CN103954569A - 一种碳中心自由基的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳中心自由基的测定方法，在水溶液中，碳中心自由基与亚硝基二硫酸盐反应，使亚硝基二硫酸盐水溶液褪色，同时，亚硝基二硫酸盐水溶液对波长543nm处的可见光有选择性吸收，通过测定溶液吸光度随时间的变化，再利用本发明提出的数据处理方法，可以得到任意时刻水溶液中碳中心自由基浓度和累积碳中心自由基浓度。本发明的检测方法可检测各种类型的碳中心基自由基，具有仪器简单、检测成本低、操作简便快捷且灵敏度高等优点，本测定方法可检测的碳中心自由基浓度可以低至10^-15mol/L数量级。

Description

一种碳中心自由基的测定方法

技术领域

本发明涉及自由基测定的领域，具体涉及一种碳中心自由基的测定方法。

背景技术

自由基（free radicals，FRs）的化学反应性极强，会在极短时间内与某些物质发生反应或者发生自由基之间的双基终止反应，其踪迹难以捕捉。目前，国内外已报道的测定自由基的方法主要有：电子自旋共振法（ESR）、分光光度法、化学发光法、荧光法和高效液相色谱法法等。

ESR法利用自由基不成对电子表现出的磁共振特性对自由基进行检测，但是由于自由基浓度通常较低，不能达到目前ESR技术的检测水平（10^-6～10^-7mol/L），需要附加使用自由基捕获技术，但被捕获的自由基难以明晰，同时设备成本较高。

分光光度法利用自由基与显色剂的反应来检测自由基的存在，该方法中显色剂的使用会受到诸多限制，干扰因素较多。

化学发光法利用自由基与发光物质反应发光的特性检测自由基的存在，常用的发光试剂有鲁米诺和光泽精等，该方法进行复杂样品分析的时候选择性较差，不能很好地进行定量。

荧光法利用自由基诱导底物发光的特性对自由基进行检测，该方法目前仍不成熟，处在研究阶段。

高效液相色谱法的原理是检测自由基与自由基捕捉剂反应的产物对自由基进行定量，该方法所需设备昂贵，且反应中间产物难以分析，定量方面仍显不足。

目前，研究较多的自由基主要为羟基自由基（·OH电子在氧上），如公开号为CN1412553A的中国专利文献公开了一种羟基自由基的测定方法，将捕获剂异丙醇加入待测体系，使得其中含有异丙醇的浓度为体系中羟基自由基产生物浓度的10～100倍；在pH值为1～7，异丙醇与待测体系中的羟基自由基反应生成丙酮，采用气相色谱/氢火焰离子化检测器法测定生成的丙酮浓度，然后将测得的丙酮浓度换算成羟基自由基的浓度。又如公开号为CN101718705A的中国专利文献公开了一种羟基自由基的测定方法，在水溶液中，羟基自由基氧化夜蓝，夜蓝溶液褪色，对波长618nm处的可见光有选择性吸收，通过测定溶液的吸光度可以得到溶液中羟基自由基的浓度。

碳中心自由基具有反应活性大、寿命短以及存在浓度低等特点，是高分子聚合中最常见的自由基种类，目前，针对碳中心自由基的检测研究还较少。

发明内容

本发明提供了一种碳中心自由基的测定方法，操作简洁、成本低、测试结果准确、适用范围广且灵敏度高，可检测的碳中心自由基浓度可以低至10^-15mol/L数量级。

本发明公开了一种碳中心自由基的测定方法，测定步骤如下：

（1）待测溶液的配制

以缓冲溶液为溶剂，配制浓度为5×10^-5～8×10^-2mol/L的亚硝基二硫酸盐溶液Ⅰ；

以所述的缓冲溶液为溶剂，配制浓度为1×10^-4～1×10^-1mol/L的引发剂溶液Ⅱ；

以所述的缓冲溶液为溶剂，配制亚硝基二硫酸盐和引发剂的混合溶液Ⅲ，混合溶液Ⅲ中亚硝基二硫酸盐浓度与溶液Ⅰ中亚硝基二硫酸盐浓度相同，引发剂浓度与溶液Ⅱ中引发剂浓度相同；

所述缓冲溶液的pH值为4～12，为由有机或无机的酸、碱或盐中的至少一种配制而成的水溶液；

所述的亚硝基二硫酸盐具有如下式所示的结构：

M⁺为能够使亚硝基二硫酸盐具有水溶性的阳离子；

所述的引发剂为用于产生碳中心自由基的引发剂；

（2）测试步骤

以步骤（1）所述的缓冲溶液为参比液，40～80℃下于543nm处测定亚硝基二硫酸盐溶液Ⅰ的吸光度随时间的变化情况并记录获得曲线1；

以步骤（1）配置的引发剂溶液Ⅱ为参比液，40～80℃下于543nm处测定亚硝基二硫酸盐和引发剂混合溶液Ⅲ的吸光度随时间的变化情况并记录获得曲线2；

曲线1和曲线2经分别拟合、计算后得到任一时刻混合溶液Ⅲ中碳中心自由基浓度和累积碳中心自由基浓度。

发明原理：

在水溶液中，亚硝基二硫酸盐与碳中心自由基反应，亚硝基二硫酸盐水溶液褪色，且亚硝基二硫酸盐水溶液对波长为543nm的绿色光有特征吸收，通过测定亚硝基二硫酸盐水溶液的吸光度随时间的变化，可以得到水溶液中碳中心自由基的含量。

所述的测试步骤具体为：

将步骤（2）中获得的曲线1经吸光度归一化后按照如下所示的公式1进行拟合，得到参数k_dFS；

ln(Abs_归一化)=-k_dFSt        （公式1）；

式中：Abs_归一化为归一化后的吸光度，k_dFS是亚硝基二硫酸盐分解速率常数，t是时间；

通过公式1的修正，可以得到不同温度下采用不同pH值、不同种类的缓冲溶液进行测定时的计算参数，使得本方法可以适用于多种条件下的测量。

将步骤（2）中获得的曲线2经吸光度归一化后按照如下所示的公式2～4进行常微分方程组拟合，得到参数f；

$\frac{d\left[R\right]}{\mathrm{dt}}=2{\mathrm{fk}}_d\left[I\right]-k_{\mathrm{tfs}}\left[R\right]\left[\mathrm{FS}\right]-k_{\mathrm{tR}}{\left[R\right]}^2$   （公式2）；

$\frac{d\left[\mathrm{FS}\right]}{\mathrm{dt}}=-k_{\mathrm{dFS}}\left[\mathrm{FS}\right]-k_{\mathrm{tFS}}\left[R\right]\left[\mathrm{FS}\right]$     （公式3）；

$\frac{d\left[I\right]}{\mathrm{dt}}=-k_d\left[I\right]$      （公式4）；

式中：[R]是碳中心自由基浓度，f是引发剂分解出自由基的效率，k_d是引发剂分解速率常数，k_tFS是亚硝基二硫酸盐与碳中心自由基反应速率常数，k_tR是碳中心自由基相互反应速率常数，[FS]是亚硝基二硫酸盐浓度，[I]是引发剂浓度；

已知参数f，经正向求解式2～4所示的常微分方程组计算得到任一时刻体系中碳中心自由基浓度[R]；

已知参数f，按照如下所示的式5计算得到累积碳中心自由基浓度[R]_c；

${\left[R\right]}_c=2f{\left[I\right]}_0\left({1-e}^{{-k}_{d}t}\right)$      （公式5）；

式中：[I]₀是引发剂初始浓度。

所述的累积碳中心自由基浓度是指截止到某一时刻t，引发剂分解出自由基总量除以体系体积得到的浓度。

亚硝基二硫酸盐自身会发生分解反应，测试条件下亚硝基二硫酸盐实际消耗量大于捕获自由基的量；同时，亚硝基二硫酸盐在不同条件下的分解速率有差异；最后，引发剂在测试过程中不断分解，浓度不断降低。针对上述问题，本发明测试步骤中提供的公式中已经对自由基捕捉量进行了修正，进一步提高了本测试方法的准确性。

本发明中经过公式1的修正后，对缓冲溶液的种类及pH值没有特殊的要求，此处优选了几种较常用的且不同种类的缓冲溶液，如盐酸-柠檬酸钠缓冲溶液、Na₂HPO₄-K₂HPO₄缓冲溶液、Na₂HPO₄-NaOH缓冲溶液或邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液。

作为优选，所述的亚硝基二硫酸盐中的M⁺为K⁺、Na⁺或NH₄ ⁺。混合溶液Ⅲ中亚硝基二硫酸盐的浓度过高则测试时间较长，浓度过低会使分光光度的检测灵敏度降低。

作为优选，所述的引发剂为偶氮类引发剂；进一步优选，所述的偶氮类引发剂为偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐或偶氮二氰基戊酸。上述优选引发剂的引发活性适中，若引发剂活性过高则测试时间短，活性过低则测试时间长，均会对测定结果的准确性产生一定的影响。

作为优选，所述的混合溶液Ⅲ中亚硝基二硫酸盐与引发剂的摩尔比为1:1～6。

进一步优选：

所述的偶氮类引发剂为偶氮二异丁脒盐酸盐，所述的缓冲溶液为pH=4的盐酸-柠檬酸钠缓冲溶液。

所述的偶氮类引发剂为偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐，所述的缓冲溶液为pH=7.1的Na₂HPO₄-K₂HPO₄缓冲溶液。

所述的偶氮类引发剂为偶氮二氰基戊酸，所述的缓冲溶液为pH=4的邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液或pH=12的Na₂HPO₄-NaOH缓冲溶液。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用亚硝基二硫酸盐为自由基捕捉剂，利用分光光度法和自由基物料平衡测定碳中心自由基，具有仪器简单、检测成本低、操作简便快捷以及适用范围广等优点，能同时测定体系中瞬时碳中心自由基浓度、碳中心自由基累积浓度以及引发剂分解产生碳中心自由基的效率等重要参数；

本发明的测定方法充分考虑了缓冲溶液品种、pH值、测试温度以及亚硝基二硫酸盐自身和引发剂自身分解的影响，经过修正后，不仅扩大了适用的缓冲溶液的范围且进一步提高了测定结果的准确性；

本发明的测定方法还具有极高的灵敏度，可检测的碳中心自由基浓度可以低至10^-15mol/L。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。

实施例1

（1）待测溶液的配制

以pH=4的盐酸-柠檬酸钠缓冲溶液为溶剂，配制浓度为7mmol/L的亚硝基二硫酸钾溶液Ⅰ。

以上述缓冲溶液为溶剂，配制浓度为42mmol/L的偶氮二异丁脒盐酸盐引发剂溶液Ⅱ。

以上述缓冲溶液为溶剂，配制亚硝基二硫酸钾和引发剂混合溶液Ⅲ，其中亚硝基二硫酸钾浓度与溶液Ⅰ中的浓度相同，引发剂浓度与溶液Ⅱ中的浓度相同。

亚硝基二硫酸钾溶液Ⅰ用来测定拟合式1中的参数；亚硝基二硫酸钾和引发剂混合溶液Ⅲ用来测定并计算某一时刻体系中碳中心自由基浓度以及累积碳中心自由基浓度。

（2）测试步骤

将亚硝基二硫酸钾溶液Ⅰ移至1cm比色皿中，以上述缓冲溶液为参比液，在60℃下于543nm处测定Ⅰ号溶液吸光度随时间的变化并记录。

将亚硝基二硫酸钾和引发剂混合溶液Ⅲ移至1cm比色皿中，以引发剂溶液Ⅱ为参比液，同样在60℃下于543nm处测定Ⅲ号溶液吸光度随时间的变化并记录。

（3）数据处理方法

将亚硝基二硫酸钾溶液Ⅰ的吸光度时间曲线经吸光度归一化后按照公式1进行拟合，得到参数k_dFS=1.52×10^-4s^-1。

将亚硝基二硫酸钾和引发剂混合溶液Ⅲ的吸光度时间曲线经吸光度归一化后，按照公式2～4进行常微分方程组的拟合，其中k_tR=k_tFS=2×10⁹L/(mol·s)，k_d=3.32×10^-5s^-1，得到f=0.6。

正向求解式2～4所示常微分方程组，得到1600秒时混合溶液Ⅲ中碳中心自由基浓度为2.66×10^-13mol/L。

按照式5计算得1600秒时碳中心自由基累积浓度为2.86mmol/L。

实施例2

（1）待测溶液的配制

以pH=7.1的Na₂HPO₄-K₂HPO₄缓冲溶液为溶剂，配制浓度0.05mmol/L的亚硝基二硫酸钠溶液Ⅰ。

以上述缓冲溶液为溶剂，配制浓度为0.1mmol/L的偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐引发剂溶液Ⅱ。

以上述缓冲溶液为溶剂，配制亚硝基二硫酸钠和引发剂混合溶液Ⅲ，其中亚硝基二硫酸钠浓度与溶液Ⅰ中相同，引发剂浓度与溶液Ⅱ中相同。

亚硝基二硫酸钠溶液Ⅰ用来测定拟合公式1中的参数；亚硝基二硫酸钠和引发剂混合溶液Ⅲ用来测定并计算某一时刻体系中碳中心自由基浓度以及累积碳中心自由基浓度。

（2）测试步骤

将亚硝基二硫酸钠溶液Ⅰ移至1cm比色皿中，以上述缓冲溶液为参比液，在40℃下于543nm处测定Ⅰ号溶液吸光度随时间的变化并记录。

将亚硝基二硫酸钠和引发剂混合溶液Ⅲ移至1cm比色皿中，以引发剂溶液Ⅱ为参比液，同样在40℃下于543nm处测定Ⅲ号溶液吸光度随时间的变化并记录。

（3）数据处理方法

将亚硝基二硫酸钠溶液Ⅰ吸光度时间曲线经吸光度归一化后按照公式1进行拟合，得到参数k_dFS=1.75×10^-6s^-1。

将亚硝基二硫酸钠和引发剂混合溶液Ⅲ吸光度时间曲线经吸光度归一化后，按照式2～4进行常微分方程组的拟合，其中k_tR=k_tFS=2×10⁹L/(mol·s)，k_d=3.31×10^-5s^-1，得到f=0.55。

正向求解式2～4所示常微分方程组，得到4800秒时混合溶液Ⅲ中碳中心自由基浓度为1.36×10^-14mol/L。

按照式5计算得4800秒时碳中心自由基累积浓度为5.86×10^-3mmol/L。

实施例3

（1）待测溶液的配制

以pH=12的Na₂HPO₄-NaOH缓冲溶液为溶剂，配制浓度20mmol/L的亚硝基二硫酸铵溶液Ⅰ。

以上述缓冲溶液为溶剂，配制配制浓度为100mmol/L的偶氮二氰基戊酸引发剂溶液Ⅱ。

以上述缓冲溶液为溶剂，配制一定浓度的亚硝基二硫酸铵和引发剂混合溶液Ⅲ，其中亚硝基二硫酸铵浓度与Ⅰ中相同，引发剂浓度与Ⅱ中相同。

亚硝基二硫酸铵溶液Ⅰ用来测定拟合公式1中的参数；亚硝基二硫酸铵和引发剂混合溶液Ⅲ用来测定并计算某一时刻体系中自由基浓度以及累积自由基浓度。

（2）测试步骤

将亚硝基二硫酸铵溶液Ⅰ移至1cm比色皿中，以上述缓冲溶液为参比液，在80℃下于543nm处测定Ⅰ号溶液吸光度随时间的变化并记录。

将亚硝基二硫酸铵和引发剂混合溶液Ⅲ移至1cm比色皿中，以引发剂溶液Ⅱ为参比液，同样在80℃下于543nm处测定Ⅲ号溶液吸光度随时间的变化并记录。

（3）数据处理方法

将亚硝基二硫酸铵溶液Ⅰ吸光度时间曲线经吸光度归一化后按照公式1进行拟合，得到参数k_dFS=3.25×10^-3s^-1。

将亚硝基二硫酸铵和引发剂混合溶液Ⅲ吸光度时间曲线经吸光度归一化后，按照公式2～4进行常微分方程组的拟合，其中k_tR=k_tFS=2×10⁹L/(mol·s)，k_d=9.12×10^-5s^-1，得到f=0.71。

正向求解式2～4所示常微分方程组，得到590秒时混合溶液Ⅲ中碳中心自由基浓度为2.31×10^-13mol/L。

按照式5计算得590秒时碳中心自由基累积浓度为6.3mmol/L。

实施例4

（1）待测溶液的配制

以pH=4的邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液为溶剂，配制浓度为80mmol/L的亚硝基二硫酸钾溶液Ⅰ。

以上述缓冲溶液为溶剂，配制浓度为80mmol/L的偶氮二氰基戊酸引发剂溶液Ⅱ。

以上述缓冲溶液为溶剂，配制一定浓度的亚硝基二硫酸钾和引发剂混合溶液Ⅲ，其中亚硝基二硫酸钾浓度与Ⅰ中相同，引发剂浓度与Ⅱ中相同。

亚硝基二硫酸钾溶液Ⅰ用来测定拟合公式1中的参数；亚硝基二硫酸钾和引发剂混合溶液Ⅲ用来测定并计算某一时刻体系中碳中心自由基浓度以及累积碳中心自由基浓度。

（2）测试步骤

将亚硝基二硫酸钾溶液Ⅰ移至1cm比色皿中，以上述缓冲溶液为参比液，在60℃下于543nm处测定Ⅰ号溶液吸光度随时间的变化并记录。

将亚硝基二硫酸钾和引发剂混合溶液Ⅲ移至1cm比色皿中，以引发剂溶液Ⅱ为参比液，同样在60℃下于543nm处测定Ⅲ号溶液吸光度随时间的变化并记录。

（3）数据处理方法

将亚硝基二硫酸钾溶液Ⅰ吸光度时间曲线经吸光度归一化后按照式1进行拟合，得到参数k_dFS=1.52×10^-4s^-1。

将亚硝基二硫酸钾和引发剂混合溶液Ⅲ吸光度时间曲线经吸光度归一化后，按照式2～4进行常微分方程组的拟合，其中k_tR=k_tFS=2×10⁹L/(mol·s)，k_d=5.00×10^-6s^-1，得到f=0.69。

正向求解式2～4所示常微分方程组，得到3000秒时混合溶液Ⅲ中碳中心自由基浓度为5.58×10^-15mol/L。

按照式5计算得3000秒时碳中心自由基累积浓度为1.43mmol/L。

Claims (10)

1.一种碳中心自由基的测定方法，其特征在于，测定步骤如下：

（1）待测溶液的配制

以缓冲溶液为溶剂，配制浓度为5×10^-5～8×10^-2mol/L的亚硝基二硫酸盐溶液Ⅰ；

以所述的缓冲溶液为溶剂，配制浓度为1×10^-4～1×10^-1mol/L的引发剂溶液Ⅱ；

以所述的缓冲溶液为溶剂，配制亚硝基二硫酸盐和引发剂的混合溶液Ⅲ，混合溶液Ⅲ中亚硝基二硫酸盐浓度与溶液Ⅰ中亚硝基二硫酸盐浓度相同，引发剂浓度与溶液Ⅱ中引发剂浓度相同；

所述缓冲溶液的pH值为4～12，为由有机或无机的酸、碱或盐中的至少一种配制而成的水溶液；

所述的亚硝基二硫酸盐具有如下式所示的结构：

M⁺为能够使亚硝基二硫酸盐具有水溶性的阳离子；

所述的引发剂为用于产生碳中心自由基的引发剂；

（2）测试步骤

以步骤（1）所述的缓冲溶液为参比液，40～80℃下于543nm处测定亚硝基二硫酸盐溶液Ⅰ的吸光度随时间的变化情况并记录获得曲线1；

以步骤（1）配置的引发剂溶液Ⅱ为参比液，40～80℃下于543nm处测定亚硝基二硫酸盐和引发剂混合溶液Ⅲ的吸光度随时间的变化情况并记录获得曲线2；

曲线1和曲线2经分别拟合、计算后得到任一时刻混合溶液Ⅲ中碳中心自由基浓度和累积碳中心自由基浓度。

2.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，将步骤（2）中获得的曲线1经吸光度归一化后按照如下所示的公式1进行拟合，得到参数k_dFS；

ln(Abs_归一化)=-k_dFSt        （式1）；

式中：Abs_归一化为归一化后的吸光度，k_dFS是亚硝基二硫酸盐分解速率常数，t是时间；

将步骤（2）中获得的曲线2经吸光度归一化后按照如下所示的式2～4进行常微分方程组拟合，得到参数f；

$\frac{d\left[R\right]}{\mathrm{dt}}=2{\mathrm{fk}}_d\left[I\right]-k_{\mathrm{tfs}}\left[R\right]\left[\mathrm{FS}\right]-k_{\mathrm{tR}}{\left[R\right]}^2$   （式2）；

$\frac{d\left[\mathrm{FS}\right]}{\mathrm{dt}}=-k_{\mathrm{dFS}}\left[\mathrm{FS}\right]-k_{\mathrm{tFS}}\left[R\right]\left[\mathrm{FS}\right]$     （式3）；

$\frac{d\left[I\right]}{\mathrm{dt}}=-k_d\left[I\right]$      （式4）；

式中：[R]是碳中心自由基浓度，f是引发剂分解出自由基的效率，k_d是引发剂分解速率常数，k_tFS是亚硝基二硫酸盐与碳中心自由基反应速率常数，k_tR是碳中心自由基相互反应速率常数，[FS]是亚硝基二硫酸盐浓度，[I]是引发剂浓度；

已知参数f，经正向求解式2～4所示的常微分方程组计算得到任一时刻体系中碳中心自由基浓度[R]；

已知参数f，按照如下所示的式5计算得到累积碳中心自由基浓度[R]_c；

${\left[R\right]}_c=2f{\left[I\right]}_0\left({1-e}^{{-k}_{d}t}\right)$      （式5）；

式中：[I]₀是引发剂初始浓度。

3.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述的缓冲溶液为盐酸-柠檬酸钠缓冲溶液、Na₂HPO₄-K₂HPO₄缓冲溶液、Na₂HPO₄-NaOH缓冲溶液或邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液。

4.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述的亚硝基二硫酸盐中的M⁺为K⁺、Na⁺或NH₄ ⁺。

5.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述的引发剂为偶氮类引发剂。

6.如权利要求5所述的测定方法，其特征在于，所述的偶氮类引发剂为偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐或偶氮二氰基戊酸。

7.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述的混合溶液Ⅲ中亚硝基二硫酸盐与引发剂的摩尔比为1:1～6。

8.如权利要求1或3或6所述的测定方法，其特征在于，所述的偶氮类引发剂为偶氮二异丁脒盐酸盐，所述的缓冲溶液为pH=4的盐酸-柠檬酸钠缓冲溶液。

9.如权利要求1或3或6所述的测定方法，其特征在于，所述的偶氮类引发剂为偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐，所述的缓冲溶液为pH=7.1的Na₂HPO₄-K₂HPO₄缓冲溶液。

10.如权利要求1或3或6所述的测定方法，其特征在于，所述的偶氮类引发剂为偶氮二氰基戊酸，所述的缓冲溶液为pH=4的邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液或pH=12的Na₂HPO₄-NaOH缓冲溶液。