如何用光散射法测定纤维素的分子量

光散射法是一种基于光与物质相互作用的分析技术，广泛用于测定高分子（如纤维素）的分子量和分子尺寸。光散射法主要分为静态光散射（SLS）和动态光散射（DLS）两种。其中，静态光散射用于测定聚合物的重均分子量（Mw）、均方根回转半径（Rg）和第二维里系数（A2）；动态光散射则用于测定粒子的扩散系数和水力学半径（Rh）。以下将详细介绍如何使用光散射法测定纤维素的分子量。

1. 基本原理

1.1 静态光散射（SLS）

当一束单色、平行的光照射到高分子溶液中时，溶液中的高分子会引起光的散射。散射光的强度与高分子的分子量、浓度和分子尺寸等参数有关。根据瑞利散射理论，对于小粒子（粒径远小于光波长），散射光强度与分子量成正比。通过测量不同浓度下的散射光强度，绘制Zimm图，可以外推至零浓度和零角度，得到Mw和A2。

1.2 动态光散射（DLS）

动态光散射基于散射光强度随时间的波动，利用自关联函数计算粒子的扩散系数D，进而计算水力学半径 Rh：

然而，DLS 主要用于测定粒子的尺寸分布，对分子量的直接测定不如 SLS 准确。

2. 实验步骤

2.1 样品制备

溶解纤维素

纤维素具有高度的结晶性和氢键作用，溶解性较差，需要选择适当的溶剂体系。常用的溶剂包括：

• LiCl/DMAc 系统：在二甲基乙酰胺（DMAc）中加入 8-10% 的氯化锂（LiCl），可以有效溶解纤维素。

• Cupriethylenediamine（Cuen）：铜氨络合物溶液，可溶解纤维素。

• NaOH/尿素水溶液：低温下（如 -12°C），NaOH/尿素水溶液可以溶解纤维素。

注意事项

• 避免聚集和凝胶化：溶解过程中应充分搅拌，必要时使用超声波处理，确保纤维素完全溶解，避免分子间的聚集。

• 溶液过滤：使用 0.45μm 或更小孔径的滤膜过滤溶液，去除未溶解的微粒和杂质。

2.2 光散射测量

仪器准备

• 光散射仪：配备多角度检测器的静态光散射仪，如多角度激光光散射仪（MALLS）。

• 温度控制系统：保持恒定的温度，一般为 25°C。

测量步骤

1. 校准仪器

o 使用标准样品（如纯溶剂或已知散射系数的标准物质）校准仪器的零点和光强。

2. 测量溶剂的散射光强度

o 纯溶剂的散射光强度I0作为背景，需要从样品的散射光强度中扣除。

3. 测量不同浓度的纤维素溶液

o 制备一系列已知浓度的纤维素溶液（通常 4-5 个浓度梯度）。

o 在不同的散射角度（如 30°、45°、60°、75°、90° 等）下，测量每个浓度溶液的散射光强度 III。

4. 实验中需要注意的问题

4.1 溶剂的选择

• 溶剂质量：溶剂必须高度纯净，杂质会影响散射光强度的测量。

• 溶剂与纤维素的相互作用：选择与纤维素相容性好的溶剂，避免聚集和凝胶化。

4.2 样品的溶解

• 完全溶解：纤维素必须完全溶解，否则未溶解的颗粒会严重影响测量结果。

• 避光操作：某些溶剂和纤维素可能对光敏感，操作过程中需避光。

4.3 温度控制

• 恒温：温度对溶液的粘度和折射率有影响，必须保持恒定的温度。

4.4 测量角度的选择

• 多角度测量：为了准确外推至零角度，需在多个散射角度下进行测量。

• 避免高角度测量：高角度处散射光强度较弱，信噪比低，数据可靠性下降。

4.5 数据可靠性

• 重复测量：对每个浓度和角度的测量进行多次重复，取平均值，提高数据的可靠性。

• 仪器校准：定期校准仪器，确保检测器的灵敏度和线性。

5. 特殊考虑与挑战

5.1 纤维素的聚集

• 聚集问题：纤维素分子间的氢键作用强，容易形成聚集体，影响散射光强度的准确性。

• 解决方法：

o 超声处理：使用超声波处理溶液，打破聚集体。

o 添加剂：在溶液中添加少量的去聚集剂，如盐或表面活性剂，但需确保不影响测量结果。

5.2 分子构象影响

• 刚性链特性：纤维素为半刚性链，高分子链的构象会影响散射结果。

• 修正方法：

o 考虑构象因子：在数据分析中，考虑纤维素的链构象，使用适当的模型进行拟合。

o 使用适当的理论模型：如改进的Zimm模型或 Berry方法。

5.3 高浓度效应

• 浓度依赖性：在高浓度下，分子间的相互作用增强，影响散射光强度。

• 措施：

o 低浓度测量：尽量在低浓度范围内测量，保证线性关系。

o 校正相互作用：通过第二维里系数 A2校正浓度效应。

6. 总结

使用光散射法测定纤维素的分子量是一种直接、有效的方法，可以获得纤维素的重均分子量和分子尺寸信息。关键在于样品的充分溶解、严格的实验条件控制和正确的数据分析。需要注意的是，纤维素的特殊结构和性质会对测量产生影响，必须采取适当的措施来克服这些挑战。