高級氧化體系中活性氧化物質的定性和半定量分析方法研究進展

周晨穎，周 鵬，張 鵬，孫一鳴，賴 波*

1. 四川大學建筑與環境學院，四川 成都 610065

2. 四川大學中德水環境與健康研究中心，四川 成都 610041

全球范圍內水資源短缺形勢日趨嚴峻，社會發展過程中工業生產對水質的負面影響加劇了水質性缺水[1]. 研究人員在環境水體中檢測到染料、酚類化合物、鄰苯二甲酸酯、抗生素、農藥和多環芳烴等有機污染物[2]. 它們通常具有毒性、化學穩定性和生物蓄積性，會對人體健康和生態環境造成威脅[1]. 因此，有機污染物去除技術的開發具有重要意義.

高級氧化技術可以通過產生多種活性氧化物質(ROS)有效降解水中各類難降解有機污染物[3]. 其技術原理是通過ROS進行電子轉移、奪氫、取代和加成反應攻擊目標污染物，使大分子有機物被氧化分解為小分子有機物或被完全礦化為二氧化碳和水等，從而達到水環境修復的目的[3]. 為了深入探究降解有機污染物的具體途徑并開發經濟高效的高級氧化技術，準確分析高級氧化過程(AOPs)中ROS的類型、確定ROS對污染物氧化降解的貢獻至關重要.

該文對AOPs中ROS定性和半定量分析方法的研究現狀進行了文獻調研，總結了AOPs中主要ROS的特點，重點敘述了多種ROS分析方法的優缺點、影響因素及應用場景，并對其發展趨勢進行了簡要預測，以期為AOPs的氧化機理探究和技術研發提供參考.

1 ROS主要性質

如表1所示，AOPs中生成的ROS主要包括羥基自由基(?OH)、硫酸根自由基(SO4?—)、超氧自由基(O2?—)、Fe(Ⅳ)、Fe(Ⅴ)、Fe(Ⅵ)、Co(Ⅳ)、Mn(Ⅳ)、Mn(Ⅴ)等高價金屬物質、單線態氧(1O2)和表面活性中間體(碳納米管-過硫酸鹽復合物)等. 在環境水體中存在的天然有機物和無機離子競爭消耗ROS，并產生含鹵素自由基〔氯自由基(Cl?)、二氯陰離子自由基(Cl2?—)和溴自由基(Br?)等〕、碳酸根自由基(CO3?—)、磷酸根自由基(H2PO4?)、含氮自由基〔硝酸根自由基(NO3?)、二氧化氮自由基(NO2?)和一氧化氮自由基(NO?)〕等衍生ROS. 高級氧化體系中產生的典型ROS的主要理化性質見表2，典型ROS與有機物和無機離子反應的速率常數(k)如圖1所示.

圖1 高級氧化體系中典型ROS與有機物和無機離子反應的速率常數[18-24]Fig.1 Rate constants of typical ROS for reacting with organic matter or inorganic ions in advanced oxidation systems[18-24]

表1 高級氧化體系中常見的活性氧化物質(ROS)Table 1 Common reactive oxygen species in advanced oxidation systems (ROS)

表2 高級氧化體系中典型ROS的基本理化性質Table 2 Basic physicochemical properties of common ROS in advanced oxidation systems

?OH具有超短壽命和高氧化還原電位，能無選擇地快速降解污染物，其與大多數有機物反應的速率常數(k)為108～1010L/(mol·s).?OH的非選擇氧化性導致其易受共存物質的影響，抑制其對目標物的降解過程. SO4?—雖然也是一種強氧化性自由基，但其對污染物的氧化體現出一定的選擇性，與有機物反應的k為105～1010L/(mol·s). Fe(Ⅳ)和1O2等ROS的氧化還原電位低于?OH和SO4?—，與有機物反應的k值為0～109L/(mol·s)，氧化能力較弱. 反應途徑、ROS貢獻占比的確定有利于學者確定氧化反應機理. 因此，總結ROS分析方法的進展及存在問題、展望其未來方向具有重要意義.

2 ROS的定性和半定量分析方法

2.1 電子順磁共振技術

電子順磁共振技術(EPR)的基本原理是利用ROS或其衍生產物的順磁性定性和半定量分析自由基，即具有永久磁矩(不成對電子)的樣品在施加外部磁場后分裂成其簡并能級，與能級間能隙相匹配的微波輻射被吸收，其優勢在于可在原子或分子水平上直接檢測固液體中含不成對電子的物質[39]. 自旋捕獲技術通過捕獲劑與ROS反應形成較穩定的自旋加合物輔助EPR檢測(見表3). 如Warwar等[43]發現順磁性自旋探針全氯三苯甲基自由基三羧酸與O2?—反應并轉變為抗磁性探針，光譜信號損失表明O2?—存在[43].g值是與原子內部運動有關的重要參數，它決定了ROS電子自旋共振譜中心位置，可鑒別不能用光譜確定的ROS，如CO3?—(2.011 3)、NO3?—(2.020 3)、H2PO4?(2.000 1)、H?(2.002 1)和eaq(2.002 3)[44].

表3 多種捕獲劑與ROS的特征反應Table 3 Characteristic reaction between various trapping agents and ROS

EPR技術缺點是成本和操作要求高，測試結果易受儀器靈敏度和取樣因素影響，且不能確定每種ROS在氧化反應中的具體貢獻率. 例如，通過單電子氧化途徑，DMPO可在無?OH時轉變為DMPO-OH或在深度氧化后產生七重峰(DMPO-X)，而單線態氧的捕獲劑TEMP也可在分子氧存在情況下生成TEMPO[42,45].TEMP具有較強的堿性，會引起非緩沖體系溶液pH增加，從而使得PMS自分解生成1O2[46]. 取樣和測定時間也會影響結果的準確性，當檢測SO4?—時，DMPO-SO4可在5 min內快速轉化為DMPO-OH. 在常溫下放置超過20 min，加合物可能分解. 此外，DMPO在紫外光照射下會被激發，光催化過程中DMPO-O2可能轉變為DMPO-OH[9].

2.2 ROS選擇性淬滅方法

ROS選擇性淬滅方法是通過添加過量淬滅劑迅速消耗目標ROS[47]. 不同類型和濃度淬滅劑對污染物去除率影響的方法如表4所示. 這種方法的基本假設是淬滅劑只消耗目標ROS，不影響其他ROS與污染物反應的過程. 然而這一假設并不成立，淬滅劑會通過與其他ROS反應、干擾ROS產生、改變溶液pH等途徑影響目標污染物的降解過程[48]. 例如，在催化臭氧化過程中叔丁醇和對苯醌不僅可以迅速消耗?OH，還會直接與O3反應從源頭終止產生多種ROS的鏈式反應[51]. Gao等[48]分析了淬滅法的局限性，L-組氨酸淬滅結果表明1O2可能是Co(Ⅱ)/PMS體系去除微污染物的主要ROS，然而這與用糠醇淬滅得到的結論不一致. 因此，僅在淬滅劑不影響污染物降解時能夠證明ROS不存在，同時還需注意淬滅劑親疏水性質、pH和目標物結構對淬滅效果的影響.

表4 ROS與典型淬滅劑反應的速率常數(k)Table 4 Rate constants of reaction between ROS and quenchers

2.3 化學探針法

ROS與化學探針反應生成特性相異的特征產物，根據產物特性，學者們應用液相色譜法、分光光度法和熒光光譜法等分析手段，對化學探針法進行了大量研究(見表5). 化學探針法的優點是操作簡單且產物穩定，應用時需先合理猜想ROS類型并了解探針及產物特性，所選探針應具有反應特異性且特征產物最好唯一. 然而，特定化學探針可能和不同ROS反應生成相同的特征產物，而產物常不止一種且可能出現次生反應. 例如，?OH和苯甲酸反應生成多種羥基化產物，而SO4?—能夠通過奪電子途徑與苯甲酸反應生成羧苯自由基中間體并進一步形成羥基化產物[59]. 因此，對苯二甲酸是更好的選擇，羥基化過程中只產生一種主要熒光產物(2-羥基對苯二甲酸)[54]. 二甲基亞砜與高價金屬氧絡合物通過氧轉移途徑生成二甲基砜，氧是反應的關鍵，當體系中存在多種高價金屬氧絡合物時會難以區分[17]. 測定時間、溶液pH和光照等也會影響試驗結果. 例如，硝基藍四唑可被O2?—還原為不溶于水的藍色單臜，但放置時間過長會沉淀在底部且在可見光照射下不穩定[58]. 四硝基甲烷與O2?—反應生成的硝基甲烷陰離子可用紫外可見分光光度計測定，但該反應只能在堿性條件下發生[58]. 輔助手段可提高測試結果可信度. 二甲基亞砜作為?OH探針時，可測定體系反應過程中總有機碳含量以精準量化?OH[52].基于ROS對16O與H218O中同位素交換的特性，利用18O同位素標記能更準確地識別ROS[60].

表5 ROS的化學探針反應Table 5 Chemical probe reaction of ROS

研究人員也基于探針法建立了一些ROS分析的模型方法，用于分析各類AOPs中的ROS暴露量或瞬態濃度和其對污染物去除的貢獻以及預測污染物去除效率等. 例如，為了更好地理解過硫酸鹽體系中淬滅劑對污染物降解的復雜影響，Gao等[48]利用了一種基于低濃度阿特拉津和撲米酮探針的動力學模型來模擬去除微污染物的抑制程度，發現探針法的一些結論與淬滅法的結論一致，而有些則相互矛盾. 類似地，Guo等[8]基于探針法和化學動力學模型定量評估模擬不同水基質條件中臭氧氧化對微污染物的去除，用于預測臭氧化過程中微污染物去除效率. 此外，也有Lee等[61]結合臭氧、?OH與不同污染物反應的k和不同廢水的臭氧劑量歸一化溶解態有機碳濃度來預測廢水微污染物去除效率. 綜上所述，基于探針、k和水基質參數的模型方法是ROS定量分析和污染物去除效率預測的重要手段.

2.4 電化學法

電化學法是以循環伏安曲線、流體動力學伏安曲線和開路電壓等電化學指標分析ROS的間接手段. 基于循環伏安法，有研究[62]發現浸漬在檸檬酸鈉改性活性炭纖維紙上的水楊酸僅在約0.89 V處顯示一個小氧化峰，?OH和水楊酸反應生成具有電化學活性的2,5-二羥基苯甲酸，而在約0.32 V處觀察到浸漬在檸檬酸鈉改性活性炭纖維紙上的2,5-二羥基苯甲酸明顯的氧化還原峰. 表面活性中間體的分析手段有限，而電化學法是其中一種. Ren等[5]在線監測了電位，并在溶液中加入PDS后觀察到電位顯著提高的現象，即PDS附著在CNT能形成亞穩態高反應性復合物，通過電子在導電碳骨架上的遷移直接氧化吸附有機物. 類似地，基于開路電壓，筆者所在課題組前期的研究[4]中已證明了近游離態高活性Fe(Ⅲ)的存在. 電化學法的主要優點是操作簡單、快速靈敏且可能提供機理分析的其他信息. 需要注意的是，黏合劑會影響工作電極材料涂覆層的親疏水性質，氧化劑或污染物的投加可能會改變反應溶液的pH，進而影響測試結果.

2.5 原位拉曼法

拉曼光譜是一種以單色激光為光源的散射光譜，它可以對樣品進行振動光譜分析以獲得詳細分子結構信息[63]. 原位拉曼光譜能簡單快速且準確直觀地提供原位細節，該法對水溶液的抗干擾能力強但易受光學參數影響[63]. 例如，原位拉曼光譜可以探測不同PDS活化過程中CNT的表面化學變化情況，通過新峰的出現證實亞穩態CNT-PDS復合物中O—O鍵的彎曲振動，而增加O—O鍵長使活性中間體表現出更高的奪電子能力[14]. 結合電化學法，學者可以更科學地驗證表面活性中間體的存在.

2.6 穆斯堡爾光譜法和同步輻射法

穆斯堡爾光譜能夠直接探測鐵核環境并檢測順、抗磁性鐵，從而分析異構體位移和四極分裂參數并得到鐵的氧化態、配位數、幾何形狀、自旋態及配體類型，可用于Fe(Ⅳ)、Fe(Ⅴ)等活性鐵物種的檢測[64].Hua等[64]利用穆斯堡爾光譜驗證了Fe(Ⅳ)的產生和淬滅，說明溶液中的Fe(Ⅱ)和針鐵礦中的Fe(Ⅲ)間發生界面電子交換進而引發了Fe(Ⅳ)的生成. 待測樣品需被密封在聚苯乙烯制成的特殊柱狀反應容器中，防止穆斯堡爾效應被干擾[64]. 同步輻射技術可用微X射線熒光成像研究微量金屬或準金屬的分布，以及用X射線吸收光譜研究目標化學元素的化合價、組成和配位殼結構[65]. 因此，Machala等[65]利用高能分辨率熒光檢測X射線吸收光譜，探索了高鐵酸鹽的兩相電子轉移反應機制中Fe(Ⅵ)、Fe(Ⅴ)、Fe(Ⅳ)和Fe(Ⅲ)相互轉化過程的方法. 這兩種方法都具有高靈敏性，但設備成本較高，檢測過程中還需要注意金屬價態的快速變化.

2.7 定量構效關系法

定量構效關系法的原理是通過分析目標有機物取代基描述符和ROS氧化反應速率常數間宏觀的數學關系來輔助分析ROS.?OH一般通過親電取代攻擊芳香族化合物，如Zhu等[66]研究表明，當?OH攻擊氯化酚時，隨著具有吸電子特性的氯原子數量增加，芳環中π電子密度降低，從而使酚環不易被?OH親電攻擊. SO4?—的反應特性也與目標物特定官能團相關，例如，單電子轉移后的后續反應取決于官能團在苯環上的電子效應，苯甲酸酯化合物的羧酸酯基團可能發生脫羧反應，而其他芳香族化合物可能產生苯基陽離子[67]. ROS對目標污染物的選擇性攻擊取決于二者特性. 因此，電離電位(IP)和半波電位(E1/2)、分子最高占用軌道能(EHOMO)、分子最低未占用軌道能(ELOMO)、Hammett常數(σ、σ+和σ—)、Taft常數(σ*)等描述符和表觀速率常數(kobs)或k間的關系可用于進一步分析ROS類型(見表6).

表6 ROS與有機物反應的構效關系Table 6 Structure-activity relationship between ROS and organic compounds

IP是從有機分子最低能態中除去單電子形成陽離子所需的能量，與目標污染物的整體電子特性有關[29].E1/2反映了單電子氧化步驟的電位[68].EHOMO決定了污染物親核能力，其值越高，自由基對其進行親電攻擊的可能性越大，而ELOMO與污染物的親電能力成正比[69]. Hammett將取代苯甲酸的電離反應作為標準反應，以σ定量地表達了取代基給(負值)或吸電子(正值)特性. σ+和σ—用于說明通過取代基的共振相互作用使反應中心穩定的作用大小[70]. 因此，烷基、烷氧基和羥基等供電子取代基的σ+不同于σ，硝基、乙酰基和氰基等吸電子取代基σ—不同于σ[70]. 然而，σ未考慮空間效應，不適用于芳環鄰位和脂肪族化合物. σ*從酯的電離常數推導而來，被廣泛用于解釋芳環鄰位和脂肪族化合物的取代基效應[70]. 定量構效關系法科學性較強，其應用的關鍵在于歸一化、分組和顯著性分析等數據處理手段以及來源于不同試驗條件的數據選擇. 然而，ROS目標物與降解動力學過程之間普遍存在構效關系，但體系中往往存在多種ROS的共同作用，因此描述符合試驗結果間的相關性對輔助ROS分析的有效性尚且存疑.

3 結論與展望

ROS是氧化分解水中難降解有機污染的關鍵，因此快速、準確分析高級氧化體系中ROS特別是定量分析其貢獻具有重要意義. 然而，目前難以快速準確定量檢測ROS，主要原因包括：①分析難度高. 同一體系通常存在多種ROS的協同作用和鏈式反應，且ROS壽命較短. ②影響因素多. 所用試劑的親疏水性質、目標物性質、pH和光照等因素會影響ROS分析. 為深入解析污染物的降解機理并開發經濟高效的高級氧化水處理技術，準確分析水處理過程中ROS的類型和貢獻，建議在以下方向加以改進.

a) 改進現有技術，加強原位技術和輔助手段的應用. 例如，明確ROS選擇性淬滅方法中淬滅劑對反應機理以及與其他ROS反應的影響，結合探針法和競爭動力學模型對ROS進行準確分析. 探索基于拉曼光譜、穆斯堡爾光譜、EPR技術的原位分析方法. 增加內外標、自旋捕獲技術和同位素標記等輔助手段的應用.

b) 利用多種手段加強數據可信度和分析深度. 結合文獻調研和合理猜想，以電子順磁共振技術、ROS選擇性淬滅方法和化學探針法等常用方法結果以及電化學法和定量構效關系法等佐證手段結果相互驗證，同時應用動力學模型法等數學手段分析各類AOPs中的ROS暴露量、瞬態濃度和對污染物去除的貢獻等，加強數據間的相關性分析.

c) 開發新技術. 在考慮方法成本的前提下，開發快速測定工具，進一步拓展到多ROS共同測試、準確定量測試、多儀器聯用等應用場景，加強以電化學法為代表的原位測試方法的開發應用.