基于Russell機理分光光度法檢測液相體系?OH濃度的改進

趙海謙，高杏存，劉城昊，王忠華，周偉，高繼慧

（1東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318；2哈爾濱工業大學能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

基于Russell機理分光光度法檢測液相體系?OH濃度的改進

趙海謙1，高杏存1，劉城昊1，王忠華1，周偉2，高繼慧2

（1東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318；2哈爾濱工業大學能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

基于Russell反應機理檢測液相體系?OH濃度的分光光度法具有費用低、操作簡單等優點，但測試精度低、重復性差是該方法面臨的主要問題。分析了該方法精度低的主要原因，提出改進型方法，分析了常見陰陽離子對萃取劑萃取堅牢藍BB鹽（FBBs）的影響，確定了改進型方法的關鍵檢測條件，在此基礎上重新建立了?OH濃度與重氮砜產物吸光度之間的函數關系。結果表明：FBBs的干擾是造成檢測精度低的根本原因；FeSO4對抑制萃取劑萃取FBBs作用明顯，從而大幅度削弱FBBs的干擾；Na+、K+、NO3-幾乎對重氮砜產物的吸收峰不產生影響，Cl-對測試結果的影響與其濃度有直接關系；改進型方法的合理萃取時間為300 s，FBBs與甲基亞磺酸（MSIA）摩爾比為50；并得到了?OH濃度與吸光度之間的函數關系式。

液相體系；?OH；分光光度法；Russell反應機理；改進型方法

Key words:liquid system; ?OH; spectrophotometric method; Russell mechanism; modified method

引 言

羥基自由基（?OH）在大氣光化學、生命科學、環境科學、化學合成等多個領域中扮演著重要角色。定量檢測氣相及液相體系中的?OH濃度一直是研究的熱點與難點[1-4]。現有液相體系?OH濃度的檢測方法主要包括：電子自旋共振法[5-6]、電化學法[7-8]、熒光法[9-10]及分光光度法。

電子自旋共振法是利用自旋捕捉劑與自由基結合，生成相對穩定的自旋加合物，利用自旋加合物的數量計算自由基的濃度[11]。該方法穩定性與靈敏度較好，但高昂的儀器價格及捕獲劑成本限制了其廣泛應用。另外，該方法屬于半定量檢測?OH濃度的方法。熒光法是利用?OH的強氧化性，誘導底物發光或減弱底物發光強度，通過測量發光強度來測定?OH濃度[12]。常采用熒光分光光度計或HPLC配合熒光檢測器。熒光法靈敏度高，檢出限低。但尋找適合各種體系且發光強度高的熒光探針是很困難的。另外，由于熒光信號易受干擾，故準確度一般，難以定量。電化學法主是用電化學儀器獲得加合物的極譜圖，通過峰電流變化間接測定?OH濃度[13]。電化學法檢出限較低，且具有儀器簡單、測定快速等優點。然而該方法通用性不強，電信號易受溶液中其他參數干擾，故不能準確定量測量溶液中?OH濃度。分光光度法儀器價格低廉，所使用的捕獲劑及顯色劑價格均較低，操作方法簡單，在檢測溶液體系內?OH濃度方面一直受到廣泛關注。已有研究者成功采用該方法實現了溶液體系內?OH濃度的定量檢測[14-22]。

液相體系內?OH濃度測試研究中，基于Russell反應機理的檢測方法是一個重要分支。該方法使用二甲基亞砜作為?OH捕獲劑，其具有捕獲能力強、水中溶解度大、性能穩定且價格低廉等多方面優勢，可以很好解決液相體系中?OH的捕獲難題[14,23-25]。Russell反應始于捕獲劑二甲基亞砜與?OH的反應，產物包括甲基亞磺酸（MSIA）和甲基自由基CH3?。該反應還伴隨其他副反應，生成 CH3OO?、甲醛、甲醇等物質。Russell反應可簡單描述如下[15-16]

從檢測反應過程中的不同產物出發，衍生出了不同?OH濃度檢測方法。Klein等[17]提出測試甲醛HCHO的產量來反映?OH的濃度。然而甲醛的生成需要2個CH3OO?參與，因此甲醛產生量很小，而且 CH3OO?還會與體系內其他物質發生發應，測試誤差較大。由于該方法的固有缺陷，雖有部分研究者進行了一定改進，但均沒有獲得重要突破。Repine等[18]提出向體系內添加RH，與CH3?反應生成CH4，然后利用氣相色譜測試CH4來反映?OH的量。與上一種方法相比，甲烷的生成量比較多，對減小誤差有益，但反應(2)對測試精度有很大影響。幾年后，普渡大學Babbs等[19-21]提出用甲基亞磺酸CH3SOOH與堅牢藍BB鹽（FBBs）反應生成重氮砜產物，用萃取劑將重氮砜產物從原體系中萃取出來，通過分光光度計檢測其濃度來反映?OH的濃度。

由于甲基亞磺酸是二甲基亞砜與?OH的直接產物，不受其他副反應的影響，且甲基亞磺酸的存在時間遠比其他自由基類生成物長，因此，該方法具有得天獨厚的優勢。然而，Babbs等采用該方法檢測 Fenton體系分解過程中?OH濃度時，誤差近20%[15]。作者研究發現操作條件對該方法的檢測結果影響很大，導致實驗可重復性低[22]。研究初步確定，造成這一問題的主要原因是萃取劑萃取重氮砜產物的同時，FBBs同樣被萃取。FBBs嚴重影響了重氮砜產物的檢測精度。抑制萃取劑對FBBs的萃取，實現萃取劑對重氮砜產物的選擇性萃取，是該方法成功的關鍵。

研究了FBBs對重氮砜產物檢測結果的影響規律，成功抑制了萃取劑對 FBBs的萃取，消除了其對測試結果的影響，確定了關鍵操作條件，重新建立了?OH濃度與重氮砜產物吸光度之間的函數關系。

1 實驗部分

1.1 試劑

H2O2、FeSO4、DMSO、甲苯、正丁醇、吡啶、苯亞磺酸鈉、草酸鈦鉀均為國產分析純，FBBs（染料含量大于80%）由阿拉丁公司生產。

1.2 分析測試儀器

紫外可見分光光度計，T6型，北京普析通用；振蕩器，SHA-B型，哈爾濱精達；微量注射泵，LSP01-1A型，保定蘭格；純水機，Master-s型，上海和泰；離心機，TG16-WS，上海盧湘儀；磁力攪拌器，C-MAG HS7，德國IKA。

1.3 測試方法

1.3.1 FBBs的萃取與吸光度檢測 新配制一定濃度FBBs溶液。取1 ml置于20 ml試管中，加入3 ml甲苯/丁醇萃取劑（2/1）充分萃取一定時間后靜置至溶液分層，將下層液體抽棄。向上層溶液中加入5 ml丁醇/水飽和溶液洗滌，充分洗滌后，離心3 min（500g）。將下層溶液抽棄，向上層溶液加入 1 ml吡啶，采用分光光度計測試。

實驗中的FBBs存放時間不能超過24 h，每日實驗應使用新配制的FBBs溶液。

1.3.2 顯色反應及萃取 新配制濃度為 10 μmol·L-1的苯亞磺酸鈉溶液，則溶液中的亞磺酸離子濃度亦為10 μmol·L-1。取一定體積亞磺酸離子溶液，加入過量FBBs溶液，放置暗處反應10 min。加入3 ml甲苯/丁醇溶液（質量比為2：1）充分萃取后，保留上層溶液。向上層溶液加入5 ml丁醇/水飽和溶液，一定程度去除過量的 FBBs，充分洗滌后，離心3 min（500g）。將下層溶液抽棄，向上層溶液加入1 ml吡啶，采用分光光度計測試。

改進型方法采用添加劑抑制萃取劑對FBBs的萃取時，僅需在亞磺酸離子與FBBs暗處反應10 min后，加入添加劑即可，后續萃取等操作步驟不變。

2 結果與討論

2.1 操作條件對檢測結果的影響

采用文獻[20]中操作方法，取 1 ml 50 μmol·L-1苯亞磺酸鈉，添加FBBs的量為苯亞磺酸鈉的50倍，進行顯色與萃取操作。然而在實際檢測過程中發現，即使在相同苯亞磺酸鈉濃度條件下，隨著操作條件不同（如萃取時間等），檢測結果發生很大變化。

2.1.1 萃取時間對檢測結果的影響 研究首先對不同萃取時間條件下的檢測結果進行了分析。取5 ml 10 μmol·L-1苯亞磺酸鈉，添加 50 倍的 FBBs，10 min顯色反應后進行萃取操作，萃取時間分別為 30～300 s。不同萃取時間條件下的重氮砜產物檢測結果如圖1所示。

可見，測試重氮砜產物濃度時，當萃取時間小于30 s，出峰位置在425 nm，該峰為重氮砜產物吸收峰[22]，檢測未受干擾。但由于萃取時間較短，不能保證重氮砜產物被完全萃取。隨萃取時間延長，出峰位置左移，峰值大小明顯升高，測試結果發生很大變化，導致測試可重復性很差，誤差較大。說明體系內存在重氮砜產物檢測的干擾物質，萃取劑萃取重氮砜產物的同時也會萃取該干擾物質。該物質出峰位置小于425 nm，隨著萃取時間延長，干擾物質被萃取量增加，導致峰值升高。

圖1 萃取時間對檢測結果的影響Fig.1 Influence of extraction time on test result

2.1.2 干擾物質確定 初步分析可知，干擾物質在體系中的濃度較高，可以被萃取劑大量萃取。為了保證萃取操作之前苯亞磺酸鈉幾乎全部轉化為重氮砜產物，顯色反應時添加的顯色劑FBBs量遠大于苯亞磺酸鈉。因此，該干擾物質極有可能是反應(4)剩余的過量FBBs。

為確定該干擾物質是否為 FBBs，需研究甲苯/丁醇萃取劑對FBBs的萃取特性，以及FBBs的吸收特性。實驗中取1 ml濃度為2 mmol·L-1的FBBs溶液，然后進行1.3.1中的萃取與吸光度檢測操作。萃取時間分別為60、120、300 s。圖2顯示的是純FBBs的萃取檢測結果。

圖2 FBBs萃取檢測結果Fig.2 Extraction and test result of FBBs

從圖2中可見，萃取劑萃取純FBBs后，分光光度計可以檢測到明顯的吸收峰。該吸收峰一定是FBBs的吸收峰，說明萃取劑確實可以萃取FBBs。FBBs的出峰位置在405 nm處，符合2.1.1節中干擾物質出峰位置。從圖中還可以看到，FBBs吸收峰隨著萃取時間的延長而不斷增大。這是圖1中隨著萃取時間增加，吸收峰出峰位置左移且不斷增大的原因。由此可以判斷，檢測的干擾物質確為FBBs。由于FBBs出峰位置距離重氮砜產物的吸收峰（425 nm）較近。萃取的FBBs吸收峰極易對重氮砜產物吸收峰產生干擾而影響檢測精度。

萃取檢測重氮砜產物時，當萃取時間較短（30 s），萃取劑萃取的 FBBs量很少，未對重氮砜產物檢測產生影響，此時出峰位置為425 nm。但由于萃取時間較短，不能保證所有目標產物重氮砜產物被萃取劑完全萃取。若延長萃取時間，以確保重氮砜產物被充分萃取，此時FBBs同樣被大量萃取。當萃取劑中FBBs達到一定濃度，其吸收峰將覆蓋重氮砜產物吸收峰。因此，如何保證足夠的萃取時間，確保重氮砜產物被充分萃取，同時抑制萃取劑對FBBs的萃取是該檢測方法成功的關鍵。

2.2 FBBs萃取的抑制

2.2.1 FeSO4對FBBs萃取的抑制作用 研究發現，FeSO4對萃取劑（甲苯/丁醇溶劑）萃取FBBs有顯著的抑制作用，大大減弱了FBBs對重氮砜產物測試的干擾。因此，在顯色反應操作過程中，在加入甲苯/丁醇萃取劑之前，先向體系內添加一定量FeSO4，使其在體系內濃度達到 200 mmol·L-1，然后再對重氮砜產物進行萃取，萃取時間為300 s。

圖3顯示的是添加FeSO4與不添加FeSO4兩組實驗的萃取結果照片。左側試管為未添加FeSO4情況下的萃取結果；右側試管為添加FeSO4情況下的萃取結果。可見，添加FeSO4后，待測萃取液（上層溶液）顏色明顯比未添加FeSO4條件下淺，表明FBBs未被大量萃取。圖4為添加與不添加FeSO4兩組實驗的分光光度檢測結果。從圖4可以看到，體系內添加200 mmol·L-1的FeSO4后，經過長時間萃取，峰值遠低于同條件不添加FeSO4情況，且峰值位置保持425 nm。說明此時FBBs幾乎沒有被甲苯/丁醇萃取劑萃取。高濃度 FeSO4實現了甲苯/丁醇萃取劑對重氮砜產物的選擇性萃取。

圖3 FeSO4對FBBs萃取的抑制照片Fig.3 Influence of FeSO4on FBBs extraction

圖4 添加FeSO4前后分光光度檢測結果Fig.4 Spectrophotometric test result before and after adding FeSO4

圖5 Na+、K+對檢測結果的影響Fig.5 Influence of Na+and K+on test

基于此結論，本文提出改進型檢測方法，即在萃取操作之前，向體系內加入適量FeSO4，然后進行萃取與檢測。

2.2.2 常見陰陽離子對檢測結果的影響 檢測?OH濃度時，液相體系可能會存在其他離子。本次實驗重點研究Na+、K+、NO3-、Cl-4種典型陰陽離子對該方法檢測結果的影響。實驗中，取 10 ml 10 μmol·L-1苯亞磺酸鈉，添加50倍的FBBs，10 min顯色反應后，加入適量FeSO4及陰陽離子后，進行萃取操作，萃取時間為300 s。研究Na+、K+的影響時，添加的試劑為 Na2SO4及 K2SO4；研究、的影響時，添加的試劑為Fe(NO3)2及FeCl2。Na+、K+對檢測結果的影響如圖5所示；、Cl-對檢測結果的影響如圖6所示。

圖6 、Cl-對檢測結果的影響Fig.6 Influence ofand Cl-on test

圖5顯示，在0.5～20 mmol·L-1濃度范圍內，Na+、K+幾乎對重氮砜產物的吸收峰不產生影響。從圖6中可以看到，無論濃度高低，NO3-基本不對重氮砜產物的檢測產生影響。Cl-對測試的影響與其在體系中的濃度有很大的關系。當其濃度為 0.5 mmol·L-1時，重氮砜產物的吸收峰未發生明顯變化；然而隨著 Cl-在體系內濃度的增加，吸收峰的峰值不斷增大，且吸收峰的位置明顯左移；當其濃度為20 mmol·L-1時，最大吸收峰出現在400 nm左右，吸收峰大小明顯高于實際值。可見，該檢測方法對于含有高濃度Cl-的溶液體系并不適用。

2.3 關鍵操作條件確定

FeSO4雖然可以有效抑制萃取劑對 FBBs的萃取，但如果萃取時間過長，FBBs在萃取劑內的濃度仍會不斷累積，當其濃度達到一定值時，依然會對重氮砜產物的檢測產生影響。如果萃取時間過短，又不能保證所有重氮砜產物被充分萃取，因此即使添加 FeSO4，合理的萃取時間也是十分關鍵的。另外，體系內FBBs的添加量對其萃取有重要影響。為保證有限顯色反應時間內，MSIA全部轉化為重氮砜產物，需要向體系內加入過量的 FBBs，以加快反應(4)的反應速率。然而FBBs的添加量越多，體系內濃度越高，其越容易被萃取劑萃取。因此，合理的FBBs添加量亦是十分關鍵的操作條件。

2.3.1 萃取時間確定 實驗中，取5 ml濃度為10 μmol·L-1的苯亞磺酸鈉溶液于一試管內，加入1.25 ml濃度為2 mmol·L-1的FBBs溶液，置于暗處反應10 min。向試管內加入FeSO4并充分溶解，使其濃度達到200 mmol·L-1。然后進行萃取與檢測操作步驟。萃取時間為60～600 s。不同萃取時間條件下，分光光度檢測結果如圖7所示。

圖7 萃取時間對檢測結果的影響Fig.7 Inflence of extraction time on test result

從圖7中可以看出，加入FeSO4后，萃取時間60～300 s時對應的最大出峰位置均在425 nm，隨著萃取時間的延長，峰值不斷增大。當萃取時間繼續增加至600 s時，峰值比300 s略有增大，但最大峰值位置開始左移，出現在421 nm，這表明FBBs的峰開始對重氮砜產物的峰產生干擾。為保證重氮砜產物被充分萃取并避免FBBs對檢測結果產生干擾，加入FeSO4后，萃取時間取300 s。

2.3.2 FBBs添加量確定 文獻[20]中確定的最佳FBBs：MSIA 摩爾比為 50，但研究中未采用 FeSO4對FBBs的萃取進行抑制。向體系內添加FeSO4后，最佳 FBBs：MSIA 摩爾比是否發生變化還需要重新研究。

圖8顯示的是不同FBBs：MSIA摩爾比條件下，重氮砜產物的檢測結果。實驗中，分別取5 ml濃度為10 μmol·L-1的苯亞磺酸鈉溶液于5支試管內，每支試管加入不同體積濃度為2 mmol·L-1的FBBs溶液，置于暗處反應10 min，FBBs與苯亞磺酸鈉摩爾比分別為10、25、50、100、150。向試管內加入FeSO4并充分溶解，使其濃度達到200 mmol·L-1。然后進行萃取與檢測操作步驟，萃取時間為300 s。

圖8 FBBs：MSIA對檢測結果的影響Fig.8 Influence of FBBs：MSIA ratio on test result

從圖中可知，當FBBs：MSIA摩爾比小于50時，重氮砜產物的吸收峰隨摩爾比的增加而大幅度提高，FBBs：MSIA摩爾比從10上升到50時，吸收峰增加了79.3%。當FBBs：MSIA摩爾比大于50時，重氮砜產物的吸收峰隨摩爾比的增加速率明顯減慢，FBBs：MSIA摩爾比從50到 150，吸收峰僅增加3.2%。前面研究結果已表明，體系內FBBs的濃度越高，其被萃取劑萃取的速率及萃取量越大，對重氮砜產物檢測結果的干擾也越大。綜合考慮顯色反應速率以及避免FBBs萃取，合理的FBBs：MSIA摩爾比為50。

2.4 標準曲線繪制

采用改進型檢測方法繪制了MSIA濃度與吸光度的標準曲線，如圖 9所示。可見在 25～150 μmol·L-1濃度范圍內，吸光度隨MSIA濃度的增加而線性增加，滿足一階線性關系式：A=0.01127+0.0047C（A為吸光度；C為亞磺酸離子濃度，μmol·L-1）。根據該標準曲線，即可根據分光光度計檢測得到的吸光度結果計算得到體系內MSIA濃度（即?OH濃度）。

圖9 MSIA標準曲線Fig.9 Standard curve of MSIA

3 結 論

確定了分光光度法檢測?OH濃度精度低的根本原因是顯色劑FBBs對?OH濃度標志物重氮砜產物測量的干擾。采用 FeSO4成功抑制了萃取劑對FBBs的萃取，并分析了典型陰陽離子對測試結果的影響。確定了改進型方法的關鍵操作條件，在此基礎上重新建立了MSIA濃度（即?OH濃度）與吸光度之間的函數關系。得到如下結論：

（1）萃取劑萃取重氮砜產物時，堅牢藍BB鹽會被同步萃取；由于出峰位置接近，萃取的堅牢藍BB鹽對重氮砜產物的檢測產生嚴重干擾。

（2）FeSO4對堅牢藍BB鹽的萃取有很強的抑制作用，基于此提出改進型檢測方法。

（3）Na+、K+、NO3-幾乎對重氮砜產物的吸收峰不產生影響。Cl-對測試的影響與其在體系中的濃度有很大的關系，當其濃度為20 mmol·L-1時，對重氮砜產物的檢測有很大影響。

（4）改進型方法最佳萃取時間為 300 s，最佳FBBs：MSIA 摩爾比為 50。

（5）MSIA濃度與吸光度滿足一階線性關系式：A=0.01127+0.0047C。

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Improvement of spectrophotometric method based on Russell mechanism for detection of ?OH concentration in liquid

ZHAO Haiqian1, GAO Xingcun1, LIU Chenghao1, WANG Zhonghua1, ZHOU Wei2, GAO Jihui2
(1Institute of Civil Engineering & Architecture, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, Heilongjiang, China;2College of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang, China)

Spectrophotometric method based on Russell mechanism for detection of ?OH concentration in liquid has many advantages, such as low-cost, simple operation, and so on. However, low precision and poor repeatability are its main disadvantages. The reason of this method’s low precision was elucidated, and a modified method was proposed. The influence of typical cations and anions on extraction of Fast Blue BB salt (FBBs) was analyzed. Key operating conditions for the modified method was determined. Based on the results, a relationship between ?OH concentration and absorbance of diazosulfones was rebuilt. The interference of FBBs in the diazosulfone extraction process is the main reason of low precision. FeSO4has a strong ability to hold back extraction of FBBs by extraction agent, which decreases influence of FBBs on diazosulfones detection violently.Na+, K+, NO3-do not have obvious effects on the detection result, while Cl-influence is in relation to its concentration. The conditions for the modified method are： extraction time 300 s and molar ratio of FBBs to methylsulfinic acid (MSIA) is 50. The function relationship between ?OH concentration and absorbance is obtained.

date:2016-11-18.

ZHAO Haiqian, dqzhaohaiqian@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51606036, 91434134) and the Heilongjiang Science Funds for Youths (QC2014C047).

X 132

A

0438—1157（2017）07—2805—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20161636

2016-11-18收到初稿，2017-03-18收到修改稿。

聯系人及第一作者：趙海謙（1981—），男，博士，副教授。

國家自然科學基金項目（51606036，91434134）；黑龍江省青年科學基金項目（QC2014C047）。