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(AdvancedOxi2
dationProcess,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、Fenton
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CO2、H2O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(FD)、电子自旋捕
集法(ESR)、高效液相色谱法(HPLC)、化学发光法(CL)、电化学检测法(ECD)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(DMSO)
与坚牢蓝BB组合、亚甲基蓝(MB)、孔雀石绿(MG)
等[7]。
谢云涛等[8]建立了以CO2+-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553.5nm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DMSO捕集
Fenton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420nm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Fenton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(MG)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。51 2009年6月羟基自由基检测方法的研究进展 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(FD)
荧光光度法(fluorescencedetection)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Fenton反应产生的·OH为实
验对象,在酸性介质中,荧光峰在356nm,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CO2+与H2O2反应生
成·OH的产率比Fenton试剂的高100倍以上。采用
水杨基荧光酮-CO2+-H2O2荧光法测定·OH的新体
系,激发波长和发射波长为510nm和500nm,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(DMSO)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(ElectronSpinResonance)或电子
顺磁共振法(ElectronParamagneticResonance)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
(spintrapping)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
(DMPO),苯基叔丁基氮氧化合物(PBN)以及α-(1-氧基-4-吡啶基-N-叔丁基氮氧化合物)(4-
POBN)等,其中最常用的是5,5-二甲基1-吡咯啉N
-氧化物(DMPO)。DMPO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DMPO
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ESR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POBN捕获,用ESR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(HPLC)
高效液相色谱法(HighPerformanceLiquidChroma2
tography)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(SA)、苯
二甲酸、二甲亚砜(DMSO)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61江 西 化 工2009年第2期