一种利用CLSM评价高得率浆纤维间结合面积的方法与流程

本发明属于制浆造纸领域，涉及制浆造纸中的测量方法，特别涉及一种利用clsm评价高得率浆纤维间结合面积的方法。

背景技术：

高得率制浆工艺以其较低的纤维成本和环境污染负荷等优势逐渐受到关注，发展非常迅速。漂白化学热磨机械浆(bctmp)、碱性过氧化氢机械浆(apmp)和温和预处理加盘磨化学处理的碱性过氧化氢机械浆(p-rcapmp)在国际上被统称为高得率浆(high-yieldpulp，简称hyp)。近年来，高品质的高得率浆由于其独特性能，被用以取代部分阔叶木硫酸盐浆，在多种高附加值纸种中得以应用。与相应的漂白化学浆相比，高得率浆具有较高的松厚度、不透明度和光散射系数，但是其结合强度较差的缺点严重限制了它在高附加值产品中的应用比例和应用范围的进一步扩大。

在制浆造纸领域中，纸和纸板的物理强度是评价纸产品使用性能的关键参数，其中抗张强度是纸产品最常用的物理强度指标。纤维自身强度、纤维间的结合强度以及纤维在纸页中的分布和排列是抗张强度的三个决定因素。改善纤维间的结合性能是目前提高纸页强度的一种有效方式。目前，纤维间的结合性能主要包括纤维间的结合面积和纤维间的结合力两个方面。因此，对于纤维结合性能的评价成为制浆造纸工作者急需完成的工作之一，而纤维间结合面积的评价和检测也显得尤为重要。

因此，针对纸浆纤维间结合面积的评价问题，近几年米国内外制浆造纸界的科研人员积极开展评价和检测纤维间结合面积的研究工作，并在以下的文献中公开介绍纸浆纤维间结合面积的评价方法：

1、ingmanson等人发表在《tappijournal》杂志1959年第42卷1期第83-93页“factorscontributingtothestrengthofasheetofpaper.ii.relativebondedarea”的文章中主要根据kubelka-munk理论，建立了一种利用光散射系数测定纤维间相对结合面积(rba)的方法。他们采用控制压榨压力的方法获得一系列具有不同抗张强度和相应光散射系数的浆张，并用外推法得到纤维完全未发生结合时浆张的光散射系数(so)，最后根据理论公式计算出纤维间的相对结合面积。

2、thomson在其博士学位论文“probingthenatureofcellulosicfibreinterfaceswithfluorescenceresonanceenergytransfer”中分别用两种特殊的染料(一种能够提供荧光成分，另一种则能够接受荧光成分)对纤维进行染色，当两根被染色的纤维接触后即可在荧光显微镜下观察到纤维间的结合部位。从而确定纤维间的结合区域，最后计算出了纤维间的结合面积。

3、page发表在《papertechnology》杂志1960年第1卷4期第407-411页“fibre-to-fibrebondspart1-amethodfortheirdirectobservation”的文章中首次提出了一种利用偏振光显微镜技术直接检测化学浆纤维间结合面积的方法。该方法的基本原理为：试样在垂直的偏振光照射下，纤维间结合面呈现出相对较暗的区域，而未结合的部分则为较明亮的区域。可通过计算较暗区域的面积表征纤维间的结合面积。

4、kappel等人发表在《nordicpulpandpaperresearchjournal》杂志2009年第24卷2期第199-205页“anovelmethordforthedeterminationofbondedareaofindividualfiber-fiberbonds”和2010年第25卷1期第65-70页“revisitingpolarizedlightmicroscopyforfiber-fiberbondareameasurement-parti：theoreticalfundamentals”，以及2010年第25卷1期第71-75页“revisitingpolarizedlightmicroscopyforfiber-fiberbondareameasurement-partii：provingthe applicability”的三篇文章分别利用超薄切片技术、纤维染色技术和图像分析技术探讨了纤维间结合面积的几种影响因素，并重新阐述了偏振光光学显微技术检测纤维间结合面积的基础理论。

5、张红杰等人发表在《bioresources》杂志2014年第9卷4期第6019-6027页“comparisonofinterfiberbondingabilityofdifferentpoplarp-rcalkalineperoxidemechanicaipulp(apmp)fiberfractions”的文章中首次结合page抗张强度理论方程和以kubelka-munk理论为基础的光散射系数法计算出高得率浆纤维间的相对结合面积(rba)。

6、张红杰等人发表在《中国造纸》杂志2014年第33卷8期第66-70页“clsm技术在纤维表面形态和纸张结构研究中的应用”一文综述了共聚焦激光扫描显微镜(clsm)的工作原理，重点讨论了clsm在纤维表面分析、纤维形变研究以及纸张结构观察中的应用。

上述文献介绍大都仅限于对纸浆纤维间结合面积的直接和间接检测，而且都是针对化学浆纤维展开讨论。纸浆纤维结合面积的检测方法虽然在理论上日趋成熟，但是存在以下不足之处：

1)、第1，2，3和4组文献都仅限于对化学浆纤维间结合面积的实验室研究，侧重于对化学浆结合性能的相关基础理论进行研究，没有针对高得率浆纤维(高得率浆纤维的性能与化学浆纤维差异非常显著，例如：纤维形态、表面形貌、形变性能等)探讨在实验室检测其纤维间结合面积的可行性与准确性，更没有结合所用检测仪器和操作参数介绍该检测方法在具体实际操作时可能出现的问题及其解决办法。

2)、第1和5组文献主要介绍纸浆纤维间相对结合面积rba的实验室检测方法，并未检测纸浆纤维之间的实际结合面积；第2，3和4组文献介绍的虽然是利用荧光显微镜、偏振光显微镜以及超薄切片技术检测纤维间的实际结合面积，但主要侧重于从理论上探讨化学浆纤维间实际结合区域的判定方法，没有针对高得率浆纤维展开讨论。

3)、高得率浆纤维在纤维形态、表面形貌以及形变性能方面与化学浆纤维存在着显著差异，致使其纤维间的结合性能不如化学浆纤维。纤维间的实际结合面积是纸浆纤维结合性能的主要评价指标之一，纤维间的结合面积与纤维的形态尺寸、形变性能(如柔韧性、抗压溃性)以及纤维的表面形貌密切相关。高得率浆纤维和化学浆纤维相比，其纤维存在明显的多分散性：高得率浆中含有较多的短纤维以及一定含量的细小纤维，而长纤维含量较少；制浆过程中化学处理与机械磨浆程度的不均匀造成纤维的表面形貌和形变性能存在差异。这些差异会造成针对化学法纸浆纤维探讨得出的纤维间结合面积检测方法对于高得率浆纤维是不适用的。前面的六组文献都没有结合高得率浆纤维进行专门探讨其纤维间实际结合面积的检测方法。

因此，对于目前在全球发展迅猛的高得率浆，亟待开发一种快速便捷且准确的纤维间结合面积的检测方法，进而评价高得率浆纤维的结合性能，以期解决或减小高得率浆在多种高附加值纸种中应用时存在的诸多问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种利用clsm评价高得率浆纤维间结合面积的方法，本方法首先对高得率浆纤维原料进行分级处现，随后选用合适类型的荧光染料对高得率浆纤维进行染色处理，借助特殊的放大镜和解剖针等设备将染色后的纤维搭建成纤维结合模型并制作成临时玻片，在避光条件下用clsm扫描制作好的纤维结合模型获取其一系列的光学切片图像，从中选取能够清晰地呈现纤维发生实际结合区域轮廓的图片，借助相关图像处理软件对纤维间的实际结合区域进行标记和计算，最终计算出高得率浆各级分纤维之间的实际结合面积。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种利用clsm评价高得率浆纤维间结合面积的方法，步骤为：

(1)将商品高得率浆在去离子水中浸泡，浸泡后的高得率浆进行消潜处理，消潜完成后对高得率浆进行解离处理，鲍尔筛分仪对经解离处理后的高得率浆进行分级处理，并收集筛分获得的四个级分的高得率浆纤维，均衡水分后测定固含量，备用；

(2)取适量某级分高得率浆纤维在去离子水中浸泡一周，用一定浓度的荧光染料溶液染色，并洗去浮色，备用；

(3)在放大镜下利用解剖针在载玻片上将荧光染色后的纤维搭建纤维结合模型，盖上盖玻片并封片；

(4)使用共聚焦激光扫描显微镜clsm对搭建好的纤维结合模型进行观察和光学切片，获取纤维结合模型中两根纤维结合区域的焦平面图片；

(5)根据所获得纤维结合区域的焦平面图片利用图形软件计算纤维结合模型中纤维间的结合面积。

进一步地，所述荧光染料为吖啶橙，其浓度为5×10^-5～6×10^-5mol/l。

进一步地，所述的染色方法为：称取绝干量为0.2g的湿浆，放入用锡箔纸包裹的50ml玻璃瓶中，向玻璃瓶中加入40ml荧光染料溶液，加入适量玻璃珠后盖上橡胶塞均匀摇晃30min，静置，待纤维沉淀后用医用注射器移走上层清液，加去离子水依照上述步骤清洗三次，第二次和第三次的摇晃时间为5min，最后加去离子水盖塞备用。

进一步地，制备好的纤维结合模型与用共聚焦激光扫描显微镜clsm观察时间间隔小于15min。

进一步地，封片时采用封片剂封片，所述封片剂为快速风干型。

进一步地，所述高得率浆在水中浸泡的条件为：每60g绝干浆量添加1l去离子水。

进一步地，所述消潜时条件为浆浓2～5％，温度80～90℃，搅拌时间20～30min。

进一步地，所述使用共聚焦激光扫描显微镜clsm对搭建好的纤维结合模型进行观察的步骤为：(1)按照仪器说明书要求开启共聚焦激光扫描显微镜clsm，选择波长为488nm的激光作为激发光源；(2)先利用4倍倍物镜寻找并锁定纤维结合模型，然后逐级使用高倍物镜观察纤维结合模型，最终切换至40倍物镜，调节焦平面寻找纤维结合模型中两根纤维结合区域的量佳焦平面，最后设置对纤维结合模型进行光学切片的相关参数；(3)保存数据，利用图形处理软件标注纤维结合模型中两根纤维间的结合区域轮廓并计算结合面积。

进一步地，设置对纤维结合模型进行光学切片的相关参数时，应以纤维结合区域最佳焦平面为基准设置clsm扫描并进行光学切片的最高和最低位置，并设置合适的扫描步骤和相应跨度。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明以共聚焦激光扫描显微镜clsm为主要仪器构建了一种评价高得率浆纤维间实际结合面积的方法，本方法无需将高得率浆制备成手抄片、也无需对手抄片进行超薄切片，该方法操作简单，易于实现，可适用于所有类型高得率浆纤维的结合面积评价，适应性好。

2、本发明以对高得率浆进行筛分分级处理并对同一级分纤维搭建纤维结合模型，检测纤维结合模型中纤维间的实际结合面积，该方法可有效避免高得率浆纤维多分散性对于纤维间实际结合面积检测过程及结构造成的干扰。

3、本发明利用共聚焦激光扫描显微镜(clsm)可对纤维等半透明样品快速无损伤的进行连续光学切片的优势，用于确定荧光染色后纤维结合模型中纤维间的结合区域，具有较高的精确性。

附图说明

图1是一种杨木p-rcapmp高得率浆纤维结合模型的clsm数据三维重组图。

图2是图1所述高得率浆纤维结合模型在clsm视野下的三向光学切片图。

图3是图1所述高得率浆纤维结合模型在clsm观测时得到的一系列沿z轴光学切片得到的焦平面图像。

图4和图5分别是从clsm对杨木p-rcapmpr30和p30/r50级分纸浆纤维结合模型进行光学切片时得到的最接近纤维结合区域处的焦平面图像，图中已对纤维间结合区域进行标记并计算面积。

具体实施方式

下面根据发明内容进一步阐述本发明的具体实施方式。

一种利用clsm评价高得率浆纤维间结合面积的方法，所选用的高得率浆纤维原料、化学药品和纤维原料处理方法以及具体的clsm检测参数分别描述如下：

一、高得率浆纤维原料处理

具体高得率浆处理的步骤为；首先将商品高得率浆在去离子水中浸泡，浸泡后的纸浆进行消潜处理，消潜完成后的纸浆用标准纤维解离机进行解离处理；用筛分仪对经解离处理后的纸浆进行分级处理，并收集筛分获得的四个级分的纸浆纤维；均衡水分后测定固含量，备用。

本发明所述的高得率浆是指得率在65％以上的半化学浆(scp)、化学机械浆(cmp)、木片磨木浆(rmp)、热磨机械浆(tmp)、化学热磨机械浆(ctmp)、磨石磨木浆(sgw)、压力磨石磨木浆(pgw)等所有造纸用浆。

本发明所述的消潜处理是为了消除纤维在机械磨浆的剧烈作用下形成的扭曲变形状态。

所述的消潜处理的条件为浆浓2～5％，温度80～90℃，搅拌时间20～30min，进一步优选为浆浓4％，温度85℃，搅拌时间30min。

本发明所述的鲍尔筛分仪的筛分级数为4级，本发明中选择的四个筛网为30、50、100和200日。

二、高得率浆纤维的荧光染色和纤维结合模型的搭建

取适量上述筛分获得的r30级分纸浆纤维在去离子水中浸泡一周：用适宜浓度的荧光染料溶液染色，并洗去浮色，备用，在放大镜下利用解剖针在载玻片上将荧光染色后的纤维快速搭建成纤维结合模型，制备好的纤维结合模型用临时玻片避光放置，并在制备完成15min以内使用共聚焦激光扫描显微镜clsm观察。

本发明中所述的荧光染料为吖啶橙，全称为3，6-(二甲胺基)吖啶盐酸盐，分子式为c17h19n3·hcl·zncl，简称ao，分子量438.12g/mol。染色时采用的荧光染料溶液浓度为4×10^-5～6×10^-5mol/l，优选为5×10^-5mol/l，溶剂为去离子水，荧光染料溶液应现用现配，且应存放在棕色容量瓶中。

本发明中所述的染色方法为；称取绝干量为0.2g的湿浆，放入用锡箔纸包裹的50ml玻璃瓶中，向玻璃瓶中加入40ml荧光染料溶液，加入适量玻璃珠后盖上橡胶塞均匀摇晃30min：静置，待纤维沉淀后用医用注射器移走上层清液：加去离子水依照上述步骤，其中摇晃时间改为5min，共清洗三次，最后一次无需移走上层清液。

本发明中搭建纤维结合模型过程中需保持纤维处于湿润状态，纤维结合模型搭建完成后迅速盖上盖玻片并用封片剂封片，防止结合模型被破坏，所用封片剂为快速风干型。

三、共聚焦激光扫描显微镜对纤维结合模型进行观测

使用共聚焦激光扫描显微镜(clsm)对搭建好的纤维结合模型进行观察和光学切片，获取纤维结合模型中两根纤维结合区域的焦平面图片。

clsm观察纤维结合模型时步骤及参数设置如下：

操作步骤：

(1)按照仪器说明书要求开启共聚焦激光扫描显微镜clsm，选择波长为488nm的激光作为激发光源；

(2)先利用低倍物镜(4倍)寻找并锁定纤维结合模型，然后逐级使用高倍物镜观察纤维结合模型(最终切换至40倍物镜)，调节焦平面寻找纤维结合模型中两根纤维结合区域的最佳焦平面，最后设置对纤维结合模型进行光学切片的相关参数；

(3)保存数据，利用图形处理软件标注纤维结合模型中两根纤维间的结合区域轮廓并计算结合面积。

四、高得率浆纤维间实际结合面积计算

从获得的焦平面图像中筛选出最接近与结合模型中两根呈十字交叉状的纤维相互接触区域的焦平面图像，利用clsm配套的专业图形处理软件lsmimagebrowser对选中用于计算实际结合面积的焦平面图像进行标记并计算纸浆纤维结合模型中纤维间的实际结合面积。

实施例1

取某工厂生产的杨木p-rcapmp浆60g绝干量在1l去离子水中浸泡4h；浸泡后的纸浆进行消潜处理，消潜条件为浆浓5％，温度90℃，搅拌时间30min消潜完成后的纸浆用标准纤维解离机进行解离处理，用鲍尔筛分仪，使用30、50、100和200日的筛网对经解离处理后的纸浆进行分级处理，并收集筛分获得的四个级分的纸浆纤维；均衡水分后测定固含量，备用；

取适量上述筛分获得的r30级分杨木p-rcapmp纸浆纤维在去离子水中浸泡一周；用5×10^-5mol/l的吖啶橙溶液染色，具体染色方法为：称绝干量为0.2g的湿浆，放入用锡箔纸包裹的50ml玻璃瓶中，向玻璃瓶中加入40ml荧光染料溶液，加入适量玻璃珠后盖上橡胶塞均匀摇晃30min；静置，待纤维沉淀后用医用注射器移走上层清液；加去离子水依照上述步骤，其中摇晃时间改为5min，清洗三次，最后一次无需移走上层清液。在放大镜下利用解剖针在载玻片上将荧光染色后的纤维快速搭建成纤维结合模型纤维结合模型搭建完成后迅速盖上盖玻片并用封片剂封片，防止结合模型被破坏，所用封片剂为快速风干型。制备好的纤维结合模型临时玻片避光放置，并在制备完成15min以内使用共聚焦激光扫描显微镜clsm观察。

使用共聚焦激光扫描显微镜(clsm)对搭建好的纤维结合模型进行观察和光学切片，获取纤维结合模型中两根纤维结合区域的焦平面图片。

clsm观察纤维结合模型时步骤及参数设置如下：

(1)按照仪器说明书要求开启共聚焦激光扫描显微镜clsm，选择波长为488nm的激光作为激发光源；

(2)先利用低倍物镜(4倍)寻找并锁定纤维结合模型，然后逐级使用高倍物镜观察纤维结合模型(最终切换至40倍物镜)，调节焦平面寻找纤维结合模型中两根纤维结合区域的最佳焦平面，最后设置对纤维结合模型进行光学切片的相关参数；

(3)保存数据，利用图形处理软件标注纤维结合模型中两根纤维间的结合区域轮廓并计算结合面积。

参数设定范围和注意事项：

(1)设置对纤维结合模型进行光学切片的相关参数时，应以纤维结合区域最佳焦平面为基准设置clsm扫描并进行光学切片的最高和最低位置，并设置合适的扫描步骤和相应跨度；

(2)本实施例中，设置的扫描跨度为0.76μm，根据样品厚度及已设定的扫描跨度确定扫描步骤为33次，最终可得到33张间隔为0.76μm的r30级分杨木p-rcapmp纸浆纤维结合模型的光学切片焦平面图像。

(3)clsm的操作环境为黑暗环境，开始扫描要关闭室内光源，直至扫描结束；扫描过程中调节位 置等操作尽量快速完成，以减少荧光淬灭造成的样品损坏。

从上述获得的33张间隔为0.76μm的r30级分杨木p-rcapmp纸浆纤维结合模型的光学切片(焦平面图像)中筛选出最接近与结合模型中两根呈十字交叉状的纤维相互接触区域的焦平面图像，本实施例中第18张处光学切片(z轴坐标为12.91μm)的焦平面图像最能清晰反应两根纤维间的实际结合区域，因此这张焦平面图片被选中并用于标记和计算纤维间实际结合区域及其面积。

利用clsm配套的专业图形处理软件(lsmimagebrowser)对选中用于计算实际结合面积的焦平面图像进行标记并计算所用r30级分杨木p-rcapmp纸浆纤维结合模型中纤维间的实际结合面积。

实施例2

取某工厂生产的杨木p-rcapmp浆60g绝干量在1l去离子水中浸泡4h；浸泡后的纸浆进行消潜处理，消潜条件为浆浓2％，温度80℃，搅拌时间20min消潜完成后的纸浆用标准纤维解离机进行解离处理，用鲍尔筛分仪，使用30、50、100和200目的筛网对经解离处理后的纸浆进行分级处理，并收集筛分获得的四个级分的纸浆纤维；均衡水分后测定固含量，备用：；

取适量上述筛分获得的p30/r50级分杨木p-rcapmp纸浆纤维在去离子水中浸泡一周：用6×10⁵mol/l的吖啶橙溶液染色，具体染色方法为：称绝干量为0.2g的湿浆，放入用锡箔纸包裹的50ml玻璃瓶中，向玻璃瓶中加入40ml荧光染料溶液，加入适量玻璃珠后盖上橡胶塞均匀摇晃30min；静置，待纤维沉淀后用医用注射器移走上层清液：加去离子水依照上述步骤，其中摇晃时间改为5min，清洗三次，最后一次无需移走上层清液。在放大镜下利用解剖针在载玻片上将荧光染色后的纤维快速搭建成纤维结合模型，纤维结合模型搭建完成后迅速盖上盖玻片并用封片剂封片，防止结合模型被破坏，所用封片剂为快速风干型。制备好的纤维结合模型临时玻片避光放置，并在制备完成15min以内使用共聚焦激光扫描显微镜clsm观察。

使用共聚焦激光扫描显微镜(clsm)对搭建好的纤维结合模型进行观察和光学切片，获取纤维结合模型中两根纤维结合区域的焦平面图片。

clsm观察纤维结合模型时步骤及参数设置如下：

操作步骤：

(1)按照仪器说明书要求开启共聚焦激光扫描显微镜(clsm)，选择波长为488nm的激光作为激发光源；

(2)先利用低倍物镜(4倍)寻找并锁定纤维结合模型，然后逐级使用高倍物镜观察纤维结合模型(最终切换至40倍物镜)，调节焦平面寻找纤维结合模型中两根纤维结合区域的最佳焦平面，最后设置对纤维结合模型进行光学切片的相关参数；

(3)保存数据，利用图形处理软件标注纤维结合模型中两根纤维间的结合区域轮廓并计算结合面积。

参数设定范围和注意事项：

(1)设置对纤维结合模型进行光学切片的相关参数时，应以纤维结合区域最佳焦平面为基准设置clsm扫描并进行光学切片的最高和最低位置，并设置合适的扫描步骤和相应跨度；

(2)本实施例中，设置的扫描跨度为0.76μm，根据样晶厚度及已设定的扫描跨度确定扫描步骤为25次，最终可得到25张间隔为0.76μm的p30/r50级分杨木p-rcapmp纸浆纤维结合模型的光学切片(焦平面图像)，如附图3所示。

(3)clsm的操作环境为黑暗环境，开始扫描要关闭室内光源，直至扫描结束；扫描过程中调节位置等操作尽量快速完成，以减少荧光淬灭造成的样品损坏。

四、高得率浆纤维间实际结合面积计算

从上述获得的25张间隔为0.76μm的p30/r50级分杨木p-rcapmp纸浆纤维结合模型的光学切片(焦平面图像)中筛选出最接近与结合模型中两根呈十字交叉状的纤维相互接触区域的焦平面图像，本实施例中第12张光学切片(z轴坐标为8.35μm处)的焦平面图像最能清晰反应两根纤维间的实际结合区域，因此这张焦平面图片被选中并用于标记和计算纤维间实际结合区域及其面积。

利用clsm配套的专业图形处理软件(lsmimagebrowser)对选中用于计算实际结合面积的焦平面图像进行标记并计算所用p30/r50级分杨木p-rcapmp纸浆纤维结合模型中纤维间的实际结合面积。

因此，就计算出了杨木p-rcapmp纸浆中r30和p30/r50级分制备的纤维结合模型中两根纤维间的实际结合面积分别为115.2μm2和189.57μm2。

由此可见，本发明中的利用clsm评价高得率浆纤维间结合面积的方法具有快捷简便且精确度较高等优点，是一种实际生产可以接受的、经济可行的新型高得率浆纤维结合面积检测方法。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。