韓 瑤，李佳隆，楊亞磊，節(jié)夢蕾，景偉文

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052)

羥基自由基(·OH)具有非常高的氧化活性，可以與大多數(shù)有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)速率達(dá)107～1010mol/(L·s)[1]，其來源主要是光反應(yīng)過程。但 ·OH的壽命非常短，在水相中只有約10-9s，且自然水體表層所含 ·OH的穩(wěn)態(tài)濃度為1.0×10-17～1.0×10-15mol/L[2]。由于壽命極短加上其穩(wěn)態(tài)濃度通常較低，因此給定量測定水體中 ·OH的生成帶來了相當(dāng)大的困難。

近年來，對有機(jī)探針DMSO測定 ·OH的有效性進(jìn)行了充分的研究[14 - 16]，但是目前沒有報道將 DMSO 應(yīng)用于Fe(Ⅲ)-羧酸體系中 ·OH的測定。本文嘗試通過DMSO捕獲 ·OH，并與其反應(yīng)生成甲醛，產(chǎn)生的甲醛與衍生試劑2,4-二硝基苯肼(DNPH)反應(yīng)得到衍生產(chǎn)物甲醛-2,4-二硝基苯腙(HCHO -DNPH)，利用高效液相色譜-紫外檢測器對衍生產(chǎn)物進(jìn)行分離分析，并對具體的衍生化條件進(jìn)行了優(yōu)化，旨在建立一種簡便快捷、靈敏度高、衍生產(chǎn)物具有單一性，適用于光反應(yīng)體系中 ·OH測定的分析方法。最后以該方法對UV-Fe(Ⅲ)-羧酸體系中經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)形成的 ·OH進(jìn)行了定量，為今后環(huán)境中持久性有機(jī)污染物(POPs)光降解和轉(zhuǎn)化反應(yīng)的研究奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

LC-20AB型高效液相色譜儀(日本，島津公司)，附SPD-M20A檢測器；OCRS-1型光化學(xué)反應(yīng)儀(開封市宏興科教儀器)，配300 W汞燈；FE20型pH計(上海梅特勒-托利多儀器有限公司)；AL204型電子天平(上海梅特勒-托利多儀器有限公司)；KQ5200B型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵。

甲醛標(biāo)準(zhǔn)品(100 mg/L，純度>97%)購自北京北方偉業(yè)計量技術(shù)研究院；甲醇(>99.9%，色譜純)購自Sigma-Aldrich公司；Fe(ClO4)3·xH2O、草酸、酒石酸、DMSO、DNPH購自天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司，均為分析純(>99.5%)；HClO4(70%)、NaOH購自天津政成化學(xué)制品有限公司。實(shí)驗(yàn)用水為艾柯純水儀制備的超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 溶液配制甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液：準(zhǔn)確移取1.00 mL甲醛標(biāo)準(zhǔn)品于10 mL容量瓶中，用超純水定容至刻度，配制成10.00 mg/L標(biāo)準(zhǔn)儲備液，于冰箱4 ℃儲存，臨用時用超純水稀釋成不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)工作液。

1.2.2 UV-Fe(Ⅲ)-羧酸體系中 ·OH的生成、捕獲及測定準(zhǔn)確稱取0.0354 g(1.0×10-4mol/L)的Fe(ClO4)3·xH2O，加約900 mL超純水，攪拌至充分溶解后，按照Fe∶羧酸物質(zhì)的量比為1∶10的比例分別加入草酸或酒石酸，定量加入DMSO，調(diào)節(jié)pH=3后(NaOH或HClO4)移入容量瓶中定容搖勻，將反應(yīng)液倒入反應(yīng)容器中，置于汞燈光化學(xué)反應(yīng)儀中進(jìn)行光照，定時取樣。樣品1 mL移入容量瓶中，加5 mL H3PO4-NaH2PO4緩沖溶液，2.7 mL DNPH溶液(1 mmol/L)，定容，于50 ℃下水浴30 min，冷卻至室溫后過濾，HPLC-PDA分離檢測。生成的甲醛按照上述衍生條件進(jìn)行測定，根據(jù)DMSO和 ·OH的捕獲反應(yīng)，如式1～3所示，2 mol的 ·OH得到 1 mol甲醛，從而計算 ·OH的生成量。

(1)

(2)

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜條件

選定的色譜條件為：采用ODS-SP-C18色譜柱；流動相為甲醇∶水(70∶30，V/V)；等度洗脫方式；流速為0.7 mL/min；柱溫30 ℃；進(jìn)樣量為20 μL，檢測波長352 nm。圖1為測定體系典型色譜圖，其中圖1a為對照(沒有進(jìn)行紫外光照射的溶液，取樣后按照“1.2.2”方法進(jìn)行衍生化反應(yīng))，圖1b為甲醛標(biāo)準(zhǔn)色譜圖，圖1c和圖1d分別為Fe(Ⅲ)-草酸和Fe(Ⅲ)-酒石酸體系的測定結(jié)果。從圖1a可以看到，HPLC法沒有檢測到HCHO -DNPH的色譜峰，只有DNPH存在，說明對照溶液不產(chǎn)生本底干擾。從圖1b中可以看出，體系中DNPH及其衍生物HCHO -DNPH在12 min內(nèi)完全分離，且分離度高，峰形對稱，達(dá)到測定要求。其中甲醛衍生物HCHO -DNPH的保留時間約為10.8 min。另外圖1c和圖1d的結(jié)果說明反應(yīng)液中其他成分不會對測定產(chǎn)生干擾。

圖1 DNPH及甲醛衍生物HCHO -DNPH的色譜圖Fig.1 Chromatograms of DNPH and formaldehyde derivative HCHO -DNPHa:blank;b:formaldehyde standard solution;c:Fe(Ⅲ)-oxalic acid system;d:Fe(Ⅲ)-tartaric acid system.

2.2 衍生化反應(yīng)條件

2.2.1 DPNH濃度的影響本文所用方法是通過DMSO探針捕獲 ·OH以產(chǎn)生特定的產(chǎn)物，然后利用衍生試劑對產(chǎn)物進(jìn)行衍生，使生成穩(wěn)定且適合用HPLC法進(jìn)行測定的衍生產(chǎn)物，所以該方法的靈敏度有一部分是由衍生反應(yīng)所決定的。目前較常使用的衍生試劑為DNPH[17]、乙醇[18]、五氟芐基羥胺鹽酸鹽[19]等。使用乙醇進(jìn)行衍生時需要使用酸催化劑，操作與本文相比較為繁瑣；使用五氟芐基羥胺鹽酸鹽衍生時時間較長，不適用于快速測定。因此本實(shí)驗(yàn)選擇DNPH作為衍生試劑。

對衍生化試劑的濃度進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。圖2的結(jié)果顯示，當(dāng)DPNH濃度在0～90 μmol/L范圍內(nèi)變化時，衍生產(chǎn)物HCHO -DNPH的峰面積隨DPNH濃度增加而快速增加，當(dāng)DNPH濃度大于180 μmol/L，衍生物的峰面積基本保持平穩(wěn)。增加衍生試劑的濃度有利于衍生反應(yīng)進(jìn)行徹底，所以后續(xù)實(shí)驗(yàn)衍生化試劑濃度控制在270 μmol/L左右。同時需要注意的是由于甲醛是一種易于氧化的揮發(fā)性化合物，因此在實(shí)際樣品測定中，取樣后應(yīng)快速加入衍生試劑進(jìn)行衍生化，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。

2.2.2 pH的影響使用DNPH進(jìn)行甲醛的衍生化反應(yīng)，應(yīng)充分考慮酸度的影響，因?yàn)榧兹┖虳NPH只有在酸性條件下才能發(fā)生親核加成反應(yīng)。在其它實(shí)驗(yàn)條件相同條件下，pH的影響見圖3。由圖3可以看出，溶液pH值在2～3時，衍生物HCHO -DNPH的峰面積急劇下降，這是因?yàn)樗岽呋饔糜绊懥薉NPH和甲醛發(fā)生親核加成反應(yīng)，在強(qiáng)酸條件下對酸度變化更加敏感，所以HCHO -DNPH峰面積變化較快[20]。溶液pH在3～6范圍內(nèi)，酸度變化對于衍生物峰面積影響較小，且pH為4時峰面積達(dá)到最大，隨著酸度的減弱，該衍生反應(yīng)對于酸度變化的敏感程度也有所減弱，因此在此段pH區(qū)間內(nèi)峰面積有一個較為平穩(wěn)的變化。當(dāng)pH值在6～8之間時，盡管在較高的pH值下，可用的游離親核試劑較多，然而羰基反應(yīng)性較差，所以峰面積迅速減小[21]。綜上所述，本實(shí)驗(yàn)選擇pH為4的H3PO4-NaH2PO4緩沖溶液。

圖2 DNPH濃度對甲醛衍生化的影響Fig.2 Effect of DPNH concentration on derivatization of formaldehydeHCHO：5 μmol/L；pH=4.0；derivatization temperature：50 ℃；derivatization time：30 min.

圖3 pH對甲醛衍生化的影響Fig.3 Effect of pH on derivatization of formaldehydeHCHO：5 μmol/L；DNPH：270 μmol/L；derivatization temperature：50 ℃；derivatization time：30 min.

圖4 衍生溫度和時間對HCHO -DNPH峰面積的影響Fig.4 Effect of derivatization temperature and time on the peak area of HCHO -DNPHHCHO：5 μmol/L；DNPH：270 μmol/L；pH=4.0.

2.2.3 衍生化溫度和時間的影響對衍生化反應(yīng)的溫度和時間影響的考察結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，衍生溫度為70 ℃時，衍生產(chǎn)物HCHO -DNPH的峰面積變化波動明顯，且在反應(yīng)時間段內(nèi)沒有穩(wěn)定的趨勢，而且在高溫下甲醛容易揮發(fā)。衍生溫度降為30 ℃和50 ℃時，HCHO -DNPH的峰面積變化比較平穩(wěn)。適當(dāng)提高反應(yīng)溫度可加快反應(yīng)速度，提高反應(yīng)產(chǎn)率，因此選擇衍生溫度為50 ℃，反應(yīng)30 min。

2.3 方法學(xué)驗(yàn)證

2.3.1 線性范圍、定量限和檢出限在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，甲醛濃度(X)在0.1～5 mg/L范圍內(nèi)與衍生物(HCHO -DNPH)峰面積(Y)線性關(guān)系良好，擬合后的線性方程為:Y=3.05×105X-2.67×104，相關(guān)系數(shù)為0.9962。

以光照30 min后的反應(yīng)液作為空白進(jìn)行加標(biāo)試驗(yàn)(加標(biāo)量0.1 mg/L，取6個獨(dú)立樣品進(jìn)行測試)在儀器上的響應(yīng)值為基礎(chǔ)，以3倍信噪比(S/N)所對應(yīng)的摩爾濃度為方法的檢出限，得出甲醛的檢出限(LOD=3S/b，其中S峰面積的標(biāo)準(zhǔn)偏差，b為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率)為0.0013 mmol/L，以10倍S/N所對應(yīng)的摩爾濃度為方法的定量限(LOQ=10S/b)，得出甲醛的定量限為0.0045 mmol/L，則該方法對 ·OH的檢出限和定量限分別為0.0027 mmol/L和0.0090 mmol/L。

2.3.2 方法的加標(biāo)回收率和精密度在高純水中加入Fe(ClO4)3·xH2O∶草酸(10∶1)，捕獲劑DMSO，并分別加入4個不同濃度水平的甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液，置于光反應(yīng)儀中光照30 min進(jìn)行加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)。每個添加水平分別取3個獨(dú)立樣品進(jìn)行衍生化，考察該方法的相關(guān)回收率和精密度，結(jié)果如表1。由表1中的結(jié)果可知，本方法具有良好的準(zhǔn)確度和精密度。

表1 回收率及精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 實(shí)際樣品的測定

2.4.1 捕獲劑DMSO用量為了能完全捕獲水體在光照條件下產(chǎn)生的 ·OH，以及在一定程度上抑制體系中可能存在的副反應(yīng)，對捕獲劑DMSO的用量進(jìn)行了考察，結(jié)果如圖5所示。圖5中的結(jié)果表明，不加入捕獲劑DMSO時，檢測不到衍生產(chǎn)物HCHO -DNPH的存在。當(dāng)DMSO濃度在0～14 mmol/L范圍內(nèi)變化時，HCHO -DNPH峰面積隨DMSO濃度增加而急劇增加，當(dāng)DMSO濃度大于14 mmol/L時，HCHO -DNPH峰面積幾乎沒有變化。在使用COU作為捕獲劑的高級氧化工藝中也報道了類似的結(jié)果[22]。當(dāng)捕獲劑DMSO濃度超過14 mmol/L后，就足以捕獲UV-Fe(Ⅲ)-草酸體系在汞燈光照30 min下產(chǎn)生的 ·OH。但是由于考慮到更長的光照時間和不同反應(yīng)體系的活性，故本實(shí)驗(yàn)選擇捕獲劑DMSO的濃度為84 mmol/L，在此濃度捕獲劑條件下，反應(yīng)體系產(chǎn)生的 ·OH都能夠被DMSO所捕獲，另一方面有研究表明在濃度足夠高的二甲基亞砜條件下，反應(yīng)產(chǎn)生的另一種產(chǎn)物甲醇不能被氧化成甲醛[15]。所以本文采用較高濃度的DMSO。

2.4.2 UV-Fe(Ⅲ)-羧酸體系中 ·OH的光化學(xué)生成將本文建立的測定方法應(yīng)用于Fe(Ⅲ)、Fe(Ⅲ)-草酸鹽配合物和Fe(Ⅲ)-酒石酸鹽配合物光解產(chǎn)生 ·OH的測定。在汞燈光源連續(xù)照射過程中產(chǎn)生 ·OH的累積濃度隨光照時間增加的變化如圖6所示。在足夠高的捕獲劑濃度下，累積的 ·OH濃度呈現(xiàn)出增長趨勢。

圖5 DMSO濃度對羥基自由基捕獲的影響Fig.5 Effect of DMSO concentration on the trapping of hydroxyl radicalsDNPH：270 μmol/L；derivatization temperature：50 ℃；derivatization time：30 min；pH=4.0.

圖6 不同羧酸鐵體系在汞燈模擬光源下 ·OH的生成Fig.6 The generation of hydroxyl radicals of different Fe(Ⅲ)-carboxylic acid systems under mercury lamp

0～10 min時間范圍內(nèi) ·OH的生成量迅速增加，隨后增加速度減慢。對于三種體系中測定的 ·OH濃度變化進(jìn)行動力學(xué)分析，結(jié)果符合表觀零級反應(yīng)動力學(xué)模型。由表2可知，在只有Fe(Ⅲ)存在的體系中 ·OH 的生成速率為 0.11 μmol/(L·min)，而在Fe(Ⅲ)-草酸和Fe(Ⅲ)-酒石酸體系中分別為0.56 μmol/(L·min)、0.50 μmol/(L·min)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，向UV-Fe(Ⅲ)體系中添加草酸或者酒石酸均顯著增強(qiáng) ·OH的光化學(xué)生成，提高了反應(yīng)活性，有利于提高降解有機(jī)污染物的氧化性能，這一研究結(jié)果與文獻(xiàn)報道[23]相一致。該結(jié)果意味著廣泛存在于自然水體中的Fe(Ⅲ)和小分子羧酸的協(xié)同作用對于有機(jī)物的降解作用是不容忽視的，其相互作用的機(jī)理有待于更深一步的研究。

表2 UV-Fe(Ⅲ)-羧酸體系 ·OH生成反應(yīng)的反應(yīng)動力學(xué)分析(pH=3±0.05)

3 結(jié)論

本文利用DMSO作為反應(yīng)的捕獲劑，與 ·OH定量生成甲醛，甲醛和DNPH衍生成HCHO -DNPH，該衍生產(chǎn)物單一且穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，以高效液相色譜進(jìn)行分離后定量檢測Fe(Ⅲ)催化的光反應(yīng)體系中的 ·OH，并進(jìn)行了方法學(xué)驗(yàn)證。將該方法應(yīng)用于Fe(Ⅲ)-羧酸體系中 ·OH的測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意。值得注意的是，當(dāng)反應(yīng)體系中有較多的其他有機(jī)物時，甲氧自由基可能會與其他有機(jī)物發(fā)生甲基化反應(yīng)，給 ·OH 的測定帶來困難，因此本文所建立的方法不適用于有機(jī)底物較多的復(fù)雜體系中 ·OH的定量檢測。