大黃酚在水中的光解特性研究

劉雁雨，周艷明，魏京華，田建利，袁善奎

(農業農村部農藥檢定所，北京 100125)

1 前言

大黃酚(Chrysophanol)，化學名稱為1，8-二羥基-3甲基-9，10-蒽醌，分子式C15H10O4，是一種天然蒽醌類化合物，為蓼科植物大黃中的一種有效成分單體[1]。近年來，隨著化學農藥環境風險的日益暴露，利用植物源材料開發新型農藥逐漸成為研究熱點，目前已有多種植物源活性成分的農藥取得登記并成功應用[2]。郭慶港等[3]研究發現，大黃酚在防治黃瓜霜霉病中起主要作用。因此，大黃酚有望作為新的植物源農藥獲得登記。

農藥的光解特性是農藥環境行為的重要組成部分，是影響農藥在環境中歸趨的重要因素之一，也是評價農藥對生態環境安全性的重要指標之一[4]。目前，國內對大黃酚的研究主要集中在提取工藝、分析方法及藥理藥效等方面[5-7]，但有關大黃酚在水中光解的研究尚未見報道。一般來說，影響水中光解的因素主要有初始濃度、光照強度、pH值等[8]，因此本文在研究大黃酚在水中光解特性時，主要考慮初始濃度、光照強度及pH緩沖溶液的影響，以期了解大黃酚的遷移轉化規律，為其安全性評價及合理使用提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 儀器與試劑 XT5409光穩定性試驗箱，光源：人工氙弧燈，光照時石英試管距光源10cm；Waters 2996高效液相色譜儀；SG98多參數測試儀；BP211D分析天平；QL-901 Vortex渦旋混合器；0.22μm有機相針式濾器。

大黃酚(98%)由成都瑞芬思生物科技有限公司提供；甲醇、二氯甲烷(色譜純)；甲酸(色譜純)；鄰苯二甲酸氫鉀(分析純)；氫氧化鈉(分析純)；磷酸二氫鉀、硼酸、氯化鉀(分析純)。

2.2 試驗方法

2.2.1 大黃酚標準溶液的配制 儲備液的配制：稱取大黃酚標樣0.1g(精確至0.000 1g)，置于100mL容量瓶中，用甲醇溶解并稀釋定容至刻度，搖勻。

系列標準溶液的配制：吸取不同體積的儲備液，以甲醇為溶劑，配制質量濃度為0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、15mg/L的大黃酚系列標準溶液。

2.2.2 緩沖溶液的配制 pH值4.0、7.0、9.0緩沖溶液的配制參照GB/T 31270.2《化學農藥環境安全評價試驗準則》水解試驗部分[9]中Clark-Lubs緩沖溶液配制方法。

2.2.3 儀器條件 色譜柱：Venusil XBP C18柱(4.6mm×250 mm， 5 μm)；流動相：甲醇-0.1%甲酸/水溶液=90/10(V:V)；檢測器：二極管陣列檢測器；流速：1.000 mL/min；檢測波長：225.2nm；柱溫：30℃；進樣量：10μL。

此條件下大黃酚的保留時間約為10.982min。

2.2.4 樣品前處理方法 取10mL水樣(加標樣品及實際待測樣品)于棕色玻璃瓶中，加入10mL二氯甲烷，渦旋振蕩1min，待分層后取下層有機相1.0mL于玻璃管中，氮吹至干，加入1.0mL甲醇，充分溶解后過0.22μm有機濾膜，待測。

2.2.5 不同質量濃度對大黃酚的光解影響 分別吸取1 000 mg/L的大黃酚試驗母液0.2、0.5、1mL于100mL容量瓶中，用純水定容，配制成2.0、5.0、10.0mg/L的大黃酚水溶液。將不同質量濃度(2.0、5.0、10.0mg/L)的大黃酚水溶液分裝在石英管中，待光穩定性試驗箱穩定后將石英管置于光解儀中，光源為人工氙燈，光照強度為4 000 lx，石英管距光源10cm，啟動轉動電機使反應液均勻受光，試驗溫度為25℃，試驗過程中定時取樣并測定水中大黃酚的殘留濃度，設置2個平行，同時設置黑暗對照組。

2.2.6 不同光照強度對大黃酚的光解 將質量濃度5.0mg/L的大黃酚水溶液分裝在石英管中，分別置于光照強度為4 000、8 000 lx的光穩定性試驗箱中，試驗溫度為25℃，試驗過程中定時取樣并測定水中大黃酚的殘留濃度。

2.2.7 不同pH值緩沖溶液對大黃酚水中光解的影響 取0.5mL的1 000mg/L大黃酚標準溶液于100mL容量瓶中，用不同pH值(4、7、9)的緩沖溶液定容，得到5.0mg/L大黃酚的試驗溶液，將溶液分裝于石英管中，光照強度為4 000 lx，試驗溫度為25℃，試驗過程中定時取樣并測定水中大黃酚的殘留濃度。

2.3 統計方法與計算公式 對大黃酚水中光解試驗數據用一級動力學方程擬合，可通過Ct=C0e-kt，由該式可以推得半衰期t1/2=ln2/k。

式中：C0為供試物初始質量濃度(mg/L)，Ct為t時的供試物質量濃度(mg/L)，k為降解速率常數(min-1或h-1)，t為光照時間(min或h)，t1/2為半衰期(min或h)。

用公式w(%)=(C0-Ct)/C0×100%來計算光降解率，式中：w表示光解率(%)，C0為供試物初始質量濃度(mg/L)，Ct為t時的供試物質量濃度(mg/L)。

3 結果與討論

3.1 標準曲線及線性范圍 以大黃酚的質量濃度為橫坐標，峰面積為縱坐標進行線性回歸，結果表明：大黃酚在0.1～15mg/L范圍內具有良好的線性關系，標準曲線方程為y=100761.2157x+1526.7388，R2 = 1.000 0。分析方法最小檢出量(LOD)為2×10-9g。

3.2 方法的準確度和精密度 方法的準確度和精密度通過添加回收率和變異系數來表示。在空白水樣中加入一定量的大黃酚標準溶液，使添加濃度分別為0.2、1.0、10mg/L。每組設定5個平行，按照2.2.4所述前處理方法測定水中大黃酚的含量，添加回收率結果(表1)。結果表明：大黃酚在水中的平均回收率為89.0%～104.2%，變異系數為1.5%～6.8%。方法的準確度和精密度均滿足農藥殘留分析的要求[10]，水中最小檢出質量濃度(LOQ)為0.2mg/L。

表1 大黃酚水中添加回收率

3.3 不同初始質量濃度對大黃酚水中光解的影響 不同質量濃度下大黃酚在水中的光解動態曲線圖(圖1)。由圖可見，隨著光解反應時間的延長，其質量濃度均呈逐漸下降的趨勢，并且前24h，質量濃度變化較快，而后趨于平緩。當反應進行到192h時，2.0mg/L的光解率達92.6 %，而5.0和10.0mg/L的光解率僅為46.1%和28.6%；黑暗條件下，反應進行至192h時，2.0、5.0和10.0mg/L的光解率分別為2.1%、3.6%和5.7%，可見，光照是影響大黃酚降解的主要因素，且隨著大黃酚初始質量濃度的增大，其光解速率逐漸減緩，降解時間逐漸延長。對大黃酚在水中的光解數據進行回歸分析，結果(表2)，不同質量濃度下大黃酚的光解均符合一級動力學方程，2.0、5.0和10.0mg/L的半衰期分別為66h、239h和433h。按照一級動力學模型，降解半衰期應與濃度無關，出現不同濃度間半衰期差別較大的原因可能是由于反應截止時，5.0和10.0mg/L大黃酚的降解率均<50%，其半衰期是通過一級動力學外推得到。根據我國農藥的光解特性等級劃分標準[11]，在25℃、光照強度為4 000lx條件下，大黃酚在水中的光解性能為難光解。

圖1 不同質量濃度下大黃酚在水中的光解動態曲線

表2 不同質量濃度下大黃酚的光解動力學參數

試驗質量濃度(mg/L)光照強度(lx)時間段(h)降解動力學方程(y=)r2半衰期(h)降解等級2.04 000.00～1921.748 8e-0.010 5x0.934 166難光解5.04 000.00～1924.375 0e-0.002 9x0.912 4239難光解10.04 000.00～1928.692 4e-0.001 6x0.878 0433難光解

3.4 不同光照強度對大黃酚水中光解的影響 不同光照強度下5.0mg/L大黃酚在水中的光解動態曲線圖(圖2)。由圖可見，前6h，在4 000 lx和8 000 lx光照強度下，相同時刻其殘留質量濃度區別不大；6h以后，隨著反應的進行，8 000 lx光照強度下大黃酚的光解速率明顯>4 000 lx，當反應進行到192h時，8 000 lx光照強度下大黃酚的光解率達87.3%，而4 000 lx光照強度下大黃酚的光解率僅為47.6%。對數據進行回歸分析，結果(表3)，不同光照強度下大黃酚的光解均符合一級動力學方程，半衰期分別為239h和77h，即同一質量濃度，8 000 lx光照強度下的半衰期明顯低于4 000 lx 光照強度下的半衰期。因此，增加光照強度可促進大黃酚的光解。

圖2 不同光照強度下大黃酚在水中的光解動態曲線

表3 不同光照強度下大黃酚的光解動力學參數

3.5 不同pH值緩沖溶液對大黃酚水中光解的影響 大黃酚在不同pH值緩沖溶液中的光解動態曲線圖(圖3)。由圖可見，與pH4和pH7相比，pH值為9時可顯著促進大黃酚的光解，12h時大黃酚的光解率達94.5%；而在pH4和pH7的緩沖溶液中，大黃酚的光解偏于穩定，其中，pH4時的光解速率略低于pH7，反應進行到192h時，其光解率分別為72.3%和88.7%。對數據進行回歸分析得到(表4)所示結果：不同pH值緩沖溶液中大黃酚的光解均符合一級動力學方程，半衰期分別為107h、71h和3h，說明隨著pH值的增大，降解速率加快，其中，OH-可顯著促進大黃酚的光解，而H+對大黃酚的光解有一定的延緩作用。

圖3 大黃酚在不同pH值緩沖溶液中的光解動態曲線

表4 不同pH值緩沖溶液中大黃酚的光解動力學參數

4 結論

采用室內模擬法研究了大黃酚在不同因素條件下的光解動態，結果表明：①大黃酚在不同條件下的水中光解均符合一級動力學方程，其中，前期降解速率較快，隨著反應的進行，光解速率逐漸趨緩。②初始質量濃度越大，光解反應時間越長；光照強度越大，光解越快；偏酸條件對大黃酚的水中光解有一定的抑制作用，偏堿環境可顯著促進大黃酚的水中光解。③根據我國農藥的光解特性等級劃分標準，大黃酚在水中的光解性能為難光解。