着色物上染料的分离与提纯方法及应用实例

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鉴定，可用混合试样与已知样品直接进行对比鉴定，减少了分离操作，节省了时间和样品。70年代后广泛应用质谱、核磁共振波谱和红外光谱等近代仪器，使剖析技术突跃到一个崭新的阶段。现在常采用发射光谱、紫外光谱、薄层色谱、X-光衍射、点滴分析和染色验证等方法鉴定。
1 着色物上染料（颜料）的分离与提纯
有机染料（颜料）常见存在于各种基质上，如染着在纺织纤维、印刷品、塑料、食品、化妆品、药品及艺术品上。对这些着色基质上染料（颜料）进行剖析，能够为改进染色物质量和染料（颜料）性能，发展新品种，改进新工艺和扩大新用途提供可靠的依据。
1.1 染料的分离
纤维上的染料可以选择适当的溶剂进行剥色，剥色的程度与纤维及染料的性质有关，剥色的情况也提供了染料属类的重要信息。各种常用着色纤维的剥色情况见表1。
另外，织物上的染料常用热溶剂萃取法进行剥色，如冰染染料可溶于沸腾的乙醇-（1mol/L）氢氧化钠（20：1）溶液中。
各种染料的萃取溶剂举例如下：纤维素纤维上的还原染料和硫化染料可用300mL N-甲基吡咯烷酮，60mL氢氧化钠（38%），30g保险粉和640mL水（水蒸气和氮气保护）；纤维素纤维上的冰染染料用吡啶（水蒸气）；纤维素纤维上的直接染料用800mL DMF和200mL25%氨水（水蒸气）；羊毛上的酸性染料1：1及1：2金属络合染料用900mL吡啶和100mL甲酸（水蒸气）；聚酰胺上的酸性染料1：1及1：2金属络合染料用800mL吡啶和52%氨水（水蒸气）；聚酰胺上的分散染料用900mL DMF和100mL冰醋酸（水蒸气）；聚酯纤维上的分散染料用吡啶（气相是氯苯）；聚丙烯腈上的碱性染料用600mL吡啶和400mL85%甲酸（水蒸气）；醋酸纤维上的分散染料用800mL苯和200mL乙酸乙酯（气相是苯）。
1.2 颜料的分离
从纤维上分离有机颜料，要根据纤维的性质而定。将纤维定性后，可用适当溶剂（表1）使纤维溶解，如果颜料不溶，则可用离心法分离；若两者都溶解时，可再加入一种溶剂使颜料保持溶解，而纤维沉淀下来，然后分离。聚酰胺纤维能被20%盐酸降解，分解产物能溶于水中，许多有机颜料在这种情况下并不被破坏，仍然呈沉淀存在，因此经过过滤可把它们分开。聚酯纤维可用乙醇-氢氧化钾皂化，在这种情况下颜料结构不受影响。
人造纤维素纤维能够溶解于冷的浓硫酸中，用水稀释后大多数颜料沉淀下来，如少量尚未转化成葡萄糖的纤维素，沸腾片刻可以把它溶解。聚乙烯和聚丙烯的原浆着色织物可溶解于沸腾的二甲苯或十氢化萘中，冷却后纤维沉淀析出，偶氮型颜料仍在溶液中。
2 常用商品染料的分离与提纯
商品染料中常含有无机盐（硫酸钠、氯化钠和磷酸钠等），也含有有机添加剂（如分散染料中的扩散剂，活性染料中的稳定剂），同时也混进一些杂质（如制造过程中没有反应的中间体和杂染料等），有时为了调整色光还拼进一些其他染料。因此，在鉴定染料之初，就得进行染料的分离与提纯，否则不可能获得正确的测定结果。
2.1 偶氮染料的分离与提纯
根据溶解性能的差异，偶氮染料可分为水溶性染料和非水溶性染料。水溶性染料包括酸性染料、金属络合染料、直接染料、阳离子染料和活性染料；非水溶性染料包括冰染染料、分散染料、颜料和色淀。水溶性染料和水不溶性染料的分离方法是不同的，现分述于下。
2.1.1 常规法
（a）重结晶
水溶性染料可以在水-乙醇（1：1）混合溶剂中重结晶。碱性染料既可以在乙醇-水混合溶剂中重结晶，也可以在稀盐酸或水中重结晶。不溶性的分散染料。颜料一般都采用各种有机溶剂，如苯、乙醇、冰醋酸、氯苯等重结晶，而且效果特别好。色淀可以用酸、碱试剂去掉沉淀剂后，按一般水溶性染料提纯。
（b）碳酸铵沉淀
将商品水溶性染料溶于水中，过滤，去掉不溶物之后，往滤液中加碳酸铵。使染料析出；过滤，干燥。在110℃下碳酸铵能分解挥发出去，得到的染料铵盐中仍有少量呈钠盐存在。
（c）电渗析
使用电渗析法能够使离子型染料得到分离与提纯。但这种方法耗时长、纯度低，且电渗析膜不容易制取，故一般很少应用。
（d）醋酸钾沉淀
采用这种方法在处理过程中常出现胶体，难以过滤，因此常常要加热、放置，然后进行过滤。提纯收率较低，有些染料能够用水溶解后酒精析出的办法来除去醋酸钾。
（e）构成不溶性盐沉淀
含有磺酸基的阴离子型染料成钡盐洗出后，过滤，将沉淀物用碳酸钠水溶液处理，使之重新转化为钠盐。去掉碳酸钡沉淀后，溶液蒸发至干，可以制取纯度为90%～99%的染料。
（f）热扩散法
由于有机和无机添加剂及杂质对热的性质与染料不同，故可采用热扩散的办法提纯。
（g）盐酸沉淀法
用盐酸沉淀提纯的染料要在有固体苛性钠存在的真空干燥器中进行干燥。用这种方法精制的染料可供作元素定量分析用。
（h）二甲基甲酰胺法
阴离子染料溶于二甲基甲酰胺中，过滤，加入乙醚，沉淀立即析出。在冰箱中放置15min后过滤。得到的沉淀再重复处理一次，第二次过滤得到的沉淀用乙醚洗后干燥，即为纯样品，可供元素分析和其他测试用。
（i）盐酸-丁醇法
该法适用于阴离子染料的提纯，含阴离子基团染料的水溶液用盐酸酸化后，加丁醇，这时染料的游离酸溶于丁醇层，用分液漏斗分开后，加碱，染料又成盐而溶于水层，真空蒸发出水分后，得到的染料干品又溶于DMF中，无机盐不溶解，过滤，往滤液中加乙醚或丙酮后，染料析出，即为纯品。
（j）离子交换法
利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换作用而使离子分离的方法，称为离子交换分离法。阴离子型或阳离子型偶氮染料可分别用阳离子交换树脂或阴离子交换树脂进行精制。
2.1.2 色谱法分离
液相色谱分离法又称层析分离法，这种方法是由一种流动相带着试祥经过固定的物质在两相之间进行反复的分配，由于物质在两相之间的分配系数不同，移动速度也不一样从而达到互相分离的目的。
液相色谱分离法有多种类型，按其操作的形式不同，可分为柱色谱法、纸色谱法和薄层色谱法等。
（1）纸色谱
该法适用于染料裂解产物、纤维上染料（萃取液）和水溶液染料的制备量分离。纸色谱法是以层析滤纸为载体的液相色谱法。滤纸中的纤维素通常吸收20%～25%的水分，其中约6%的水分子通过氢键与纤维素上的羟基结合，在分离过程中不随有机溶剂流动，形成纸色谱中的固定相；而有机溶剂为流动相，又称展开剂。
对滤纸的一般要求是：质地和厚薄必须均匀，边缘整齐，平整无折痕，无污渍；纸纤维疏松度适当。过于疏松易使斑点扩散，过于紧密则流速较慢；有一定的强度，不易断裂；纯度高，不含填充剂，灰分在0.01%以下。否则金属离子杂质会与某些组分结合，影响分离效果。
（2）薄层色谱
该法多用于非水溶性染料及中间体的分离，一般是基于吸附系数的不同而分开的，所以属于吸附色谱。
薄层色谱的固定相与柱色谱类似，是在玻璃板或塑料板上涂布的吸收剂，如硅胶、氧化铝等，只是其粒度更细。而其分离操作则非常类似于纸色谱。干燥后的薄层板经活化后，在其下端用毛细管点上试样，然后在密闭的层析缸中用有机溶剂作为流动相自下而上进行展开。在此过程中，试样中各组分在两相间不断进行吸附和解吸，视吸附对不同组分吸附力的差异而逐渐得到分离。经显色后，就会在薄层上显示出分开的色斑。
吸附色谱对吸附剂的基本要求是：
（a）具有较大的表面积和足够的吸附能力。
（b）在所用的溶剂和洗脱剂中不溶解；不与试样各组分、溶剂和洗脱剂发生化学反应。
（c）颗粒较均匀，有一定的细度，在使用过程中不易破碎。
（d）具有较为可逆的吸附性，既能吸附试样组分，又易于解吸。目前最常用的吸附剂是硅胶和氧化铝，其次是聚酰胺、硅酸镁等。
对洗脱剂的基本要求是：
（a）对试样组分的溶解度要足够大。（b）不与试样组分和吸附剂发生化学反应。（c）黏度小，易流动。（d）有足够的纯度。
2.1.3 电泳分离
偶氮染料用电泳分离时多采用纸为支持体。
2.2 蒽醌染料的分离与提纯
含有蒽醌结构的染料包括分散染料、酸性染料、活性染料、媒染染料和阳离子染料等，因其化学性质和溶解度不同，对它们的分离和提纯方法也有所区别。概括起来分为常规方法、色谱法、离子交换法和电泳法几种。
2.2.1 常规法
酸性蒽醌染料和蒽醌活性染料一般可以用盐酸酸析法、二甲基甲酰胺法和醋酸钾沉淀法等分离和提纯。
2.2.2 色谱法
制备色谱的具体过程在偶氮染料中已介绍，这里不再重复。蒽醌系分散染料制备色谱的有效方法是柱色谱-纸色谱相结合，即采用柱色谱分离精制后用纸色谱鉴定。
2.2.3 离子交换法
酸性蒽醌染料及其中间体可以用离子交换树脂进行分离和定量分析。
2.2.4 纸上电泳
酸性蒽醌染料的纸上电泳包括溴氨酸在内的共49个染料都曾获得很好分离。
2.3 还原染料的分离与提纯
还原染料的分离方法一般分为常规法、纸色谱法和柱色谱法三种。
2.3.1 常规法
由于还原染料不溶于水，所以商品染料中的水溶性混合物可以加水溶解后过滤除去。不能被还原的混合物也能够用还原再氧化的办法进行精制，即在氢氧化钠水溶液中用保险粉还原，过滤除去不溶物，然后滤液用空气氧化得到纯染料，也可用升华法或有机溶剂萃取法除去副产物等进行精制。
2.3.2 纸色谱法
还原染料的纸色谱分离一般有直接采用染料或先将染料制成隐色体或其他衍生物等三种分离形式。
2.3.3 柱色谱法
为了获得制备量的纯染料，往往要用柱上层析进行还原染料的分离与提纯。例如16，17-二羟基紫蒽酮，可用Al2O3（100～200目）做吸附剂，干法装柱。
柱色谱法分离隐色体可以克服氧化所造成的困难，对大量制备是比较方便的，然而作为一般小样制备或定性鉴定上比较麻烦，因此除纸分析外也曾用薄层色谱分离。
2.4 酞菁染料的分离与提纯
一般精制铜酞菁颜料的方法是将粗品溶于浓硫酸中，经玻璃烧结漏斗过滤，然后加水稀释，析出沉淀，干燥后重复精制至纯度达到要求为止。
卤化金属酞菁如多氯酞菁不能用升华等方法提纯，因为高温真空下氯要分解。用二甲基甲酰胺重结晶是一种有效的方法。
酞菁染料的精制方法一般与其他酸性染料、直接染料和碱性染料一样，用酸析法、DMF法、色谱分析法和电泳分离方法等提纯。
2.5 阳离子染料的分离与提纯
阳离子单一染料一般用重结晶的办法进行提纯，若试样是两种以上染料的混合物，或试样中含有与染料结构相近的有机添加剂，单纯用重结晶的办法是分离不开的，往往先通过色谱法分离，最后再用重结晶法精制，有纸色谱、柱色谱、薄层色谱和纸上电泳等。
3 应用实例
3.1 薄层色谱法鉴别羊毛、腈纶及其混纺纤维上的染料
纤维上染料的提取：将2cm～3cm长的单根纤维，放入微型提取器的样品池中，然后在提取管中加入1mL N，N-二甲基甲酰胺，加热提取，得到的染料提取液待进行薄层色谱分析。
在薄层色谱分析中，每个样品的斑点个数、颜色及迁移速度即斑点的Rf值就会有差异，以此作为同色羊毛、腈纶及其混纺纤维上染料的依据。
3.2 粉饼化妆品中9种有机着色剂的高效液相法测定
着色剂的提取：称取样品，加入甲醇+水（1：1）置于70℃的超声波清洗器中超声波水浴提取15min后离心，去上清液过滤后待测，而后再采用高效液相色谱法，利用各色谱峰的面积进行分析。
4 前景与展望
着色物上染料的提取与分离主要方法是萃取法，为后续的染料鉴别提供试验与分析的平台，染料应用范围广，涉及领域众多，因此，有广阔的空间改进和完善染料从基质上的分离方法。诸如有色纺织纤维是刑事案件现场中出现概率较大的微量物证之一。在对有色纤维进行检验时，除确定纤维的种类及其混纺率外，还要对纤维上的染料进行检验，方能得出准确可靠的鉴定结论。
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（作者单位：朱永辉、张海宁、邱晓青，图木舒克纤维检验所；王立永，石河子纤维检验所）