一种探究羟基氯喹在自然水体中降解机理的方法

摘要

本发明公开了一种探究羟基氯喹在自然水体中降解机理的方法，属于液相自由基化学领域。该方法包括如下步骤：(1)利用激光闪光光解法分别测试羟基自由基、碳酸根自由基与羟基氯喹的二级反应速率系数；(2)利用相对法测试三重态发色基团可溶性有机溶解物以及单线态氧与羟基氯喹的二级反应速率系数；(3)测试HCQ直接光解的量子产率；(4)利用APEX软件对实验结果进行模拟获得各自由基对羟基氯喹降解的贡献程度。激光闪光光解法无需引入参比物便可以获得准确的二级反应速率系数，从而避免因为引入参比物而造成的误差。本发明的测试方法方便快捷，获得数据完整，对羟基氯喹在自然水体环境中的降解过程有全方位的了解。

说明书

技术领域

本发明属于液相自由基动力学领域，具体涉及一种探究羟基氯喹在自然水体中降解机理的方法。

背景技术

羟基氯喹(Hydroxychloroquine,HCQ)是一种主要用于治疗疟疾的药物，相较于最早期发现的由金鸡纳树中提取出的奎宁以及改进后的氯喹而言其毒性小3-6倍。目前有研究发现其在治疗系统性免疫疾病尤其是系统性红斑狼疮以及预防血栓形成和治疗肿瘤疾病上同样有较好的效果。最近，有人提出还可以使用羟基氯喹来治疗新型冠状病毒。日前随着人们对健康的关注以及医疗技术的提升，加之新冠肺炎使得医疗废物的数量也相应发生了激增，在亚洲医疗机构每天生产的废物超过1650吨，如此大量的医疗以及生活废水如何得到妥善的处理已经成为当今社会亟待解决的问题。

尽管羟基氯喹在治疗新型冠状病毒作用成效还有待争议，但是在众多地方，尤其是非洲，羟基氯喹还是被大量使用，因而对环境水体和生态系统具有较高的风险。例如，最近的一项研究发现，将P.cuvieri蝌蚪暴露于HCQ(12.5mg/L)中，会诱发更强的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性，由于其产量高，虽然尚未在环境中检测到羟基氯喹，但已被认定为一种新兴的持久性和生物累积性污染物。

并且从羟基氯喹在水中的溶解度为～26mg/L，Kow为～3，可以看出其在水中具有较好的溶解度，以及较低的分配系数，作为一种药物最有可能通过生活废水，医疗废水等城市污水进入环境。目前针对羟基氯喹的研究大多集中在具体的降解方法上如Bensalah探究的高级氧化技术(Advanced oxidation process,AOPs)，主要是结合声、光、电以及氧化剂等来降解水体中的废物(Midassi,S.,Bedoui,A.,&Bensalah,N.(2020).Efficientdegradation of chloroquine drug by electro-Fenton oxidation:Effects ofoperating conditions and degradation mechanism.Chemosphere,127558.)。而羟基氯喹在具体的水环境中和各类活性物质反应的动力学情况，生成的产物以及相应的反应机理在很大程度上仍然不清楚。

只有

因而研究清楚水体环境中主要有哪些物质会与羟基氯喹发生反应，相应的反应动力学每一个部分的占比情况又是如何的及机理是怎样的对寻找到这类物质高效降解途径至关重要。

发明内容

为克服现有技术手段以及实验方法出现的实验数据不完整、准确性低、与真实环境相差较大等问题，本发明采用激光闪光光解法以及结合高效液相色谱技术的相对法为两种主要的实验手段，在常温常压下进行实验。其中激光闪光光解法具有数据量大以及可以对反应进行实时监控等优点。保障实验结果可靠性，减小实验误差，并且缩短实验周期。而相对法具有实验操作简便，只需要一台光化学反应箱以及高相液相色谱仪即可操作，可以简化各项实验流程。利用APEX软件(软件全称：Aqueous Photochemistry ofEnvironmentally occurring Xenobiotics软件信息：US EPA.2012.Estimation ProgramsInterface Suite

本发明的目的是提供一种探究羟基氯喹在自然水体中降解机理的方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种探究羟基氯喹在自然水体中降解机理的方法，包括以下步骤：

(1)利用激光闪光光解法测试不同温度下羟基自由基·OH与羟基氯喹的二级反应速率系数、以及碳酸根自由基

(2)利用相对法测试三重态发色基团可溶性有机溶解物

(3)借助化学露光剂测量羟基氯喹直接光解的量子效率；

(4)利用太阳光直接光照分别测试羟基自由基·OH、真实水体环境中的三重态发色基团可溶性有机溶解物腐殖酸SRFA、以及三重态发色基团可溶性有机溶解物替代物蒽醌二磺酸AQ2S对羟基氯喹降解的影响，模拟真实环境；

(5)利用APEX软件整合实验结果，比较不同因素对羟基氯喹降解的贡献情况。

进一步地，步骤(1)所述羟基氯喹(HCQ)的结构式为：

进一步地，步骤(1)所述激光闪光光解法，具体为：向反应容器中加入自由基的前体溶液，利用循环水泵将前体溶液通入到反应管中，从激光器发射出激发光进入反应管，使自由基前体溶液吸收激发光而产生自由基，往反应池中加入羟基氯喹母液，与此同时利用检测光对反应管中的自由基浓度随时间的变化进行检测。

进一步地，步骤(1)中，示波器采集的实验数据为实验数据平均值，以保证实验结果的准确性，减小实验误差。

进一步地，步骤(1)中，不同温度是通过恒温槽进行控温改变实验条件中的温度范围。

进一步地，步骤(2)所述相对法，具体为：在反应溶液中加入如发色基团可溶性有机物替代物蒽醌二磺酸钠AQ2S和已知反应速率的参比物以及羟基氯喹，利用高压汞灯光照反应溶液，使得参比物以及羟基氯喹分别与激发态的AQ2S进行反应，每隔一小时取出3ml反应溶液，利用高效液相色谱仪测试反应溶液中参比物以及羟基氯喹的浓度变化。

参比物以及羟基氯喹均会与活性物质如单线态氧以及三重态发色基团可溶性有机溶解物反应，因此可以对比在相同反应时间下参比物以及羟基氯喹浓度的变化情况得到羟基氯喹与活性物质反应速率。

进一步地，步骤(2)中，以对乙酰基氨基酚作为参比物。

进一步地，步骤(2)中，利用蒽醌二磺酸钠作为三重态发色基团可溶性有机溶解物的替代物。

进一步地，步骤(2)中，利用高压汞灯照射反应溶液激发生成三重态蒽醌二磺酸钠与待测物羟基氯喹进行反应。

进一步地，步骤(3)中，化学露光剂为对硝基苯甲醚/吡啶。

进一步地，步骤(3)中，利用高压汞灯照射反应溶液使得化学露光剂以及羟基氯喹均发生直接光解，可对比化学露光剂以及羟基氯喹的直接光解速率情况。

进一步地，步骤(5)中，根据实验条件水体环境设置APEX软件中的无机盐离子浓度初始数据。

进一步地，步骤(5)中，利用APEX软件将羟基氯喹的吸收光谱、直接光解量子效率、羟基氯喹与·OH,

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明采用的激光闪光光解法无需引入参比物便可以获得准确的二级反应速率系数，从而避免因为引入参比物而造成的误差，所获得的羟基氯喹和碳酸根自由基反应的速率常数是绝对值不会受其他参比物的影响；且羟基氯喹与碳酸根自由基以及羟基自由基在不同温度下的反应速率是可以进行实时监测的。

(2)本发明以蒽醌二磺酸钠作为三重态发色基团可溶性有机物的替代物，减少了实验操作的复杂性。

(3)本发明将实验数据利用APEX软件进行模拟，能够清晰地看出不同因素对羟基氯喹降解的贡献程度。

(4)本发明的测试方法方便快捷，获得数据完整，对羟基氯喹在自然水体环境中的降解过程有全方位的了解。

附图说明

图1为实施例1所测得的碳酸根自由基与羟基氯喹反应实验测试结果；图1的(a)为在不同浓度羟基氯喹下碳酸根自由基浓度随时间的变化；图1的(b)为不同温度下一级反应速率系数与浓度之间的关系图；图1的(c)为lnk1c

图2为实施例2所测得的羟基自由基与羟基氯喹反应实验测试结果；图2的(a)为在不同浓度羟基氯喹下羟基自由基浓度随时间的变化；图2的(b)为不同浓度下羟基氯喹的吸收光谱图；图2的(c)为不同温度下一级反应速率系数与浓度之间的关系图；图2的(d)为lnk

图3为实施例3对乙酰基氨基酚APAP以及羟基氯喹HCQ浓度变化的对数图；

图4为实施例4进行直接光解后PNA/HCQ的浓度对数图；

图5为实施例6利用APEX软件模拟羟基氯喹在晴朗夏日下的光化学降解过程；图5的(a)和图5的(b)分别是水深为0.05m以及水深5m的HCQ降解率随发色基团可溶性有机物含量的变化情况；图5的(c)和图5的(d)分别是发色基团可溶性有机物含量为1mg C/L以及7mgC/L情况下HCQ降解率随深度变化的情况。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

激光闪光光解法的实验原理为：在实验过程中脉冲准分子激光器1发射出266nm的激光(激发光)，通过双向色分束器照射进入反应溶液中，由于激发光是脉冲式且能量稳定，因而反应管中装有自由基前体物的溶液在激光照射后会产生一定量的自由基，这些自由基再与待测物发生反应。与此同时利用特定波长460nm/630nm的连续激光作为检测光，利用光谱吸收法，调整光路使得与激发光在同一条光路来实时监测溶液中自由基或其他待测物浓度的变化。在反应管后利用滤光片滤去激发光以及其他杂散光保证只有检测光被光电二极管探测到。光电二极管再将光信号转化为电信号利用示波器显示，最后将示波器连接电脑便可以用电脑采集实时的数据。需要注意的一点是，在反应进程中是直接测量自由基，由于物质的浓度与光信号成正比因而反应速率可以由以下公式(1)计算得到。而示波器在采集数据时是对128次的数据采集平均值以减少实验结果的偶然误差。

I

I

I

t:激发光触发后反应的时间

k

本实施例利用激光闪光光解法测定了碳酸根自由基与羟基氯喹的反应情况：

在与碳酸根自由基的反应中，向反应容器中加入H

H

图1的(a)展示了在溶液中加入不同浓度HCQ时，检测光透过光强随时间的变化情况，从图中可以看出，0时刻表示刚触发266nm的激发光照射进含有自由基前体物的溶液中，在极短的时间内检测光光强有一个突降，这是由于激发光的照射此时溶液中产生了大量的碳酸根自由基

图1的(b)则表示了不同温度下一级反应速率系数k

将图1的(a)一级反应速率系数k

表1

注：羟基氯喹浓度单位为μM，k

实施例2

本实施例利用激光闪光光解法测定了羟基自由基与羟基氯喹的反应情况。实验装置以及流程与实施例1测定碳酸根自由基与羟基氯喹反应实验基本一致，区别在于：由于羟基自由基的吸收光谱在230nm，在此波长下较多物质会产生干扰，因而需要引入一个参比物而不能直接用绝对法进行测量。

在实验前配制H

需要注意的一点是：由于羟基氯喹在266nm处同样具有吸收，实验中激发光几乎被反应溶液完全吸收，因而随着羟基氯喹的加入会导致·OH浓度的变化从而影响

计算方法如下：

其中，

其中，

校正后吸光度为

Eq.1变为

根据Herrmann等人的研究(参见文献：Tropospheric Aqueous-Phase Free-Radical Chemistry:Radical Sources,Spectra,Reaction Kinetics and PredictionTools.ChemPhysChem 2010,11,3796–3822)，参比物反应速率随温度的变化可以表示为：

图2的(a)表示在不同浓度的HCQ下

由此可计算活化能为16.2(±0.5)kJ/mol。其较小的活化能以及较大的二级反应速率表明羟基自由基·OH与HCQ的反应与

表2

注：羟基氯喹浓度单位为μM，k

实施例3

以对乙酰基氨基酚(APAP)作为参比化合物，采用相对法测定HCQ与三重态发色基团可溶性有机溶解物(

其中，[HCQ]

测定HCQ和

实施例4

利用化学露光剂对硝基苯甲醚(p-nitroanisole,PNA)/吡啶(pyridine,Pyr)([PNA]＝50μM,[PNA]/[Pyr]＝1:5)来测量HCQ直接光解的量子效率。HCQ(50μM)和PNA/Py分别被放置于光照箱中相同的反应管中，在转动下利用高压汞灯对两份溶液进行光照。不同反应时间的HCQ以及PNA的浓度分别利用紫外检测仪和HPLC-UV(217nm)进行检测。高效液相色谱流动相为水/乙腈(v/v 50:50)。

图4表示[HCQ]与[PNA]的对数图，可以看出拟合线的斜率接近1，表明参比物PNA与待测物HCQ降解速率比较接近。

物质的光化学降解速率可以表示为：

其中k表示为反应速率，Φ表示量子效率，I

从图4中可知

实施例5

对羟基氯喹(HCQ)在自然太阳光照条件下的降解情况进行测试。本实施例进行了六组平行实验，从而确认不同因素的影响情况。

准备六根石英试管，每根试管中装有10μM的HCQ，然后用去离子水配制成50mL的溶液，再在试管中加入异丙醇IP(26mM)、自然水体环境中的腐殖酸SRFA(7mg/L)以及蒽醌二磺酸钠AQ2S(5mg/L)。异丙醇IP是用来除去羟基自由基，腐殖酸SRFA表示真实水体环境中的三重态发色基团可溶性有机溶解物，蒽醌二磺酸钠AQ2S作为三重态发色基团可溶性有机溶解物替代物。六根石英试管中的溶液具体为：HCQ(#1试管),HCQ+IP(#2),HCQ+SRFA(#3),HCQ+SRFA+IP(#4),HCQ+AQ2S(#5),HCQ+AQ2S+IP(#6)。每根试管每隔一天取样3mL，利用UV测试溶液在343nm处吸收光强的变化，然后根据朗伯比尔定律A＝εbc，将吸光度转化为羟基氯喹的浓度，判定HCQ浓度的变化。

表3

表3为太阳光照环境下羟基氯喹HCQ在不同水体环境中的相对降解速率。从降解速率结果可知，尽管当溶液中只有羟基氯喹一种物质，在经过太阳光直接光解后同样会有羟基自由基产生，并且在太阳光直接光照情况下利用河水中的腐殖酸SRFA所测试出来的实验结果与蒽醌二磺酸钠AQ2S的测试结果基本一致，这也表明了本发明利用蒽醌二磺酸钠作为三重态可溶性有机溶解物的替代物是可行的。

实施例6

通过向APEX软件中输入前面实验所测得的各项动力学参数，包括HCQ的吸收光谱、直接光解量子产率、HCQ与·OH,

图5展示了不同降解因素的贡献程度，包括直接光解、羟基自由基·OH，碳酸根自由基