高压汞灯光照下产生氢氧自由基的研究

高压汞灯光照下产生氢氧自由基的研究

氢氧自由基的研究引起了人们的注意。氢氧自由基的高生命力可以促进一些难分解的有机分解，或缩短分解过程。此外，氢氧自由基与生命器官的许多活动有关。很多物质或物质配合后的光化学反应能产生氢氧自由基。铜离子在环境中是常见元素，P.R.等报道了水中溶解铜的浓度为4～560μg/L。在天然水体中，铜能够与羧酸类物质和腐殖酸形成配合物，也可以同藻形成表面配合物，Gonzalez-davila等研究了杜氏藻表面及其分泌物键合铜的行为。G.Maihot等研究了水溶液中铜与羧酸类物质的配合物的光化学转化。铜离子的存在对于天然水体中氢氧自由基的生成量可能有影响，KojUchida等报道了铜离子与抗坏血酸组成的系统能生成氢氧自由基，但是其中没有涉及此系统在光照条件下的氢氧自由基的产生情况。JanSykora阐述了铜-配合物在光反应中可能生成活性氧的情况，其中并没肯定氢氧自由基的生成。我们用探针捕获方式测定了光照条件下水溶液中铜离子存在时以及铜离子与其它几种物质配合存在时的氢氧自由基的产生情况。1实验部分1.1水生动物培养CuSO4·5H2O,抗坏血酸，柠檬酸钠，普通小球藻（Chlorellavulgaris），水生四号（HB-4）培养基，乙腈（色谱纯），所用蒸馏水为二次蒸馏水。1.2色谱柱及色谱柱高效液相色谱仪（YSB-2平流泵，Waters481型紫外分光光度计检测器，SUPELCO516C-18色谱柱），250W高压汞灯(λmax≥365nm)。HGP300型恒温光照培养箱（中国科学院武汉科学仪器厂），LD5-2A型离心机（北京医用离心机厂），8mL石英试管（长7cm直径1.5cm，厚1mm）,TES1332型数位式照度计，自制同心圆式光反应支架。1.3测试方法1.3.1接种及培养藻普通小球藻藻种由中国科学院武汉水生生物研究所购得，用水生四号（HB-4）培养基进行培养，无菌条件下进行接种，放入恒温光照培养箱，24h/d光照，光强2000lx，培养温度25℃。当藻处于对数生长期及藻浓度较大时，取出清洗作为实验用藻。将藻移入离心管中离心分离倒出培养液后用二次蒸馏水离心清洗三次。在显微镜下用血球计数板数藻细胞个数，处理好的藻用于配制反应液。1.3.2上清液分析光源为250W高压汞灯，光强为31000lx，光反应器为石英试管，反应液分装于石英试管内置于光反应架上，反应液中加有苯，浓度为0.005mol/L,4h后取出，对于含藻的反应液须对试样进行离心（4000r/min,20min），对其上清液进行分析。配制不同系统及不同浓度样品研究其中的影响因素，并做暗反应对照。1.3.3苯酚生成量与氢氧自由基用量的确定采用hplc以苯作为捕获剂，氢氧自由基可被高浓度的苯捕获，苯与氢氧自由基反应具有较好的选择性，苯不与O2(1△g）发生反应。苯由于直接光解或被过氧化氢、O2(1△g）及其他氧化剂氧化而消耗的速率相对于苯被氢氧自由基氧化成苯酚的速率是很慢的。实验表明，4h高压汞灯光照下，蒸馏水中0.005mol/L苯直接光解未有损失，且未见有苯酚生成。基于本实验中苯的高浓度以及苯与氢氧自由基的强反应，认为反应系统产生的所有氢氧自由基全被苯捕获。本实验用液相色谱法（HPLC）测定苯酚，苯酚的生成量视为氢氧自由基的生成量。HPLC的主要测定条件为：270nm检测波长，40%乙腈流动相,流速为0.8mL/min。本条件下HPLC检出限为0.3μmol/L，苯酚HPLC测定的标准曲线方程为C=0.61909+0.000630983×A,r=0.99993，根据峰面积A与浓度C关系进行定量计算。每次做样品分析时，也对标准进行测定。2结果与讨论2.1ph值对氢氧自由基产生量的影响配制不同浓度的铜离子和抗坏血酸混合溶液在室内自然光（光强1500～1700lx，室温11℃）和高压汞灯光照下反应，光照时间为4g，如表1，表2所示。实验结果表明，铜离子和抗坏血酸混合溶液在高压汞灯光照及自然光照下均有氢氧自由基产生，但在高压汞灯光照条件下产生量大幅度增加，本实验中最高可达40.81μmol/L，而同样浓度条件下无汞灯光照时所产自由基量为6.93μmol/L，另外随着抗坏血酸浓度的增加，氢氧自由基的产生量增加。但当铜离子浓度增加时的情况却并非如此，在铜离子浓度为5mg/L和7.5mg/L时，氢氧自由基的产生量比其两端邻近的铜离子浓度下产生量大，这可能由于铜离子主要起的是催化作用，当铜离子浓度从低浓度上升时其催化作用增强，超过一定浓度后其强化作用不再占优势，铜离子浓度再增加时可能会起反催化作用，或者铜离子促使苯酚分解。单独铜离子溶液光照时也有类似现象。单独铜离子溶液中加入苯光照4h后检出的苯酚量见表2，铜离子浓度为2.5mg/L时氢氧自由基产生量为1.12μmol/L，当铜离子浓度为15mg/L时氢氧自由基产生量为1.09μmol/L，在铜离子浓度为7.5mg/L和10mg/L时的氢氧自由基产生量大于左右的邻近浓度，反应系统对应的暗反应4h后没有苯酚检出。单独抗坏血酸溶液中加入苯光照4h后检出的苯酚量见表1，结果表明，单独抗坏血酸溶液中氢氧自由基的产生量随抗坏血酸浓度的增加而增加，反应系统对应的暗反应4h后没有苯酚检出。本次实验中也测定了在铜离子浓度为2.5mg/L，抗坏血酸浓度为5mg/L时，不同pH值条件下氢氧自由基的产生量（见表3）,室内自然光照4h后氢氧自由基的产生量范围为2.2～3.27μmol/L，而高压汞灯光照4h后氢氧自由基产生量为10.99～13.19μmol/L。酸性条件有利于自由基的产生，但在pH值为5～7时，pH值影响不大，反应所产生自由基量相近。2.2柠不同酸钠溶液对氢氧自由基的影响配制不同浓度的铜离子与柠檬酸钠混合溶液在高压汞灯下照射4h能产生氢氧自由基，结果如表4所示。氢氧自由基的产生随柠檬酸钠溶液浓度的增加而增加。反应系统对应的暗反应中没见自由基生成。2.3铜离子催化作用配制不同浓度的铜离子与小球藻混合溶液分装于石英试管在高压汞灯下照射4h产生氢氧自由基的量如表5,6所示。结果表明在铜离子浓度低时（如铜离子浓度为2.5mg/L和5mg/L时）铜离子能使藻液光致产生的氢氧自由基量成倍增加，在铜离子浓度继续增大后（如铜离子浓度为10mg/L和15mg/L时），铜离子的催化作用减弱。此系统中铜离子可能与藻配合或与藻分泌物及藻死后所产酸类物质配合而促使自由基生成。以上各藻液反应系统对应的暗反应中没有自由基生成。3高压汞灯光照条件稳定性机理(1）铜与抗坏血酸混合液在高压汞灯光照下产生的氢氧自由基量比室内自然光下产生的氢氧自由基量要大很多，高压汞灯光照时所产生的自由基量为不光照时的六到七倍。高压汞灯光照条件增强了铜与抗坏血酸反应产生氢氧自由