元佳麗， 陳峙宇， 王欣雨， 李曉贏， 李敏慧， 賈鵬飛， 王慧慶

直接測(cè)量纖維素分子量的方法研究進(jìn)展

元佳麗， 陳峙宇， 王欣雨， 李曉贏， 李敏慧， 賈鵬飛， 王慧慶*

（合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，安徽 合肥 230009）

綜述了纖維素被直接溶解后測(cè)量分子量的系列方法，包含端基法、滲透壓法、粘度法、光散射法、體積排阻色譜法（SEC）、SEC-MALLS聯(lián)用技術(shù)、流變學(xué)七種方法，分析了每種方法的原理、應(yīng)用實(shí)例、優(yōu)缺點(diǎn)、限制條件等。特別指出SEC-MALLS-RI串聯(lián)技術(shù)可獲得構(gòu)象、聚集態(tài)等多級(jí)結(jié)構(gòu)信息，流變學(xué)法是新的表征纖維素分子量分布的相對(duì)可行又簡(jiǎn)易的方法，粘度法是唯一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法，最后對(duì)幾種方法進(jìn)行了總結(jié)對(duì)比分析。纖維素領(lǐng)域研究人員可根據(jù)本文提供的全面纖維素分子量檢測(cè)方法去選擇適宜的手段。

纖維素；分子量；分子量分布；間接法；直接法

纖維素是自然界產(chǎn)量最豐富的天然多糖，由β-D-吡喃葡萄糖單元通過(guò)1,4-糖苷鍵連接成的線性生物高分子[1]，具有生物相容性好、可生物降解、力學(xué)性能優(yōu)良、可反應(yīng)性等特點(diǎn)，廣泛用于紙張、納米纖維素、氣凝膠、纖維素衍生物、功能材料等。纖維素來(lái)源主要包含植物、藻類、海鞘背囊和生物發(fā)酵四大類。不同來(lái)源的纖維素平均分子量和分子質(zhì)量分布不同，影響其溶解性能、可反應(yīng)性、機(jī)械性能、流變性能、加工性能、材料壽命等[2]，因此纖維素分子量的測(cè)量對(duì)其性能研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用有重大意義。因纖維素分子鏈間、分子鏈內(nèi)部存在強(qiáng)氫鍵作用，使其幾乎不溶于大多數(shù)常見(jiàn)的溶劑，所以常將纖維素衍生化后溶解在常見(jiàn)溶劑中再測(cè)量分子量。例如衍生成羥丙基纖維素后用靜態(tài)光散射測(cè)其水溶液分子量分布[3]，衍生成甲基纖維素后用體積排阻色譜-激光光散射儀（SEC-MALLS）聯(lián)用技術(shù)測(cè)其硝酸鈉溶液分子量[4]，用超速離心法測(cè)羧甲基纖維素的氯化鈉水溶液分子量[5]。但這些間接測(cè)定方法會(huì)導(dǎo)致低分子量分子鏈在實(shí)驗(yàn)操作中流失、高分子量分子鏈的反應(yīng)降解等問(wèn)題。因此有必要直接溶解纖維素來(lái)測(cè)試，去獲取更準(zhǔn)確的分子量信息。

縱觀國(guó)內(nèi)外纖維素領(lǐng)域相關(guān)研究，在此總結(jié)出纖維素分子量直接測(cè)定的7種方法，主要包含端基法、滲透壓法、粘度法、光散射法、體積排阻色譜法（SEC）、SEC-MALLS聯(lián)用技術(shù)、流變學(xué)法，并對(duì)每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和使用條件進(jìn)行了對(duì)比分析，為纖維素相關(guān)研究人員和工業(yè)化生產(chǎn)提供各自適宜的檢測(cè)手段。

1 直接測(cè)定法

1.1 端基法

1.2 滲透壓

滲透壓與分子量成反比，高分子量部分貢獻(xiàn)很小，所以滲透壓法會(huì)忽略了樣品的高分子量部分信息。Kamide 等檢測(cè)了滲透壓法的上限為100 kD g/mol[9]。一般膜滲透法測(cè)定用纖維素基膜（如玻璃紙或細(xì)菌纖維素）[10]，但這些膜不能完全抵抗纖維素的溶劑例如銅乙二胺（CDE）溶液，即使用聚乙烯丁醛（PVB）膜，它也會(huì)被DMAC/LiCl體系溶解，因此美國(guó)Immergut等[11]開(kāi)發(fā)了兩種膜，Kel-F和聚乙烯醇縮丁醛，對(duì)銅乙二胺溶液具有穩(wěn)定的抗腐蝕性，測(cè)得亞硫酸鹽漿和粘膠人造絲纖維素的銅乙二胺溶液數(shù)均分子量分別為102 kD和39.9 kD。由此可見(jiàn)，滲透壓法測(cè)纖維素分子量對(duì)膜材料要求高，且樣品高分子量部分要少。

1.3 粘度法

[]＝KvMv （2）

傳統(tǒng)銅氨溶液存在降解纖維素的缺點(diǎn)，銅乙二胺溶液制備困難，因此新的有效溶劑是粘度法測(cè)量纖維素分子量的關(guān)鍵技術(shù)。采用4-N-丁基氫氧化銨/二甲基亞砜（THDS）作為溶劑，用AFM和DLS方法來(lái)驗(yàn)證纖維素是分子水平上分散在THDS中，可發(fā)現(xiàn)纖維素在該溶劑中并未發(fā)生降解。中科院化學(xué)研究所劉佳健等[15]建立了在BmimAc/DMSO（質(zhì)量比為1∶1）溶劑體系中測(cè)量纖維素分子量的測(cè)定方法，特性粘度與DP的關(guān)系為DP＝134[g]1.2。此新溶劑制備簡(jiǎn)單，溶解過(guò)程溫和，纖維素不會(huì)在溶解過(guò)程中發(fā)生降解，溶液透明且穩(wěn)定。該種溶劑體系適合測(cè)量纖維素聚合度在220～1400的纖維素。

1.4 光散射方法

1.5 體積排阻色譜法

1.6 SEC-MALLS聯(lián)用技術(shù)

SEC-MALLS法還可以獲得纖維素在溶液中的聚集態(tài)信息。Mako Yamamoto等[30]從雪松、山毛櫸和桉樹(shù)中提取全纖維素，經(jīng)EDA預(yù)處理后完全溶解在8%LiCl/DMI并稀釋到1%后經(jīng)尺寸排阻色譜/多角度激光散射/光電二極管陣列（SEC-MALLS-PDA）分析，發(fā)現(xiàn)如圖1所示各種全纖維素都呈現(xiàn)雙分子量分布，分別歸屬于全纖維素高分子量纖維素和低分子量的半纖維素部分。獲得的分子量與均方根半徑曲線圖顯示所有木質(zhì)纖維素都具有致密的構(gòu)象，軟木和硬木高分子量部分纖維素都含有支鏈結(jié)構(gòu)，且可能存在于結(jié)晶纖維素微纖維表面。

圖1 SEC-MALLS 測(cè)定日本雪松、山毛櫸和桉樹(shù)全纖維素分子量分布[32]

圖2 流變學(xué)方法測(cè)量的四種不同纖維素分子量分布[33]

1.7 流變學(xué)方法

以上6種測(cè)定纖維素分子量方法需要根據(jù)測(cè)試設(shè)備要求選擇特定溶劑。例如SEC測(cè)試時(shí)需要LiCl/DMAc溶解纖維素，要經(jīng)過(guò)脫水、高溫活化、溶解和稀釋等復(fù)雜過(guò)程操作，受實(shí)驗(yàn)條件和操作方法限制。近年出現(xiàn)了不受限于溶劑的利用高聚物的流變性質(zhì)測(cè)定纖維素的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布[33]的方法。俄國(guó)Tuminello[34]建立了一套“稀釋假定”理論，由高聚物的動(dòng)態(tài)流變性能儲(chǔ)存模量（G′）和損耗模量（G″）主曲線計(jì)算高聚物的分子量分布。張慧慧等[35]將來(lái)自棉漿、生產(chǎn)輪胎簾子線用木漿、木漿以及軟木硫酸鹽漿4種纖維素的9%（wt）NMMO H2O溶液，采用Tuminello的方法，使用動(dòng)態(tài)流變儀在一定的應(yīng)變幅度和不同的頻率下確定了動(dòng)態(tài)流變特性，發(fā)現(xiàn)這四種纖維素的分子量分布寬度大小順序?yàn)槊逎{中纖維素＞生產(chǎn)輪胎簾子線用木漿中纖維素＞木漿中纖維素＞軟木硫酸鹽漿中纖維素。如圖2所示，流變方法測(cè)得的樣品2的MWD最窄，樣品1其次，樣品3的MWD最寬，此動(dòng)態(tài)流變法結(jié)果與SEC方法是一致的，證明了流變學(xué)方法可用于測(cè)試?yán)w維素相對(duì)分子質(zhì)量分布。但值得注意的是，雖然流變學(xué)方法將MWD曲線視為一種正態(tài)函數(shù)的分布，但不能像SEC方法測(cè)得的MWD曲線那樣能通過(guò)觀察曲線的分布情況來(lái)判斷組成纖維素的主要部分是低分子量、中分子量還是高分子量。

2 測(cè)量纖維素聚合度的標(biāo)準(zhǔn)方法

七種方法中只有粘度法被立為測(cè)量纖維素分子量的現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，包括GB/T 5888-1986《苧麻纖維素聚合度測(cè)定方法》和GB/T 29305-2012《新的和老化后的纖維素電氣絕緣材料粘均聚合度的測(cè)量》。GB/T 5888-1986對(duì)苧麻纖維素生產(chǎn)、驗(yàn)收和交貨中聚合度的測(cè)量進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化[38]，使用1M銅乙二胺溶液作為溶劑，通過(guò)直徑為0.5～0.6 mm的奧氏粘度計(jì)測(cè)出苧麻纖維銅乙二胺溶液的特性粘度[]′，最后通過(guò)公式（4）計(jì)算出苧麻纖維素的聚合度。國(guó)標(biāo)GB/T 29305-2012方法類似，以1M銅乙二胺溶液作為溶劑，用烏氏黏度計(jì)測(cè)出溶液的本征粘度，根據(jù)（K＝0.007 5，α＝1）計(jì)算出所測(cè)試樣的粘均聚合度。此標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法適用于所有纖維素絕緣材料，如變壓器、電纜、電容器等產(chǎn)品中使用的纖維素絕緣材料[39]，同時(shí)也適用于化學(xué)改性后能在選擇溶劑中完全溶解的牛皮紙的本征黏度的測(cè)定。此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法的優(yōu)勢(shì)在于溶解條件不苛刻溶解快、測(cè)試操作簡(jiǎn)單快速、不需要校準(zhǔn)、粘度計(jì)設(shè)備廉價(jià), 能粗略估計(jì)不同批號(hào)纖維素相對(duì)平均分子量大小，方便在纖維素相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)普及使用，粘度數(shù)據(jù)也就已成為商品的分子量相對(duì)表示方法。

3 總結(jié)

本文從國(guó)內(nèi)外大量研究中總結(jié)出7種直接測(cè)定纖維素分子量的方法，歸納對(duì)比來(lái)說(shuō)，端基法、滲透壓法側(cè)重樣品低分子量部分，端基法測(cè)量精準(zhǔn)度只適合2萬(wàn)以下分子量的樣品，所以不太常用。光散射法、SEC和SEC-MALLS是絕對(duì)法，測(cè)量范圍寬，103～108，適合科研人員獲得精準(zhǔn)分子量信息以及均方根半徑、構(gòu)象、聚集態(tài)等鏈結(jié)構(gòu)信息，這幾種方法設(shè)備昂貴、操作要經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)，其中光散射法對(duì)潔凈度要求最高，要在無(wú)塵空間且需要徹底回流潔凈容器。新興的流變學(xué)法通過(guò)粘度間接測(cè)分子量和分子量分布且不受溶劑種類限制，操作難度不大、測(cè)試快速，很適合有流變?cè)O(shè)備時(shí)替代其他方法。最經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)易的還屬粘度法，也是唯一已建立國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的方法，可滿足纖維素生產(chǎn)行業(yè)快速獲取纖維素相對(duì)分子量信息。纖維素工作者可根據(jù)可行條件和需求選擇合適的測(cè)試方法。

[1] Henning J, Kristensen J B, Claus F. Enzymatic conversion of lignocellulose into fermentable sugars: Challenges and opportunities[J]. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 2007, 1(2): 119-134.

[2] 李婉. 植物細(xì)胞壁中纖維素結(jié)構(gòu)及纖維素的提取和功能材料制備[D]. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2018.

[3] 呂苗. 羥乙基纖維素的改性及在洗發(fā)水中的應(yīng)用研究[D]. 江南大學(xué), 2013.

[4] 劉菁, 吳燕, 李華龍, 等. SEC-RI-MALLS聯(lián)用技術(shù)測(cè)定甲基纖維素的分子量及分子量分布[J]. 藥物分析雜志, 2019, 39(6): 1058-1062.

[5] Arinaitwe E, Pawlik M. Dilute solution properties of carboxymethyl celluloses of various molecular weights and degrees of substitution[J]. Carbohydrate Polymers, 2014, 99: 423-431.

[6] Husemann E, Weber O H. Bestimmung des Molekula -rgewichtes von cellulosen nach einer endgruppenmethode[J]. Die Naturwissenschaften, 1942, 30: 280-281.

[7] Gunther W, Heublein B, Klemm D,. Peracetylated cellulose: End group modification and structural analysis by means of1H-NMR spectroscopy[J]. Cellulose, 2005, 12(1): 15-24.

[8] Ian M Ward. Polymers: Chemistry and physics of modern materials, 3rd edition, by J.M.G. Cowie and V. Arrighi[J]. Contemporary Physics, 2009, 50(6): 670.

[9] Kenji K, Toshikazu T, Hideo U. Molecular weight determination of macromolecules by vapor pressure osmometry[J]. Macromolecular Chemistry and Physics, 1976, 177(5): 1447-1464.

[10] Masson C R, Melville H W. Osmometry of high polymer solutions. II. Osmotic measurements using bacterial cellulose membranes[J]. Journal of Polymer Science, 1949, 4(3): 337-350.

[11] Immergut E H, Ranby B G, Mark H F. Recent work on molecular weight of cellulose[J]. American Chemical Society, 1953, 45(11): 2483-2490.

[12] Bu D Q, Hu X Z, Yang Z J. Elucidation of the relationship between intrinsic viscosity and molecular weight of cellulose dissolved in tetra-N-butyl ammonium hydroxide/dimethyl sulfoxide[J]. Polymers, 2019, 11(10): 1605-1608.

[13] 洪宏, 周蔚虹, 喻云水, 等. 粘度法測(cè)定竹材薄壁組織和維管束中纖維素的分子量[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 37(1): 112-117.

[14] Padzil F N M, Zakaria S, Chia C H,. Effect of acid hydrolysis on regenerated kenaf core membrane produced using aqueous alkaline-urea systems[J]. Carbohydrate Polymers, 2015, 124: 164-171.

[15] Liu J J, Zhang J M, Zhang B Q,. Determination of intrinsic viscosity-molecular weight relationship for cellulose in BmimAc/DMSO solutions[J]. Cellulose, 2016, 23(4): 2341-2348.

[16] Oberlerchner J T, Rosenau T, Potthast A. Overview of methods for the direct molar mass determination of cellulose[J]. Molecules (Basel, Switzerland), 2015, 20(6): 10313-10341.

[17] Andre M, Striegel. Stepan Podzimek: Light scattering, size exclusion chromatography and asymmetric flow field flow fractionation (powerful tools for the characterization of polymers, proteins and nanoparticles)[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2012, 402(5): 1857-1858.

[18] Michels R, Goerigk G, Vainio U,. Coaggregation of two anionic azo dyestuffs: A combined static light scattering and small-angle x-ray scattering study[J]. Journal of Physical Chemistry B, 2014, 118(27): 7618-7629.

[19] Drechsler U, Radosta S, Vorwerg W. Characterization of cellulose in solvent mixtures with N-methylmorpholine-N-oxide by static light scattering[J]. Macromolecular Chemistry and Physics, 2000, 201(15): 2023 -2030.

[20] Bano S, Negi Y S. Studies on cellulose nanocrystals isolated from groundnut shells[J]. Carbohydrate Polymers, 2017, 157: 1041-1049.

[21] Cai J, Zhang L N. Unique gelation behavior of cellulose in NaOH/urea aqueous solution[J]. Biomacromolecules, 2006, 7(1): 183-189.

[22] Podzimek S. Light scattering, size exclusion chromatography and asymmetric flow field flow fractionation: Powerful tools for the characterization of polymers, proteins and nanoparticles[M]. Pardubice, Czech Republic, 2011: 37-98.

[23] 孫夢(mèng)妍. 基于靜態(tài)光散射法的高聚物分子量測(cè)量技術(shù)研究[D]. 山東理工大學(xué), 2017.

[24] 朱振華, 劉羿君, 封云芳, 等. 竹纖維素在LiCl/DMAc體系中分子量大小和分布的研究[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2008(3): 248-251.

[25] 王則奮, 黃科林, 王犇, 等. 纖維素微球的分子質(zhì)量及其分布[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 40(7): 3840-3841, 3848.

[26] Yoshihiro K, Miyako T, Maricella T,. Degradation of cellulose in NaOH and NaOH/urea aqueous solutions by ultrasonic irradiation[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2019, 51: 419-423.

[27] 張衛(wèi)東, 胡川梅, 鄭璐俠, 等. SEC-MALLS法測(cè)定普魯蘭糖相對(duì)分子質(zhì)量及分子質(zhì)量分布[J]. 藥物分析雜志, 2015, 35(7): 1213-1217.

[28] Zhang K J, Su R X, Qi W,. Enzymatic hydrolysis of cellulose with different crystallinities studied by means of SEC-MALLS[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2011, 19(5): 773-778.

[29] Ono Y, Hiraoki R, Fujisawa S,. SEC-MALLS analysis of wood holocelluloses dissolved in 8% LiCl/1,3-dimethyl-2-imi-dazolidinone: Challenges and suitable analytical conditions[J]. Cellulose, 2015, 22(5): 3347-3357.

[30] Mako Y, Ryota K, Masahiro Y. Light-scattering analysis of native wood holocelluloses totally dissolved in LiCl-DMI solutions: High probability of branched structures in inherent cellulose[J]. Biomacromolecules, 2011, 12(11): 3982-3988.

[31] Tove S, Torgeir H, Odd I O,. Characterization of cellulose by SEC-MALLS[J]. Cellulose, 2002, 9(2): 149-158.

[32] Shakunm, Maierh, Heinze T,. Molar mass characterization of sodium carboxymethyl cellulose by SEC-MALLS[J]. Carbohydr Polym, 2013, 95(1): 550-552.

[33] Strlic M, Kolar J. Size exclusion chromat ography of cellulose in LiCl/N, N-Dimeth ylacet amide[J]. Biochem Biophys Methods, 2003, 56: 265-279.

[34] Tuminello W H, Mauroux N C. Determining molecular weight distribution from viscosity versus shear rat e flow curves[J]. Polymer Engineer Science, 1991, 31(10): 1496-1507.

[35] Zhang H H, Zhang Y P, Shao H L,. Prediction of molecular weight distribution of cellulose by using the rheological method[J]. Polymer Engineering and Science, 2004, 94(2): 598-603.

[36] 張慧茹, 童明偉, 邵惠麗, 等. 纖維素在NMMO?H2O中的濃度對(duì)流變法測(cè)定纖維素相對(duì)分子質(zhì)量及其分布的影響[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2007, 33(2): 144-148.

[37] Zhang H R, Liu X Y, Li D S,. Effect of cellulose concentration in NMMO center dot H2O Solution on prediction of Mw and MWD of cellulose using a rheology-based method[J]. Polymer Engineer Science, 2009, 49(3): 554-558.

[38] 全國(guó)紡織品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T 5888-1986, 苧麻纖維素聚合度測(cè)定方法[S]. 中國(guó): 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局, 1986.

[39] 全國(guó)電氣絕緣材料與絕緣系統(tǒng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T 29305-2012, 新的和老化后的纖維素電氣絕緣材料粘均聚合度的測(cè)量[S]. 中國(guó): 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì), 2012.

Research Progress of Methods for the Direct Molar Weight Determination of Cellulose

YUAN Jia-li, CHEN Shi-yu, WANG Xin-yu, LI Xiao-ying,LI Min-hui, JIA Peng-fei, WANG Hui-qing*

（School of Chemistry and Chemical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China）

This article reviewed a series of methods for measuring molecular weight of cellulose after direct dissolution, including end-group method, osmotic pressure method, viscosities method, light scattering method, volume rejection chromatography (SEC), SEC-Mallades combined technique, rheology method, and analyzed the advantages, disadvantages and limitations of each method. It was pointed out that the SEC-MALLS-RI series technique could obtain multilevel structure information such as conformation and aggregation state, rheological method was a new and feasible method to characterize molecular weight distribution of cellulose, viscosity method is the only national standard method. At the end of the paper, several methods are summarized and contrast analyzed. According to the comprehensive molecular weight detection method provided in this paper, Researchers in the field of cellulose could select the appropriate method of measurement.

cellulose; molecular weight; molecular weight distribution; indirect method; direct method

O633

A

1004-8405(2021)03-0047-07

10.16561/j.cnki.xws.2021.03.05

2021-04-19

國(guó)家自然科學(xué)基金（31870535、51603059）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（106-4115100027）；國(guó)家博士后基金（203-211000091）和安徽省博士后基金。

元佳麗（1997～），女，研究生；研究方向：高分子基功能材料。3479407982@qq.com

通訊作者：王慧慶（1983～），女，博士，副教授；研究方向：纖維素基功能材料。huiqing.wang@hfut.edu.cn