羟基自由基检测方法的研究进展

羟基自由基检测方法的研究进展

刘建伟　杨长河

(南昌大学建筑工程学院,南昌330031)

摘　要:羟基自由基氧化是高级氧化技术重要的机理之一,也是研究的难点之一。本文归纳总结了测定羟基自由基的几种方法,并探讨了各种方法存在的问题,提出了新的检

测方法所应具备的特点。

关键词:水处理　高级氧化技术　羟基自由基

1　前言

随着经济的快速发展,环境污染问题越来越严峻,

传统水处理方法难以有效处理成分日益复杂的污水,

水处理新技术的研究与应用成为环保领域的重要研究

课题。以臭氧氧化、光催化氧化、电化学氧化、超声技

术、湿式氧化等为代表的高级氧化工艺(Advanced Oxi2

dati on Pr ocess,AOP)处理污染物技术的形成,为我们提

供了处理水体中污染物的新思路。高级氧化工艺具有

反应速度快、处理完全、无公害、适用范围广等优点。

这一概念由Glaze等[1]于1987年提出,被定义为能够

产生羟基自由基(·OH)的氧化过程。目前水处理中

能产生·OH的高级氧化技术主要有臭氧氧化、Fent on

均相催化氧化、湿式氧化、光催化氧化、电催化氧化、光

电催化氧化、超声空化氧化[2]、高压脉冲放电等离子体

技术[3,4]等。

随着对其反应机理研究的深入,逐渐认识到反应

过程中·OH的行为的重要性。·OH具有一个未成对

电子,使其具有极强的氧化能力(2.80V),仅次于氟(2.

87V),并能引发诱导产生链反应,主要通过电子转移、

亲电加成、脱氢反应等途径无选择性地与各种有机化

合物直接作用并最终将其降解为C O

2、H

2

O等无害物

质。由此,准确的·OH的检测特别是在线检测已被认为是此项研究的重要方面,也是目前各种高级氧化反应机理研究的难点之一。由于自由基是化学反应的中间体,大部分自由基寿命极短。在水相反应体系中的·OH的寿命仅大约10-9s[5],直接对其进行检测受到仪器操作方面的限制很大,而且其存在依赖于特定的反应环境,因而关于自由基的行为方面,推测和间接证明的为多,直接测量的为少。

目前,对·OH检测只能使用捕捉剂捕获,通过检测加合物来间接测定其数量。这就要求底物或捕捉剂的捕捉效率高、与·OH反应迅速、产物稳定。检测方法主要有分光光度法、荧光光度法(F D)、电子自旋捕集法(ESR)、高效液相色谱法(HP LC)、化学发光法

(CL)、电化学检测法(EC D)等。各种方法都有其优缺点,因此找到一种适宜的检测方法,对于水处理中各种参数的优化意义重大。

2　分光光度法

分光光度法是分子吸收光谱方法,是利用分子对外来辐射的吸收特性建立起来的,是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种方法[6]。由于·OH具有极强的氧化性,在水处理过程中改变了底物的结构、性质和颜色,从而可以改变待测液的光谱吸收,利用底物吸光度的改变,从而间接测定·OH的浓度。

目前采用的底物或者捕获剂主要有溴邻苯三酚红(BPR)、中性红、邻二氮菲-Fe2+、二甲亚砜(DMS O)与坚牢蓝BB组合、亚甲基蓝(MB)、孔雀石绿(M G)等[7]。

谢云涛等[8]建立了以CO

2

+-H2O2-BPR-硫脲研究·OH的新体系。研究发现在催化剂硫脲的参与下产生的·OH与加入的显色剂(溴邻苯三酚红,BPR)发生作用,使显色剂褪色。利用分光光度计测定BPR 在553.5n m处吸光度的变化,间接测定·OH的产生及·OH清除剂的清除作用。徐向荣等[9〗用DM S O捕集Fent on反应体系中的·OH,产生的甲基亚磺酸与坚牢蓝BB盐反应,生成的重氮化合物经甲苯:正丁醇(3:1)混合物萃取后,用分光光度法在420n m处进行比色测定,认为这种方法用来研究·OH的产生与清除准确可靠,有较好的重现性。王金刚等[10〗利用亚甲蓝(MB)被氧化后褪色的机理,使用Fent on试剂与亚甲蓝作用,验证了体系中起氧化作用的是羟自由基,从而建立了亚甲蓝光度法检验羟自由基的方法。吴春笃等[11]利用孔雀石绿(M G)被氧化后吸光度降低的原理,建立一种等离子体产生·OH的检测方法。·OH与孔雀石绿按照等摩尔比进行定向反应,所以反应中消耗掉的孔雀石绿的摩尔量与被捕获的·OH的量是相等的,根据·OH与孔雀石绿反应前后吸光度差值,可间接计算出·OH浓度。

分光光度法具有灵敏度高,准确度较好,仪器价格

低廉、操作方便等特点,因此易于被一般实验室所采用。但测定过程中的干扰因素较多,容易对测定的准确性和灵敏度造成影响。

3　荧光光度法(F D)

荧光光度法(fluorescence detecti on)是测定物质受到光照后本身所发射荧光的强度进行物质分析测定的一种方法[6]。类似于分光光度法,荧光光度法也是利用·OH极强的氧化性,诱导底物发光或减弱底物发光强度,通过测量发光强度来测定·OH浓度。

目前采用的底物或者捕获剂主要分为两类,一类为荧光减弱型:Ce3+、苯基荧光酮、水杨基荧光酮、吖啶红等;另一类为荧光增强型:哌啶类氮氧自由基自旋标记荧光探针、Hantzsch反应等。

方光荣等[12]发现以Fent on反应产生的·OH为实验对象,在酸性介质中,荧光峰在356n m,具有荧光的Ce3+与该反应产生的·OH作用被氧化生成无荧光的Ce4+,通过测定未反应的Ce3+荧光强度间接测定羟自由基的浓度。任凤莲等[13]发现C O2+与H

2

O2反应生成·OH的产率比Fent on试剂的高100倍以上。采用

水杨基荧光酮-CO2+-H

2

O2荧光法测定·OH的新体系,激发波长和发射波长为510n m和500n m,测定体系在反应前后的荧光变化,可间接测定·OH的产生量。这两种方法都是通过减弱底物的荧光度来间接检测·OH的浓度。杨小峰等[14〗设计利用哌啶类氮氧自由基自旋标记荧光探针I表征·OH,其原理为:·OH先与二甲亚砜(DM S O)反应,定量生成甲基自由基,然后甲基自由基被自旋标记荧光探针I捕捉,形成强荧光产物,荧光强度的增量ΔF与反应生成的甲基自由基的量成正比,也与参加反应的·OH的量成正比。这种方法是通过增强底物的荧光度来间接检测·OH的浓度。

荧光光度法具有仪器价格低廉、分析迅速,操作简单的特点,因此也易于被一般实验室所采用。但测定过程中的干扰因素较多,准确性较差和灵敏度不高,制约着此项技术检测·OH的发展。

4　自旋捕集-电子自旋共振法(ESR)

电子自旋共振法(Electr on S p in Res onance)或电子顺磁共振法(Electr on Para magnetic Res onance)是1945年发展起来的,其主要研究对象为具有未成对电子的自由基和过渡金属离子及其化合物。而自旋捕集技术(s p in trapp ing)是20世纪60年代发展起来的,这一技术的建立,为自由基的ESR检测技术开辟了新的途径[15]。其原理是利用适当的自旋捕捉剂与活泼的短寿命自由基结合,生成相对稳定的自旋加合物,可以用电子自旋共振波谱法检测自旋加合物的数量,利用自旋加合物的数量来计算原来自由基的多少。

典型的自旋捕集剂是亚硝基化合物或氮氧化合物,主要包括:5,5-二甲基-1-吡咯啉N-氧化物(DMP O),苯基叔丁基氮氧化合物(P BN)以及α-(1-氧基-4-吡啶基-N-叔丁基氮氧化合物)(4-P OBN)等,其中最常用的是5,5-二甲基1-吡咯啉N -氧化物(DM P O)。DMP O作自由基捕获剂对自由基结构变化相当敏感,可以提供自由基结构的详细信息。它与·OH产生的自旋加合物的ESR谱表现出特别容易识别的特征谱线。在溶液中容易形成的自我捕集产物二聚体自由基不会干扰实验结果[16]。

丛建波等[17]采用低温方法保存由捕捉剂DMP O 与·OH产生的自旋加合,通过对77K液氨保存不同时间后自由基自旋加合物ESR信号强度的对比,发现保存时间延长至3天时其ES R波谱的峰高和积分值都没有明显衰减,这给实验室没有ESR测定条件的研究者提供了用ESR测定短寿命自由基的途径,即选择合适的捕捉剂捕捉待测的自由基后立即置于液氨中保存,测定时取出解冻后马上进行。Pou等[18]用紫外线照射H2O2产生·OH,·OH与CH3CH2OH反应产生,再用自旋捕捉剂P OBN捕获,用ES R测定自旋加合物。

运用自旋捕集-ESR方法进行·OH的检测虽然简单有效,但是它的仪器成本较高,灵敏度很低,因为自旋加合物大都不稳定,其寿命仍然很短,只有几分钟或几十分钟,所以选择合适的自旋捕捉剂是应用自旋捕集-ESR技术的关键,必要时需自行设计合成自旋捕捉剂,而且必须在捕集自由基后立即进行ESR测量,所以其定量分析不很精确,限制了许多实验研究及工业应用。

5　高效液相色谱法(HP LC)

高效液相色谱法(H igh Perf or mance L iquid Chr oma2 t ography)是在经典液相色谱法的基础上,随着现代科学技术的发展而发展起来的一种高效、高速、高灵敏度的现代分离方法。从原理上讲,只要能溶解在流动相中的物质都可以用高效液相色谱法来分离和分析[6〗。高效液相色谱的应用也是以羟基捕捉剂将活泼的·OH 转化为较稳定的形式为前提的。

一般的·OH捕捉剂是安息香酸/水杨酸(S A)、苯二甲酸、二甲亚砜(DMS O)等。

吴建林[19]等在体系pH为3.2的条件下,以水杨酸为捕获剂,用高效液相色谱法检测水杨酸与·OH反应的生成物2,5-二羟基苯甲酸(2,5-dHBA)和2,3 -二羟基苯甲酸(2,3-dHBA)及少量的儿茶酚,间接验证了辉光放电等离子体中·OH的存在。另外,近来