2018, Vol. 38 
2. 中国药科大学, 南京 211198
2. China Pharmaceutical University, Nanjing 211198, China
聚丙烯（polypropylene，PP）是由丙烯聚合而成的一种热塑性树脂。近年来，聚丙烯工业发展较迅速，特别在医药包装行业中应用日趋广泛，因聚丙烯可用来生产输液袋和输液瓶等，据调查常用的聚丙烯输液袋、输液瓶等占我国大容量输液产品30%~40%的市场份额[1]。PP粒料抗冲击强度差，尤其在低温条件下更差，不利于长久保存，为了提高塑料的抗冲击强度，一般会加入橡胶，增加其韧性。常用的增韧剂有SEBS、丁苯橡胶、乙丙橡胶、SBS等，它们与PP组成共混物以提高其韧性。其中SEBS是较常用的增韧剂。
SEBS（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物）是以聚苯乙烯为末端段，以聚丁二烯加氢得到的乙烯-丁烯共聚物为中间弹性嵌段的线性三嵌共聚物。其丁二烯段被氢化饱和，因此具有良好的耐热性、耐压缩变性、耐老化和力学性能。SEBS是性能优良的热塑性弹体[2-3]，无需硫化即可使用的弹性体，符合美国FDA要求，理想条件下的SEBS被称为“橡胶黄金”，它作为改性剂对PP进行改性，是PP体系良好的相容剂，也是良好的增韧剂。SEBS与PP组成的复合材料，具有耐老化，耐溶剂，质感好，可杀菌等优点，但在SEBS生产过程中会不可避免地引入单体、小分子等有害物质。有文献报道[4]，SEBS和PP的共混物中，随着SEBS含量的增加，共混物的韧性也相应增加，但混合物的热稳定性、结晶度、拉伸强度和屈服应力会随之降低，因此共混物中SEBS的加入量并不是越多越好。另外，聚丙烯输液瓶、袋属于高风险药包材产品，产品中添加的助剂通常都有更为严格的要求，需严格控制限量，以免影响药品的安全性。因此，建立聚丙烯输液袋、瓶中的SEBS含量有利于产品的质量控制。目前，SEBS的分析方法主要有凝胶色谱法和光谱法，表 1为各种方法的优缺点。至今尚未见测定塑料中SEBS含量的近红外光谱分析法的文献报道。
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表 1 检测SEBS的常用方法 Table 1 Common methods for detecting SEBS |
近红外光谱法受化学计量学快速发展的影响，在多个领域应用广泛。近红外光谱（NIR）区域（12 000~4 000 cm-1）是位于可见光的红光波段和中红外（红外）之间的区域。它可反映C-H、O-H、N-H、S-H等含氢基团振动光谱的倍频和合频的吸收信息，联合化学计量学技术，可快速无污染地完成定性定量的分析任务。该技术具有分析速度快，方便，成本低，不破坏和消耗样品，不需要化学预处理等优点[5-8]，本次研究采用近红外光谱法（NIR），建立一致性检验模型，测定37批待测样品是否含有SEBS。该模型的建立便于聚丙烯输液袋和瓶中SEBS的快速定性鉴别。
1 材料与仪器 1.1 材料建模样品：收集不含SEBS的PP粒料，涵盖4个厂家，5种牌号，作建模样品，见表 2。
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表 2 建模样品信息 Table 2 modeling sample information |
验证样品：苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS，牌号G1645，美国科腾）1批，自制PP与SEBS的混合物53批，作为验证样品，见表 3。
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表 3 验证样品信息 Table 3 Verify sample information |
测试样品：现有PP输液瓶/袋37批，生产厂家、产品批号、牌号见表 4。
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表 4 待测样品信息 Table 4 Sample information to be tested |
傅立叶变换近红外光谱仪（BRUKER，MPA），积分球光纤杯测样器，OPUS 6.5光谱工作站（德国BRUKER公司）；薄膜制样机（Altas，斯贝克）；电子测厚仪（广州标记包装设备有限公司，GH-D）；万分之一Mettler电子天平。
2 实验部分 2.1 样品制备 2.1.1 建模参考用PP膜的制备分别从5种牌号（STM866，ST612，R530，W331，RP260）的PP粒料中称取适量，置于不锈钢厚度垫圈内，加热加压制膜。热压温度为150 ℃，液压压强为5 MPa，热压时间为1.5 min。热压完成后，取出PP参考膜，膜厚约为0.2 mm。
2.1.2 建模验证用含SEBS的PP膜的制备分别取适量PP粒料（牌号STM866）和SEBS混合，控制SEBS的质量比例在1%~20%范围内，置于圆底烧瓶中，加甲苯80 mL，回流至全部溶解，冷却至60 ℃，边搅拌边加入甲醇120 mL，过滤混悬液，取沉淀物，低温挥尽溶剂，制成含SEBS比例为1%~20%的一系列混料。称取混料适量（质量同“2.1.1”项），在热压成膜条件（热压温度为150 ℃，液压压强为5 MPa，热压时间为1.5 min）下制膜，分别制得53批不同SEBS含量的PP膜（厚度约为0.2 mm）。
2.1.3 待测样品膜的制备称取质量同“2.1.1”项的37批待测样品，在热压成膜条件（热压温度为150 ℃，液压压强为5 MPa，热压时间为1.5 min）下制膜，制得待测样品膜和模拟样品膜（膜厚约为0.2 mm）。
2.2 实验方法与结果 2.2.1 光谱采集漫反射积分球加黄金背景扫描，硫化铅（PbS）检测器，波数为12 500~4 000 cm-1，分辨率为8 cm-1，扫描次数为32次。
2.2.2 特征谱段通过比较建模样品PP的光谱与验证样品SEBS的光谱，避开噪声大的谱段，选择6 051~5 970 cm-1和4 724~4 539 cm-1作为特征谱段。
2.2.3 光谱处理方法为了消除各种噪音信号和物理因素的干扰，提高模型的准确性，可对光谱进行一定的预处理。经实验优化选择矢量归一化+二阶导数+13点平滑作为光谱处理方法。
2.2.4 定性模型的建立选择一致性检验建立定性鉴别模型，对34种聚丙烯输液袋和瓶可很好地鉴别，具体建模参数见表 5。检测下限的确定，见图 1。
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表 5 近红外光谱定性模型建模参数 Table 5 Near-infrared spectroscopy qualitative model modeling parameters |
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图 2 一致性评价模型中检测下限的确定 Figure 2 Determination of detection limit in the consistency evaluation |
分析方法的检测下限依据验证样品与CI线的接近程度确定，参见图 1。从图 1可见，接近CI线的验证样品中SEBS最低含量为1.07%和1.31%，即该模型能检测到的最低限度是1.07%和1.31%，由图中看出该限度接近阴性样品，如果检测下限定值比这小，模型会出现误判，出现假阳性样品，故检测下限定值应大于1.31%，可将检测下限保守定为2%。
2.2.5 待测样品测试将37批待测样品的光谱调入一致性检验模型中，进行定性检测。一致性模型CI阈值为3.4，待测样品CI值均不超过3.4，检测模型显示通过，表明该样品被模型接受，即样品未检出SEBS。从图 2看有34批待测样品接近CI线并在其附近，而有3批样品远离CI线。实验结果见表 6。从表 6看，前34批待测样CI值均小于3.4，实验结果为阴性，而后3批待测样CI值均超过3.4，实验结果为阳性。经与厂家m确认，样品35、36、37中SEBS的含量分别为6%、9%、11%，大于检测下限2%，一致性检测模型均显示未通过，验证了模型的可行性。
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图 3 一致性检验模型检测待测样品图 Figure 3 Consistency test model to test samples to be tested |
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表 6 实验结果 Table 6 Test results |
近红外光谱的采集方式主要有3种：漫反射、透射、漫透反射。可根据待测样品的形态或环境，而选择适合的采集方式。通常固体采集方式为漫反射，液体采集方式为透射。本次试验的样品是厚度较薄的膜片，当光照射到膜片时，易穿透膜片而进入空气中，部分光信号会损失，而不能被检测器检测，因此本研究采用透漫反射采集方式，并在膜片上放置黄金背景，黄金背景可反射回来穿透膜片的光，积分球收集所有近红外光，最后由检测器检测。
3.2 一致性模型的选择最常用的判别方法是模式识别法，按照有无建模样品，可分为无监督模式（聚类分析）和有监督模式（距离判别）2种方法。无监督模式依靠光谱图的差异进行分类；有监督模式需要验证样品，通过待测样品光谱和建模样品光谱的差异，进行鉴别。有监督模式可分为ident定性测试、一致性检验、相关系数比较法。对于2类及其以上的建模样品可选用ident定性测试，而建模样品为一类时，可选用一致性检验、相关系数比较法，其中一致性检验模型简便且灵敏度高[9]，适用于本研究对象和研究目的。一致性检验通过比较待测光谱与已知参考光谱的相似程度，考察近红外光谱的偏差是否位于置信区间，常用于控制批间一致性。
3.3 建模谱段的选择一致性检验模型通过比较每个波长点的吸收度值，来比较建模样品和验证样品谱图的一致性。通过对光谱全波段进行分析，笔者发现在6 051~5 970 cm-1及4 724~4 539 cm-1范围光谱信息丰富。
3.4 谱图预处理方法的选择近红外光谱既包含了样品信息，也含有其他无关信息和噪声，如电噪声、样品背景和杂散光等[10]。在建模时，无关信息和噪声对光谱数据的结果处理会有影响，为了减小此影响，可选择矢量归一化法和导数化法。其中对于光纤路径长度的变化、光源强度的波动及人为因素的影响可用矢量归一化法校正[11]，该法可保证模型的准确性和适用性。对于基线的偏移和漂移影响，可用导数化法进行校正，还可提高光谱的分辨率[12]，且二阶导数法还可消除由颜色引起的光谱漂移[13]，将一阶导数和二阶导数法所得结果进行比较，发现本研究采用二阶导效果较好。平滑点也可消除误差改进实验数据，但平滑点数的选择也需要考察，不能过多，否则会使数据失真，通过比较平滑点数的改变对实验结果的影响，发现本研究选择13点平滑效果较好，见表 7。
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表 7 预处理方法的选择 Table 7 The selection of pretreatment |
聚丙烯输液瓶和袋是由PP粒料吹注而成，不同厂家的吹注工艺和模具不同，得到的输液瓶和袋的厚度就有所差异，本研究选用透漫反射式采集光谱，其膜片厚度对所测谱图的结果有较大的影响，会在谱图吸收度值上表现出来，实验时需消除此影响，但此种差异采用光谱预处理方法难以消除[14]。谢兰桂[9]曾采用一致性检验研究过膜厚度变化引起的光谱间偏差，发现厚度较薄的膜经光谱预处理后光谱信号较强（见图 3-A），由于厚度对测试结果产生显著影响，为了将膜厚度控制在统一水平，可采用热压法，裁剪质量相同的聚丙烯输液袋和瓶，在相同的膜具条件下重新压缩成膜，但热压法只能将膜厚度控制在一定范围内，因压缩过程中实验条件是人为控制，大批膜的压缩，操作过程中可能产生人为误差，且环境温度的差异也会影响膜片的冷却时间。本次研究采用热压成膜法，将温度控制为150 ℃，液压压强为5 MPa，热压时间为1.5 min，所制得的膜片经电子测厚仪测得厚度分布情况（见图 4），总体膜厚度约为0.2 mm，通过谱图观察（见图 3-B）发现谱图信号差异不大。
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A.不同厚度，红色：0.21 nm，蓝色：0.23 nm（different thickness，red：0.21 nm，blue：0.23 nm）B.相同厚度（same thickness）0.2 nm 图 3 聚丙烯膜片的近红外光谱局部放大图 Figure 3 Partial enlargement of near infrared spectra of polypropylene diaphragms |
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图 4 膜厚度波动情况图 Figure 4 film thickness distribution |
本研究待测样品的原料有多种牌号，既可以建立单个牌号的一致性检验模型，也可建立多牌号的一致性检验模型用于定性鉴别。建模样品为单一牌号时，模型识别的灵敏度比多牌号模型高，但多牌号模型可同时检测不同牌号的原料，适用范围广，且模型可不断扩充调整[10]。本研究共选取了37批待测样品，其中有3批待测样品测试结果为阳性，一致性检验模型显示未通过，经与厂家交流知其SEBS的含量均大于检测下限2%，再次验证了该模型的可行性。近红外一致性检验模型测试简便快速，结果准确可靠。
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