CN115290786B - 一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应中氧交换途径的方法 - Google Patents

一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应中氧交换途径的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应中氧交换途径的方法，包括以下步骤：步骤1，同位素示踪剂与羟基自由基捕获剂的预先准备；步骤2，测定羟基自由基中的氧同位素组成；步骤3，测定过氧化氢中的氧同位素组成。本发明提供了准确分析涉及活性氧生成和转化的化学反应中氧交换途径的方案，可用于臭氧、过氧化氢的生产、同位素示踪和水处理研究等领域，本方法具有准确可靠、直接有效的优点。

Description

一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应 中氧交换途径的方法
技术领域
本发明属于实验分析方法技术领域，具体涉及一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应中氧交换途径的方法。
背景技术
同位素常常用于标记化合物，示踪化学反应途径，这一方法在生命科学、医学、物理化学、环境、工业和农业生产等多个领域中得到广泛应用。例如，生命科学中用14C、18O等同位素研究光合作用，可详细地阐明叶绿素如何利用二氧化碳和水，什么是从这些简单分子形成糖类等大分子的中间物，以及影响每步生物合成反应的条件等。而在调查沿海污染时，以82Br标记的溴化铵作为示踪剂，模拟释放到海洋中去的污水，将此示踪剂被注入到污水出口处，它的扩散和途径，依据在不同水路测出的放射性位置及强度，获得污染物在海岸带随水流运动的规律。
然而，当化学反应涉及到自由基组分参与和产生，自由基在极短时间内发生链式反应，尤其是在多种含氧自由基同时存在的情况下发生的生成和转化，很难确定化学键的断裂位置、元素的反应路径。目前，仍然缺乏一种有效手段用以揭示自由基化学反应的历程。
发明内容
本发明的目的是提供一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应中氧交换途径的方法，以解决现有技术难以查明的自由基化学反应中氧元素的来源与反应路径的问题。
本发明采用以下技术方案：一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应中氧交换途径的方法，包括以下步骤：
步骤1，同位素示踪剂与羟基自由基捕获剂的预先准备
标记氧元素的液相来源时，用重氧水配制苯甲酸溶液，所述苯甲酸溶液溶解氧低于0.01mg/L；标记氧元素的气相来源时，则用重氧气溶解于常规蒸馏水或去离子水配制的苯甲酸溶液中；在高纯惰性气体环境中，按示踪目标制备同时含有氧同位素示踪剂重氧水和羟基自由基捕获剂的苯甲酸溶液，通过高效液相色谱 -质谱联用测定未经过反应的苯甲酸溶液中的对羟基苯甲酸在质荷比为137和139 处的积分面积，获得空白样品的低背景信号；
步骤2，测定羟基自由基中的氧同位素组成
在高纯惰性气体环境中，将反应物加入所述步骤1制备的苯甲酸溶液中，混合均匀，反应物分解水或与氧气结合，直接产生羟基自由基和过氧化氢，羟基自由基出现即与苯甲酸反应，在苯环对位形成–16/18OH官能团，从而生成对p-HBA，
·16/18OH+BA→p-HBA (式1)
通过高效液相色谱-质谱联用测定对羟基苯甲酸在质荷比为137和139处的积分面积，获得由反应直接生成的羟基自由基含量和氧同位素组成信息；
步骤3，测定过氧化氢中的氧同位素组成
在高纯惰性气体环境中，将催化剂氯化亚铁溶液加入至所述步骤2制备的混合溶液中，过氧化氢分解产生的羟基自由基与苯甲酸反应(式2)，生成新的对羟基苯甲酸；
Fe2++H2 16/18O2→Fe3++·16/18OH+OH- (式2)
通过高效液相色谱-质谱联用测定对羟基苯甲酸在质荷比为137和139处的积分面积，扣除所述步骤2中的积分面积后，获得由过氧化氢分解产生的羟基自由基氧化苯甲酸后生成对羟基苯甲酸在质荷比为137和139处的积分面积，计算得到过氧化氢中的氧同位素组成信息。
优选地，步骤1中用的标记物为重氧水，其中H2 18O的含量>95％，重氧气的含量>95％。
优选地，步骤1中制备的苯甲酸溶液的浓度为1～25μmol/L。
优选地，步骤3中氯化亚铁溶液中Fe2+浓度高于5μmol/L。
优选地，步骤1和3中配制苯甲酸、氯化亚铁所用的水均为蒸馏水或去离子水，其中H2 16O的含量>99.76％。
优选地，步骤1和3中稀释与反应操作均在惰性气体气氛条件下且O2<10 ppm进行，保证所有试剂包括反应物、水、苯甲酸溶液、滤液未暴露于空气或含自由氧的环境下，且苯甲酸溶液和催化剂氯化亚铁溶液中的溶解氧浓度低于0.01 mg/L，因此整个反应过程不会受到与标记实验无关的大气中氧气的影响。
本发明的有益效果是：本发明提供了准确分析涉及活性氧生成和转化的化学反应中氧交换途径的方案，可用于臭氧、过氧化氢的生产、同位素示踪和水处理研究等领域。该方法要求在高纯惰性气体环境条件下操作，采用18O标记的重氧水或重氧气作为氧同位素示踪剂，以苯甲酸作为羟基自由基捕获剂，预先混合均匀后，通过高效液相色谱-质谱联用测定空白样品中的对羟基苯甲酸在质荷比为 137和139处的积分面积，再将反应物加入体系反应并取样，先对反应直接生成的羟基自由基的氧同位素组成进行测定，然后加入催化剂分解过氧化氢为羟基自由基，再对由过氧化氢分解产生的羟基自由基的氧同位素组成进行测定。利用测得的对羟基苯甲酸在不同质荷比处的积分面积，计算羟基自由基和过氧化氢中氧同位素的百分比值，追溯活性氧生成和转化过程中的氧同位素交换路径。本方法具有准确可靠、直接有效的优点。
附图说明
图1为本发明的苯甲酸捕获羟基自由基的反应机理与对羟基苯甲酸信号；
图2为反应直接产生的羟基自由基和由过氧化氢分解产生的羟基自由基测试结果；
图3为不同活性氧物种的氧同位素组成。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应中氧交换途径的方法，包括以下步骤：
步骤1，同位素示踪剂与羟基自由基捕获剂的预先准备
标记氧元素的液相来源时，用重氧水(H2 18O)配制苯甲酸溶液(溶解氧低于0.01mg/L)；标记氧元素的气相来源时，则用重氧气溶解于以常规去离子水配制的苯甲酸溶液中。在高纯惰性气体环境中，按示踪目标制备同时含有氧同位素示踪剂和羟基自由基捕获剂的苯甲酸溶液，通过高效液相色谱-质谱联用测定空白样品中的对羟基苯甲酸在质荷比为137和139处的积分面积，获得空白样品的低背景信号；
步骤2，测定羟基自由基中的氧同位素组成
在高纯惰性气体环境中，将反应物加入步骤1制备的溶液中，混合均匀。反应物分解水或与氧气结合，直接产生羟基自由基(·16/18OH)，并与苯甲酸(BA) 反应(式1)，在苯环对位形成–16/18OH官能团，从而生成对羟基苯甲酸(p-HBA)，通过高效液相色谱-质谱联用测定对羟基苯甲酸在质荷比为137和139处的积分面积，获得由反应直接生成的羟基自由基含量和氧同位素组成信息；
·16/18OH+BA→p-HBA (式1)
步骤3，测定过氧化氢中的氧同位素组成
在高纯惰性气体环境中，将催化剂氯化亚铁溶液加入至步骤2制备的溶液中，混合均匀；在此过程中，过氧化氢分解产生的羟基自由基与苯甲酸反应(式2)，生成新的对羟基苯甲酸(p-HBA)；通过高效液相色谱-质谱联用测定对羟基苯甲酸在质荷比为137和139处的积分面积，扣除步骤2中的数值后，获得由过氧化氢分解产生的羟基自由基氧化苯甲酸后生成对羟基苯甲酸在质荷比为137和139 处的积分面积，计算得到氧同位素组成信息；
Fe2++H2 16/18O2→Fe3++·16/18OH+OH- (式2)
其中，步骤1中所述用的标记物为重氧水，其中H2 18O中18O的含量>95％，重氧气中18O2的含量>95％。
步骤1中制备的苯甲酸溶液的浓度为1～25μmol/L。
步骤3中待测样品的氯化亚铁溶液浓度高于5μmol/L。步骤1和3中配制苯甲酸、氯化亚铁所用的水均为实验室制备蒸馏水或者去离子水，其中H2 16O的含量>99.76％。
步骤1和3中稀释与反应操作均在惰性气体气氛条件下且O2<10ppm进行，可保证所有样品包括反应物、水、苯甲酸溶液、滤液未暴露于空气或含自由氧的环境下，且苯甲酸溶液和催化剂氯化亚铁溶液中的溶解氧浓度低于0.01mg/L，因此整个反应过程，不应受到与标记实验无关的大气中氧气的影响。
以下通过具体实施示例1对本发明提供的一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应中氧交换途径的方法作进一步的详细说明：
具体实施示例1：标记氧元素的液相来源—重氧水；
步骤1：在氮气手套箱(N2>99.999％,O2<0.01ppm,H2O<0.01ppm)中，用纯度较高的重氧水(H2 18O>97％)和色谱级苯甲酸配制羟基自由基捕获剂(25 μmol/L，溶解氧浓度小于0.01mg/L)，混合均匀后，通过高效液相色谱-质谱联用测定对羟基苯甲酸在质荷比为137和139处的积分面积，获得低背景信号的空白样品信息。
步骤2：将氮气条件下研磨的石英粉末投入含苯甲酸溶液(溶解氧浓度小于0.01mg/L)中，石英悬浮液中产生·16/18OH(累计浓度约为2μmol/L)和H2 16/18O2 (浓度约为12μmol/L)，将悬浮液过滤得到透明滤液。
步骤3：通过高效液相色谱-质谱联用测定对羟基苯甲酸在质荷比为137和 139处的积分面积，获得由反应直接生成的羟基自由基含量和氧同位素组成信息；
步骤4：返回氮气手套箱中，向混合溶液中继续添加含FeCl2溶液(25μmol/L，溶解氧浓度小于0.01mg/L)，振荡反应10min；
步骤5：通过高效液相色谱-质谱联用测定对羟基苯甲酸在质荷比为137和 139处的积分面积，相较于空白样品的背景信号，增量部分即为由过氧化氢催化分解产生的羟基自由基(·16/18OH)氧化苯甲酸生成的对羟基苯甲酸(含–16/18OH)。
从图2可以看出测试结果，从图3所示是数据分析结果中可以发现：在石英粉末与重氧水(H2 18O)反应生成的羟基自由基中，氧元素由21.73％的16O和 78.27％的18O组成；而在生成的过氧化氢中，氧元素由78.91％的16O和21.09％的18O组成。这表明，水中的氧(18O)与石英表面的氧(16O)都参与了活性氧物种的生成，石英表面的氧占主要部分。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应中氧交换途径的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，同位素示踪剂与羟基自由基捕获剂的预先准备
标记氧元素的液相来源时，用重氧水配制苯甲酸溶液，所述苯甲酸溶液溶解氧低于0.01mg/L；标记氧元素的气相来源时，则用重氧气溶解于常规蒸馏水或去离子水配制的苯甲酸溶液中；在高纯惰性气体环境中，按示踪目标制备同时含有氧同位素示踪剂重氧水和羟基自由基捕获剂的苯甲酸溶液，通过高效液相色谱-质谱联用测定未经过反应的苯甲酸溶液中的对羟基苯甲酸在质荷比为137和139处的积分面积，获得空白样品的低背景信号；
步骤2，测定羟基自由基中的氧同位素组成
在高纯惰性气体环境中，将反应物加入所述步骤1制备的苯甲酸溶液中，混合均匀，反应物分解水或与氧气结合，直接产生羟基自由基和过氧化氢，羟基自由基出现即与苯甲酸反应，在苯环对位形成–16/18OH官能团，从而生成对p-HBA，
·16/18OH+BA→p-HBA (式1)
通过高效液相色谱-质谱联用测定对羟基苯甲酸在质荷比为137和139处的积分面积，获得由反应直接生成的羟基自由基含量和氧同位素组成信息；
步骤3，测定过氧化氢中的氧同位素组成
在高纯惰性气体环境中，将催化剂氯化亚铁溶液加入至所述步骤2制备的混合溶液中，过氧化氢分解产生的羟基自由基与苯甲酸反应(式2)，生成新的对羟基苯甲酸；
Fe2++H2 16/18O2→Fe3++·16/18OH+OH- (式2)
通过高效液相色谱-质谱联用测定对羟基苯甲酸在质荷比为137和139处的积分面积，扣除所述步骤2中的积分面积后，获得由过氧化氢分解产生的羟基自由基氧化苯甲酸后生成对羟基苯甲酸在质荷比为137和139处的积分面积，计算得到过氧化氢中的氧同位素组成信息。
2.根据权利要求1所述的一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应中氧交换途径的方法，其特征在于，所述步骤1中用的标记物为重氧水，其中H2 18O的含量>95％，重氧气的含量>95％。
3.根据权利要求1所述的一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应中氧交换途径的方法，其特征在于，所述步骤1中制备的苯甲酸溶液的浓度为1～25μmol/L。
4.根据权利要求2所述的一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应中氧交换途径的方法，其特征在于，所述步骤3中氯化亚铁溶液中Fe2+浓度高于5μmol/L。
5.根据权利要求1所述的一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应中氧交换途径的方法，其特征在于，所述步骤1和3中配制苯甲酸、氯化亚铁所用的水均为蒸馏水或去离子水，其中H2 16O的含量>99.76％。
6.根据权利要求1所述的一种同位素示踪技术与自由基捕获技术联用分析活性氧反应中氧交换途径的方法，其特征在于，所述步骤1和3中稀释与反应操作均在惰性气体气氛条件下且O2<10ppm进行，保证所有试剂包括反应物、水、苯甲酸溶液、滤液未暴露于空气或含自由氧的环境下，且苯甲酸溶液和催化剂氯化亚铁溶液中的溶解氧浓度低于0.01mg/L，因此整个反应过程不会受到与标记实验无关的大气中氧气的影响。
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