MIL-88A光芬頓催化體系中羥基自由基的檢測

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

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

隨著工業化不斷發展，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、護理用品、有機染料、內分泌干擾物等，它們嚴重影響人類健康和生態環境，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域最為關注的焦點問題，由于它參與機體主要的生命代謝過程直接影響著生命活動的進行，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手段有效地去除水體中有害的物質，而高級氧化技術能有效降解污染物，主要利用氧化能力很強的羥基自由基(·OH)與有機及無機污染物發生反應，通過電子轉移、親電加成、脫氫等反應，將其降解為二氧化碳、水和其他無害物質，在污水處理、土壤修復、垃圾滲濾液處理等方面具有廣泛應用，因此在食品安全及環境領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，可與金屬有機骨架材料(MOF)結合進一步提高產生羥基自由基速度與數量[7]。MOF是一種有機和無機雜化的周期性網狀晶體，具有高比表面積、高孔隙率、孔徑尺寸可調等，其靈活的材料組成和空間結構在光芬頓降解污染物領域也有較好應用[8-10]。有研究利用MIL-53(Fe)在可見光條件下激活H2O2產生羥基自由基，能有效地降解有機染料[11]。為了研究MOF在生成·OH過程中的原理及降解環境污染物方面的影響，因此對其定量檢測具有重要意義。

目前，羥基自由基檢測方法較多，如電子自旋共振法[12]、高效液相色譜法[13]、化學發光法[14]、分光光度法[15-16]、自動電位滴定法[17]等。韓子晗[18]等在研究林蛙卵油抗氧化性時，采用分光光度法測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證生成，通過高效液相色譜確定體系產率。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分子間作用力與結構的變化。由此可見羥基自由基在多個領域具有應用，因此開展羥基自由基的檢測研究意義深遠。

本研究通過比較檢測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、穩定性及適用性等。對存在金屬有機骨架材料的光芬頓體系進行羥基自由基生成規律研究，探討H2O2濃度及光照對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 實驗部分

1.1 材料與試劑

對苯二甲酸(TA)，純度99%；2-羥基對苯二甲酸(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 儀器與設備

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

1.3 實驗原理

MIL-88A(Fe)光芬頓催化原理：在可見光照射下發生反應，反應機理[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)

羥基自由基測定：對苯二甲酸(無色晶體，可溶于堿性溶液)與羥基自由基(·OH)1∶1反應生成具有熒光性的穩定產物2-羥基對苯二甲酸；通過測定反應液中生成2-羥基對苯二甲酸的濃度可以計算出羥基自由基的濃度；通過測定不同時間反應液中對苯二甲酸的濃度，即可反應羥基自由基的濃度[11,22]。

1.4 實驗方法

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物，置于60℃干燥，得到MOF材料MIL-88A(Fe)[21]。

1.4.2反應液制備及光照實驗

準確移取40 mL的0.5 mmol/L對苯二甲酸(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，待達到吸附平衡后，加入不同體積的H2O2(使反應液中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(反應液距離光源22 cm)進行光反應每隔10 min, 取出2 mL反應液，加入異丙醇淬滅劑，混勻，用0.22 μm濾膜過濾，運用熒光分光光度計和液相色譜分析。

1.4.3檢測條件1.4.3.1熒光分光光度法

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

1.4.3.2高效液相色譜法

(1)對苯二甲酸分析方法

色譜柱：C18色譜柱(4.60 mm×250 mm，粒徑為5.0 μm)；柱溫30℃；進樣量1 μL；流速1.0 mL/min；檢測波長425 nm ；流動相 A(甲醇)：流動相 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℃；進樣量1 μL；流速1.0 mL/min；熒光檢測器的激發波長(λex)/發射波長(λem)： 315 nm/425 nm；流動相 A(甲醇)：流動相 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 結果與討論

2.1 反應液中光生羥基自由基檢測方法建立

2.1.1建立反應液中2-羥基對苯二甲酸的高效液相色譜法

通過流動相、洗脫比例優化等，建立了反應液中HOTP的測定方法。圖1是HOTP的標準曲線，其線性范圍為1～500 μg/L，相關系數r為0.9998，線性較好；分別添加2個濃度水平10 μg/L、50 μg/L，用于方法準確性的評估，實驗結果分別為10.20 μg/L、53.96 μg/L，依據HJ 168-2010中以相對誤差表示準確度，得到相對誤差分別為2.00%、7.92%，該方法準確度較好；以信噪比3∶1時，考察方法的檢出限為0.5 μg/L；以光照60 min時1.0 mL/L H2O2反應液中HOTP濃度來考察精密度，計算在重復性條件下2次獨立測定結果的絕對差值與算術平均值的比值，其結果為5.93%。圖2是測定本實驗反應液(1.0 mL/L H2O2)光照60 min時HOTP的液相色譜圖。

圖1 HOTP的標準曲線

圖2 HOTP的液相色譜圖

2.1.2建立反應液中對苯二甲酸的高效液相色譜法

通過流動相、洗脫比例優化等，建立了反應液中TA的測定方法，最終得到1.4.3.2中檢測TA的高效液相色譜方法。圖3是TA的標準曲線，其線性范圍為4～160 mg/L，相關系數r為0.9998，此方法線性較好；分別添加2個濃度水平8.0 mg/L、40 mg/L，用于方法準確性的評估，實驗結果分別為7.82 mg/L、42.72 mg/L，依據HJ 168-2010中以相對誤差表示準確度，得到相對誤差分別為-2.25%、6.80%，該方法準確度較好；以信噪比3∶1時，考察方法的檢出限為0.8 mg/L；以光照60 min時1.0 mL/L H2O2反應液中TA濃度來考察精密度，計算在重復性條件下2次獨立測定結果的絕對差值與算術平均值的比值，其結果為3.53%。圖4是測定本實驗反應液(1.0 mL/L H2O2)光照60 min時TA的液相色譜圖。

圖3 TA的標準曲線

圖4 TA的液相色譜圖

2.2 反應液中光生羥基自由基的測定

本實驗反應體系在光照射下MIL-88A催化H2O2產生羥基自由基與對苯二甲酸(TA)結合生成2-羥基對苯二甲酸(HOTP)，TA的消耗量和產生的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HOTP的影響

圖5是隨光照時間變化3種濃度H2O2反應體系中HOTP含量的變化，從圖中可知暗反應30min時反應體系沒有生成HOTP，表明無光照射下不能產生·OH，隨后立即打開光源開始生成·OH。3種體系在光反應開始至60 min產生的HOTP均逐漸增加，但60-270 min變化趨勢略有不同。當H2O2濃度為0.5 mL/L 時，HOTP濃度隨光照射時間的延長而逐漸增加，在150 min后趨于平穩；而濃度1.0 mL/L和1.5 mL/L時分別在光反應時間90 min和60 min達到最大值分別為3.93 mg/L、4.10 mg/L，隨后降低最終趨于穩定。在光反應0～60 min，1.5 mL/L產生的HOTP數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反應體系最高。

2.2.2MOF光芬頓體系對TA的影響

圖6顯示的是反應液中底物TA含量隨光照時間和H2O2濃度的變化趨勢。隨著反應時間延長TA含量逐漸減少，在光反應0～150 min內下降趨勢明顯，之后逐步平穩。但不同濃度H2O2反應體系消耗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 光照時間和H2O2濃度對生成2-羥基對苯二甲酸影的影響

圖6 光照時間和H2O2濃度對消耗對苯二甲酸的影響

2.2.3反應體系對·OH的影響

結合圖5和圖6的結果能更有效的得出TA作為底物的MOF光芬頓體系對·OH的影響。光反應開始至150 min時，HOTP生成量及TA消耗量不斷變化，共同表明產生·OH反應在不斷進行，而150 min后兩種物質含量保持穩定，該反應過程基本停止。由兩種圖得出前60min內，不同濃度H2O2體系中主要發生反應是·OH參與HOTP的生成，導致TA含量逐漸下降與HOTP生成量逐漸升高。但隨著反應的繼續60 min后只有0.5 mL/L的體系體現了TA消耗量、HOTP生成量與·OH含量之間的相關性，而1.0 mL/L和1.5 mL/L 的3種關系之間沒有一定的規律，造成H2O2濃度越高HOTP含量越少，這種現象是由于隨反應的進行自由基捕獲劑對苯二甲酸逐漸減少，H2O2濃度越高的體系中積累的·OH含量越多，過量的·OH與產物HOTP發生轉化或降解反應。有研究在探討電極生成·OH規律時，發現體系中產生越多的·OH會降解HOTP，該結果與本實驗一致[12]，除此之外隨著紫外光照射時間延長會減緩·OH生成速率，不斷增加的中間產物也會影響光催化進程，因此導致TA的含量沒有全部耗盡[24]。由此得出在MOF材料和光照時間催化下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比

熒光分光光度法和高效液相色譜法在檢測羥基自由基方面均有相關應用，因此通過對本實驗反應體系中HOTP的測定，探討兩種方法在此反應體系中的適用性。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是兩種方法測定反應液(1.0 mL/L H2O2)中HOTP含量的變化，由圖可知不同方式測定HOTP含量隨光照時間的延長而逐漸增加，表明生成·OH不斷與TA結合，相同光照時間測定反應液中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定羥基自由基時的靈敏度，發現分光法不能滿足微量檢測，而色譜法能精準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驗反應體系中·OH的檢測。

圖7 分子熒光法和高效液相色譜測定HOTP濃度

3 結論

針對本實驗反應體系比較了液相色譜法及熒光分光光度法檢測·OH靈敏性，并對實際樣品進行分析得出高效液相色譜法更適用于檢測·OH。建立了MOF反應體系中羥基自由基的高效液相色譜檢測方法，HOTP和TA檢出限分別為0.5 μg/L、0.8 mg/L。討論了HOTP和TA隨光照時間和H2O2濃度的變化趨勢，結合兩種物質數據分析得出MOF和光照能協同催化·OH不斷生成，但60 min后隨·OH濃度的升高會抑制生成物的產生及增強了HOTP的降解效應，H2O2濃度越大該效應越強。