国内外动物纤维显微镜定量分析法的比较

马志强

(天祥(天津)质量技术服务有限公司, 天津 300384)

纺织品的纤维含量是指导产品标注标签的重要依据，数据的准确性非常重要。纤维含量的测试方法主要分为3类,一是手工物理拆分法，此方法简单易操作，数据准确度高，不受其他因素的影响，但只局限于特定类型的纺织产品；二是化学溶解法，利用纤维化学溶解性能的差异，选用针对性的溶解试剂进行化学溶解，此方法适用于绝大多数纺织产品；三是显微镜法，对于同类纤维混纺的产品，化学方法无法区分，如羊绒与其他动物毛纤维的混纺制品，虽然可以采用光谱法、DNA碱基序列对法等，但是目前应用最广泛且可行的分析方法依然是显微镜法[1-3]。采用显微镜法检测动物纤维含量是通过观察纤维表面的鳞片结构特征[4]而进行分析。显微镜方法除了依据检测人员的经验之外，也需要参照相关的测试标准。目前，国内外使用显微镜分析法的相关标准包括GB,AATCC(美国纺织化学和染色家协会标准),ISO(国际标准化组织标准), JIS(日本工业标准)等。 本文通过比较各测试方法间的差异，指导技术人员正确使用各种测试标准，确保测试数据的准确性。

1 显微镜法的分类

显微镜分析方法依据显微镜类型的不同主要可以分为二类：一是光学显微镜，二是扫描电子显微镜。

1.1 光学显微镜

传统光学投影显微镜(LM)，是通过显微镜将纤维放大500倍后进行测量，因为受到光源亮度的限制，对环境要求较高，需要在暗房内手动操作使用且耗时长，对于检测人员来说容易疲劳，检测效率低[5-6]。现在常用显微镜电脑影像采集系统，该系统的模式是基于光学显微镜的方式，测量准确度与光学显微镜一致。电脑影像采集系统的优势在于不受环境光线的影响，不需要暗房操作，同时电脑的使用可以解决大量的手动测量和计算等繁琐过程，大大提高了工作效率[7]。

采用光学显微镜方法的标准主要有GB/T 16988—2013《特种动物纤维与绵羊毛混合物含量的测定》， AATCC TM20A—2018e《纤维定量分析》，ISO 17751-1∶2016《羊绒、羊毛、特种动物纤维及其混合物的定量分析 第1部分:光镜法》，JIS L1030-2∶2012《纤维混纺含量试验方法 第2部分》等。

1.2 扫描电子显微镜

扫描电子显微镜(SEM)工作原理是利用被聚焦的、具有一定能量的电子束在纤维表面扫描，激发产生二次电子，通过接收转换，获得样品表面形态的扫描图像。扫描电子显微镜的最大特点是放大倍数可以高达数万倍，能观察纤维表面极其细小的特征[8-9]。由于扫描电镜的电子束通过轰击纤维表面进行成像，所以其与光学显微镜相比最大的不足是仅可以观察纤维的表面形态，无法观察纤维内部结构和特征，如动物纤维的髓腔、色素等信息对纤维鉴别非常重要[10]。

采用扫描电子显微镜方法依据的标准主要包括GB/T 14593—2008《山羊绒、绵羊毛及其混合纤维定量分析方法 扫描电镜法》，ISO 17751-2∶2016《羊绒、羊毛、特种动物纤维及其混合物的定量分析 第2部分:扫描电镜法》、JIS L1030-2∶2012《纤维混纺含量试验方法 第2部分》等。

2 显微镜定量分析方法对比

显微镜定量分析的原理是测量样品中纤维的体积，结合纤维密度得到每种纤维的质量，再根据样品中每种纤维出现的根数，通过计算得到各纤维的百分含量。各检测机构使用的检测仪器和方法不统一，对检验结果也有一定的影响。本文通过对标准在测试过程的重要环节和参数进行比较，研究各标准间的差异对纤维含量测量结果的影响。

2.1 纤维直径测量

2.1.1 测量过程比较

由于动物纤维横截面接近圆形，纤维的纵向比较均匀，通常测量纤维的直径，即可计算出纤维的截面积，以代表纤维体积。纤维直径的测量是获得测试数据的最重要过程，是显微镜测试方法的关键环节，不同标准之间的差异，会对测试结果产生一定的影响。纤维直径测量标准比较见表1。

表1 纤维直径测量标准比较

由表1可以看出，各标准对测试的环境条件要求不同。GB和ISO都要求在标准大气条件下对样品进行调湿处理，而其他的标准则没有相关的要求。标准大气环境可以提供稳定的测试条件，使样品释放应力，纤维表面的鳞片恢复正常的状态。虽然动物纤维作为蛋白质类纤维，其本身具有较高的回潮率，正常情况下在标准大气环境下吸湿性很少，受标准大气环境的影响也非常小，但为了测试数据的稳定性和可靠性，建议实验室在标准大气环境条件下对样品进行调湿预处理。

对于LM显微镜来说，视野边缘会产生失真现象，影响测量数据的准确性，通常检测人员只对视野中央直径约10 cm的圆环范围内的纤维进行识别和测量。光学显微镜的放大倍数是500倍，当切取的纤维长度在0.2～0.3 mm时，放大后的纤维长度为10～15 cm，此长度正好显示在视野中央，利于对纤维形态的观察和测量。纤维切取长度过长，放大后会超过一个视野，容易导致重复测量。根据检测人员经验可知，纤维切取的长度越长，纤维之间交叉重叠的情况也越多，因为交叉重叠的纤维不在同一个平面上，图像有一定的失真，不能进行纤维直径的测量。大量交叉重叠纤维的出现，会导致测量数据选取的随机性下降，影响测量的准确性。故此切取纤维长度为0.3 mm左右最为适宜，既保证了观察的纤维数量，又可以避免重复测量。

纤维直径的测量数据对纤维含量影响最大，各标准对测量纤维直径的纤维根数要求不同，GB/T 16988—2013要求的测量根数最多，达300根，而其他标准为100～150根。由于动物纤维纵向相对较均匀，如山羊绒、美利奴羊毛、羊驼毛等纤维直径离散较小，测量100根纤维计算直径平均值可以反映纤维直径的真实情况。但对于纤维粗细程度差异较大的，如土种毛、低支毛等，测试100根纤维计算直径所得平均值不能完全反映纤维的真实情况，因此在满足测试标准要求的前提下，应适当增加测量纤维直径的样本量，使测试数据能更好的反映实际值。

2.1.2 纤维平均直径计算

测量纤维直径后，根据各标准要求计算纤维平均直径。

①LM测量法的GB/T 16988—2013和ISO 17751-1∶2016纤维平均直径计算公式：

式中：D为纤维平均直径，μm；M为纤维直径组中值，μm；N为纤维根数。

②SEM测量法和 GB/T 14593—2008纤维平均直径计算公式：

式中：d为单根纤维直径，μm。

LM和SEM测量法对于纤维平均直径的计算方式有差异，LM测量法是采用的组中值数据统计计算得到纤维平均直径，而SEM采用的是实测值平均的方法，由于SEM的放大倍数高，测量的精确性更高，其测量值更接近真实值。

除此之外，直径测量的操作过程中，LM和SEM在制备样片时也有各自不同的要求。LM制作切片简单快捷成本低；而SEM需要对纤维表面进行镀金膜处理，操作复杂成本高。LM制片时，纤维需要浸润在介质里，由于纤维长时间浸润在液体石蜡中会导致纤维直径发生变化，影响测试数据的准确性。在AATCC标准中有明确的规定，进行测试的切片应当天制作，建议实验室借鉴AATCC的要求当天测试当天制做切片。

2.2 纤维含量测量

2.2.1 纤维记数

纤维根数的记录是通过概率统计的方法，将出现在视野中的纤维进行鉴别判断，记录出现的次数，次数的比值即代表不同种类纤维的根数比。各标准纤维根数记数见表2。由表2可以看出，各标准对纤维根数的记数要求存在差异。纤维根数比代表了体积比，通常要求记录纤维总根数应达到1 000根以上，GB/T 16988—2013要求测量根数达到1 500根以上，超过其他标准。根数的增加有利于提高最终结果的准确性，但也会增加检测人员的工作量，特别是对于操作复杂的SEM测量法。

表2 各标准纤维根数记数

2.2.2 纤维含量计算

各标准对于纤维含量的计算方法都是依据纤维直径的测量结果，并结合纤维密度等参数，但不同标准，纤维含量的计算方法不同。

①GB/T 16988—2013、ISO 17751-1及ISO 17751-2纤维含量计算公式为：

式中：N为纤维根数；S为纤维直径的标准差，μm；ρ为纤维密度，g/cm3。

②AATCC TM20A—2018e纤维含量计算公式为：

③JIS L1030-2∶2012纤维含量计算公式为：

式中：A为纤维横截面积，μm2；a为第1种纤维；b为第2种纤维。

④GB/T 14593—2008纤维含量计算公式为：

在进行纤维含量计算时，GB/T 16988—2013考虑了直径的标准方差，进一步减小了测量误差对纤维含量的影响，最接近真实值。对于没有引入直径方差的标准，当计算结果位于临界值时，建议考虑直径方差的影响。

纤维含量计算公式中的纤维密度是由各相应标准提供的，各标准的纤维密度见表3。由表3可以看出，各标准的纤维密度是有差异的，所以检测人员在进行纤维含量计算时，应根据所采用的标准使用相应的纤维密度。

表3 各标准的纤维密度 g/cm3

3 结 论

本文对测试动物纤维含量相关标准进行比较，通过对用光学显微镜及扫描电子显微镜的纤维直径测量参数以及含量测量参数的比较，找出各标准间的差异，为检测技术人员提供参照。

①通过本文研究可以看出，LM和SEM因为设备的不同，操作过程及方法也不同；当采用相同的设备，但采用不同国家或地区的标准时，其操作和计算等也存在差异；其中影响纤维含量最主要的参数是纤维直径和纤维根数。检测人员应依据标准要求进行样品准备、测量操作和计算，在准确鉴别纤维的基础之上，注意标准之间的差异，避免混淆，确保测试数据的可靠性和准确性。

②虽然对于动物纤维鉴别和定量分析的方法很多，但目前显微镜法依然是国际上最为主流的方法。作为检测人员要熟练掌握显微镜设备的各项操作，了解设备的优势和不足，要准确理解每个标准。各技术标准都有其自身的优势，检测人员应读懂标准，在工作中准确应用标准，掌握标准的核心技术。