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光催化反應產生超氧自由基的實時動態檢測系統.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410158002.3

申請日:

2014.04.18

公開號:

CN103954612A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01N 21/76申請日:20140418|||公開
IPC分類號: G01N21/76 主分類號: G01N21/76
申請人: 中國科學院生態環境研究中心
發明人: 趙利霞; 王大彬; 郭良宏; 耿方蘭
地址: 100085 北京市海淀區雙清路18號
優先權:
專利代理機構: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245 代理人: 關暢;王春霞
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410158002.3

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.06.15|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種光催化反應產生超氧自由基的實時動態檢測系統。包括激發光源、光催化劑盛放容器、化學發光探針盛放容器、檢測池、光電倍增管和信號分析器主機;光催化劑盛放容器和化學發光探針盛放容器均與檢測池相連通;光電倍增管用于將檢測池中產生的光信號轉化成電信號;光電倍增管與信號分析器主機相連接,信號分析器主機與電腦終端相連接。使用本發明實時動態檢測系統檢測時,可在線測定,操作簡單,不需要對樣品進行離線分離,然后上機檢測等過程,因此測定速度快,提高了工作效率,適用于對各種光催化材料和光敏分子生成O2·-能力的快速篩查和評估。本發明能夠實現在線實時測定,可以在線追蹤O2·-的動態變化,通過動力學信息,研究其生成和衰減行為。

權利要求書

權利要求書
1.  一種光催化反應產生超氧自由基的實時動態檢測系統,其特征在于:所述實時動態檢測系統包括激發光源、光催化劑盛放容器、化學發光探針盛放容器、檢測池、光電倍增管和信號分析器主機;
所述光催化劑盛放容器和所述化學發光探針盛放容器均與所述檢測池相連通;
所述光電倍增管用于將所述檢測池中產生的光信號轉化成電信號;
所述光電倍增管與信號分析器主機相連接,所述信號分析器主機與一電腦終端相連接。

2.  根據權利要求1所述的實時動態檢測系統,其特征在于:所述實時動態檢測系統還包括自由基猝滅劑盛放容器,所述自由基猝滅劑盛放容器與所述光催化劑盛放容器相連通后通過一管路與所述檢測池相連通。

3.  根據權利要求1或2所述的實時動態檢測系統,其特征在于:所述光催化劑盛放容器與所述檢測池之間設有蠕動泵;
所述化學發光探針盛放容器與所述檢測池之間設有蠕動泵。

4.  根據權利要求1-3中任一項所述的實時動態檢測系統,其特征在于:所述激發光源為紫外燈源或可見光源。

5.  權利要求1-4中任一項所述實時動態檢測系統在評價光催化劑或光敏分子產生超氧自由基的能力中的應用。

6.  根據權利要求5所述的應用,其特征在于:所述光催化劑為二氧化鈦或氧化鋅;
所述光敏分子為腐植酸。

7.  根據權利要求6所述的應用,其特征在于:所述化學發光探針盛放容器中盛放的化學發光探針為3-氨基苯二甲酰肼或2-甲基-6-甲氧苯基-3,7-二氫化咪唑-[1,2-α]吡嗪-3-酮。

說明書

說明書光催化反應產生超氧自由基的實時動態檢測系統
技術領域
本發明涉及一種光催化反應產生超氧自由基的實時動態檢測系統。 
背景技術
超氧自由基(O2·-)是一類重要的活性氧物質,廣泛存在于生物體和環境介質中。在生物體內,O2·-是一種重要的小分子物質,參與了一系列的生理生化過程,如免疫反應、信號傳導和氧化應激等過程。在環境介質中,目前O2·-的遷移轉化等環境行為尚不十分清楚,但是越來越多的證據表明O2·-介導了環境介質中許多的氧化還原反應。如最新研究證實,在環境水體中,溶解性有機質(如腐植酸等)在光照下發生光敏化反應還原溶解氧生成O2·-,O2·-能夠還原水體中的Ag+生成納米Ag。因此測定O2·-能夠更好的理解其在環境中的遷移和轉化行為。在工程領域,特別是近年發展的高級氧化技術(AOT)中,O2·-也是人們關注的一種重要的活性氧。其中,光催化技術由于其綠色、節能、環保等優點引起了人們極大的研究熱情。目前,光催化技術在污染物降解、水光解制氫、化合物合成、太陽能電池等方面已有廣泛和深入的研究,具有巨大的應用前景。半導體光催化材料的主要工作原理是(以TiO2半導體為例):當TiO2半導體材料受到能量等于或者大于其帯隙寬度的光子激發后,位于基態的價帶電子被激發到導帶,從而生成了價帶的氧化空穴和導帶的自由電子(電子-空穴對)。電子-空穴對具有強的還原和氧化能力,并且能夠自由遷移,當它們遷移到半導體表面后與表面吸附的小分子(H2O、OH-、O2)發生一系列的反應生成活性氧類物種(主要是·OH、O2·-、H2O2)。其中O2·-在光催化反應中是一種重要的活性氧,它在污染物降解過程中起了重要的作用,有研究表明O2·-的數量與污染物的礦化程度有直接關系。此外,O2·-還可以在光催化反應中生成羥基自由基和過氧化氫,從而間接影響其它活性氧的生成,因此,O2·-的數量是衡量一種光催化劑性能的重要指標。 
目前常用的測量O2·-的方法主要有電子自旋共振技術(ESR)、分光光度法等,但是這些方法都有其各自的局限性。例如,電子自旋共振法需要捕獲探針,但是生成的加合物不穩定,有文獻報道,當用DMPO捕獲O2·-時,生成的加合物(DMPO-OOH)容易分解生成羥基自由基的加合物(DMPO-OH)。此外,由于捕獲探針的特異性較差,在光催化反應中生成的羥基自由基會干擾測定,因此為了消除羥基自由基的干擾,常常將光催化材料分散在有機溶劑中,如DMSO等,但是這與實際的光催化反應環境相差很大,不能完全準確的反映光催化材料產生O2·-的過程。最后,ESR作為一種技術手段,它的技術特點是通過對g值分析進行定性,但是在定量方面靈敏度較差。分光 光度法在測定O2·-,特別是生物體內O2·-時有較多應用,如NBT還原法、XTT還原法以及細胞色素c還原法。它們一般的操作流程是先將探針加入到待測體系中與O2·-反應,然后再上機測定其生成物質的吸光度,因此操作步驟繁瑣。此外該方法的靈敏度和特異性較差,對于光催化反應來說,超氧自由基的濃度較低,而且其它的活性氧可能會對其測定產生干擾,因此也制約了該方法的使用。因此發展一種簡單、快速、準確、特異的測定光催化反應生成O2·-的方法具有重要意義。 
流動化學發光法作為一種分析測定手段已在各個領域有了廣泛的應用,它具有操作簡單、測定速度快、靈敏度高、特異性好、實時在線等優點。光催化反應中產生的O2·-具有濃度低、壽命較短、與其它類活性氧共存等特點,因此對它的測定是一項難題,而流動化學發光法的特點能夠很好的克服以上存在的難題,因此具有很好的應用前景。目前國內外尚沒有應用流動化學發光法測定光催化反應產生O2·-的報道。 
發明內容
本發明的目的是提供一種光催化反應產生超氧自由基的實時動態檢測系統,本發明將流動化學發光法應用在光化學領域,通過將流動化學發光裝置與光催化反應裝置相結合,借助化學發光體系實現了對光催化反應中產生的O2·-簡單、快速、實時、在線、靈敏、特異的測定,可被用作各種光催化材料和光敏分子產生O2·-能力的快速篩查和評估,以及O2·-的生成和衰減行為的研究。 
本發明所提供的光催化反應產生超氧自由基的實時動態檢測系統,包括激發光源、光催化劑盛放容器、化學發光探針盛放容器、檢測池和光電倍增管和信號分析器主機; 
所述光催化劑盛放容器和所述化學發光探針盛放容器均與所述檢測池相連通; 
所述光電倍增管用于將所述檢測池中產生的光信號轉化成電信號; 
所述光電倍增管與信號分析器主機相連接,所述信號分析器主機與一電腦終端相連接。 
上述的實時動態檢測系統還包括自由基猝滅劑盛放容器,所述自由基猝滅劑盛放容器與所述光催化劑盛放容器相連通后通過一管路與所述檢測池相連通;設置所述自由基猝滅劑盛放容器的目的是根據需要將猝滅劑在管路中與光催化劑進行混合對自由基進行特異性猝滅,證明自由基檢測的特異性,因此不需要時可將該管路拆掉。 
上述的實時動態檢測系統中,所述光催化劑盛放容器與所述檢測池之間設有蠕動泵,以定量向所述檢測池中泵入光催化劑; 
所述化學發光探針盛放容器與所述檢測池之間設有蠕動泵,以定量的向所述檢測池中泵入化學發光探針。 
上述的實時動態檢測系統中,所述激發光源為紫外光源(如汞燈)或可見光源(如氙燈)。 
本發明實時動態檢測系統中設置的信號分析器主機,在測量過程中穩定電壓和溫度,并將所述光電倍增管產生的光信號轉化為電信號,進行放大處理,然后將信號傳輸到所述電腦終端進行分析。 
本發明提供的實時動態檢測系統可用于評價光催化材料或光敏分子產生超氧自由基的能力;能夠評價的光催化劑如二氧化鈦或氧化鋅等;能夠評價的光敏分子如腐植酸等。 
本發明實時動態檢測系統進行檢測時,可選擇3-氨基苯二甲酰肼(魯米諾)或2-甲基-6-甲氧苯基-3,7-二氫化咪唑-[1,2-α]吡嗪-3-酮(甲殼動物熒光素,MCLA)作為化學發光探針,用于與產生的超氧自由基進行化學反應產生發光信號。 
本發明與現有方法相比具有以下優點: 
1)本發明實時動態檢測系統結構簡單,且成本低,易于商業推廣。 
2)使用本發明實時動態檢測系統檢測的O2·-靈敏度高,特異性好,從而克服了光催化反應中O2·-濃度低,其它活性氧共存干擾等問題。 
3)使用本發明實時動態檢測系統檢測時,可在線測定,操作簡單,不需要對樣品進行離線分離,然后上機檢測等過程,因此測定速度快,提高了工作效率,適用于對各種光催化材料和光敏分子生成O2·-能力的快速篩查和評估。 
4)使用本發明實時動態檢測系統檢測時,能夠實現在線實時測定,可以在線追蹤O2·-的動態變化,通過動力學信息,研究其生成和衰減行為。 
附圖說明
圖1(a)本發明光催化反應產生超氧自由基的實時動態檢測系統的示意圖。 
圖1(b)為在圖1(a)所示實時動態檢測系統上增設六通閥后的示意圖。 
圖1(a)和圖1(b)中,各標記如下: 
1激發光源、2光催化劑盛放容器、3自由基猝滅劑盛放容器(載液盛放容器)、4化學發光探針盛放容器、5檢測池、6光電倍增管、7信號分析器主機、8電腦終端、9,10,11蠕動泵、12六通閥。 
圖2為化學發光探針與二氧化鈦膠體混合后化學發光信號隨時間的變化,其中圖2(a)為光激發前后魯米諾發光探針與二氧化鈦(P25)膠體連續流動混合后化學發光信號隨時間的變化;圖2(b)為光激發前后魯米諾發光探針與二氧化鈦(P25)膠體流動注射混合后化學發光信號隨時間的變化;魯米諾(1μM),P25(0.1mg/ml),光強(0.8mW/cm2);圖2(c)為光激發前后MCLA發光探針與腐植酸(HA)溶液連 續流動混合后化學發光信號隨時間的變化;MCLA(4μM),HA(0.04mg/ml),光強(1.1mW/cm2)。 
圖3為加入猝滅劑前后魯米諾發光信號隨時間的變化,其中,圖3(a)為加入超氧自由基猝滅劑SOD前后魯米諾發光信號隨時間的變化;圖3(b)為加入羥基自由基猝滅劑(異丙醇)前后魯米諾發光信號隨時間的變化;圖3(c)為加入單線態猝滅劑(NaN3)前后魯米諾發光信號隨時間的變化;圖3(e)為加入超氧自由基猝滅劑SOD前后MCLA發光信號隨時間的變化;圖3(f)為加入單線態猝滅劑(NaN3)前后MCLA發光信號隨時間的變化;魯米諾(1μM),MCLA(1μM),P25(0.1mg/ml),SOD(1U/ml),異丙醇(1μM),NaN3(1μM),光強(0.8mW/cm2)。 
圖4為不同濃度P25產生O2·-數量的比較,其中,圖4(a)為魯米諾化學發光強度隨時間的變化;圖4(b)為XTT還原產物的吸光度隨時間的變化;魯米諾(50μM),XTT(0.01mg/ml),光強(0.8mW/cm2)。 
具體實施方式
下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明,均為常規方法。 
下述實施例中所用的材料、試劑等,如無特殊說明,均可從商業途徑得到。 
如圖1(a)所示,為本發明提供的光催化反應產生超氧自由基的實時動態檢測系統包括激發光源1、光催化劑盛放容器2、化學發光探針盛放容器4、檢測池5、光電倍增管6和自由基猝滅劑盛放容器3。激發光源1可選擇汞燈或氙燈,用于激發光催化劑或光敏分子。光催化劑盛放容器2用于盛放待檢測的光催化劑或者光敏分子,光催化劑盛放容器2與檢測池5相連通,且它們之間設有一個蠕動泵9,用于提供動力。化學發光探針盛放容器4用于盛放化學發光探針,與光催化劑或者光敏分子產生的超氧自由基進行化學反應,以便被檢測,化學發光探針盛放容器4與檢測池5相連通,且它們之間設有一個蠕動泵11,用于提供動力。自由基猝滅劑盛放容器3用于盛放自由基猝滅劑,其與光催化劑盛放容器2相連通后,繼續與檢測池5相連通,在連通自由基猝滅劑盛放容器3的管路上設有蠕動泵10,用于提供動力。光電倍增管6用于將檢測池5中產生的光電信號轉化成電信號,然后傳輸至信號分析器主機7,信號分析器主機7與電腦終端8相連接,將檢測結果進行顯示。 
以二氧化鈦半導體光催化材料(P25)為例,說明本實施例實時動態檢測系統測定光催化材料產生O2·-的具體實施過程(以魯米諾作為發光探針): 
如圖1(a)所示,首先將分散均勻的P25膠體轉移到光催化劑盛放容器2中,將魯米諾轉移到化學發光探針盛放容器4中,當實驗進行時,啟動蠕動泵9和11將二氧 化鈦膠體以及化學發光探針溶液通過管路傳送到檢測室5混合發生化學發光反應,產生發光信號,同時位于檢測室5下面的光電倍增管6將接受到的光信號轉換成電信號,經過放大處理后,通過數據線傳輸到電腦終端8的顯示屏上。 
當光源未開啟時,二氧化鈦膠體中沒有O2·-產生,發光探針和二氧化鈦膠體混合發生自氧化過程產生低的發光信號,此時顯示屏上顯示很低的隨時間連續的背景信號,如圖2(a)所示;反之,當光源開啟時,二氧化鈦受到激發后會產生一系列的ROS,如·OH、O2·-、H2O2,其中·OH壽命很短(微秒級),因此在檢測室與探針混合前已完全湮滅;H2O2在光催化過程中生成濃度低(2μM左右),在沒有增敏劑時,與探針分子的發光信號非常微弱,因此對測定產生的發光信號貢獻微不足道;對于O2·-,它在催化劑表面生成,壽命較長(半衰期數百秒),在本發明的檢測系統中二氧化鈦膠體從光反應容器到檢測室的時間約為10s,從時間維度上保證了測定的可行性;另外O2·-反應活性高,跟探針混合后會發生劇烈反應,產生強烈的化學發光信號,從原理上保證了測定的可行性。因此,二氧化鈦中產生的O2·-與化學發光探針混合后產生化學發光信號,從而實現了對O2·-的測定,而且O2·-會隨著光照時間的延長而不斷累積,因此在顯示屏中呈現出隨時間不斷增強的連續的發光信號,并最終達到平臺,證明此時溶液中的O2·-的產生和衰減過程達到平衡狀態,如圖2(a)所示。 
如圖1(b)所示,與圖1(a)的不同之處在于,在光催化劑盛放容器2和載液盛放容器3與檢測池5之間再連接一個六通閥12,當光源未開啟時,啟動蠕動泵9將二氧化鈦膠體通過調節六通閥12傳送到檢測室5與發光探針混合發生化學發光反應,此時由于沒有O2·-存在,因此顯示屏上出現小的背景峰形信號(圖2(b));當光源開啟時,二氧化鈦膠體通過六通閥12進入檢測室5后與發光探針在檢測室混合,由于注射的二氧化鈦膠體溶液在管路被載液輸運過程中發生擴散過程,導致二氧化鈦濃度從中心向前后兩側逐漸減少,相應的O2·-也遵循此規律,因此當其在檢測室中與發光探針混合時,顯示屏中會產生一個明顯的峰形信號,并且峰強度也會隨著時間的延長而不斷增強,最后達到平臺,證明了此時二氧化鈦膠體中O2·-的生成和衰減過程達到平衡,如圖2(b)所示。 
以腐植酸(HA)為例說明本實施例檢測系統測定光敏分子產生O2·-的具體實施過程(以MCLA作為發光探針):在圖1(a)中(連續流動模式),首先將分散均勻的腐植酸溶液轉移到檢測池中,當實驗進行時,啟動流動裝置將腐植酸溶液和探針溶液傳送到檢測室中混合,由于此時光源未開啟,腐植酸溶液中沒有O2·-產生,因此顯示屏中會出現隨著時間連續的低的化學發光背景信號(圖2(c));當光源開啟時,腐植酸溶液被激發發生光敏反應不斷產生O2·-,導致溶液中的O2·-不斷累積,因此顯示屏中會出現隨著時間連續的不斷增強的化學發光信號,最后達到平臺(圖2(c)),證明了 此時腐植酸溶液中的O2·-的生成和衰減過程達到平衡。 
為了進一步驗證上述檢測到光催化劑的發光信號來自O2·-,將猝滅劑盛放容器3中不同猝滅劑通過另一條管路與二氧化鈦膠體在管路中混合將其產生的活性氧猝滅,然后再與發光探針(魯米諾或MCLA)在檢測室中混合,發現只有加入超氧自由基猝滅劑(SOD)時魯米諾(圖3(a))和MCLA(圖3(e))發光信號迅速降低到原來基線水平,而加入其它猝滅劑后,如羥基自由基猝滅劑(異丙醇)(圖3(b))、單線態氧猝滅劑(NaN3)(圖3(c)和圖3(f)),發光信號幾乎沒有變化,證明了發光信號來自O2·-。 
使用本發明的實時動態檢測系統和XTT還原方法,比較不同濃度P25產生的O2·-的數量,結果如下: 
如圖4(a)所示,當光源開啟后,在任意時刻魯米諾化學發光強度隨著TiO2濃度增大而增強,說明TiO2濃度越大,O2·-的生成速率越快; 
XTT還原產物的吸光度隨時間的變化如圖4(b)所示,由這兩個圖可以得知,兩種方法得到的結果一致。 

關 鍵 詞:
光催化 反應 產生 自由基 實時 動態 檢測 系統
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