李坚等：铜电解液中硫酸质量浓度和温度对明胶分解的影响 581 积中应用广泛.在金属的电解沉积过程中，由于添加 解液中相对分子质量大于3500的明胶蛋白（肽链）进 于电解液中的明胶在阴极表面活性生长点处的吸附圆 行分离，以BCA法测定所得明胶蛋白的质量浓度，研 而改变和优化了阴极沉积物的结晶形态-.铜电解 究温度、H2S0及Cú2·质量浓度对电解液中明胶分解 液中添加每升几毫克的明胶，即可抑制阴极表面活性 速率的影响 生长点处的快速生长圆，避免阴极铜板面上形成结瘤 和枝晶山，使阴极铜板面光滑和致密2-.明胶是动 1 实验部分 物的皮、骨和肌腱组织等胶原蛋白变性（或水解）的产 1.1主要试剂和仪器 物，而且胶原在向明胶的转化过程中，其棒状的三 1.1.1试剂 股螺旋结构基本被破坏，转为长短不一且无规则卷曲 (1)明胶由昆明龙泽制胶有限公司生产，为云南 的多肽链，但明胶的氨基酸组成和胶原相似5a.X 铜业股份有限公司等铜电解生产企业实际所用明胶， 射线衍射研究表明，每根肽链由多个氨基环节组成，而 实验中未进一步纯化：(2)BCA蛋白质质量浓度测定 多根定向的或紊乱的肽链高度聚合形成了明胶. 试剂盒（增强型Enhanced BCA Protein Assay Kit),对蛋 因此，明胶没有固定的结构，相对分子质量也不确定， 白质质量浓度的检测下限为0.5μgmL,最小检测蛋 一般为15000-2500004-8.当受酸或碱的作用时，明 白质的质量为0.2μg,中国上海碧云天生物技术有限 胶蛋白的肽链都会发生断裂而降解，变为更短的肽链、 公司：(3)透析袋(D35mm,MD55mm,美国Viskase)截 多肽、寡肽等，并最终成为各种氨基酸分子.在铜 留相对分子质量为3500，使用前用蒸馏水煮洗：(4) 电解过程中，不仅明胶的相对分子质量逐渐减小，而且 硫酸铜、硫酸、氢氧化钠等均为分析纯，西陇化学试剂 质量浓度也逐渐减小，最终失去对阴极铜的整平作用. 有限公司. 因此，铜电解生产中，必须连续、均匀和定量地添加明 1.1.2仪器 胶，保持电解液中明胶的有效质量浓度.人们普遍认 (1)754型紫外-可见分光光度计，上海天普分析 为，只有当明胶的相对分子质量足够大，才可能作为 仪器有限公司；(2)磁力搅拌器，德国IKA RCT:(3) “活性胶”在铜电解中发挥有效作用.Bharucha等叨 HP1650型离心机，中国湘仪集团公司：(4)DHG9053A 认为“活性胶”的相对分子质量应在10000及以上，而 电热鼓风干燥箱，上海风棱实验设备有限公司. Saban等u网则推测明胶在电解液中失活的临界相对分 1.2实验方法 子质量为3700.铜电解液中的绝大部分明胶受电解液 1.2.1铜电解液中明胶的分解 的组成和温度影响而发生降解.因此，为优化铜电解 准确称取4.0g明胶于100mL烧杯中，加20mL蒸 生产，掌握明胶在铜电解液中的分解规律极为重要. 馏水于室温下溶张30min,再加40mL蒸馏水，于50℃ 至此，铜电解过程中明胶的添加量控制主要依赖 水浴中磁力搅拌充分溶解，移入100mL容量瓶中加蒸 于生产实践的经验积累，对实际生产的铜电解液中明 馏水定容并摇匀，倒入50mL离心管中，以4000r· 胶质量浓度进行快速、直接的准确测定并不容易.前 min离心分离5min脱除极少量难溶性固体杂质，得 人主要是采用电化学方法，间接获得在电解液组成和 到含明胶40.0gL的淡黄色透明溶液.取该明胶溶 温度一定的条件下，阴极极化电位或过电位与明胶质 液3mL于5mLPE管中，于-10℃冰箱冻存（至少3 量浓度的数值关系，以阴极极化电位或过电位值来体 个月不变质)，留作后续测定明胶质量浓度时的标准 现电解液中明胶的质量浓度19-.这类方法对电极 溶液；其余明胶溶液用于明胶的分解实验 有很高的要求，而且阴极过电位值受电解液中H,SO:、 配制含CuS0,和H,S0,的模拟铜电解液270.0mL Cu2·、N2·等组分的质量浓度、添加剂（明胶、硫脲、HCl 于500mL平底三口烧瓶中，将烧瓶置于恒温水浴中， 等)的质量浓度、温度等因素的显著影响.Saban等网 水浴温度为设定的明胶分解反应温度：铜电解液用 以体积排阻色层（分离）法研究了在含150g·L」 3cm长的磁搅拌转子以50r·min的转速进行轻微搅 H,S0,和46gLCu2离子的模拟铜电解液中明胶的 动（生产电解槽中，电解液处于慢速流动状态）：待电 分解速率，获得明胶的分解速率常数k°=1.5× 解液的温度达到设定温度时，加入质量浓度为40.0g· 10'exp(-9951/r）minl L的明胶水溶液30.0mL(与电解液温度相同）)，使电 由于蛋白质能与考马斯亮蓝G-250、Folin酚试 解液中明胶的起始质量浓度均为4.0gL,此时作为 剂、二喹啉甲酸(Bicinchoninic acid,BCA)等多种有机 电解液中明胶分解的起始时间 试剂发生显色反应，因而形成了几种采用光度分析快 1.2.2明胶样品的制备 速测定低质量浓度蛋白质的方法，如Lowry法、Brad- 于明胶分解反应进行的不同时刻，取5.0mL电解 fod法及BCA法4-a,这些分析方法在生物化学、生 液于内盛5mL蒸馏水的50mL烧杯中，立即置于冰水 命科学等领域应用广泛.本文采用透析法，切将铜电 浴中冷却降温，再用4mol·L-NaOH溶液中和游离李 坚等: 铜电解液中硫酸质量浓度和温度对明胶分解的影响 积中应用广泛． 在金属的电解沉积过程中，由于添加 于电解液中的明胶在阴极表面活性生长点处的吸附［8］ 而改变和优化了阴极沉积物的结晶形态［9--10］． 铜电解 液中添加每升几毫克的明胶，即可抑制阴极表面活性 生长点处的快速生长［8］，避免阴极铜板面上形成结瘤 和枝晶［11］，使阴极铜板面光滑和致密［12--13］． 明胶是动 物的皮、骨和肌腱组织等胶原蛋白变性( 或水解) 的产 物［14］，而且胶原在向明胶的转化过程中，其棒状的三 股螺旋结构基本被破坏，转为长短不一且无规则卷曲 的多肽链，但明胶的氨基酸组成和胶原相似［15--16］． X 射线衍射研究表明，每根肽链由多个氨基环节组成，而 多根定向的或紊乱的肽链高度聚合形成了明胶［14］． 因此，明胶没有固定的结构，相对分子质量也不确定， 一般为 15000 ～ 250000［14--16］． 当受酸或碱的作用时，明 胶蛋白的肽链都会发生断裂而降解，变为更短的肽链、 多肽、寡肽等，并最终成为各种氨基酸分子［16］． 在铜 电解过程中，不仅明胶的相对分子质量逐渐减小，而且 质量浓度也逐渐减小，最终失去对阴极铜的整平作用． 因此，铜电解生产中，必须连续、均匀和定量地添加明 胶，保持电解液中明胶的有效质量浓度． 人们普遍认 为，只有当明胶的相对分子质量足够大，才可能作为 “活性胶”在铜电解中发挥有效作用． Bharucha 等［17］ 认为“活性胶”的相对分子质量应在 10000 及以上，而 Saban 等［18］则推测明胶在电解液中失活的临界相对分 子质量为 3700． 铜电解液中的绝大部分明胶受电解液 的组成和温度影响而发生降解． 因此，为优化铜电解 生产，掌握明胶在铜电解液中的分解规律极为重要． 至此，铜电解过程中明胶的添加量控制主要依赖 于生产实践的经验积累，对实际生产的铜电解液中明 胶质量浓度进行快速、直接的准确测定并不容易． 前 人主要是采用电化学方法，间接获得在电解液组成和 温度一定的条件下，阴极极化电位或过电位与明胶质 量浓度的数值关系，以阴极极化电位或过电位值来体 现电解液中明胶的质量浓度［17，19--23］． 这类方法对电极 有很高的要求，而且阴极过电位值受电解液中 H2 SO4、 Cu2 + 、Ni2 + 等组分的质量浓度、添加剂( 明胶、硫脲、HCl 等) 的质量浓度、温度等因素的显著影响． Saban 等［18］ 以体 积 排 阻 色 层 ( 分 离) 法 研 究 了 在 含 150 g·L － 1 H2 SO4 和 46 g·L － 1 Cu2 + 离子的模拟铜电解液中明胶的 分解 速 率，获 得 明 胶 的 分 解 速 率 常 数 k' = 1. 5 × 107 exp( － 9951 /T) min － 1 ． 由于蛋白质能与考马斯亮蓝 G--250、Folin 酚 试 剂、二喹啉甲酸( Bicinchoninic acid，BCA) 等多种有机 试剂发生显色反应，因而形成了几种采用光度分析快 速测定低质量浓度蛋白质的方法，如 Lowry 法、Brad￾ford 法及 BCA 法［24--26］，这些分析方法在生物化学、生 命科学等领域应用广泛． 本文采用透析法［25，27］将铜电 解液中相对分子质量大于 3500 的明胶蛋白( 肽链) 进 行分离，以 BCA 法测定所得明胶蛋白的质量浓度，研 究温度、H2 SO4 及 Cu2 + 质量浓度对电解液中明胶分解 速率的影响． 1 实验部分 1. 1 主要试剂和仪器 1. 1. 1 试剂 ( 1) 明胶由昆明龙泽制胶有限公司生产，为云南 铜业股份有限公司等铜电解生产企业实际所用明胶， 实验中未进一步纯化; ( 2) BCA 蛋白质质量浓度测定 试剂盒( 增强型 Enhanced BCA Protein Assay Kit) ，对蛋 白质质量浓度的检测下限为 0. 5 μg·mL － 1，最小检测蛋 白质的质量为 0. 2 μg，中国上海碧云天生物技术有限 公司; ( 3) 透析袋( D35 mm，MD55 mm，美国 Viskase) 截 留相对分子质量为 3500，使用前用蒸馏水煮洗; ( 4) 硫酸铜、硫酸、氢氧化钠等均为分析纯，西陇化学试剂 有限公司． 1. 1. 2 仪器 ( 1) 754 型紫外--可见分光光度计，上海天普分析 仪器有限公司; ( 2) 磁力搅拌器，德国 IKA ＲCT; ( 3) HP1650 型离心机，中国湘仪集团公司; ( 4) DHG9053A 电热鼓风干燥箱，上海风棱实验设备有限公司． 1. 2 实验方法 1. 2. 1 铜电解液中明胶的分解 准确称取 4. 0 g 明胶于 100 mL 烧杯中，加 20 mL 蒸 馏水于室温下溶胀 30 min，再加 40 mL 蒸馏水，于 50 ℃ 水浴中磁力搅拌充分溶解，移入 100 mL 容量瓶中加蒸 馏水定 容 并 摇 匀，倒 入 50 mL 离 心 管 中，以 4000 r· min － 1离心分离 5 min 脱除极少量难溶性固体杂质，得 到含明胶 40. 0 g·L － 1的淡黄色透明溶液． 取该明胶溶 液 3 mL 于 5 mL PE 管中，于 － 10 ℃ 冰箱冻存( 至少 3 个月不变质) ，留作后续测定明胶质量浓度时的标准 溶液; 其余明胶溶液用于明胶的分解实验． 配制含 CuSO4 和 H2 SO4的模拟铜电解液 270. 0 mL 于 500 mL 平底三口烧瓶中，将烧瓶置于恒温水浴中， 水浴温度为设定的明胶分解反应温度; 铜电解液用 3 cm长的磁搅拌转子以 50 r·min － 1的转速进行轻微搅 动( 生产电解槽中，电解液处于慢速流动状态) ; 待电 解液的温度达到设定温度时，加入质量浓度为 40. 0 g· L － 1的明胶水溶液 30. 0 mL( 与电解液温度相同) ，使电 解液中明胶的起始质量浓度均为 4. 0 g·L － 1，此时作为 电解液中明胶分解的起始时间． 1. 2. 2 明胶样品的制备 于明胶分解反应进行的不同时刻，取 5. 0 mL 电解 液于内盛 5 mL 蒸馏水的 50 mL 烧杯中，立即置于冰水 浴中冷却降温，再用 4 mol·L － 1 NaOH 溶液中和游离 · 185 ·