羥基自由基檢測技術方法概述

齊 萌

(華北電力大學科技學院，河北 保定 071003)

1 概述

近年來，高級氧化技術(AOTs)的開發(fā)和應用促進了高濃度有機廢水降解技術[1]和煙氣中有害氣體(如NO，Hg0)的氧化脫除技術的發(fā)展。高級氧化技術主要包括濕式氧化、電化學氧化、聲-電氧化、光催化氧化、電助光催化氧化等，其中最傳統(tǒng)的氧化技術是Fenton法[2]。目前，科研工作者認定羥基自由基(·OH)是該技術一種重要中間體?！H是一種高活性基團，可與眾多有機物反應[3]，最終將其降解為H2O和CO2。

羥基自由基存在一個未成對電子，反應活性很強，有極強的氧化能力。在已知強氧化劑中，其標準電極電勢僅次于氟[4]，且·OH的反應速率常數(shù)高、壽命短[5-6]。·OH是一種高效、無二次污染的強氧化劑[7]。但對于·OH檢測，尚無準確有效的直接測定方法，只能用捕捉劑對·OH進行捕獲，通過檢測加合物來間接檢測·OH的數(shù)量。因此對捕捉劑的捕獲效率、加合物的穩(wěn)定性和反應性都提出了極高的要求，而實際反應中，捕捉劑對·OH的捕獲效率較低。目前，比較成熟的檢測方法主要有電子自旋捕集法(ESR)、高效液相色譜法(HPLC)、分光光度法、熒光光度法(FD)、化學發(fā)光法(CL)、電化學檢測法(ECD)等。

2 檢測方法

2.1 電子自旋捕集法(ESR)

電子自旋共振法(Electron Spin Resonance)是從1945年發(fā)展起來的,主要研究對象為具有未成對電子的自由基和過渡金屬離子及其化合物。而自旋捕集技術(Spin Trapping)是20世紀60年代發(fā)展起來的，該技術的建立為自由基的ESR檢測技術開辟了新的途徑[8]。其原理是利用適當?shù)淖孕蹲絼┡c·OH加合而形成相對穩(wěn)定的自旋加合物，再用電子自旋共振波譜法檢測自旋加合物的數(shù)量，利用自旋加合物的數(shù)量來計算·OH的數(shù)量。典型的自旋捕集劑是亞硝基化合物或氮氧化合物，DMPO作捕獲劑對自由基結構變化相當敏感，可提供其結構的詳細信息。

高迎新等[9]以DMPO為捕捉劑測定Fenton/類Fenton反應中·OH變化規(guī)律。在相同條件下，與Fenton過程相比，類Fenton在反應起始和過程中，·OH生成速率都要低。耿蓉等[10]以摻硼金剛石為膜電極建立了一種對電極表面產生·OH進行實時監(jiān)測的原位電化學-ESR方法。Pou等[11]利用紫外燈照射H2O2產生·OH，·OH與CH3CH2OH反應產生CH3CHOH，后用自旋捕捉劑捕獲CH3CHOH，用ESR測定自旋加合物。該法可用于生物體內·OH的檢測。Stokes等[12]用浸漬有POBN的濾紙捕集空氣中的·OH，甲苯萃取后進行ESR測定，檢測限為5×104個/cm3。

2.2 高效液相色譜法(HPLC)

高效液相色譜法(HPLC)是一種高效、快速的分離方法，它具有高壓、高速、高靈敏度、高檢出限的特點，檢出限為1×10-9～1×10-11g[13]。分離檢測前用捕捉劑捕集·OH，因此捕捉劑不但要能捕獲所需測定的·OH，產物也要有一定的穩(wěn)定性，還要有利于HPLC分離和檢測。常用捕捉劑有水楊酸、苯二甲酸、二甲基亞砜、氯苯甲酸等。

王海燕等[14]利用探針化合物氯苯甲酸定量分析電助光催化產生的·OH，結果表明電助光催化過程中的·OH約為光催化過程2倍。E.Lindsey等[15]分別用安息香酸作捕捉劑，分析了二次蒸餾水、含不同體積比Maurepas湖水配制的Fenton體系中的·OH的含量。T.H.Tsai等[16]用HPLC結合微透析技術，實現(xiàn)了在線檢測生物體內的·OH。吳建林等[17]以水楊酸為捕獲劑，用HPLC間接檢測輝光放電等離子體中·OH的含量。楊威等[18]采用HPLC結合庫侖陣列多電極檢測器體系建立了一套操作簡便、高效、快速測定·OH的方法。

2.3 分光光度法

ESR法和HPLC法儀器價格昂貴，一般實驗室難以承受，因此光度法是目前國內科研人員常用的檢測方法。分光光度法高效、快捷、實用，儀器價格低廉，通過近些年技術發(fā)展，光度法已成為一種成熟的檢測·OH的方法。光度法是利用·OH與捕捉劑生成一種較為穩(wěn)定的加合物，由于捕捉劑反應前后吸光度的不同，通過測量吸光度差值來確定·OH的數(shù)量的一種方法。常用的捕捉劑有鄰二氮菲(Fe(phen)32+)、DMSO、水楊酸、茜素紫、中性紅、亞甲藍、二甲亞砜+監(jiān)牢藍(BB)等。

梁月園等[19]用過量KI與·OH反應生成I3離子，再與陽離子表面活性劑(CS)形成疏水性締合分子并進一步形成(CSI3)n締合微粒產生新吸收峰，反應溫度20～35℃，反應時間15min，pH為5.2時吸光度最大。試驗表明以CTMAB為代表的CS可用來檢測Fenton體系的·OH。付燕等[20]用Fe(phen)32+光度法測定輝光放電電解過程中產生的·OH，相對標準偏差(RSD)4.1 %。姜艷麗等[21]借助陰離子交換膜，采用Fe(phen)32+分光光度法測定TiO2/Ti光電催化體系中·OH濃度。結果表明在光電催化體系中加上較小的外加偏壓(0.6 V)可以有效抑制光生電子和空穴的復合，提高·OH生成率。潘光建等[22]用二甲基亞砜(DMSO)捕集·OH后生成產物甲基亞磺酸(MSA)，再用FBBS與MSA反應生成重氮砜產物，用紫外-可見分光光度儀于420nm處檢測。結果表明，高溫下DMSO捕集·OH時間不宜過長，捕集反應后應盡快對產物進行測定。任學昌等[23]以水楊酸為分子探針物，用光度法測定納米TiO2薄膜光催化體系中產生的·OH數(shù)量，結果表明：水楊酸自然氧化程度較低，可作為分子探針測定·OH產生。劉瑛等[24]用考馬斯亮藍G250捕捉Fenton反應產生的·OH，考馬斯亮藍因氧化褪色，而褪色程度與·OH的量在一定范圍內成正比，據(jù)此建立了測定·OH的方法，并應用于植物提取液對·OH清除率的測定。

2.4 熒光光度法(FD)

熒光光度法原理是底物或捕捉劑與·OH反應，誘導底物發(fā)光或者使底物發(fā)光減弱，通過測定底物發(fā)光的強度變化來測定·OH數(shù)量的一種方法。熒光光度法(下簡稱光度法)特點是儀器價廉、分析迅速，但精度、準確度都不高。常用的底物是DMSO+氨/1,3-環(huán)已二酮(CHD)、Ce3+、苯基熒光酮、對苯二酸鹽(TA)等。

史書杰等[25]用Fenton反應產生的·OH將Ce3+氧化成Ce4+?；贑e4+與8-羥基喹啉的顯色反應，采用流動注射分析(FIA)技術，于室溫下間接測定體系中·OH含量。結果表明·OH生成量與苯酚去除率之間具有良好的相關性。該法所需儀器設備簡單，操作方便、快速準確，適用于·OH的在線測定。李慧泉等[26]以硝酸釹和鈦酸四正丁酯作為前驅體，采用溶膠-凝膠法制備了Nd2O3/TiO2納米光催化劑，并以對苯二甲酸作為探針分子，以甲基橙為光催化降解反應模型化合物，測定了甲基橙在TiO2和Nd2O3/TiO2(1.0%)光催化劑上的吸附常數(shù)。結果表明：Nd2O3摻雜使TiO2粒徑減小、比表面積增大，催化劑的催化活性越高，·OH生成速率越大。Chao Tai等[27]利用DMSO捕捉·OH生成甲醛，甲醛再與氨和1,3-環(huán)已二酮(CHD)在pH=4.5時反應生成有熒光的物質，根據(jù)熒光強度變化測定·OH數(shù)量。Ce3+有特征熒光，而被氧化成Ce4+后便失去熒光，因此很多人都以它為介質研究·OH生成量。Boxin O.等[28]以熒光素為探針，用光度法測定了對類Fenton體系中Co(Ⅱ)-H2O2產生的·OH的抑制作用。Fertraud Mark等[29]用超聲輻射N2O飽和水溶液而產生·OH，·OH進攻對苯二酸鹽(TA)生成具有特征熒光的羥基化產物，再用光度法間接測定·OH。Matt King等[30]用光度法測定CCA與·OH的強熒光產物，間接測定紫外照射H2O2和Fenton體系兩種方法產生的·OH數(shù)量。楊小峰等[31]用哌啶類氮氧自由基自旋標記熒光探針來表征·OH?！H先與二甲基亞砜(DMSO)反應，生成甲基自由基，而后甲基自由基被自旋標記熒光探針捕捉，形成強熒光產物，熒光強度的增量AF與反應生成的甲基自由基的量成正比，也與參加反應的·OH的量成正比。

2.5 其他方法

化學發(fā)光法(CL)是一種檢測·OH的靈敏、準確的方法，原理是發(fā)光劑被活性氧自由基氧化成激發(fā)態(tài)，當其返回基態(tài)時放出大量光子，從而對CL起放大作用。自由基產生越多，其發(fā)光值就越大，反之亦然，根據(jù)發(fā)光值大小可反映系統(tǒng)中·OH的量。陳秀武等人[32]用酵母擴增，化學發(fā)光法測定抗壞血酸-Cu2+-H2O2體系產生的·OH。體系中H2O2是·OH的前體，酵母是很好的發(fā)光底物，能有效地擴增化學發(fā)光。反應中·OH攻擊酵母，從酵母壁中獲取電子，同時伴隨化學發(fā)光。當體系中存在有機物，則生成的·OH進一步和有機物發(fā)生作用，使有機物分解，同時伴隨化學發(fā)光減弱。Hu等[33]也利用化學發(fā)光法找到了適用于空氣中ROx自由基(如HO·、HO2·、RO·和RO2·)的原位測定法。

電位滴定法是將電化學和氧化還原滴定結合起來的一種方法，該法利用試劑滴定，建立了一種測定·OH濃度的方法。儲金宇等[34]用自動電位滴定儀，建立了檢測·OH濃度的新方法，該法測定·OH濃度檢出限為5.5×10-6mol/L，相對標準偏差僅為0.19%，靈敏度1.7×104，可用于·OH濃度的精確檢測。此法終點判斷簡單、操作簡便、穩(wěn)定性好、測定快速，可作為高級氧化處理工藝中測定·OH濃度的新方法。

氣相色譜法是將加合物進行分離并利用氫離子檢測器進行檢測，通過測定峰面積來間接測定·OH數(shù)量的一種方法。趙寶洪等[35]用水楊酸作·OH捕獲劑，得到加成產物二羥基苯甲酸，后者再經衍生化，用氣相色譜法測定衍生化產物，從而間接測定·OH量。王炳娟等[36]用Fenton反應產生的·OH氧化二甲亞砜(DMSO)，生成的甲醛經2,4-二硝基苯肼(DNPH)衍生化并用四氯化碳萃取，所得產物(甲醛-DNPH)利用HP-5毛細管柱進行分離，氫火焰離子化檢測器檢測，通過測定甲醛-DNPH的峰面積可間接定量羥基自由基的產生量。

共振散射光譜法是一種簡便、靈敏的分析方法，已用于多種無機物及有機物的分析[37]。有研究表明，金、銀納米微粒存在共振散射效應，已用于共振散射光譜分析，并獲得了較好效果。梁愛惠等[37]以檸檬酸三鈉做還原劑，采用微波高壓法制備了銀納米微粒，純銀納米微粒的共振散射峰位于470nm處，并且該法用于篩選·OH清除劑，獲得了比較滿意的結果。

3 結語

從上述分析可知，近些年·OH檢測技術日趨成熟，國內外已建立了多種測定·OH的方法，但多數(shù)方法仍是間接測定法，而間接測定干擾大，對加合物反應性、穩(wěn)定性有極高的要求。目前的捕捉劑效率還不能達到足夠的準確度和精度。但同時，由于·OH高活潑性、低濃度、壽命短特點，即使進行直接測定，其干擾因素也很多，因此對于·OH檢測今后可在以下方向進行努力：

(1)尋求或研制一種新型捕捉劑，提高加合物穩(wěn)定性，并延長其常溫保存時間便于檢測。

(2)在加合反應中，應使·OH在短時間內與捕捉劑充分反應，提高捕獲效率。

(3)上述方法以間接法居多，今后研究應側重于直接法。并且，在檢測準確的基礎上，實現(xiàn)·OH的在線檢測是今后研究的方向。

(4)·OH是高效、快速、無二次污染的理想氧化劑，目前對其的應用多為處理有機廢水，今后的研究可將其應用到固體廢物處理及煙氣治理等方面。

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