循環(huán)化學發(fā)光快速區(qū)分醇類化合物

鐘燕輝 盧曉鈿 黃婉婷 張潤坤 李攻科

(中山大學化學學院， 廣州 510275)

循環(huán)化學發(fā)光快速區(qū)分醇類化合物

鐘燕輝 盧曉鈿 黃婉婷 張潤坤*李攻科*

(中山大學化學學院， 廣州 510275)

以納米氧化鎂為催化劑構建了循環(huán)化學發(fā)光(Cyclic chemiluminescence, CCL)系統(tǒng)，以醇類化合物為研究對象，研究了反應物濃度、反應溫度和檢測波長對CCL分析的影響。結果表明，CCL檢測信號滿足一級指數衰減規(guī)律，每個反應均對應一個描述其信號變化規(guī)律的指數方程，其初變量A與反應物濃度呈線性關系，衰減系數k是與反應物濃度無關的特征常數。以異丁醇為例，其A值與濃度在0.89～14.24 mg/L之間呈良好的線性關系，線性范圍內的k值平均值為32.0，RSD=2.2%，可根據k值進行定性分析，根據A值進行定量分析。采用此系統(tǒng)分析了8種醇類化合物，發(fā)現其k值存在顯著差異，如正丁醇、異丁醇、叔丁醇的k值分別為27.2±0.2、 32.0±0.8及19.5±0.1，據此提出了一種快速區(qū)分醇類同系物及結構異構體的新方法。

循環(huán)化學發(fā)光; 催化發(fā)光; 氧化鎂; 醇類

2017-06-16收稿；2017-09-07接受

本文系國家自然科學基金(Nos.21475153、21605163、21675178)和高校基本科研業(yè)務費青年教師培育項目(No. 31000-31610743)資助

* E-mail: zhangrk5@mail.sysu.edu.cn；cesgkl@mail.sysu.edu.cn

1 引 言

揮發(fā)性有機化合物(Volatile organic compounds，VOCs)廣泛存在于人們的生產生活中[1]，對人類健康構成了危害。人體長期暴露在有害VOCs中會引起多種疾病，甚至造成死亡[2,3]。此外，部分VOCs蒸氣與空氣混合會形成可爆炸混合氣體，遇到熱源或明火有燃燒爆炸的危險[4,5]。因此，建立快速靈敏檢測VOCs的方法對保護人類健康和安全具有重要意義。

VOCs種類繁多，且VOCs異構體的理化性質相似[6]，快速準確區(qū)分有機同系物和異構體面一直是分析化學研究的熱點和難點課題[7]。常用的VOCs分析方法，如氣相色譜法[8]、氣相色譜-質譜聯用法[9～11]等，使用的儀器較昂貴、操作復雜、運行費用高，在現場、在線快速區(qū)分VOCs的應用上受到限制。因此，簡單、快速、經濟的VOCs分析方法具有重要的實際應用價值。

催化發(fā)光(Cataluminescence，CTL)是分析物在催化劑表面發(fā)生反應時產生的化學發(fā)光(Chemiluminiscence, CL)現象[12]，CTL的發(fā)展極大擴展了CL的檢測對象。研究表明，氣體小分子、藥物、糖類、氨基酸、蛋白質甚至細胞均可在適合的催化劑表面產生CTL現象，從而進行檢測[13]。CTL具有靈敏度高、響應迅速、儀器設備簡單以及運行成本低等特點[14,15]，在快速檢測領域具有廣闊應用前景。CTL傳感器在測定過程中僅消耗樣品和空氣中的氧氣，傳感元件無消耗，因此具有很強的可逆響應性及長期穩(wěn)定性[16,17]，這為設計性能優(yōu)異的氣體傳感器提供了新的方法和原理。Wu等[18]采用納米TiO2研制了檢測乙醇和丙酮的傳感器; Deng等[19]采用Zn摻雜的SnO2復合催化劑作為傳感元件，設計了快速檢測六氟化硫的CTL傳感器; Tang等[20]研制了一種基于納米NaYF4催化劑的新型CTL氣體傳感器，此傳感器可用于酮類化合物的快速檢測; Luo等[21]在紙基材上采用Mn摻雜的SiO2納米材料作為傳感器元件，構建了快速檢測乙烯的CTL傳感器。但CTL同傳統(tǒng)化學發(fā)光法一樣存在定性能力差的問題。為此，本課題組提出了循環(huán)化學發(fā)光 (Cyclic chemiluminescence, CCL)的概念[22]，通過流路的設計，CCL系統(tǒng)的載流方向可實現自動化周期性的改變，使未反應的物質多次進入反應室，促使發(fā)光反應反復進行。與傳統(tǒng)的CL分析對比，CCL的突出優(yōu)點是可獲得更多與化學反應特征相關的檢測信號，從而實現分析物的快速定性和定量分析。

在工業(yè)合成[23]、天然產物分析[24]及制藥工業(yè)[25,26]等領域，需要對分離純化后得到的單組分物質進行鑒定，因此發(fā)展化合物的快速鑒定方法具有重要應用。CCL的發(fā)展為化合物的快速鑒定提供了新方法，有望與其它快速鑒定方法互補而應用于相關領域。本實驗研制了結構更加緊湊的CCL分析系統(tǒng)，并采用納米MgO為催化劑，建立了快速區(qū)分醇類同系物和結構異構體的新方法。

2 實驗部分

2.1儀器與試劑

BPCL微弱化學發(fā)光儀(中科院生物物理研究所); FAT200.8型空氣泵(成都新為誠科技有限公司); DH48S-2Z型時間繼電器(中國康泰電子技術有限公司); 電磁閥(美國Valco儀器有限公司); TDGC2調壓器(上海諧昌電壓設備制造有限公司); 陶瓷加熱片(珠海惠友電子有限公司)。

納米MgO (50 nm，99.9%，球形，上海阿拉丁生化科技股份有限公司); 甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、異丁醇購自天津大茂化學試劑廠; 正丁醇、正戊醇、異戊醇購自天津市福晨化學試劑廠; 仲丁醇購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。上述試劑均為分析純。實驗用水為去離子水。

2.2循環(huán)化學發(fā)光系統(tǒng)的構建

構建的CCL分析系統(tǒng)示意圖如圖1A所示，主要由反應室、檢測裝置和載流控制組件組成。

反應室：采用陶瓷加熱片(1 cm×1 cm, 5～40 V, 55 W)作基底和供熱元件。取0.1 g納米MgO，加入1 mL去離子水，攪拌成糊狀，再將糊狀物涂抹在陶瓷加熱片表面，高溫加熱使其燒結在陶瓷加熱片表面。加熱片導線與調壓器相連，通過施加不同的電壓控制其表面溫度，通過熱電偶測量加熱片表面溫度。加熱片置于石英流通池中組成發(fā)光反應室。反應室與光電倍增管(Photomultiplier, PMT)呈垂直放置。

檢測裝置：采用BPCL超微弱發(fā)光測量儀檢測和轉化光信號。發(fā)光儀采用PMT作為檢測器，PMT高壓設置為820 V，采樣間隔為0.5 s。采用干涉濾波片選擇檢測波長。

載流控制組件：由空氣泵、三通進樣閥(V1)、微電動六通電磁閥(V2)、繼電器及系統(tǒng)管道組成。采用聚四氟乙烯管(0.3 mm×0.2 mm)連接管路部件形成環(huán)形流路。V2閥的閥口3為常開狀態(tài)，閥口6用堵頭塞住，處于常閉狀態(tài)，閥口2和4與反應室兩端相連，閥口1和5為廢氣出口。當V2閥通電時，閥口3與2相連，而閥口4和5相連; 當V2閥斷電時，閥口3與4相連，而閥口2和1相連。采用時間繼電器控制V2閥通、斷電狀態(tài)，便可自動化周期性地改變系統(tǒng)載流方向，使載流按如圖1A所示的黑色或紫色箭頭所示方向流動。出現第一個峰信號后，系統(tǒng)載流方向按照設定的程序實現周期性的改變，不同階段的反應剩余物可反復進入反應室誘發(fā)第1，2，3……n階段的CL反應相繼進行，隨著反應時間延長，不同反應階段的CL信號被檢測記錄下來，得到如圖1B所示的CCL動力學曲線。

與本課題組前期設計的CCL系統(tǒng)[22]對比，本研究設計的CCL系統(tǒng)采用一個微電動六通閥代替3個三通電磁閥， 省略了兩個交流觸電器，使CCL系統(tǒng)更加緊湊，有利于其集成化和小型化，發(fā)展為現場在線的快檢裝置。

圖1 (A) 循環(huán)化學發(fā)光(CCL)分析系統(tǒng)示意圖; (B) CCL動力學曲線Fig.1 (A) Schematic diagram of cyclic chemiluminescence (CCL) analysis system; (B) kinetic curve of CCL

2.3數據分析方法

采用OriginPro 8.0模擬CCL信號變化規(guī)律的數學式，數據分析表明CCL信號滿足一級指數衰減規(guī)律，數據模擬所得的相關系數>0.99。描述CCL信號變化規(guī)律的指數方程(Exponential decay equation, EDE)可以表達為[22]：

其中，In為第n階段反應的CL強度;I0為背景噪音;A為初始量，其物理化學意義為最大CL強度;k為衰減系數，是衡量CL信號衰減速率的參數。k值越大, 表示CL信號衰減回背景值的速率越慢;k值越小，CL信號衰減回背景值的速率越快。t為校準時間，tP為CL動力學曲線上的峰時間，tmax為最大CL強度所對應的時間。采用校準時間的目的是以tmax為零參考點。

3 結果與討論

3.1CCL動力學曲線

在反應溫度為237℃，檢測波長為425 nm，載氣流速為450 mL/min條件下，采用所構建的CCL系統(tǒng)研究了異丁醇在納米MgO表面的發(fā)光反應，CCL動力學曲線如圖2A所示。CCL系統(tǒng)中獲得的發(fā)光動力學曲線上有一系列峰信號，隨著反應時間延長，CCL信號從最大值以指數形式衰減至背景值。數據分析表明可由方程(1)描述CCL信號變化規(guī)律。在不改變載流方向條件下，即傳統(tǒng)的CL分析方法所獲得的化學發(fā)光動力學曲線如圖2B所示，可見傳統(tǒng)方法所獲得的動力學曲線上只有1個峰值，這是因為其載流方向是單向流動的，樣品只進行單次檢測，獲取的信息量少。上述結果表明，CCL可以獲取更豐富的分析信息。

圖2 (A) CCL系統(tǒng)獲得的動力學曲線; (B)傳統(tǒng)CL系統(tǒng)獲得的動力學曲線Fig.2 Kinetic curve obtained by (A) CCL system and (B) traditional CL system

3.2檢測條件對CCL的影響

CCL信號變化規(guī)律可由方程(1)描述，而方程(1)主要由A和k決定，本研究選擇異丁醇在納米MgO表面的發(fā)光反應為模型，考察反應物濃度、反應溫度及檢測波長對A和k的影響。

表1 不同初始反應濃度的濃度異丁醇測定的k值

Table 1k-Values of different initial concentrations ofiso-butanol

c(mg/L)kRSD(%，n=3)0．8931．31．7832．73．5631．27．1232．610．6831．314．2432．32．2

3.2.1反應物濃度在反應溫度為237℃，檢測波長為425 nm，載氣流速為450 mL/min條件下研究不同濃度的異丁醇在納米MgO表面的發(fā)光反應，以考察反應物初始反應濃度對其CCL動力學曲線的影響，結果如圖3A所示。在一定范圍內，其最大化學發(fā)光強度(A)與反應物濃度成正比，線性回歸方程為A=1.16×103c-911(R2=0.9996)，其中，A為最大發(fā)光強度，c為異丁醇濃度，R2為相關系數，因此可根據A值進行定量分析; 而k值與異丁醇濃度無關。表1詳細列出不同初始反應濃度的異丁醇時測定的k值，平均值為32.0，相對標準偏差(Relative standard deviation, RSD)為2.2%，重現性良好，表明k=32.0可視為異丁醇的特征常數，可根據k值進行異丁醇的定性分析。

3.2.2反應溫度反應溫度對催化發(fā)光反應具有顯著影響，在檢測波長為425 nm，載氣流速為450 mL/min條件下研究反應溫度對CCL信號的影響，結果如圖3B所示?？梢夾值隨著反應溫度的升高而增大，當超過一定溫度時,A值隨著反應溫度的升高而減小。這可能是因為在較低反應溫度時，發(fā)光反應速率隨著溫度的升高而增大，但在較高的反應溫度下，分子間的碰撞速率會加劇，因而使發(fā)光信號淬滅。

圖3 (A) 異丁醇在納米MgO表面的A和k值與其初始反應濃度的關系; (B) 反應溫度對A、k和I0的影響; (C) 檢測波長對化學發(fā)光動力學曲線的影響。誤差棒由3次實驗結果所得Fig.3 (A) Relationship between A and k-values of iso-butanol on surface of nano-MgO and its initial reactant concentration; (B) Effect of reaction temperature on A, k and I0; (C) Effect of detection wavelength on chemiluminescence kinetics curve. The error bars were obtained from three repetitive experimental results

k值隨著反應溫度的升高而減小。這可能是在較高的反應溫度下，反應物及其產物的消耗速率增大，使得參與下一階段反應的反應物的量減少，致使發(fā)光信號的衰減速率變快，k值變小。此外，背景噪音I0隨著反應溫度的升高而增大，這也使得發(fā)光信號衰減回背景值的速率增大。上述結果表明，對于給定的反應體系，反應溫度對發(fā)光反應的影響可采用EDE加以描述。

3.2.3檢測波長在反應溫度為237℃，空氣載體的流速為450 mL/min條件下研究了檢測波長對CCL信號的影響，結果如圖3C所示。k值在一定波長范圍內是一個定值，而背景噪音I0和最大化學發(fā)光強度A值會隨檢測波長的不同發(fā)生變化。這是因為CL實質是自身發(fā)光，所以其檢測儀器只需提供一種可檢測光信號與記錄結果的方法即可，而選擇不同的檢測波長不會影響化學發(fā)光反應的歷程與速率，但會影響靈敏度。

3.3醇類化合物的鑒別

CL光譜通常是處于激發(fā)態(tài)的中間產物躍遷回較低能態(tài)時所發(fā)射的寬波段光電輻射，光譜較簡單，缺乏分析物的鑒定信息。而傳統(tǒng)的CL動力學曲線反映的是發(fā)光信號隨時間的變化趨勢，也缺乏鑒定分析物的信息。而CCL可獲得與發(fā)光反應相對應的特性EDE，在一定條件下，方程的k值是反應物的特征常數，因此可根據k值對分析物進行區(qū)分和定性鑒定[22]。醇是一類重要的有機化合物，其種類繁多，并且存在多種結構異構體，實現這些結構相似化合物的快速鑒別是具有挑戰(zhàn)性的研究課題[27,28]。

圖4 8種醇類化合物在納米MgO表面的CCL動力學曲線Fig.4 CCL kinetic curves of eight kinds of alcohols on surface of nano-MgO(A) Methol; (B) Ethanol; (C) n-Propanol; (D) iso-Propanol; (E) n-Butanol; (F) iso-Butanol; (G) sec-Butanol; (H) iso-Pentanol.

本研究選用8種不同的醇類化合物, 即甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、仲丁醇和異戊醇為研究對象，考察所構建的CCL分析系統(tǒng)對結構相似、性質相近化合物的區(qū)分和定性鑒定能力。不同醇類化合物的CCL動力學曲線如圖4所示，3次平行測定所得的k值結果如表2所示。這些醇類化合物理化性質相似，但其k值不同，根據k值可區(qū)分醇類同系物，如甲醇(k=36.3±1.1)、乙醇(k=22.5±0.4)、異戊醇(k=29.2±0.4); 此外，正丙醇(k=26.6±0.4)和異丙醇(k=17.8±0.1)，正丁醇(k=27.2±0.2)、仲丁醇(k=19.5±0.1)及異丁醇(k=32.0±0.8)，這些結構異構體的k值也存在顯著的差別。Speller等[29]設計了鑒定醇類的石英晶體微天平的傳感器陣列，這種傳感器陣列可以很好的鑒別醇類同系物如甲醇、乙醇、丙醇，但較難區(qū)分丙醇和丁醇的結構異構體，而本方法可快速準確地鑒別醇類的結構異構體。

表2 8種醇類化合物的k值結果

Table 2 Determination ofk-values for eight kinds of alcohols (n=3)

物質Compoundk值k?valueRSD(%，n=3)置信區(qū)間Confidenceinterval(P<0．05)甲醇Methanol36．31．236．3±1．1乙醇Ethanol22．50．822．5±0．4正丙醇n?Propanol26．60．726．6±0．4異丙醇iso?Propanol17．80．317．8±0．1正丁醇n?Butanol27．20．427．2±0．2異丁醇iso?Butanol32．00．932．0±0．8仲丁醇sec?Butanol19．50．619．5±0．1異戊醇iso?Pentanol29．20．929．2±0．4

4 結 論

建立了氣相CCL分析系統(tǒng)，研究了檢測條件對CCL動力學曲線的影響。結果表明，CCL信號滿足指數衰減規(guī)律，且每個CCL反應均有與之相對應的描述其信號變化規(guī)律的指數方程。根據指數方程的初變量A可進行定量分析，根據衰減系數k可對分析物進行定性分析。采用CCL對8種醇類化合物進行區(qū)分，結果表明CCL可快速區(qū)分醇類同系物及結構異構體，本方法在醇類化合物監(jiān)測及有機合成鑒定等領域具有一定的應用潛力。

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This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 21475153, 21605163, 21675178) and the Cultivation Project of Young Teacher in University (No. 31000-31610743)

RapidIdentificationofAlcoholCompoundsbyCyclicChemiluminescence

ZHONG Yan-Hui, LU Xiao-Tian, HUANG Wan-Ting, ZHANG Run-Kun*, LI Gong-Ke*
(SchoolofChemistry,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China)

Rapid discrimination of compounds with similar structures and properties is a hot topic in analytical chemistry. In this study, a cyclic chemiluminescence (CCL) system was designed by using nano-magnesium oxide as catalyst. The effects of reactant concentration, reaction temperature and detection wavelength on CCL analysis were studied. It was found that the CCL signal satisfied the first order exponential decay law. Each reaction had an exponential decay equation (EDE) describing its signal change law. The initial variable A was proportional to the reactant concentration. The decay-coefficientkwas a characteristic constant that was independent of the reactant concentration. For iso-butanol, it's A-values versus concentration was linear in 0.89-14.24 mg/L, the average ofk-value in this range was 32.0 with a RSD of 2.2%. Thus, qualitative and quantitative analysis could be conducted according to the A andkvalues. The system was used to analyze eight kinds of alcohol compounds, and it was found that there were significant differences in thek-values for different alcohols. For example, thek-values forn-butanol,iso-butanol and sec-butanol were 27.2±0.2, 32.0±0.8 and 19.5±0.1, respectively.

Cyclic chemiluminescence; Cataluminescence; Magnesium oxide; Alcohols

16 June 2017; accepted 7 September 2017)

10.11895/j.issn.0253-3820.171010