MIL-88A光芬頓催化體系中羥基自由基的檢測(cè)

丁 奇 王建鳳 王 穎 李冰寧 馬立利 周欣燃 周 陽 馮月超 賈 麗 邵 鵬 劉 艷

(北京市理化分析測(cè)試中心，北京市食品安全分析測(cè)試工程技術(shù)研究中心，北京 100089)

隨著工業(yè)化不斷發(fā)展，水體中污染物含量和種類逐漸增多，主要的污染物包含藥物、護(hù)理用品、有機(jī)染料、內(nèi)分泌干擾物等，它們嚴(yán)重影響人類健康和生態(tài)環(huán)境，如何獲取清潔用水已成為全球性問題[1-3]。其中飲用水的安全性一直是食品安全領(lǐng)域最為關(guān)注的焦點(diǎn)問題，由于它參與機(jī)體主要的生命代謝過程直接影響著生命活動(dòng)的進(jìn)行，所以為了保障飲用水的干凈清潔需要通過一些綠色高效的技術(shù)手段有效地去除水體中有害的物質(zhì)，而高級(jí)氧化技術(shù)能有效降解污染物，主要利用氧化能力很強(qiáng)的羥基自由基(·OH)與有機(jī)及無機(jī)污染物發(fā)生反應(yīng)，通過電子轉(zhuǎn)移、親電加成、脫氫等反應(yīng)，將其降解為二氧化碳、水和其他無害物質(zhì)，在污水處理、土壤修復(fù)、垃圾滲濾液處理等方面具有廣泛應(yīng)用，因此在食品安全及環(huán)境領(lǐng)域開展羥基自由基消除污染物的研究十分必要[4-6]。羥基自由基生成方法有芬頓法、紫外光催化氧化劑法、超聲氧化法等，可與金屬有機(jī)骨架材料(MOF)結(jié)合進(jìn)一步提高產(chǎn)生羥基自由基速度與數(shù)量[7]。MOF是一種有機(jī)和無機(jī)雜化的周期性網(wǎng)狀晶體，具有高比表面積、高孔隙率、孔徑尺寸可調(diào)等，其靈活的材料組成和空間結(jié)構(gòu)在光芬頓降解污染物領(lǐng)域也有較好應(yīng)用[8-10]。有研究利用MIL-53(Fe)在可見光條件下激活H2O2產(chǎn)生羥基自由基，能有效地降解有機(jī)染料[11]。為了研究MOF在生成·OH過程中的原理及降解環(huán)境污染物方面的影響，因此對(duì)其定量檢測(cè)具有重要意義。

目前，羥基自由基檢測(cè)方法較多，如電子自旋共振法[12]、高效液相色譜法[13]、化學(xué)發(fā)光法[14]、分光光度法[15-16]、自動(dòng)電位滴定法[17]等。韓子晗[18]等在研究林蛙卵油抗氧化性時(shí)，采用分光光度法測(cè)定羥基自由基清除率。余憶玄[19]建立高濃度氧活性粒子水射流空化高效生成-OH的新方法，以電子自旋共振法驗(yàn)證生成，通過高效液相色譜確定體系產(chǎn)率。張洪超[20]等建立羥基自由基氧化體系體，模擬烏賊肉在凍藏過程中蛋白質(zhì)分子間作用力與結(jié)構(gòu)的變化。由此可見羥基自由基在多個(gè)領(lǐng)域具有應(yīng)用，因此開展羥基自由基的檢測(cè)研究意義深遠(yuǎn)。

本研究通過比較檢測(cè)羥基自由基的高效液相色譜法和熒光分光光度法的差異，從而探究兩者的靈敏性、穩(wěn)定性及適用性等。對(duì)存在金屬有機(jī)骨架材料的光芬頓體系進(jìn)行羥基自由基生成規(guī)律研究，探討H2O2濃度及光照對(duì)其影響旨在為拓展降解水體中污染物方面提供理論及方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

對(duì)苯二甲酸(TA)，純度99%；2-羥基對(duì)苯二甲酸(HOTP)，純度98%；甲酸，純度98%；磷酸二氫鉀，分析純；0.10 moL/L氫氧化鈉；乙醇；富馬酸，純度99%；FeCl3·6H2O，純度97%；30% H2O2；C18色譜柱(4.60 mm*250 mm，粒徑為5.0 μm)。

1.2 儀器與設(shè)備

Elix10 Milli-Q超純水系統(tǒng)；e2695高效液相色譜分析儀(2998 PDA 和2475 FLR檢測(cè)器)；JB-1攪拌器；Eppendorf AG移液槍；CR22GⅢ 離心機(jī)；熒光分光光度計(jì)，F(xiàn)-7000 FL；自組裝光反應(yīng)儀器，配有500 W氙燈，光功率為65 mW。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

MIL-88A(Fe)光芬頓催化原理：在可見光照射下發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理[21]為式(1)～(4):

Fe3++ H2O2→ Fe2++·HOO + H+

(1)

Fe2++ H2O2→ Fe3++ ·OH + OH-

(2)

MIL-88A + hv→ h++ e-

(3)

e-+ H2O2→ ·OH + OH-

(4)

羥基自由基測(cè)定：對(duì)苯二甲酸(無色晶體，可溶于堿性溶液)與羥基自由基(·OH)1∶1反應(yīng)生成具有熒光性的穩(wěn)定產(chǎn)物2-羥基對(duì)苯二甲酸；通過測(cè)定反應(yīng)液中生成2-羥基對(duì)苯二甲酸的濃度可以計(jì)算出羥基自由基的濃度；通過測(cè)定不同時(shí)間反應(yīng)液中對(duì)苯二甲酸的濃度，即可反應(yīng)羥基自由基的濃度[11,22]。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1MOF的制備

稱取1.16g富馬酸溶解于75 mL乙醇，2.70 g FeCl3·6H2O溶解于75 mL超純水，將上述溶液混合，在室溫下攪拌24 h，離心，用水和乙醇多次洗滌產(chǎn)物，置于60℃干燥，得到MOF材料MIL-88A(Fe)[21]。

1.4.2反應(yīng)液制備及光照實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確移取40 mL的0.5 mmol/L對(duì)苯二甲酸(含2.08 mmol/L NaOH)置于50 mL燒杯中，加入10 mg MIL-88A(Fe)，避光條件下磁力攪拌30 min，待達(dá)到吸附平衡后，加入不同體積的H2O2(使反應(yīng)液中H2O2濃度分別為0.5 mL/L、1.0 mL/L、1.5 mL/L)，置于500 W氙燈下(反應(yīng)液距離光源22 cm)進(jìn)行光反應(yīng)每隔10 min, 取出2 mL反應(yīng)液，加入異丙醇淬滅劑，混勻，用0.22 μm濾膜過濾，運(yùn)用熒光分光光度計(jì)和液相色譜分析。

1.4.3檢測(cè)條件1.4.3.1熒光分光光度法

參照文獻(xiàn)[22]測(cè)量類型為全波長掃描；掃描模式為掃描發(fā)射波長；掃描速度為2400 nm/min；PMT電壓為700 V；固定激發(fā)波長在315 nm 處，掃描發(fā)射波長范圍為220～600 nm，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度為5 nm。

1.4.3.2高效液相色譜法

(1)對(duì)苯二甲酸分析方法

色譜柱：C18色譜柱(4.60 mm×250 mm，粒徑為5.0 μm)；柱溫30℃；進(jìn)樣量1 μL；流速1.0 mL/min；檢測(cè)波長425 nm ；流動(dòng)相 A(甲醇)：流動(dòng)相 B(1.36 mg/mL磷酸二氫鉀和0.2 mL/L的甲酸水溶液)=30:70(v/v)；等度洗脫。

(2)2-羥基對(duì)苯二甲酸分析方法

色譜柱：C18色譜柱(4.60 mm×250 mm，粒徑為5.0 μm)；柱溫30℃；進(jìn)樣量1 μL；流速1.0 mL/min；熒光檢測(cè)器的激發(fā)波長(λex)/發(fā)射波長(λem)： 315 nm/425 nm；流動(dòng)相 A(甲醇)：流動(dòng)相 B(1.36 mg/mL磷酸二氫鉀和0.2 mL/L的甲酸水溶液)=30∶70(v/v)；等度洗脫。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)液中光生羥基自由基檢測(cè)方法建立

2.1.1建立反應(yīng)液中2-羥基對(duì)苯二甲酸的高效液相色譜法

通過流動(dòng)相、洗脫比例優(yōu)化等，建立了反應(yīng)液中HOTP的測(cè)定方法。圖1是HOTP的標(biāo)準(zhǔn)曲線，其線性范圍為1～500 μg/L，相關(guān)系數(shù)r為0.9998，線性較好；分別添加2個(gè)濃度水平10 μg/L、50 μg/L，用于方法準(zhǔn)確性的評(píng)估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為10.20 μg/L、53.96 μg/L，依據(jù)HJ 168-2010中以相對(duì)誤差表示準(zhǔn)確度，得到相對(duì)誤差分別為2.00%、7.92%，該方法準(zhǔn)確度較好；以信噪比3∶1時(shí)，考察方法的檢出限為0.5 μg/L；以光照60 min時(shí)1.0 mL/L H2O2反應(yīng)液中HOTP濃度來考察精密度，計(jì)算在重復(fù)性條件下2次獨(dú)立測(cè)定結(jié)果的絕對(duì)差值與算術(shù)平均值的比值，其結(jié)果為5.93%。圖2是測(cè)定本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)液(1.0 mL/L H2O2)光照60 min時(shí)HOTP的液相色譜圖。

圖1 HOTP的標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2 HOTP的液相色譜圖

2.1.2建立反應(yīng)液中對(duì)苯二甲酸的高效液相色譜法

通過流動(dòng)相、洗脫比例優(yōu)化等，建立了反應(yīng)液中TA的測(cè)定方法，最終得到1.4.3.2中檢測(cè)TA的高效液相色譜方法。圖3是TA的標(biāo)準(zhǔn)曲線，其線性范圍為4～160 mg/L，相關(guān)系數(shù)r為0.9998，此方法線性較好；分別添加2個(gè)濃度水平8.0 mg/L、40 mg/L，用于方法準(zhǔn)確性的評(píng)估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為7.82 mg/L、42.72 mg/L，依據(jù)HJ 168-2010中以相對(duì)誤差表示準(zhǔn)確度，得到相對(duì)誤差分別為-2.25%、6.80%，該方法準(zhǔn)確度較好；以信噪比3∶1時(shí)，考察方法的檢出限為0.8 mg/L；以光照60 min時(shí)1.0 mL/L H2O2反應(yīng)液中TA濃度來考察精密度，計(jì)算在重復(fù)性條件下2次獨(dú)立測(cè)定結(jié)果的絕對(duì)差值與算術(shù)平均值的比值，其結(jié)果為3.53%。圖4是測(cè)定本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)液(1.0 mL/L H2O2)光照60 min時(shí)TA的液相色譜圖。

圖3 TA的標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖4 TA的液相色譜圖

2.2 反應(yīng)液中光生羥基自由基的測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)體系在光照射下MIL-88A催化H2O2產(chǎn)生羥基自由基與對(duì)苯二甲酸(TA)結(jié)合生成2-羥基對(duì)苯二甲酸(HOTP)，TA的消耗量和產(chǎn)生的HOTP均能間接表明羥基自由基的含量變化。

2.2.1MOF光芬頓體系對(duì)HOTP的影響

圖5是隨光照時(shí)間變化3種濃度H2O2反應(yīng)體系中HOTP含量的變化，從圖中可知暗反應(yīng)30min時(shí)反應(yīng)體系沒有生成HOTP，表明無光照射下不能產(chǎn)生·OH，隨后立即打開光源開始生成·OH。3種體系在光反應(yīng)開始至60 min產(chǎn)生的HOTP均逐漸增加，但60-270 min變化趨勢(shì)略有不同。當(dāng)H2O2濃度為0.5 mL/L 時(shí)，HOTP濃度隨光照射時(shí)間的延長而逐漸增加，在150 min后趨于平穩(wěn)；而濃度1.0 mL/L和1.5 mL/L時(shí)分別在光反應(yīng)時(shí)間90 min和60 min達(dá)到最大值分別為3.93 mg/L、4.10 mg/L，隨后降低最終趨于穩(wěn)定。在光反應(yīng)0～60 min，1.5 mL/L產(chǎn)生的HOTP數(shù)值整體高于其它兩種，最小為0.5 mL/L；光照150 min后，0.5 mL/L反應(yīng)體系最高。

2.2.2MOF光芬頓體系對(duì)TA的影響

圖6顯示的是反應(yīng)液中底物TA含量隨光照時(shí)間和H2O2濃度的變化趨勢(shì)。隨著反應(yīng)時(shí)間延長TA含量逐漸減少，在光反應(yīng)0～150 min內(nèi)下降趨勢(shì)明顯，之后逐步平穩(wěn)。但不同濃度H2O2反應(yīng)體系消耗TA程度略有不同，消耗量由大到小依次是1.5 mL/L、1.0 mL/L、0.5 mL/L。

圖5 光照時(shí)間和H2O2濃度對(duì)生成2-羥基對(duì)苯二甲酸影的影響

圖6 光照時(shí)間和H2O2濃度對(duì)消耗對(duì)苯二甲酸的影響

2.2.3反應(yīng)體系對(duì)·OH的影響

結(jié)合圖5和圖6的結(jié)果能更有效的得出TA作為底物的MOF光芬頓體系對(duì)·OH的影響。光反應(yīng)開始至150 min時(shí)，HOTP生成量及TA消耗量不斷變化，共同表明產(chǎn)生·OH反應(yīng)在不斷進(jìn)行，而150 min后兩種物質(zhì)含量保持穩(wěn)定，該反應(yīng)過程基本停止。由兩種圖得出前60min內(nèi)，不同濃度H2O2體系中主要發(fā)生反應(yīng)是·OH參與HOTP的生成，導(dǎo)致TA含量逐漸下降與HOTP生成量逐漸升高。但隨著反應(yīng)的繼續(xù)60 min后只有0.5 mL/L的體系體現(xiàn)了TA消耗量、HOTP生成量與·OH含量之間的相關(guān)性，而1.0 mL/L和1.5 mL/L 的3種關(guān)系之間沒有一定的規(guī)律，造成H2O2濃度越高HOTP含量越少，這種現(xiàn)象是由于隨反應(yīng)的進(jìn)行自由基捕獲劑對(duì)苯二甲酸逐漸減少，H2O2濃度越高的體系中積累的·OH含量越多，過量的·OH與產(chǎn)物HOTP發(fā)生轉(zhuǎn)化或降解反應(yīng)。有研究在探討電極生成·OH規(guī)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)體系中產(chǎn)生越多的·OH會(huì)降解HOTP，該結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)一致[12]，除此之外隨著紫外光照射時(shí)間延長會(huì)減緩·OH生成速率，不斷增加的中間產(chǎn)物也會(huì)影響光催化進(jìn)程，因此導(dǎo)致TA的含量沒有全部耗盡[24]。由此得出在MOF材料和光照時(shí)間催化下H2O2濃度越高生成的·OH越多，TA作為羥基自由基載體及生成物HOTP可以間接測(cè)定·OH變化，但只適用于體系中·OH濃度較低情況。

2.3 分光光度法與高效液相法對(duì)比

熒光分光光度法和高效液相色譜法在檢測(cè)羥基自由基方面均有相關(guān)應(yīng)用，因此通過對(duì)本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)體系中HOTP的測(cè)定，探討兩種方法在此反應(yīng)體系中的適用性。熒光分光光度法及高效液相色譜法的HOTP的檢出限分別為5 μg/L、0.5 μg/L，2者相差10倍，由此得出高效液相色譜法的檢出限較低，靈敏度較高。圖7是兩種方法測(cè)定反應(yīng)液(1.0 mL/L H2O2)中HOTP含量的變化，由圖可知不同方式測(cè)定HOTP含量隨光照時(shí)間的延長而逐漸增加，表明生成·OH不斷與TA結(jié)合，相同光照時(shí)間測(cè)定反應(yīng)液中HOTP含量變化不大，因此這兩種方法都能反映羥基自由基的含量變化。有研究也比較了分光法和反相色譜法測(cè)定羥基自由基時(shí)的靈敏度，發(fā)現(xiàn)分光法不能滿足微量檢測(cè)，而色譜法能精準(zhǔn)的微量分析具有更高的靈敏性、精確性等[23]。綜上所述，高效液相色譜法更適用于本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)體系中·OH的檢測(cè)。

圖7 分子熒光法和高效液相色譜測(cè)定HOTP濃度

3 結(jié)論

針對(duì)本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)體系比較了液相色譜法及熒光分光光度法檢測(cè)·OH靈敏性，并對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行分析得出高效液相色譜法更適用于檢測(cè)·OH。建立了MOF反應(yīng)體系中羥基自由基的高效液相色譜檢測(cè)方法，HOTP和TA檢出限分別為0.5 μg/L、0.8 mg/L。討論了HOTP和TA隨光照時(shí)間和H2O2濃度的變化趨勢(shì)，結(jié)合兩種物質(zhì)數(shù)據(jù)分析得出MOF和光照能協(xié)同催化·OH不斷生成，但60 min后隨·OH濃度的升高會(huì)抑制生成物的產(chǎn)生及增強(qiáng)了HOTP的降解效應(yīng)，H2O2濃度越大該效應(yīng)越強(qiáng)。