CN112578027A - 一种鉴别天然染料和合成染料的方法及其应用 - Google Patents

一种鉴别天然染料和合成染料的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于染料成分研究技术领域，提供了一种鉴别天然染料和合成染料的方法，它使用稳定同位素分馏方法，将C稳定同位素组成作为测试分析对象，通过获得染料样品中C稳定同位素组成，并分析所述染料样品中C稳定同位素组成与对应的天然染料中C稳定同位素组成的不同来鉴别染料样品是否为天然染料，该方法使用元素分析仪与稳定同位素比质谱仪联用***，采用快速燃烧原理进行C稳定同位素组成分析，测试分析时采用相对于工作标气进行测定，统一溯源到相对于国际标准，同时工作标气采用已知同位素组成的标准物质进行标定。本发明方法具有快速、高效、高灵敏度和高精准度等优势，可用于茜草染料、紫胶红和靛蓝染料等各种来源样品的鉴别。

Description

一种鉴别天然染料和合成染料的方法及其应用
技术领域
本发明总体地染料技术领域，具体地涉及一种鉴别天然染料和合成染料的方法及其应用。
背景技术
染料是指能够通过水和有机溶剂等介质上染染着物，并与该介质以某种方式结合，从而使染着物获得鲜明、均匀、坚牢色泽的有色有机化合物，主要用于各种纺织纤维的染色，也可以用于皮革、纸张、高分子材料、油墨或食物等上色。染料可分为天然与合成染料。
随着人们保健意识的越来越高，公众对服装用的面料的要求也日益苟刻，绿色、天然、安全、高档的产品更受人们青睐。天然染料气味幽香，色调柔和，很多染料具有杀菌的功效，用其染色的纺织品越来越受到人的欢迎。并且大自然中的植物、动物、矿产资源是天然染料的主要来源，其取材于天然，最终又回归于自然，既环保又符合生态循环的规律。许多天然染料具有优良的性质，无毒无害、对环境无污染、抗菌防蛀、使用方便并利于保存等。
自从合成染料进入市场以后，人们逐渐发现合成染料存在着很多问题，主要体现在以下三个方面：1、合成染料主要是从石油资源中提取并生产的，在汽车、航运等发达的今天，石油能源已经被严重消耗，因此以石油资源为原料的合成染料将受到严重威胁；2、很多偶氮染料在使用中会分解出芳香胺等可致癌物质，而被欧盟组织认定为禁用染料，因此一定存在未知的合成染料，会对人类的健康构成潜在威胁；3、大多数合成染料难以降解，染色后的废水及废弃后的纺织品不能被生物或化学降解，从而污染环境。由于合成染料的以上缺点，科研工作人员开始致力于开发可生物降解、可再生、又具有保健功效的天然环保型染料。
相比于合成染料，天然染料源于大自然，具有很好的生物降解性和环境适应性，对人体有抗菌保健的功能，其染色织物的色调清新、自然优雅，让人感觉身心舒畅，这些优点都是合成染料所缺少的。
目前，市场上存在使用合成染料冒充天然染料、天然染料被掺杂合成染料等以谋取高额利润的造假行为，不仅严重损害了消费者的利益，还对天然染料的品牌保护构成了严重威胁。为了规范染料产品市场秩序，保护消费者的合法权益，建立完善的天然染料防伪判别体系，追溯假冒伪劣染料产品源头至关重要。
为了能够建立一种一劳永逸的追溯体系，必须从染料本身的特征入手，这种特征能够一定程度上反应不同来源染料的差异状况，利用这种特征建立一个庞大的数据库，通过对未知染料的这些特征信息与数据库***进行比较与匹配，从而实现判别其真伪。
稳定同位素技术具有示踪(Tracers)、指示(Indicators)、整合(Integrators)三大重要功能，因其自身具备的可溯源性特点，能有效地解释“从哪来”等难题问题，为天然染料真实性鉴定提供了强有力的分析手段。
物质的稳定同位素组成是其自然属性，作为生物体的一个天然的标签，它不仅可以跟生物体所处的气候、环境等客观的条件有关，还与生物体自身的代谢类型有关，是原子水平的信息，不会随着外源化学添加剂的添加而改变，并且不可进行认为的更改。动植物由于所处的外界环境条件如地理特征、气候条件各部相同，同时自身代谢模式也存在差异，从而影响到了体内稳定同位素的自然分馏(由于同位素质量不同，因此在物理、化学及生物化学作用过程中，一种元素的不同同位素在两种或两种以上物质(物相)之间的分配具有不同的同位素比值的现象)。造成了不同来源的生物体内稳定同位素的自然丰度存在差异，这是稳定同位素溯源和技术鉴别的理论基础。
碳元素在自然界中存在的二种类型的稳定同位素：12C、13C，它们的含量分别占98.89％和1.11％；尽管在无机碳循环中稳定碳同位素13C/12C的比值变化很小，但是依然可以通过稳定同位素比值质谱仪(IRMS)进行准确的测定。植物在其生长过程中需要吸收大气中的CO2气体，在光合作用的过程中植物与大气的CO2的碳同位素组成要发生明显的分馏现象，植物的碳同位素组成要明显低于大气CO2的碳同位素组成。植物的稳定碳同位素分布规律与植物的光合作用代谢类型密切相关，同时还收到其他外界环境因子的影响，因此植物体的δ13C值是植物光合作用类型和生长环境协同作用的结果。
稳定同位素分馏效应是进行天然染料真实性评鉴的基础理论依据。天然染料主要来源于自然界生物体，而合成染料主要来源于石油资源，由于同位素的分馏效应，自然界生物体与石油在同位素组成上存在较大差别，因而不同来源的染料在同位素组成上可能也存在较大差别，以此为依据可进行天然染料真实性鉴定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种鉴别天然染料和合成染料的方法，它基于已知来源的天然染料的稳定同位素组成分析，对其他来源的同种样品进行稳定同位素组成分析，以判定样品是否为天然染料，同时还可借助两种已知来源的染料的稳定同位素组成分析，研究其他来源的同种样品进行成分组成分析。
本发明的技术方案是，一种鉴别天然染料和合成染料的方法，它使用稳定同位素分馏方法，将C稳定同位素组成作为测试分析对象，在测定已知为天然染料的C稳定同位素组成基础上，通过测定染料样品中的C稳定同位素组成并将其与天然染料的C稳定同位素组成进行对比分析，以判定染料样品是否为天然染料。
进一步的，上述稳定同位素分馏方法使用同位素比例质谱联用仪EA-IRMS，采用快速燃烧原理进行C稳定同位素组成分析。
更进一步的，上述样品的C稳定同位素组成用δspl-ST表示，是指样品的碳同位素含量比值RSpl相对于国际标准ST的碳同位素含量比值RST的千分差，如下式(1)所示：
Figure BDA0002797526890000041
还进一步的，本发明使用同位素比例质谱联用仪EA-IRMS测试和分析时，样品的碳稳定同位素组成δspl-ST采用样品的碳同位素含量比值相对于工作标气WG的碳同位素含量比值的千分差进行测定，测定值用δspl-WG表示；同时将工作标气WG的碳同位素含量比值统一到相对于国际标准ST的碳同位素含量比值的千分差，统一值用δWG-ST表示；则样品的碳稳定同位素组成δspl-ST的计算公式如式(2)所示：
δspl-ST＝δspl-WG+δWG-ST+δspl-WG×δWG-ST×10-3………式(2)
其中δWG-ST采用已知碳同位素组成的标准物质Std进行标定，如公式(3)所示：
Figure BDA0002797526890000051
式中的δstd-ST为已知同位素组成的标准物质Std的碳同位素含量比值相对于国际标准ST的碳同位素含量比值的千分差，δstd-WG为已知同位素组成的标准物质Std的碳同位素含量比值相对于国际标准ST的碳同位素含量比值的千分差。
还进一步的，上述标准物质Std采用USGS40，即L-谷氨酸，其δ13CVPDB给定值为-26.39‰；所述工作标气WG采用二氧化碳。
还进一步的，本发明为了消除同位素比例质谱联用仪EA-IRMS在时间上漂移引起的测量误差，在样品分析序列中***已知同位素组成的标准物质Std进行校准，时间漂移修正后的样品的碳稳定同位素组成用
Figure BDA0002797526890000053
表示，其修正公式如公式(4)所示：
Figure BDA0002797526890000052
其中，
Figure BDA0002797526890000054
为样品同位素组成的测量值；
Figure BDA0002797526890000055
为已知同位素组成的标准物质Std的碳同位素含量比值相对于国际标准ST的碳同位素含量比值千分差的校准值，
Figure BDA0002797526890000056
为已知同位素组成的标准物质Std的碳同位素含量比值相对于国际标准ST的碳同位素含量比值千分差的测量值。
天然茜草染料是我国古代文献记载中最早出现的植物染料之一，也是人类最早使用的红色植物染料，广泛应用对毛、棉、麻、皮革及丝的染色。天然茜草染料是从茜草(植物学分类：茜草科、茜草属)的根部提取的一种天然植物提取物，其主要染色成分为茜草素(又名茜素)，其物理特征如下：
中文名：茜草素
英文名：alizarin
别称：1,2-二羟基-9，10-蒽醌
化学式：C14H8O4
分子量：240.23
熔点：289～290℃
沸点：430℃(806°F；703K)
溶解性：易溶于热甲醇、25℃***，可溶于苯、冰醋酸、吡啶，在水中稍微难溶
密度：1.540g/cm3
外观：橘红色晶体或褐黄色粉末
茜草素的结构：
Figure BDA0002797526890000061
合成茜草素有着相同的分子结构，但有别于天然茜草染料，属于非天然来源的化工和成品。1868年，德国化学家格雷贝(Carl Graebe)和李伯曼(Carl Liebermann)用从煤焦油中提炼出的蒽作原料，先制作蒽醌，然后磺化、碱熔得到了合成茜草素。工业上以蒽醌-β-磺酸、烧碱和氯酸钾或硝酸钾共同加热而制得。
基于天然茜草染料与合成茜草染料中碳元素的不同来源，其各自的碳同位素组成有差异，借助EA-IRMS联机***对其各自的δ13C进行测定，选取有代表性的样品，建立合适的模型最终能以区别两者的不同。
基于此，本发明还提供了一种鉴别天然茜草染料和合成茜草染料的方法，在本发明上述方法的基础上，将天然茜草染料和待分析茜草染料分别作为两种测试样，经干燥处理后，研磨成粉，称取后用锡囊包裹，作为用于碳稳定同位素分析的测试样品；运用本发明提供的鉴别方法分别测试获得天然染料和待分析茜草染料的碳稳定同位素组成，通过比较待分析茜草染料的
Figure BDA0002797526890000073
和天然染料的
Figure BDA0002797526890000074
来判定待分析茜草染料是否为天然茜草染料。
天然茜草染料的主要成分茜草素的稳定同位素组成比较稳定，通过实验测试和数据统计，能获得统计学意义上的茜草素的稳定同位素组成的区间范围，在此区间内的待分析茜草染料都可以认定为天然茜草染料，而该区间范围外的稳定同位素组成的样品则是合成茜草染料或合成茜草染料与天然茜草染料的混合物。
本发明还提供了一种确定商品茜草染料来源的方法，运用上述鉴别天然染料和合成染料的方法分别测试获得天然染料和合成茜草的碳稳定同位素组成
Figure BDA0002797526890000075
和
Figure BDA0002797526890000071
然后测试获得商品茜草染料的碳稳定同位素组成
Figure BDA0002797526890000072
最后根据同位素质量守恒原理，计算商品茜草染料中天然茜草染料与合成茜草染料各自所占比例。
进一步的，本发明在使用同位素比例质谱联用仪EA-IRMS进行鉴别分析时，设定的工作参数如下：载气流速：100ml/min；进样口吹扫流速；200ml/min；氧气流速：250ml/min；喷氧时间：3秒；进样延迟：10秒；燃烧炉温度：980℃；GC温度55℃；参比气信号：CO2：6V；样品稀释：CO2：0；起止峰检测：CO2：0.2/0.4mV/s；背景值：BGD 44：10mV；背景值扣除法：CalcMean BGD，即取出峰之前5秒的BGD信号的平均值；分析时长：1次进样，6min内完成δ13C分析。
本发明采用的元素分析仪与同位素比质谱仪联用***，即EA-IRMS联机***，仅需微克级(μg)进样量，即可对染料样品中碳(C)稳定同位素组成进行精准分析，进而评估不同来源(天然与合成)的染料在C稳定同位素组成上的差异性，以及估算商品染料中天然与合成成分所占比例。
本发明方法可用于通过分析各种染料样品的δ13C来鉴别天然染料和合成染料，具有快速、高效、高灵敏度和高精准度等强大优势。同时通过分析不同来源的茜草染料的δ13C，利用碳(13C)稳定同位素技术对天然茜草染料的真实性进行快速甄别。所以，本发明的稳定同位素组成分析方法为天然染料的真实性鉴定提供强有力的判别依据。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种鉴别天然茜草染料与合成茜草染料的方法，包括以下步骤：
实验部分：
样品准备：将茜草染料样品干燥处理后，研磨成粉，称取约100μg由锡囊紧密包裹用于碳(C)稳定同位素分析。
仪器参数：本实验EA-IRMS联机***主要由3部分组成，分别为EA IsoLink元素分析单元、ConFlo IV连续流接口装置和DELTA V Advantage稳定同位素比质谱仪，均由赛默飞公司生产。采用快速燃烧原理对染料样品δ13C进行分析，主要参数列于表1。
表1基于快速燃烧EA-IRMS测定染料样品δ13C的主要参数
Figure BDA0002797526890000091
数据分析：
碳(C)稳定同位素组成采用相对于国际标准物质(RST，如VPDB)的千分差/‰，用δ符号表示：
Figure BDA0002797526890000101
通过EA-IRMS联机***分析时，样品C稳定同位素组成采用相对于工作标气(WG，如CO2)进行测定，统一溯源到相对于国际标准(ST)：则样品的碳稳定同位素组成δspl-ST的计算公式如式(2)所示：
δspl-ST＝δspl-WG+δWG-ST+δspl-WG×δWG-ST×10-3………式(2)
工作标气(WG)采用已知同位素组成的标准物质(Std，如USGS40即L-谷氨酸的δ13CVPDB给定值为-26.39‰)进行标定，如公式(3)所示：
Figure BDA0002797526890000102
为了消除EA-IRMS联机***在时间上漂移引起的测量误差，在样品分析序列中***已知同位素组成的标准物质(Std)进行进一步校准，如公式(4)所示：
Figure BDA0002797526890000103
Figure BDA0002797526890000111
为样品同位素组成的测量值；
Figure BDA0002797526890000112
为已知同位素组成的标准物质Std的碳同位素含量比值相对于国际标准ST的碳同位素含量比值千分差的校准值，
Figure BDA0002797526890000113
为已知同位素组成的标准物质Std的碳同位素含量比值相对于国际标准ST的碳同位素含量比值千分差的测量值。
本实施例分别以已知的天然茜草染料、工业合成茜草染料为对比样，测定各自的δ13C，进行各自的稳定同位素组成分析，然后对购买的商品茜草染料进行按照同样的方法进行δ13C测定和分析，以获得其中的天然成分和合成成分的比例。
表2展示了天然与合成茜草染料δ13C的显著差异性(p<0.05)，并根据同位素质量守恒原理，进一步解析了商品茜草染料中天然与合成成分所占比例。本实验商品茜草染料中天然成分占76.2％，合成成分占23.8％。
表2不同来源茜草染料的δ13C测定及成分计算
Figure BDA0002797526890000121
注：每个染料样品至少3次重复，δ13C采用平均值±1SD表示。
可以看出，利用碳(13C)稳定同位素技术可以对天然茜草染料的真实性进行快速甄别。
本发明还利用赛默飞EA-IRMS联机***分析了紫胶红和靛蓝染料的δ13C，同样可以基于天然染料和工业合成染料的数据，对不明来源的样品进行测试，以分析其中的天然染料和合成染料成分，以及判断是否为纯天然染料或纯工业合成染料
本发明使用EA-IRMS联机***进行测试、分析和鉴别，具有分析速度快、灵敏度高和精准度高等特点。1次进样，6min内即可完成δ13C分析。每次进样量仅为100μg，得到δ13C测定精度均优于0.2‰，满足实验室测试要求。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种鉴别天然染料和合成染料的方法，其特征在于，它使用稳定同位素分馏方法，将C稳定同位素组成作为测试分析对象，在测定已知为天然染料的C稳定同位素组成基础上，通过测定染料样品中的C稳定同位素组成并将其与天然染料的C稳定同位素组成进行对比分析，以判定染料样品是否为天然染料。
2.如权利要求1所述的鉴别天然染料和合成染料的方法，其特征在于，所述稳定同位素分馏方法使用同位素比例质谱联用仪EA-IRMS，采用快速燃烧原理进行C稳定同位素组成分析。
3.如权利要求2所述的鉴别天然染料和合成染料的方法，其特征在于，所述样品的C稳定同位素组成用δspl-ST表示，是指样品的碳同位素含量比值RSpl相对于国际标准ST的碳同位素含量比值RST的千分差，如下式(1)所示：
Figure FDA0002797526880000011
4.如权利要求3所述的鉴别天然染料和合成染料的方法，其特征在于，
使用同位素比例质谱联用仪EA-IRMS测试和分析时，样品的碳稳定同位素组成δspl-ST采用样品的碳同位素含量比值相对于工作标气WG的碳同位素含量比值的千分差进行测定，测定值用δspl-WG表示；同时将工作标气WG的碳同位素含量比值统一到相对于国际标准ST的碳同位素含量比值的千分差，统一值用δWG-ST表示；则样品的碳稳定同位素组成δspl-ST的计算公式如式(2)所示：
δspl-ST＝δspl-WG+δWG-ST+δspl-WG×δWG-ST×10-3.........式(2)
其中δWG-ST采用已知碳同位素组成的标准物质Std进行标定，如公式(3)所示：
Figure FDA0002797526880000021
式中的δstd-ST为已知同位素组成的标准物质Std的碳同位素含量比值相对于国际标准ST的碳同位素含量比值的千分差，δstd-WG为已知同位素组成的标准物质Std的碳同位素含量比值相对于国际标准ST的碳同位素含量比值的千分差。
5.如权利要求4所述的鉴别天然染料和合成染料的方法，其特征在于，所述标准物质Std采用USGS40，即L-谷氨酸，其δ13CVPDB给定值为-26.39‰；所述工作标气WG采用二氧化碳。
6.如权利要求4所述的鉴别天然染料和合成染料的方法，其特征在于，
为了消除同位素比例质谱联用仪EA-IRMS在时间上漂移引起的测量误差，在样品分析序列中***已知同位素组成的标准物质Std进行校准，时间漂移修正后的样品的碳稳定同位素组成用
Figure FDA0002797526880000022
表示，其修正公式如公式(4)所示：
Figure FDA0002797526880000023
其中，
Figure FDA0002797526880000024
为样品同位素组成的测量值；
Figure FDA0002797526880000025
为已知同位素组成的标准物质Std的碳同位素含量比值相对于国际标准ST的碳同位素含量比值千分差的校准值，
Figure FDA0002797526880000026
为已知同位素组成的标准物质Std的碳同位素含量比值相对于国际标准ST的碳同位素含量比值千分差的测量值。
7.一种鉴别天然茜草染料和合成茜草染料的方法，其特征在于，将天然茜草染料和待分析茜草染料分别作为两种测试样，经干燥处理后，研磨成粉，称取后用锡囊包裹，作为用于碳稳定同位素分析的测试样品；运用权利要求1-6中任一权利要求所述的方法分别测试获得天然染料和待分析茜草染料的碳稳定同位素组成，通过比较待分析茜草染料的
Figure FDA0002797526880000031
和天然染料的
Figure FDA0002797526880000032
来判定待分析茜草染料是否为天然茜草染料。
8.一种确定商品茜草染料来源的方法，其特征在于，运用权利要求1-6中任一权利要求所述的方法分别测试获得天然染料和合成茜草的碳稳定同位素组成
Figure FDA0002797526880000033
和
Figure FDA0002797526880000034
然后测试获得商品茜草染料的碳稳定同位素组成
Figure FDA0002797526880000035
最后根据同位素质量守恒原理，计算商品茜草染料中天然茜草染料与合成茜草染料各自所占比例。
9.如权利要求8所述的确定商品茜草染料来源的方法，其特征在于，所述同位素比例质谱联用仪EA-IRMS的工作参数如下：载气流速：100ml/min；进样口吹扫流速；200ml/min；氧气流速：250ml/min；喷氧时间：3秒；进样延迟：10秒；燃烧炉温度：980℃；GC温度55℃；参比气信号：CO2：6V；样品稀释：CO2：0；起止峰检测：CO2：0.2/0.4mV/s；背景值：BGD 44：10mV；背景值扣除法：Calc Mean BGD，即取出峰之前5秒的BGD信号的平均值；分析时长：1次进样，6min内完成δ13C分析。
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