0mL、6.0mL、5.0mL、4.0mL和2.0mL至五只50.0mL容量瓶中，加水至刻度线。计算出其浓度分别为：0.0185 mg/mL, 0.0158 mg/mL, 0.0132 mg/mL, 0.0106 mg/mL, 0.0053 mg/mL
2） 酸性棕标准溶液
准确称取酸性棕粉末0.0112g，溶解并转移至100mL容量瓶中。分别移取10.0mL、8.0mL、6.0mL、5.0mL和4.0mL至五只50.0mL容量瓶中，加水至刻度线。计算出其浓度分别为：0.0224 mg/mL, 0.0179 mg/mL, 0.0134 mg/mL, 0.0112 mg/mL, 0.0090 mg/mL
3） 酸性黑标准溶液
准确称取酸性红粉末0.0062g，溶解并转移至100mL容量瓶中。分别移取25.0mL、20.0mL、15.0mL、10.0mL和5.0mL至五只50.0mL容量瓶中，加水至刻度线。计算出其浓度分别为：0.0310 mg/mL, 0.0248 mg/mL, 0.0186 mg/mL, 0.0124 mg/mL, 0.0062 mg/mL
2.3确定三种组分各自的最大吸收波长
用2.2中配好的标准溶液（取中间浓度的），在紫外可见(UV-VIS)分光光度计上做光谱扫描，结果见图2。从光谱扫描曲线上确定三种组分（酸性红、酸性棕和酸性黑）最大吸收波长分别为510nm,466nm和618nm。

图2 酸性红、酸性棕和酸性黑三组分光谱扫描图

2.4标准曲线制作
利用2.2中配好的溶液，在确定三个最大吸收波长后，分别做酸性红、酸性棕和酸性黑的工作曲线，一共9条。从而确定三个不同组分在三个不同波长下的标准曲线。
2.5未知样的测定
利用紫外可见分光光度计定量测定稀释10倍后的使用前和使用后的染色剂混合溶液在三个不同波长处（510nm,466nm和618nm）的吸光度。

3．结果与讨论
3.1 测定使用前和使用后的混合染色剂的UV-VIS吸光度值A，结果见表1。
表1 未知样吸光度值的测定

3.2根据做出的九条工组曲线的斜率和测定的使用前后的染色剂的A值建立联立方程组。
3.2.1使用前的浓度求解联立方程组
0.6121=33.8Cx + 19.38Cy + 14.486Cz
0.5866=19.135Cx + 27.63Cy + 13.15Cz
0.5106=0.626Cx + 1.244Cy + 16.24 Cz
求出： Cx = 0.00189 mg/mL; Cy=0.00525 mg/mL; Cz=0.0308 mg/mL
则原使用前溶液各组分浓度为：Cx’= 0.0189 mg/mL; Cy’=0.05254 mg/mL; Cz’=0.308 mg/mL。
3.2.2使用后的浓度求解联立方程组
0.2132=33.8Cx + 19.38Cy + 14.486Cz
0.1819=19.135Cx + 27.63Cy + 13.15Cz
0.1084=0.626Cx + 1.244Cy + 16.24 Cz
求出： Cx = 0.0025 mg/mL; Cy=0.00181 mg/mL; Cz=0.00644 mg/mL
则原使用后溶液各组分浓度为：Cx’ = 0.025 mg/mL; Cy’=0.0181 mg/mL; Cz’=0.0644 mg/mL 。
3.3 讨论
应用解联立方程的方法测定酸性红、酸性棕和酸性黑的混合溶液中三种组分各自的浓度是可行的。通过使用前后染色剂的浓度差以及染色池内混合溶液的体积可以准确的计算出三种染料各自被木材吸附的量，对于添加何种染色剂，添加多少量直接提供指导作用。
对于组分酸性红，使用后的浓度大于使用前的浓度，其原因可能在于酸性红的溶解比较困难，因此使用前有些酸性红粉末并未完全溶液混合溶液中，而后经过浸泡木头，升温等程序可以使一部分没有溶解的酸性红又溶解到溶液中，并且由于木材对酸性红的吸附很小，因此导致使用后混合溶液中酸性红浓度大于使用前混合溶液中酸性红的浓度。为了证明笔者的猜测的可信度，笔者进行了以下验证实验。
3.3.1验证实验
按沧州正大木业提供的使用前三种染色剂的加入量（16.7M3染色池分别加入酸性红、酸性棕和酸性黑265g, 2651g, 6645g）的原浓度配制待测混合液：准确称取酸性红0.0045g，酸性棕0.0460g，酸性黑0.1042g，置于100mL烧杯中溶解，搅拌至几乎全部溶解，发现有少量未溶解成分，转移至250mL容量瓶，加蒸馏水至刻度线。
取上层清液，在紫外可见分光光度计上测定混合溶液在三个不同波长处（510nm,466nm和618nm）的吸光度。
将容量瓶中的混合液转移至100mL烧杯，利用水浴加热至70℃，在烧杯中放入几片沧州木业提供的木材，缓慢加热至91℃，维持此温度4h，然后让混合液在室温下冷却2h，取出少量使用后的溶液在分光光度计算上测定吸光度。
3.3.2 验证实验结果
按2.5中未知样的测定方法，结合3.2中的解联立方程组的方法，求出使用前后三种成分的浓度结果见表2。
表2 验证实验三组分浓度的测定（mg/mL）

由表中的结果可以看出，木材对酸性红几乎不吸附，而且酸性红和酸性棕两种成分开始加入时并未完全溶解，经过加热后才逐渐溶解完全。验证实验的结果可以证实笔者对于酸性红在使用后的混合液中浓度高于使用前的浓度的猜测是有道理的。
4. 结论
1） 木材对酸性红几乎不吸附，对酸性黑吸附量最大，对酸性棕的吸附量次之。并且由于酸性红溶解较为困难，木材浸泡过程中又有加热步骤，因此有可能实验结果中会出现酸性红在使用后的混合液中浓度高于使用前的浓度的情况。
2） 由于染色剂本身有颜色，不用加入其他显色剂，分析测定操作简单。
3） 本方法可以不进行预分离，直接进行测定，操作简便，具有进一步推广应用的价值。
4） 利用本方法可以对木材染色池中各染色剂成分的浓度进行定期的测定，以便随时加入减少的成分，这对于木材的染色质量控制有一定意义。

参考文献
[1] 汪志国，王静，李国刚。双波长分光光度法同时测定叶绿素a, b。普析通用，2001，10，8-10。
[2] 北京大学化学系仪器分析教学组编，仪器分析教程，北京，北京大学出版社，1997。