蔣國(guó)斌陳中豪

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640; 2.華南理工大學(xué)造紙與污染控制國(guó)家工程研究中心,廣東廣州,510640)

·流式細(xì)胞儀·

應(yīng)用流式細(xì)胞儀判斷二次膠黏物

蔣國(guó)斌1,2陳中豪2

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640; 2.華南理工大學(xué)造紙與污染控制國(guó)家工程研究中心,廣東廣州,510640)

在紙漿懸浮液中分別加入3種陽離子定著劑A159、A160和A169,并分別采用濁度法和流式細(xì)胞儀測(cè)定了紙漿懸浮液中溶解和膠體物質(zhì)(DCS)的含量。結(jié)果表明,在3種定著效果完全不同的陽離子定著劑作用下,通過濁度計(jì)測(cè)定,濾液的濁度與處理前相比都有大幅度的下降,但3種定著劑的作用效果無顯著差異。而通過流式細(xì)胞儀測(cè)定,良好定著劑處理后,DCS的數(shù)量顯著減少, 但DCS的顆粒大小未發(fā)生變化;較差定著劑處理后,DCS的數(shù)量雖然也有大幅度的減少,但DCS顆粒卻變大,膠體系統(tǒng)失穩(wěn)并形成了絮凝沉淀。因此,定著劑對(duì)膠體系統(tǒng)的處理效果,可通過流式細(xì)胞儀的檢測(cè)較好地表征出來。

二次膠黏物;濁度法;流式細(xì)胞儀

(＊E-mail:jianggb1@gmail.com)

Abstract:Three different cationic fixativesA159,A160 and A169 were added to the OCC pulp suspension and the amount of DCS in the stock was tested using TurbidityMeter and Flow Cytometer(FCM)respectively in order to disclose the advantage of FCM in theDCS testing. Results showed that turbidityof three samples all descended greatly after adding the fixations,but no significant differenceswere found among those three samples by using TurbidityMeter test.FCM test results demonstrated that the amountofDCSwasmuch less than the un-treatment samples,but the DCS particle size was almost unchanged for the treatment with good perfor mance fixative.Though the amount of DCS decreased,the size ofDCS particle became bigger for the bad perfor mance fixative trea tment,the lattermight be resulted in destabilization and flocculation of the colloidal system,and this destabilization could not be found by TurbidityMeter.Therefore,different fixation performance of cationic fixatives could bewell represented via FCM test,whichwould help us to exactly est imate the amount and deposition ofDCS in the pulp suspension.

Key words:secondary stickies;TurbidityMeter;Flow Cytometer

隨著二次纖維回用量的增加,膠黏物障礙問題日趨嚴(yán)重。膠黏物本身具黏性,常和無機(jī)填料、細(xì)小纖維等黏附在一起形成黏性沉積物,沉積在成形網(wǎng)和壓榨毛布及壓輥上,黏附在烘缸表面,并可殘留在紙幅和聚集在白水中,從而影響紙幅脫水,并在白水中形成陰離子垃圾,影響陽離子助劑的作用效果,對(duì)造紙用水的封閉循環(huán)造成障礙[1-2]。按膠黏物在漿水系統(tǒng)中的存在形式和行為,可分為一次膠黏物和二次膠黏物。前者主要是熱熔物和壓敏膠黏劑,常以固體顆粒的形式分散在紙漿懸浮液中,較易通過篩選、凈化、浮選等方式去除。而后者主要來自于殘留在漿水體系中的木材抽出物和涂布損紙中的乳膠粒子,常以溶解和膠體物質(zhì)(DCS)的形式存在,用機(jī)械法不易除去。同時(shí),DCS常隨外界條件的變化發(fā)生物理化學(xué)性質(zhì)的改變而產(chǎn)生沉積問題,從而加大了其控制的難度及危害性[3-5]。

對(duì)廢紙漿而言,膠黏物的數(shù)量是一個(gè)重要的質(zhì)量參數(shù)[5]。在紙張成形過程中,使膠黏物與纖維結(jié)合在一起被帶出系統(tǒng),可以減少系統(tǒng)中膠黏物的數(shù)量。此外,也可通過加強(qiáng)備料、篩選和凈化來減少膠黏物的數(shù)量。然而,如何對(duì)DCS的數(shù)量進(jìn)行定量,是廢紙大量回用中遇到的主要問題。目前,還沒有一種全球通用的用于紙漿懸浮液中膠黏物定量的方法。為此,各種各樣的儀器及分析方法還在源源不斷地應(yīng)用到膠黏物的研究[6-8]。

如何減少膠黏物的數(shù)量,降低其發(fā)生沉積的可能性,減少回用水中的陰離子垃圾,對(duì)回用廢紙比例較大的新聞紙廠和箱紙板廠來說非常重要,但如何定量漿水系統(tǒng)中DCS含量是需要首先了解的。目前,普遍采用濁度法測(cè)定DCS含量。然而,濁度法雖然可對(duì)紙漿懸浮液中DCS含量有一個(gè)簡(jiǎn)單快速的認(rèn)識(shí)和了解,但其只能間接表征DCS濃度,而不是一種精確的或完全值得信賴的方法。鑒于此,將流式細(xì)胞儀引入本研究,以經(jīng)過機(jī)械處理后的漿料作為研究對(duì)象,用3種定著效果不同的陽離子定著劑A159(聚胺型定著劑,低分子質(zhì)量)、A160(聚胺型定著劑,高分子質(zhì)量) 和A169(聚二烯丙基二甲基氯化銨型定著劑,低分子質(zhì)量陽離子型)對(duì)漿料進(jìn)行處理后,分別采用濁度儀和流式細(xì)胞儀檢測(cè)了紙漿懸浮液中DCS的沉積情況,以比較流式細(xì)胞儀和濁度法對(duì)DCS定量的準(zhǔn)確性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料和儀器

漿料為全OCC漿,理文紙業(yè)公司提供。陽離子定著劑A159、A160和A169均為瑞士某化工公司提供;特種熒光染料Nile Red由美國(guó)Molecular Probes公司生產(chǎn)。

2100 N濁度儀,美國(guó)Hach公司生產(chǎn);流式細(xì)胞儀(Cyflow)由德國(guó)PARTEC公司生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 濁度的測(cè)量

濁度采用2100N濁度儀測(cè)定。對(duì)于無纖維存在的情況,取500 mL漿料(漿濃3.5%,下同),分別加入陽離子定著劑A159、A160和A169后,靜置10 min再測(cè)定殘余濁度;對(duì)于有纖維存在的情況,取500 mL漿料,分別加入陽離子定著劑A159、A160 和A169進(jìn)行沉積處理,處理后的紙漿懸浮液通過200目銅網(wǎng)過濾,取最初的100 mL濾液并靜置10 min,測(cè)定殘余濁度。

1.2.2 流式細(xì)胞儀分析

取500 mL漿料,經(jīng)過200目銅網(wǎng)過濾后,分別加入陽離子定著劑A159、A160和A169進(jìn)行處理。靜置10 min后,加入特種熒光染料,混勻染色5 min;將染色后的漿料稀釋至一定濃度,隨后加入標(biāo)準(zhǔn)顆粒(聚苯乙烯類似物)作為參照物,攪拌均勻后靜置10 min,采用流式細(xì)胞儀進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 濁度儀分析

2.1.1 濁度儀分析原理

濁度測(cè)量的是樣品的相對(duì)澄清度,而不是樣品在外觀上混濁的程度表現(xiàn)[9]。濁度計(jì)發(fā)出光線,使之穿過一段樣品,并從與入射光呈90°的方向上檢測(cè)有多少光被水中的顆粒物所散射,光強(qiáng)度的減少與樣品中顆粒物的數(shù)量有直接關(guān)系。漿料經(jīng)陽離子定著劑處理后濾液的濁度變化機(jī)理如圖1所示,一部分帶負(fù)電的DCS在陽離子定著劑的作用下,黏附在纖維表面,減少了存在紙漿懸浮液中DCS的含量,濾液濁度有一定程度的降低。

圖1 漿料經(jīng)陽離子定著劑處理后濾液濁度變化的機(jī)理

2.1.2 濁度儀分析結(jié)果

用濁度儀測(cè)量漿料經(jīng)3種陽離子定著劑A159、A160和A169處理前后濾液濁度,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,在3種定著劑作用下,所得濾液的濁度與處理前相比,都有大幅度的下降,濁度的變化和加入定著劑的量呈線性關(guān)系,且3種定著劑處理的濾液濁度下降的幅度基本相同。

圖2 濾液濁度與定著劑用量的關(guān)系

通過對(duì)定著劑處理后漿料濾液濁度變化機(jī)理所做的分析(見圖3),可以發(fā)現(xiàn),在定著劑固著效果良好的情況下,帶負(fù)電的DCS在陽離子定著劑的作用下,可有效地黏附在纖維表面,并隨著纖維被帶出紙機(jī)系統(tǒng),減少了存在于紙漿懸浮液中DCS的數(shù)量;然而,在定著劑定著效果最差的情況下,DCS并沒有被成功地定著到纖維表面,而這種差異通過濁度計(jì)未能檢測(cè)出來,從而使失穩(wěn)后的DCS絮凝成塊,繼續(xù)留在漿水系統(tǒng)中,并有可能在成形網(wǎng)等設(shè)備的表面形成沉積,對(duì)造紙用水的封閉循環(huán)產(chǎn)生了障礙。

圖3 定著效果不同的定著劑處理后漿料濾液濁度變化的機(jī)理

2.2 流式細(xì)胞儀分析

2.2.1 流式細(xì)胞儀工作原理

流式細(xì)胞術(shù)(flow cytometry,FCM)也稱熒光激活細(xì)胞分類術(shù),已廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、免疫學(xué)、遺傳學(xué)、臨床檢驗(yàn)等領(lǐng)域,具有檢測(cè)速度快、測(cè)量指標(biāo)多、采集數(shù)據(jù)量大、分析全面和方法靈活等特點(diǎn)。流式細(xì)胞儀主要由液流系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)及電學(xué)系統(tǒng)組成。

(1)液流系統(tǒng):樣本被壓進(jìn)噴嘴(SIP)的中央,使其與水平方向的激光光束垂直相交。

(2)光學(xué)系統(tǒng):液流推進(jìn)裝置使樣本呈單列,并以均等的時(shí)間依次通過激光照射區(qū),被熒光染色的樣本受照射后,可產(chǎn)生散射光和熒光兩種信號(hào)。散射光分為前向散射光(forward scatter,FSC)及側(cè)向散射光(side scatter,SSC)。FSC與樣本體積大小呈正比,SSC與樣本的顆粒度和復(fù)雜性有關(guān)。

(3)電學(xué)系統(tǒng):光學(xué)信號(hào)經(jīng)電學(xué)系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)信號(hào),經(jīng)專業(yè)軟件處理得出檢測(cè)結(jié)果[10-12]。

流式細(xì)胞儀的工作原理圖如圖4所示。

圖4 流式細(xì)胞儀的工作原理圖

FCM用高能量激光照射高速流動(dòng)狀態(tài)下被熒光染色的細(xì)胞結(jié)構(gòu),測(cè)量其產(chǎn)生的散射光和發(fā)射熒光的強(qiáng)度,從而對(duì)細(xì)胞的特性進(jìn)行快速的定性或定量分析[13]。流式細(xì)胞儀能測(cè)量細(xì)胞的5個(gè)參數(shù):FSC、SSC、綠色熒光(FL-1)、黃色熒光(FL-2)和紅色熒光(FL-3),這5個(gè)參數(shù)分別表示散射光及熒光信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度,單位為道數(shù)。FSC和SSC是細(xì)胞對(duì)激發(fā)光的散射信號(hào),分別反映了細(xì)胞的大小和細(xì)胞的粒度,細(xì)胞越大,胞內(nèi)顆粒物越多,則FSC和SSC越強(qiáng)。FL-1、FL-2和FL-3記錄了綠、黃和紅3種顏色熒光,分別代表這3種熒光所標(biāo)記的細(xì)胞參數(shù)。流式細(xì)胞儀就是通過測(cè)量這些參數(shù)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分類計(jì)數(shù)及統(tǒng)計(jì)分析的,用門(gate)圈出各個(gè)細(xì)胞群體,分析細(xì)胞群體中各細(xì)胞亞群的比例及其各項(xiàng)指標(biāo)的大小。

同時(shí),樣品管中還加有已知數(shù)量的易于與細(xì)胞區(qū)分的熒光微球作為絕對(duì)計(jì)數(shù)的內(nèi)標(biāo)。

2.2.2 流式細(xì)胞儀分析結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)中,將經(jīng)過濾后的紙漿懸浮液中的DCS顆粒及其他組分類比為一個(gè)個(gè)的細(xì)胞。當(dāng)紙漿懸浮液中的DCS顆粒和其他組分被染色后,由于紙漿懸浮液中各組分顆粒特性的差異,流式細(xì)胞儀收集的顆粒的熒光信號(hào)也會(huì)有所不同,因此,根據(jù)熒光信號(hào)的強(qiáng)弱可將DCS顆粒和其他組分區(qū)分開來。同時(shí),根據(jù)內(nèi)參中標(biāo)準(zhǔn)顆粒的大小和數(shù)量,可統(tǒng)計(jì)出DCS的大小和數(shù)量。

當(dāng)紙漿懸浮液中帶負(fù)電荷的DCS顆粒染上熒光染料后,在流式細(xì)胞儀推進(jìn)裝置的穩(wěn)定作用下,使樣本呈單列,每顆DCS粒子以均等的時(shí)間依次通過儀器的激光照射區(qū),被熒光染料染色的DCS受到照射后發(fā)出散射光信號(hào)和熒光信號(hào),經(jīng)電學(xué)系統(tǒng)采集后,轉(zhuǎn)變成電學(xué)信號(hào),經(jīng)專業(yè)軟件處理后,得到DCS的數(shù)量和大小等信息。

經(jīng)不同的定著劑處理后,樣品的流式細(xì)胞儀分析結(jié)果如圖5所示,DCS顆粒數(shù)量和大小的變化如表1和表2所示。其中,圖5中的R2區(qū)域?yàn)閮?nèi)部參照,R1區(qū)域?yàn)闄z測(cè)區(qū)域,分別代表DCS的數(shù)量和大小信息。

圖5 不同定著劑處理后的樣品的流式細(xì)胞儀分析

表1 設(shè)定區(qū)域內(nèi)不同定著劑處理后DCS數(shù)量的變化

表2 不同定著劑處理后DCS顆粒的數(shù)量及大小變化

結(jié)果表明,與空白樣相比,分別經(jīng)定著劑A160、A159及A169處理后的樣品,DCS在數(shù)量上均有明顯的減少。然而,在定著效果不同的處理中,數(shù)量減少的情況卻有著明顯的區(qū)別,其數(shù)量減少的順序?yàn)锳160>A159>A169;經(jīng)A169處理后的樣品,DCS顆粒數(shù)量比經(jīng)A160處理后的樣品的多,表明膠黏物顆粒沒有很好地定著到纖維上,還在紙漿懸浮液中繼續(xù)存在,定著效果不是非常理想。此外,對(duì)于DCS顆粒大小,在良好定著劑A160處理時(shí),DCS數(shù)量顯著減少的同時(shí),DCS的顆粒大小并沒有太多變化, DCS之間未聚集成塊。而經(jīng)A169處理后的樣品, DCS的數(shù)量雖然減少了,但顆粒大小也增大了,DCS之間發(fā)生了聚集。

因此,不理想的陽離子定著劑的加入使膠體系統(tǒng)失穩(wěn)形成絮凝沉淀的情況,可通過流式細(xì)胞儀的檢測(cè)直接表征出來,從而可準(zhǔn)確地對(duì)紙料懸浮液中DCS的數(shù)量和沉積情況進(jìn)行評(píng)估,彌補(bǔ)了濁度法存在的不足。同時(shí),流式細(xì)胞儀的應(yīng)用還可以對(duì)定著劑的不同定著效果有一個(gè)客觀的評(píng)價(jià)。

3 結(jié) 語

濁度法雖然可檢測(cè)到紙料懸浮液中溶解和膠體物質(zhì)(DCS)的數(shù)量及濃度的變化,但不能區(qū)分DCS顆粒良好固著和失穩(wěn)凝絮兩種效果的差別,不能對(duì)紙料懸浮液中的DCS顆粒準(zhǔn)確的定量。DCS的數(shù)量和顆粒大小的變化通過流式細(xì)胞儀的檢測(cè)可以得到客觀的反應(yīng),從而對(duì)陽離子定著劑定著效果的優(yōu)劣做出正確的判斷。

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(責(zé)任編輯:陳麗卿)

Estimation of D issolved and ColloidalMaterials by Flow Cytometer

J IANG Guo-bin1,2,＊CHEN Zhong-hao2

(1.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou, Guangdong Province,510640;2.National Engineering Research Center of Paper m aking and Pollution Control, South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)

蔣國(guó)斌先生,在讀博士研究生;主要研究方向:造紙化學(xué)品。

TS749+.7;TS744

A

0254-508X(2010)05-0001-04

2009-12-03(修改稿)