2,4-二氯苯氧基乙酸的光轉化化學發光機理研究

    摘要 實驗發現，2,4-二氯苯氧基乙酸（2,4-D）經紫外光轉化后與KMnO4在H�2SO4介質中反應可產生化學發光。采用液相色譜-質譜聯用技術（LC-MS）對2,4-D光降解產物進行分析，推斷光降解主要生成了多酚類降解產物，如2-氯對苯二酚（CHQ）和4-氯鄰苯二酚等。化學發光光譜研究發現，2,4-D經紫外光轉化后，與�KMnO4反應的發光波長為690 nm，與2,4-D的典型降解產物CHQ的化學發光光譜一致。此發光現象是氧化還原過程中生成的Mn�吸收反應所釋放出的化學能成為激發態，再返回基態時產生的特征輻射峰。該反應體系可用于2,4-D的檢測，當2,4-D濃度在0.01～10 mg/L范圍內與發光強度呈良好的線性關系; 檢出限為3.0g/L。
　　關鍵詞 光轉化化學發光；2,4-二氯苯氧基乙酸 （2,4-D）；光降解；化學發光光譜
　　 2011-06-22收稿；2011-11-11接受
　　本文系國家自然科學基金（No.20977042, 30971689）資助項目
　　* E-mail: qsong@jiangnan.省略
　　1 引 言
　　光轉化化學發光是近年來非常活躍的研究領域，該方法能夠將很多非發光或弱發光物質轉化為強發光物質，可顯著提高化學發光檢測的靈敏度， 并拓展了化學發光檢測的應用范圍。光轉化化學發光一般有兩種方式，一種是在光敏劑存在下的可見光轉化[1,2]； 另一種是直接紫外光降解轉化。由于光敏劑的加入使體系復雜化，而直接紫外光轉化因其過程簡單，而得到更多關注。
　　基于KMnO4氧化作用的化學發光分析法已多有報道[3～6]，但是多數有機農藥直接與KMnO4只能產生弱的化學發光或者不發光，而通過光轉化后則會產生強的化學發光，因而這種方法已用于多種農藥的檢測[7～11]。但對相應的發光機理的研究尚未見報道。因此，目前尚不清楚是何種降解產物與KMnO4產生了強烈的化學發光反應。本實驗研究了2,4-D經紫外光轉化后與KMnO4的化學發光反應，并對光降解過程及化學發光機理進行了探討。
　　2 實驗部分
　　2.1 儀器與試劑
　　化學發光檢測在自組裝儀器上完成；發光信號由R375型光電倍增管（PMT）檢測，實驗數據由光子計數單元（C3866）采集，計數卡（M8784）數據處理系統記錄并在軟件（M8784）顯示對應光電子數；光電倍增管負高壓設為
　　�Symbolm@@ 1200 V，光電倍增管密閉系統用冷卻器（C4877）冷卻至
　　�Symbolm@@ 30 ℃（ 以上設備均為日本濱松公司提供）；系列干涉濾光片（中國科學院生物物理研究所） 的波長范圍400～865 nm，波長間隔為�20～30 nm；高效液相色譜儀和ZMIM000型質譜儀（美國Waters公司）；15 W紫外燈（λ��max＝254 nm，天津瑞森特公司）；RF-5301熒光分光光度計（日本島津公司）。
　　2,4-D和CHQ標準品（德國Labor Dr. Ehrenstorfer-Sch�fers公司）；其它常規試劑均購自國藥集團化學試劑有限公司。所用試劑除特別說明外均為分析純，實驗用水為高純去離子水。
　　2.2 實驗方法
　　2.2.1 化學發光實驗 流動注射化學發光實驗裝置如圖l所示。流通池（內徑為1 mm，外徑為2 mm的石英玻璃管纏繞成的直徑為2 cm的圓盤）直接放置在光電倍增管光窗前進行發光檢測。在線光降解在纏繞于燈管上的聚四氟乙烯管（1.2 m×0.9 mm i.d.）中完成。樣品經預定時間的光解后與KMnO4在三通管混合進入流通池，產生的化學發光由光電倍增管檢測，強度以光電子數記錄。化學發光光譜是將濾光片置于流通池和檢測窗口之間，測定不同波長下發光強度，經透光率校準后得到。
　　2.2.2 2,4-D光降解產物的LC-MS分析 將含有2,4-D溶液的培養皿置于紫外燈下光照，并在預定時間（0，10，20，30，45和60 min）取樣測定。進樣量為�1
　　�SymbolmA@ L，流動相為甲醇（A）與0.1%甲酸（B）的混合液，梯度洗脫條件：0～0.1 min,10%A； 圖1 流動注射化學發光測定2,4-D流路圖
　　Fig．1 Manifold of FI-CL determination of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid （2,4-D）
　　A. 2,4-D溶液（2,4-D solution）；B. 載液（Carrier）；C. 酸性KMnO4溶液（Acidic KMnO4 solution）；P. 蠕動泵（Peristaltic pump）；V. 六通閥（Six-way valve）；FC. 流通池（Flow cell）；PMT. 光電倍增管（Photomultiplier tube）；W. 廢液（Waste）；PC. 計算機（Computer）。0.1～10 min，10%～100% A；10～12 min，100% A；12～12.1 min，100%～10% A；12.1～15 min, 10% A。流動相以0.3 mL/min的流速載著樣品通過BEH C��18色譜柱（100 mm×�2.1 mm，1.7
　　�SymbolmA@ m）分離，柱溫45 ℃，分離后的樣品以電噴霧（ESI）負離子方式碰撞生成特征分子離子（毛細管電壓: 3.0 kV；錐孔電壓:20 V；離子源溫度:100 ℃；脫溶劑溫度: 250 ℃；光電倍增管電壓:650 V；分子質量范圍: m/z 50～1000；碰撞能: 6.0 eV）。
　　3 結果與討論
　　3.1 化學發光體系條件優化和分析特性
　　固定2,4-D濃度，對光照時間、KMnO4濃度和反應介質等影響因素進行優化。隨著光照時間增加，發光逐漸增大，但背景發光也會增大。綜合考慮分析速度,本研究選擇光照2 min作為實驗條件。載液流速會顯著影響化學發光的強度，在2.4～9.8 mL/min范圍內,隨著流速的增加，化學發光信號逐漸增強；當泵流速達到7.4 mL/min時，化學發光信號趨于穩定。考察了4種不同介質H�2SO4，H�6P4O��13，HNO��3和HClO4對發光的影響。實驗表明，隨著酸濃度的增大，發光強度增加，其中以H�2SO4為介質時相對發光強度最大，信號穩定。如圖2a所示， 當H�2SO4濃度達到2.0 mol/L后，化學發光不再明顯增加，故選擇�2.0 mol/L H�2SO4作為反應介質。進一步考察了�KMnO4濃度的影響，結果如圖2b所示。當KMnO4濃度升高到8.0×10
　　�Symbolm@@ 5 mol/L時，發光達到最大。濃度繼續升高時，溶液吸光程度增加，反而導致發光強度下降。在上述條件下，2,4-D濃度在0.01～10 mg/L范圍內與發光強度呈良好的線性關系，工作曲線的回歸方程為I＝3×10.8C＋25.83（I為發光強度，C為2,4-D濃度），R.2＝0.9987。對1.0 mg/L 2,4-D連續11次平行測定的相對標準偏差為3.6%，方法的檢出限為�3.0

　　�SymbolmA@ g/L（S/N＝3）。
　　Fig．2 Effect of （a） H�2SO4 and （b） KMnO4 concentration on CL intensity
　　3.2 2,4-D光降解機理
　　光反應在水溶液中主要途徑有3種：光致電離、芳鹵鍵均裂和芳鹵鍵異裂[12]。通過LC-MS鑒定發現，2,4-D光降解的初始產物為2-氯-4-羥基苯氧乙酸以及2,4-二氯酚[13～15]。紫外光照射下產生的•OH反應活性強，可以使通常難以實現的反應在比較溫和的條件下進行。•OH主要進攻苯環對位上的Cl生成2-氯-4-羥基苯氧基乙酸，同時也伴隨著•OH取代-OCH2COOH生成2,4-二氯酚。這些初始產物再進一步羥基化發生脫氯和芳環的開裂生成各種脂肪酸， 最終分解為CO�2[16,17]。隨著光照時間延長，生成的多酚類產物增多，質譜解析得到的降解產物如表1所示。
　　進一步研究了降解產物相對含量隨光照時間的變化（圖3），確定了各種產物的生成順序。結合文獻及質譜分析結果，推測2,4-D的光降解機理如圖解1所示。
　　Fig．3 Effect of photo reaction time on peak area of the main photo-degradation products （Initial concentration of �2,4-D is 0.1 g/L）
　　A. 4-羥基-2-氯苯氧乙酸（2-Chloro-4-hydroxyphenoxyacetic acid）; B. 2,4-二氯苯酚（2,4-Dichlorophenol）; C. 氯氫醌（Chlorohydroquinone）; D. 4-氯鄰苯二酚（4-Chlorocatechol）; E. 2-氯-1,4-苯醌（2-Chloro-1,4-benzoquinone）。
　　Scheme 1 Photodegradation mechanism of 2,4-D
　　3.3 2,4-D的化學發光機理
　　實驗發現，最初樣品的發光強度隨光照時間增加而增大，30 min達到最大。光照45與�30 min的發光值幾乎相同，但是光照60 min后發光值卻明顯下降，推斷是由于前期生成的多 圖4 （a）10 mg/L Vc；（b）10 mg/L 2,4-D（光照30 min）；（c）1.0 mg/L CHQ與KMnO4反應的化學發光光譜
　　Fig．4 Chemiluminescence spectra obtained from the reactions of KMnO4 with （a） 10 mg/L ascorbic acid; （b） 10 mg/L 2,4-D （after 30 min UV irriadiation） and （c） 10 mg/L chlorohydroquinone （CHQ）
　　酚類物質進一步光降解而減少。樣品放置24 h后，發光強度沒有顯著變化，說明生成的產物比較穩定。結合圖3中各降解產物的峰面積變化曲線，CHQ的曲線變化能夠很好地解釋發光強度的變化。實驗發現，CHQ直接與KMnO4反應即可產生強的化學發光，說明CHQ為主要發光反應物。此外，光解生成的其它多酚類降解產物也可能直接與KMnO4反應， 產生化學發光，這些產物的酚羥基易被KMnO4氧化成醌類化合物[18]。
　　根據光譜特性推斷發光機理是化學發光研究的常用手段之一。圖4是經光轉化后2,4-D的化學發光光譜，最大化學發光波長為690 nm。另外，在740 nm有一個肩峰， 作為對照，測定了CHQ，Vc直接和KMnO4反應的化學發光光譜，可以看出，3個反應的光譜基本一致。據此推測3種物質與KMnO4化學發光反應具有相同的發光體。
　　為進一步確定發光體，分別測定了2,4-D及其降解30 min后溶液的熒光光譜，發現最大發射波長分別在354和446 nm，與化學發光最大發射波長并不相同。因此，反應物或產物的能量轉移機理被排除。試樣用氮氣除氧后, 化學發光強度沒有明顯改變，說明溶解氧與本體系化學發光無關。KMnO4發光體系的發光體與Mn�有關[19,20]。Bamett等報道了KMnO4氧化連二亞硫酸鈉、亞硫酸鈉和四氫硼酸鈉的化學發光光譜，最大發光波長均位于（689±5） nm和（734±5） nm,與低溫下測得的Mn�的磷光光譜（λ��max＝（�688±5） nm，λ��max＝（�730±5） nm）基本一致[20]。據此認為690 nm處的發光與激發態的Mn�有關。結合實驗結果，推測KMnO4與2,4-D光轉化化學發光的機理如下：
　　2,4-DhvCHQ＋Other Products
　　MnO.
　　�Symbolm@@ 4＋CHQ＋H.＋Mn�.�＋（CHQ）��OX＋H�2O
　　Mn�.�Mn�＋hv（λ��max＝690 nm）
　　3.4 樣品分析
　　稱取3種當地市售的葉菜樣品（各約10 g）于燒杯中，分別加入100 mL水浸泡0.5 h，超聲處理�5 min， 取上層清液測定原始樣品的殘留量。另外取3份樣品進行加標回收實驗，即將濃度為0.1 mg/L �2,4-D噴灑于葉菜表面，晾干后, 用相同的步驟提取殘留物進行測定，結果見表2。
　　 研究結果表明，通過LC-MS對2,4-D光降解產物分析和化學發光光譜測定，推斷主要是光降解生成的多酚類降解產物CHQ和4-氯鄰苯二酚與KMnO4反應產生最大化學發光波長為690 nm的光輻射。實驗排除了反應物或反應產物的能量轉移機理和單線態氧機理，初步確定產生化學發光的發光體為激發態的Mn�，690 nm的發光是激發態Mn�回到基態時產生的特征峰。
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　　Mechanistic Study of Photoinduced Chemiluminescence
　　for 2,4-Dichlorophenoxyacetic Acid
　　LU Xiao-Mu, RAN Guo-Xia, WU Hai-Yan, SONG Qi-Jun.*
　　（School of Chemical and Material Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）
　　Abstract After irradiation by low pressure mercury lamp, the photoproducts of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid （2,4-D） could react with KMnO4 to produce strong chemiluminescence （CL） in sulfuric acid medium. Liquid chromatography-mass spectrometric （LC-MS） analysis of photoproducts reveals that polyphenol products such as chlorohydroquinone（CHQ） and 4-chlorocatechol are produced in the photo reaction. These products can be ily oxidized by KMnO4 to produce light emission with a maximum wavelength at 690 nm. The photoinduced CL spectrum of 2,4-D is in od accordance with that obtained from the typical degradation product CHQ. A CL mechanism related to Mn� was �proposed to elucidate the light emmision process. An excited state Mn � is formed in the oxidation �reaction, which gives off the extra energy in form of red light when it returns to the ground state. The photoinduced CL reaction can be used for the detection of 2,4-D. Under the optimized reaction conditions, the CL-emission responses linearly to 2,4-D in the range of 0.01－10 mg/L with a limit of detection as low as 3.0 mg/L.
　　Keywords Photoinduced chemiluminescence; 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid （2,4-D）; Photodegradation; Chemiluminescence spectrum