光催化反应产生羟基自由基的实时动态检测系统

摘要

本发明公开了一种光催化反应产生羟基自由基的实时动态检测系统。所述实时动态检测系统包括激发光源、光催化剂和羟基捕获探针盛放容器、至少一个氧化剂盛放容器、检测池、光电倍增管和信号分析器主机；所述光催化剂和羟基捕获探针盛放容器和所述氧化剂盛放容器均与所述检测池相连通；所述光电倍增管用于将所述检测池中产生的光信号转换成电信号；所述光电倍增管与信号分析器主机相连接，所述信号分析器主机与一电脑终端相连接。使用本发明实时动态检测系统检测的方法操作简单，不需要对样品进行离线分离，然后上机检测等过程，因此测定速度快，提高了工作效率，适用于对光催化材料生成·OH能力的快速筛查和评估。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光催化反应产生羟基自由基的实时动态检测系统。

背景技术

羟基自由基（·OH）具有很强的氧化能力（E=2.7或1.8V在酸性或中性条件下）， 几乎能够降解所有的有机污染物，因此引起了人们极大的研究热情。在自然环境 中，·OH主要来自于光芬顿反应，硝酸盐以及天然有机质（NOM）的光解等。在工程 领域，特别是近年来不断发展的高级氧化技术中（AOT），如芬顿反应、臭氧氧化、电 解氧化等，·OH是最主要的一种活性物质，在其中起了决定性的作用，因此也得到了 广泛的关注和深入的研究。目前，光催化技术作为一种新型的高级氧化技术，由于其 绿色、节能、环保等优点引起了人们极大的研究热情。半导体光催化的主要工作原理 是（以TiO₂为例）：当TiO₂受到能量等于或者大于其帯隙宽度的光子激发后，位于基 态的价带电子被激发到导带，从而生成了价带的氧化空穴和导带的自由电子（电子- 空穴对）。电子-空穴对具有强的还原和氧化能力，并且能够自由迁移，当它们迁移到 半导体表面后与表面吸附的小分子（如H₂O、OH^-、O₂）发生一系列的反应生成活性 氧类物种（主要是·OH、O₂^·-、H₂O₂）。其中·OH在光催化反应中是一种非常重要的活 性氧，它在光催化氧化降解污染物过程中起着关键的作用。此外，·OH能够破坏微生 物的细胞壁，在光催化材料的光催化杀菌过程中也起着重要的作用。因此，·OH的生 成数量是衡量一种光催化剂性能的重要指标。但是·OH的性质活泼、寿命短（微妙级）， 对其进行测定是一项巨大的挑战。

目前常用的测量·OH的方法主要有电子自旋共振技术（ESR）和荧光探针法，但 是这些方法在实际应用中，特别是在光催化领域，都有其各自的局限性。例如，目前 ESR最常用的捕获探针是DMPO，但是其捕获特异性方面仍存有争议。光催化材料在 光催化反应中会产生氧化空穴，有学者研究认为，DMPO与氧化空穴反应产生的加合 物与·OH的加合物相同，这可能会导致过高估计光催化材料产生·OH的能力。荧光法 也是目前测量·OH的常用方法，现已开发了许多种针对·OH测定的探针分子，但是有 些探针分子的特异性目前还存在争议。此外在测定光催化反应产生的·OH时，它们一 般的操作流程是先将探针加入到待测体系中，反应后取出一部分进行分离，然后再上 机测定，因此操作步骤繁琐，不利于对·OH的快速准确测定。因此，开发一种简单、 快速、准确、特异的测定光催化反应中·OH的方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种光催化反应产生羟基自由基的实时动态检测系统，本发 明将流动化学发光装置与光催化装置相结合，实现了对光催化反应中产生的·OH简单、 快速、实时、在线、灵敏、特异的测定，可被用作光催化反应产生·OH能力的评估， 并且通过测定·OH的生成能力，评价与其相关的光催化材料的其它性能（如光催化氧 化降解能力和杀菌能力），以及光催化材料生成·OH的生成行为研究。

本发明所提供的光催化反应产生羟基自由基的实时动态检测系统，包括激发光 源、光催化剂和羟基捕获探针盛放容器、至少一个氧化剂盛放容器、检测池、光电倍 增管和信号分析器主机；

所述光催化剂和羟基捕获探针盛放容器和所述氧化剂盛放容器均与所述检测池 相连通；

所述光电倍增管用于将所述检测池中产生的光信号转换成电信号；

所述光电倍增管与所述信号分析器主机相连接，所述信号分析器主机与一电脑终 端相连接。

上述的实时动态检测系统中，所述光催化剂和羟基捕获探针盛放容器与所述检测 池之间设有蠕动泵，以定量向所述检测池中泵入光催化剂和捕获探针；

所述氧化剂盛放容器与所述检测池之间设有蠕动泵，以定量的向所述检测池中泵 入氧化剂。

上述的实时动态检测系统中，所述激发光源为紫外灯源（如汞灯）或可见光源（如 氙灯）。

本发明实时动态检测系统能够在线测定光催化反应中产生的·OH，可以实现对·OH 生成行为的实时在线连续追踪测定，通过发光信号变化的动力学信息，研究光催化反 应生成·OH的生成行为，进一步地实现对光催化材料与·OH相关的性能的评价（如光 催化氧化降解污染物能力以及杀菌能力）。

本发明实时动态检测系统具体能够测定光催化剂如二氧化钛或氧化锌等产生·OH 的能力；所选择的捕获探针为邻苯二甲酰肼（Phth）；同时设置2个所述氧化剂盛放容 器，分别盛放H₂O₂和K₅Cu(HIO₆)₂。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1）本发明实时动态检测系统仪器装置简单，且成本低，易于商业推广。

2）使用本发明实时动态检测系统检测的灵敏度高，特异性好，通过对·OH原位 捕获，生成的加合物性质稳定，克服了其寿命短的问题。

3）使用本发明实时动态检测系统检测的方法操作简单，不需要对样品进行离线 分离，然后上机检测等过程，因此测定速度快，提高了工作效率，适用于对光催化材 料生成·OH能力的快速筛查和评估。

4）使用本发明实时动态检测系统检测时，在线实时测定，可以在线追踪·OH生 成的动态变化，通过动力学信息，研究其生成行为。

附图说明

图1（a）本发明光催化反应产生羟基自由基的实时动态检测系统的示意图。

图1（b）为在图1（a）所示实时动态检测系统上增设六通阀后的示意图。

图1（a）和图1（b）中，各标记如下：

1激发光源、2光催化剂和羟基捕获探针盛放容器、3,4氧化剂盛放容器、5检 测池、6光电倍增管、7信号分析器主机、8电脑终端、9,10,11,12蠕动泵、13载液 盛放容器、14六通阀。

图2为羟基捕获探针与二氧化钛胶体与两种氧化剂混合后化学发光信号随时间的 变化，其中图2（a）为光激发前后二氧化钛（P25）胶体与氧化剂连续流动混合后化 学发光信号随时间的变化；图2（b）为光激发前后二氧化钛（P25）胶体与氧化剂流 动注射混合后化学发光信号随时间的变化；P25（0.1mg/ml），Phth（1μM），H₂O₂（50 μM），K₅Cu(HIO₆)₂（100μM），光强（0.8mW/cm²）。

图3为向捕获探针和二氧化钛溶液加入不同猝灭剂后与对照组相比化学发光信号 随时间的变化，其中，图3（a）为加入羟基自由基猝灭剂（异丙醇）后与对照组相比 化学发光信号随时间的变化；图3（b）为加入超氧自由基猝灭剂（SOD）后与对照组 相比化学发光信号随时间的变化；图3（c）为加入单线态氧猝灭剂（NaN₃）后与对照 组相比化学发光信号随时间的变化；异丙醇（0.1M），SOD（6U/ml），NaN₃（1μM）。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

如图1（a）所示，为本发明提供的光催化反应产生羟基自由基的实时动态检测系 统包括激发光源1、光催化剂和羟基捕获探针盛放容器2、2个氧化剂盛放容器3和4、 检测池5和光电倍增管6。激发光源1可选择汞灯或氙灯，用于激发光催化剂。光催 化剂和羟基捕获探针盛放容器2用于盛放待检测的光催化剂和捕获探针Phth，光催化 剂和捕获探针盛放容器2与检测池5相连通，且它们之间设有一个蠕动泵9，用于提 供动力。氧化剂盛放容器3和4用于盛放氧化剂，与光催化剂产生的羟基自由基与探 针结合后的产物（5-羟基-邻苯二甲酰肼）发生化学发光反应，产生发光信号，以便被 检测，氧化剂盛放容器3和4与检测池5相连通，且它们之间设有一个蠕动泵10,11， 用于提供动力。光电倍增管6用于将检测池5中产生的光信号转化成电信号，然后传 输至信号分析器主机7，信号分析器主机7与电脑终端8相连接，将检测结果进行显 示。

以二氧化钛半导体光催化材料（P25）为例，说明本实施例实时动态检测系统的具 体实施过程：

如图1（a）所示，首先将一定量的Phth加入到装有二氧化钛胶体的盛放容器2 中，当实验进行时，启动流动装置将二氧化钛胶体传送到检测室中与另外两种氧化剂 （H₂O₂和K₅Cu(HIO₆)₂）混合发生化学发光反应，产生发光信号，同时位于检测池下 面的光电倍增管6将接收到的光信号转换成电信号，经过放大处理后，通过数据线传 输到电脑显示屏上。当光源未开启时，二氧化钛胶体中由于没有·OH的产生，胶体中 的Phth由于发光效率很低，当在检测池中与氧化剂混合后，发光信号非常微弱，电脑 显示屏中会出现很低的随时间连续的背景信号（图2（a））；反之，当光源开启时，二 氧化钛受到激发后会产生·OH，此时溶液中的Phth会对其进行特异性的捕获，生成 5-OH-Phth，5-OH-Phth具有高的发光量子产率，当在检测池中与氧化剂混合后会产生 强烈的化学发光信号，并且随着光照持续进行，·OH不断被捕获，因此5-OH-Phth的 量在溶液中不断累积，产生的发光信号不断增强，因此在显示屏中会出现一个随时间 不断增强的化学发光信号曲线，当溶液中的Phth被完全消耗后，此时化学发光强度达 到平台（图2（a））。

如图1（b）所示，与图1（a）的不同之处在于，在光催化剂和捕获探针盛放容器 2和氧化剂盛放容器3和4与检测池5之间再连接一个六通阀14，同样先将Phth加入 到二氧化钛胶体中，实验开始时，启动流动装置调节六通阀将二氧化钛胶体通过来自 载液盛放容器13的载液传送到检测池中与氧化剂混合，当光源未开启时，二氧化钛胶 体通过六通阀14进入检测池5，此时由于没有·OH产生，溶液中没有5-OH-Phth生成， 因此没有明显的峰形信号；当光源开启时，二氧化钛胶体产生·OH，被Phth捕获后生 成5-OH-Phth，因此当二氧化钛胶体通过六通阀14进入检测室后与氧化剂混合发生化 学发光反应，产生发光信号。由于注射的二氧化钛胶体溶液在管路输运过程中发生扩 散过程，导致5-OH-Phth浓度从中心向两侧逐渐减小，因此显示屏上会产生一个明显 的峰形信号，并且峰强度也会随着时间的延长而不断增强，最后达到平台（图2（b））， 表明此时胶体中的Phth被完全消耗。

为了进一步验证上述检测到的发光信号来自·OH，本发明对本实时动态检测系统 检测时的特异性进行了考察。

如图3所示，向二氧化钛胶体中加入不同猝灭剂对活性氧进行特异性捕获，实验 发现O₂^·-和¹O₂猝灭剂SOD和NaN₃对化学发光强度均无影响，证明O₂^·-和¹O₂的减少 对5-OH-Phth的生成没有影响；而羟基自由基猝灭剂可以完全抑制化学发光的增强， 证明·OH被猝灭剂竞争捕获后，抑制了5-OH-Phth的生成。因此，利用本发明实时动 态检测系统能够特异性的检测·OH。