染液染料浓度检测数据与分析

陈永恒，罗维平，马双宝

染液染料浓度检测数据与分析

陈永恒，罗维平*，马双宝

（武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430200）

基于单组分染液染料浓度检测和分析的方法，提出双组分染液中单组分染料浓度的检测和分析方法。利用分光光度计测量染液染料的浓度以及EXCEL的多元线性回归法建立浓度和吸光度的回归方程，再F检验和T检验其显著性。计算各单组分染液染料实测浓度和实配浓度的相对误差，验证双组分染液中各单组分染料浓度与吸光度线性回归方程的准确性。结果表明浓度相对误差控制在1.5%以内，符合实际的浓度检测要求。

单组分；双组分；回归方程；吸光度；浓度

在纺织品染色的过程中，染厂面临着经济和环境的压力，因此从染厂的角度出发，最优的染色工艺成为了迫切的需要，为了进一步优化染色工艺，那么对染液染料浓度的检测就提出了更高的要求。我国现有的染液染料浓度检测的设备都是离线式，实时在线的检测设备应用不广[1]。所以对实时在线检测设备研究的空间很大，如果研发成功并能广泛应用于染色工艺，将会推动染色行业革命性的进步。

检测染料浓度的方法主要有液相色谱法、荧光分光光度法、分光光度法等[2]。液相色谱法在测量混合染液染料各组分浓度时，不能直接用色谱给出结果，同时也要把样品分开才能检测，测定的时间相对较长，因此主要应用于离线式染料浓度检测。荧光分光光度法根据发射的光谱或者激发的光谱对染料的浓度进行分析，虽然无需预先分开各组分，但是我国的设备一般只用于单组分低浓度染料的检测。分光光度法连续从染液中采样，通过分光光度计的吸光量变化，能快捷的测量染液中染料的浓度，做到了染料浓度的实时检测，因此分光光度法是染料浓度检测的常用方法。

1 实验原理及材料仪器

分光光度法的运用基础是建立在被测染液浓度的吸光度值在一定的范围内满足朗伯-比尔定律：

由式（3）可知，当染液的吸光系数和染液的光程不变时，染液的吸光度和染液染料的浓度成一定的比例关系，分光光度计的工作原理就是根据这个关系设计的。本文主要阐述的是利用分光光度计去测量染液染料的吸光度，基于朗伯—比尔定律实时的反应染液染料浓度的变化。

表1 实验材料和仪器

多元线性回归法是数学统计学中比较重要的方法，其被广泛应用到各个领域[3]。为了保证回归方程的独立性，多元线性回归的自变量的个数要大于方程的个数，因此N-1种染液染料浓度的计算过程应选取N个波长进行分析。

本实验所选取的材料和仪器见表1。

2 实验方法

2.1 单组分染液染料浓度测定

称取0.02g活性紫染料，加入100ml溶剂，然后对半稀释，依次配制出浓度为0.2mg/ml，0.1mg/ml，0.05mg/ml，0.025mg/ml，0.0125mg/ml的活性紫染液。称取0.01g活性黄染料，加入100ml溶剂，然后对半稀释，依次配制出浓度为0.1mg/ml，0.05mg/ml，0.025mg/ml，0.0125mg/ml，0.00625mg/ml的活性黄染液。用分光光度计测量每种浓度染液在每个波长下的吸光度，绘制出波长和吸光度的光谱图，分别确定活性紫、活性黄的最大吸收波长。取最大吸收波长下的吸光度，建立回归方程并绘制吸光度和对应浓度的标准曲线，确定单组分染液染料浓度和吸光度是否呈线性关系，如果呈线性关系，即可进行双组分染液染料浓度检测的实验。

2.2 双组分染液染料浓度测定

称取0.02g活性紫染料和0.01g活性黄染料，混合后加入100ml溶剂，然后对半稀释，依次配制出五种不同浓度的染液。用分光光度计测量五种染液每个波长下的吸光度，依据多元线性回归法建立双组分混合染液单组分染料浓度与吸光度回归方程时，需采用可见光波长范围内三个整数波长的吸光度值作为自变量，根据朗伯比尔定律可知，染料在其最大吸收波长下浓度与吸光度线性关系最好，因此选择其中两个波长为两种染料的最大吸收波长下的吸光度值与测得的双组分混合染液可见光范围内每个整数波长下的吸光度值组合。使用多元线性回归法建立回归方程，计算回归方程的相关系数和标准误差，当回归方程的相关系数达到最大、标准误差达到最小时，找到最佳的第三波长，确定波长组合，选取最佳第三波长、活性紫最大吸收波长、活性黄最大吸收波长下的双组分染液吸光度值，建立双组分染液中各单组分染料浓度与吸光度的回归方程。

2.3 F检验

原定假设和备择假设：

F检验的方程为：

2.4 T检验

原定假设和备择假设：

T检验的方程为：

3 结果和讨论

3.1 单组分染液的分析

利用分光光度计获取活性紫、活性黄染液各个波长下的吸光度，用MATLAB绘制波长和吸光度的关系图，如图1所示。

图1 波长和吸光度图

表2 活性紫染料浓度和吸光度

表3 活性黄染料浓度和吸光度

因为活性染料的最大吸收波长在可见光范围内才符合要求，通过分析图1可知活性紫的最大吸收波长为558nm，活性黄的最大吸收波长为426nm。

活性紫染料的浓度以及在最大吸收波长下的吸光度如表2所示。

活性黄染料的浓度以及在最大吸收波长下的吸光度如表3所示。

活性紫染料浓度-吸光度的标准曲线如图2所示。

图2 活性紫染料浓度与吸光度线性关系

图3 活性黄染料浓度与吸光度线性关系

活性黄染料浓度-吸光度的标准曲线如图3所示。

3.2 双组分染液的分析

用分光光度计测量五种浓度双组分混合染液每个可见光整数波长下的吸光度，根据多元线性回归法用不同波长组合下的吸光度值建立的回归方程，计算得到回归方程的相关系数和标准误差，绘制出不同波长组合下的第三波长和回归方程的相关系数、标准误差关系图。

不同波长组合下第三波长和回归方程相关系数的关系如图4所示。

图4 不同波长组合下混合染液染料浓度与吸光度的相关系数

图5 不同波长组合下混合染液浓度与吸光度标准误差

不同波长组合下第三波长和标准误差的关系如图5所示。

由图4、图5可知，当第三个波长为464nm时，活性紫浓度与吸光度线性关系的相关系数为0.999999，标准误差为0.000001，活性黄浓度与吸光度线性关系的相关系数为0.999999，标准误差为0.0000004，此时活性紫和活性黄回归方程线性关系的相关系数达到最大，标准误差达到最小，表明其浓度和吸光度的线性关系最好，因此选择波长组合为558nm、426nm、464nm。

第三波长为464nm时，双组分混合染液中每种浓度对应的吸光度依次为0.066、0.139、0.297、0.641、1.363。活性紫用0.025mg/ml的浓度作为测试集，其他四种浓度为训练集，活性黄用0.0125mg/ml的浓度作为测试集，其他四种浓度为训练集，由此得到双组分混合染液中各单组分染料浓度与吸光度回归方程。

活性紫和活性黄混合染液中活性紫回归方程为：

活性紫和活性黄混合染液中活性黄回归方程为：

3.3 F检验

选取活性紫和活性黄双组分混合染液中个单组分染料浓度与吸光度回归方程，F检验其显著性。

表4 活性紫回归方程F检验

表5 活性紫回归方程F检验

3.4 T检验

选取活性紫和活性黄双组分混合染液中单个组分染料浓度与吸光度回归方程，T检验其回归系数显著性。

表6 活性紫回归系数T检验

选取活性紫和活性黄双组分混合染液中单个组分染料浓度与吸光度回归方程，T检验其回归系数显著性。

表7 活性黄回归系数T检验

3.5 检验浓度测量的准确性

利用测试集对单组分染液中染料的浓度真实值和测量值比较，结果如表8所示。

表8 染液染料浓度测量值与真实值比较

由表8可知，单组分染液中活性紫、活性黄实测浓度与实配浓度的相对误差分别为0.12%、1.2%，由此可知单组分染液染料浓度的检测方法可行。

利用测试集对双组分混合染液中各单组分染料的浓度真实值和测量值比较，结果如表9所示。

表9 混合染液各单组分浓度测量值与真实值比较

由表9可知，双组分混合染液中活性紫、活性黄实测浓度与实配浓度的相对误差分别为0.04%、0.008%，由此可知对于双组分混合染液中各单组分染料浓度与吸光度的回归相关系数越大、标准误差越小，则活性染料实测浓度和实配浓度的相对误差越小。

4 结论

活性紫最大吸收波长为558nm，活性黄最大吸收波长为426nm。验证了朗伯-比尔定律，单组分染液活性染料在最大吸收波长下的吸光度和浓度线性关系强。在单组分染液染料浓度检测方法的基础上，找到了一种双组分混合染液中各单组分染料浓度的检测方法，由此可以推广到多组分混合染液中各单组分染料浓度的检测。利用多元线性回归法建立的多元线性回归方程经过检验具有较高的准确性，单组分染液中染料浓度相对误差在1.5%以内，双组分混合染液中各单组分染料的浓度相对误差在1%以内，准确度很高。

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Data and Analysis of Dye Dyes Concentration Detection

CHEN Yong-heng, LUO Wei-ping, MA Shuang-bao

(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China）

Based on the method of single-group dyeing liquid dye concentration detection and analysis, the detection and analysis method of single-part dye concentration in double-group dyeing solution was proposed. The regression equations of concentration and absorbance were established by spectrophotometer to measure the concentration of dyeing liquid dyes and using multivariate linear regression method of EXCEL, and the significance of F test and T test was obtained. The relative error of the measured concentration and the actual concentration of each single-group dyeing liquid dye was calculated, and the accuracy of the single-part dye concentration and the absorbance linear regression equation in the two-group dyeing solution was verified. The results show that the concentration error is controlled within 1.5%, which conforms to the actual concentration detection requirements.

single group; double-part; regression equation; absorbance; concentration

罗维平（1967-），女，教授，研究方向：嵌入式系统，数字化纺织设备设计.

湖北省数字纺织装备重点实验室公开项目（DTL2018023）.

TQ610.17

A

2095－414X(2020)04－0019－06