1 前言
随着经济的快速发展,环境污染问题越来越严峻, 传统水处理方法难以有效处理成分日益复杂的污水, 水处理新技术的研究与应用成为环保领域的重要研究课题。以臭氧氧化、光催化氧化、电化学氧化、超声技术、湿式氧化等为代表的高级氧化工艺(Advanced Oxi2 dation Process,AOP)处理污染物技术的形成,为我们提 供了处理水体中污染物的新思路。高级氧化工艺具有 反应速度快、处理完全、无公害、适用范围广等优点。 这一概念由Glaze等[ 1 ]于1987年提出,被定义为能够产生羟基自由基( ·OH)的氧化过程。目前水处理中能产生·OH的高级氧化技术主要有臭氧氧化、Fenton 均相催化氧化、湿式氧化、光催化氧化、电催化氧化、光电催化氧化、超声空化氧化[ 2 ]、高压脉冲放电等离子体技术[ 3, 4 ]等。
随着对其反应机理研究的深入,逐渐认识到反应过程中·OH的行为的重要性。·OH具有一个未成对电子,使其具有极强的氧化能力(2. 80V) ,仅次于氟(2.87V) ,并能引发诱导产生链反应,主要通过电子转移、亲电加成、脱氢反应等途径无选择性地与各种有机化合物直接作用并最终将其降解为CO2、H2O等无害物 质。由此,准确的·OH的检测特别是在线检测已被认为是此项研究的重要方面,也是目前各种高级氧化反应机理研究的难点之一。由于自由基是化学反应的中间体,大部分自由基寿命极短。在水相反应体系中的·OH的寿命仅大约10 - 9 s[ 5 ] ,直接对其进行检测受到仪器操作方面的限制很大,而且其存在依赖于特定的反应环境,因而关于自由基的行为方面,推测和间接证明的为多,直接测量的为少。
目前,对·OH检测只能使用捕捉剂捕获,通过检测加合物来间接测定其数量。这就要求底物或捕捉剂的捕捉效率高、与·OH反应迅速、产物稳定。检测方法主要有分光光度法、荧光光度法( FD) 、电子自旋捕集法( ESR ) 、高效液相色谱法(HPLC) 、化学发光法 (CL) 、电化学检测法( ECD)等。各种方法都有其优缺点,因此找到一种适宜的检测方法,对于水处理中各种参数的优化意义重大。
2 分光光度法
分光光度法是分子吸收光谱方法,是利用分子对外来辐射的吸收特性建立起来的,是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种方法[ 6 ]。由于· OH具有极强的氧化性,在水处理过程中改变了底物的结构、性质和颜色,从而可以改变待测液的光谱吸收,利用底物吸光度的改变,从而间接测定·OH的浓度。目前采用的底物或者捕获剂主要有溴邻苯三酚红 (BPR) 、中性红、邻二氮菲- Fe2 +、二甲亚砜(DMSO) 与坚牢蓝BB 组合、亚甲基蓝(MB ) 、孔雀石绿(MG) 等[ 7 ]。 谢云涛等[ 8 ]建立了以CO2 + - H2O2 - BPR - 硫脲研究·OH的新体系。研究发现在催化剂硫脲的参与下产生的·OH与加入的显色剂(溴邻苯三酚红, BPR)发生作用,使显色剂褪色。利用分光光度计测定BPR在553. 5nm处吸光度的变化,间接测定·OH的产生及·OH清除剂的清除作用。徐向荣等[ 9〗用DMSO捕集Fenton反应体系中的·OH,产生的甲基亚磺酸与坚牢蓝BB盐反应,生成的重氮化合物经甲苯:正丁醇(3: 1)混合物萃取后,用分光光度法在420nm处进行比色测 定,认为这种方法用来研究·OH的产生与清除准确可靠,有较好的重现性。王金刚等[ 10〗利用亚甲蓝(MB)被氧化后褪色的机理,使用Fenton试剂与亚甲蓝作用, 验证了体系中起氧化作用的是羟自由基,从而建立了亚甲蓝光度法检验羟自由基的方法。吴春笃等[ 11 ]利用孔雀石绿(MG)被氧化后吸光度降低的原理,建立一种 等离子体产生·OH的检测方法。·OH与孔雀石绿按照等摩尔比进行定向反应,所以反应中消耗掉的孔雀石绿的摩尔量与被捕获的·OH的量是相等的,根据·OH与孔雀石绿反应前后吸光度差值,可间接计算出·OH浓度。
2009年6月羟基自由基检测方法的研究进分光光度法具有灵敏度高,准确度较好,仪器价格低廉、操作方便等特点,因此易于被一般实验室所采用。但测定过程中的干扰因素较多,容易对测定的准确性和灵敏度造成影响。
3 荧光光度法( FD)
荧光光度法( fluorescence detection)是测定物质受到光照后本身所发射荧光的强度进行物质分析测定的一种方法[ 6 ] 。类似于分光光度法,荧光光度法也是利用·OH极强的氧化性,诱导底物发光或减弱底物发光强度,通过测量发光强度来测定·OH浓度。
目前采用的底物或者捕获剂主要分为两类,一类为荧光减弱型: Ce3 + 、苯基荧光酮、水杨基荧光酮、吖啶红等;另一类为荧光增强型:哌啶类氮氧自由基自旋标 记荧光探针、Hantzsch反应等。
方光荣等[ 12 ]发现以Fenton反应产生的·OH为实验对象,在酸性介质中,荧光峰在356nm,具有荧光的Ce3 +与该反应产生的·OH作用被氧化生成无荧光的
Ce4 + ,通过测定未反应的Ce3 +荧光强度间接测定羟自由基的浓度。任凤莲等[ 13 ]发现CO2 +与H2O2 反应生成·OH的产率比Fenton 试剂的高100倍以上。采用水杨基荧光酮- CO2 + - H2O2 荧光法测定·OH的新体系,激发波长和发射波长为510 nm和500 nm,测定体系在反应前后的荧光变化,可间接测定·OH的产生 量。这两种方法都是通过减弱底物的荧光度来间接检 测·OH的浓度。杨小峰等[ 14〗设计利用哌啶类氮氧 自由基自旋标记荧光探针I表征·OH,其产生为: ·OH先与二甲亚砜(DMSO)反应,定量生成甲基自由基, 然后甲基自由基被自旋标记荧光探针I捕捉,形成强荧光产物,荧光强度的增量ΔF与反应生成的甲基自由基的量成正比,也与参加反应的·OH的量成正比。这种方法是通过增强底物的荧光度来间接检测·OH的浓度。
荧光光度法具有仪器价格低廉、分析迅速,操作简单的特点,因此也易于被一般实验室所采用。但测定过程中的干扰因素较多,准确性较差和灵敏度不高,制约着此项技术检测·OH的发展。
4 自旋捕集- 电子自旋共振法(ESR)
电子自旋共振法( Electron Sp in Resonance)或电子顺磁共振法( Electron Paramagnetic Resonance)是1945年发展起来的,其主要研究对象为具有未成对电子的自由基和过渡金属离子及其化合物。而自旋捕集技术( sp in trapp ing)是20世纪60年代发展起来的,这一技术的建立,为自由基的ESR 检测技术开辟了新的途 径[ 15 ]。其原理是利用适当的自旋捕捉剂与活泼的短寿命自由基结合,生成相对稳定的自旋加合物,可以用电子自旋共振波谱法检测自旋加合物的数量,利用自旋加合物的数量来计算原来自由基的多少。
典型的自旋捕集剂是亚硝基化合物或氮氧化合物,主要包括: 5, 5 - 二甲基- 1 - 吡咯啉N - 氧化物 (DMPO) ,苯基叔丁基氮氧化合物( PBN)以及α - (1 - 氧基- 4 - 吡啶基- N - 叔丁基氮氧化合物) ( 4 - POBN)等,其中最常用的是5, 5 - 二甲基1 - 吡咯啉N - 氧化物(DMPO) 。DMPO作自由基捕获剂对自由基 结构变化相当敏感,可以提供自由基结构的详细信息。它与·OH产生的自旋加合物的ESR谱表现出特别容易识别的特征谱线。在溶液中容易形成的自我捕集产物二聚体自由基不会干扰实验结果[ 16 ]。丛建波等[ 17 ]采用低温方法保存由捕捉剂DMPO与·OH产生的自旋加合,通过对77K液氨保存不同时间后自由基自旋加合物ESR信号强度的对比,发现保存时间延长至3天时其ESR波谱的峰高和积分值都没有明显衰减,这给实验室没有ESR测定条件的研究者提供了用ESR测定短寿命自由基的途径,即选择合适的捕捉剂捕捉待测的自由基后立即置于液氨中保存,测定时取出解冻后马上进行。Pou等[ 18 ]用紫外线照射H2O2 产生·OH, ·OH与CH3CH2OH反应产生,再用自旋捕捉剂POBN捕获,用ESR测定自旋加合物。运用自旋捕集- ESR方法进行·OH的检测虽然简单有效,但是它的仪器成本较高,灵敏度很低,因为自旋加合物大都不稳定,其寿命仍然很短,只有几分钟或几十分钟,所以选择合适的自旋捕捉剂是应用自旋捕集- ESR技术的关键,必要时需自行设计合成自旋捕捉剂,而且必须在捕集自由基后立即进行ESR测量,所以其定量分析不很精确,限制了许多实验研究及工业应用。
5 高效液相色谱法(HPLC)
高效液相色谱法(High Performance L iquid Chroma2 tography)是在经典液相色谱法的基础上,随着现代科学技术的发展而发展起来的一种高效、高速、高灵敏度的现代分离方法。从原理上讲,只要能溶解在流动相中的物质都可以用高效液相色谱法来分离和分析[ 6〗。高效液相色谱的应用也是以羟基捕捉剂将活泼的·OH转化为较稳定的形式为前提的。一般的·OH捕捉剂是安息香酸/水杨酸( SA) 、苯 二甲酸、二甲亚砜(DMSO)等。
吴建林[ 19 ]等在体系pH为3. 2 的条件下,以水杨酸为捕获剂,用高效液相色谱法检测水杨酸与·OH反 应的生成物2, 5 - 二羟基苯甲酸( 2, 5 - dHBA)和2, 3 - 二羟基苯甲酸(2, 3 - dHBA)及少量的儿茶酚,间接验证了辉光放电等离子体中·OH的存在。另外,近来二甲基亚砜(DMSO)作为捕捉剂也引起了人们的关注。·OH与二甲基亚砜反应生成甲磺酸,可以通过HPLC来测定其含量,从而推测·OH的含量。Fukui[ 20 ]等用DMSO捕获·OH生成甲基亚磺酸, 再同坚牢黄GC盐 反应生成2 - 氯苯重氮甲砜。用乙酸乙酯萃取后, Cap2 cell - Pak NH2柱, 乙醇- 正己烷( 3: 100)作流动相分离,在波长285nm下检测。该法适用于Fenton反应和次黄嘌呤- 黄嘌呤氧化酶系统中产生的·OH的测定。此外,以DMSO为捕捉剂的检测方法还可以通过分光光度计来测量生成的量,所以该种方法还有一定的应用前景。
总体上来讲,这种方法具有测量方便,高效,灵敏度高,检测限可达10 - 9～10 - 11g等优点,可以作为Fenton试剂氧化反应的·OH测定方法。但是,又因为它需要昂贵的设备并且反应过程比较复杂,有很多的中间产物与支线产物,所以在自由基的准确定量检测上,仍显不足。
6 化学发光法(CL)
化学发光法( chemoluminescence analysis)是根据化学发光反应在某一时刻的发光强度或反应的发光总量来确定反应中相应组分含量的分析方法[ 21]。产生化学发光的体系比较多,其中鲁米诺、光泽精和酵母作为发光体系比较常用。化学发光法已经广泛应用于生物系统内的自由基和活泼代谢物的检测。近几年,人们通过偶合段,将化学发光分析法用于水处理中·OH的测定。化学发光法的发光光强可以利用鲁米诺(氨基苯二酰一肼)来大大加强[ 22 ]。·OH可直接氧化鲁米诺产生化学发光, 这是化学发光法测定·OH的原理[ 23 ]。孙涛等[ 24 ]采用流动注射化学发光法检测有亚铁离子催化的Fenton体系产生的·OH,并以鲁米诺为发光增效剂。考察反应物和鲁米诺的浓度对化学发光强度、稳定性以及重现性的影响, 得到检测·OH 的条件。Yildiz等[ 25 ]利用亚铁离子诱导鲁米诺发光的方法来检测自由基,确定其消耗量,而且可以做到发光信号的连续检测。钌( Ⅱ) - 联吡啶和钌( Ⅱ) - 邻菲咯啉是两种常用电致化学发光试剂,同时也是很好的化学发光试剂,将其用于Fenton反应中的·OH测定[ 26 ] ,此法可取得较好的实验结果。徐向荣等[ 27 ]以酵母为发光底物〗确定了测定Fenton反应中产生的·OH的化学发光法。该方法已用于模拟染料废水处理中·OH的测定。
化学发光法检测的精度可以利用结合其他检测方法,例如与高效液相色谱(HPLC)联用的方法来提高。总体来看,化学发光法与自旋捕捉- 电子自旋共振发法( ESR) 、高效液相色谱法(HPLC)相比,具有廉价、灵敏度高、反应快速等优点。目前已经成功应用到医学检测(特别是活体检测)领域中。相信随着研究的进一步开展,也会在环境检测领域有所应用,从而为水处理中·OH的检测提供了一条途径。
7 电化学检测法( ECD)
电化学检测法( electrochemical detection)是根据电化学原理和物质的电化学性质,通过测量电信号(电流、电压、电阻等)的强度或变化,对被测组分进行定性定量分析的检测方法[ 21 ] 。在·OH的检测中,主要是用电化学仪器获得加合物的极谱图,通过峰电流变化间接测定其浓度。
目前作为电化学检测方法的捕捉剂主要有二甲基亚砜(DMSO) +乙酰丙酮+氨、DMSO +乙酰丙酮+盐 酸肼,脱氧核糖等。邰超等[ 28 ]报道了用Fenton反应产生的·OH氧化DMSO生成甲醛, 再与乙酰丙酮、氨发生反应,根据反应产物的峰电流变化利用ECD法间接检测·OH,并用此方法测定了数种清除剂与·OH反应速率常数和清 除·OH的半抑制浓度( IC50)值,该方法简便可靠。袁倬斌等[ 29 ]利用脱氧核糖与在Fenton反应中产生的·OH作用,在酸性条件下经过降解生成丙二醛,丙二醛再与甲醛、氨相互作用,生成具有电化学活性的产物3, 5 - 二甲酰- 1, 4 - 二氢吡啶,通过用电化学分析法检测产物3, 5 - 二甲酰- 1, 4 - 二氢吡啶的形成和变化,可得到丙二醛的产生量和变化,进而推断出·OH的量及变化。储金宇等[ 30 ]利用自动电位滴定仪, 建立了一套电化学分析和氧化还原法联合检测·OH的新方法。
该方法终点判断简单、操作简便、稳定性好、测定快速。程宏英等[ 31 ]采用毛细管电泳(CE)与电化学分析法相 结合的方法,以对羟基苯甲酸为自由基捕捉剂,测定硫酸铜- 维生素C反应体系中的·OH。通过对实验参数的调整,得到最优的检测条件。电化学检测法具有仪器简单、实用、测定快速等优点,但其抗干扰能力不强,常与化学发光法、毛细管电泳法联合使用。
8 其他方法
除了上述各种方法外,还有气相色谱法[ 32 ]、激光诱导荧光成像法(L IF imaging)等[ 33 ]。激光诱导荧光成像法是目前惟一的·OH直接检测方法,它是利用激光照射·OH使其发出特征荧光,用特殊相机记录荧光密度,从而测算被测分子基团浓度。
9 结论与展望
高级氧化技术已经成为水处理中一个重要的方法,对于其机理的研究成为其发展的关键。而·OH的定量、在线、准确检测是研究高级氧化反应机理的重要
2009年6月羟基自由基检测方法的研究进手段与工具。以上所述各种检测方法多以检测Fenton试剂氧化反应的·OH,具有一定的局限性,需要对其进行拓展,以检测其他高级氧化法中的·OH,而且有些捕集反应过程反应步骤较多,产物较复杂,因此无论是直接测定方法还是间接测定方法,在实验中都需要特别注意其定性或定量的可靠性与准确性。目前,将不同的检测方法相结合来提高分析效果的方法是普遍看好的分析手段之一。新方法必须具备灵敏度高,准确度好,仪器价格低廉、操作方便、捕捉剂易于制取,抗干扰能力强等特点。相信随着对这一领域研究的不断深入,还会有更多更先进的高效廉价的方法来完善这一检测技术。
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