2,4-二氯苯氧基乙酸的光转化化学发光机理研究

摘 要 实验发现，2,4-二氯苯氧基乙酸（2,4-D）经紫外光转化后与KMnO4在H2SO4介质中反应可产生化学发光。采用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）对2,4-D光降解产物进行分析，推断光降解主要生成了多酚类降解产物，如2-氯对苯二酚（CHQ）和4-氯邻苯二酚等。化学发光光谱研究发现，2,4-D经紫外光转化后，与KMnO4反应的发光波长为690 nm，与2,4-D的典型降解产物CHQ的化学发光光谱一致。此发光现象是氧化还原过程中生成的Mn吸收反应所释放出的化学能成为激发态，再返回基态时产生的特征辐射峰。该反应体系可用于2,4-D的检测，当2,4-D浓度在0.01～10 mg/L范围内与发光强度呈良好的线性关系; 检出限为3.0

SymbolmA@ g/L。

关键词 光转化化学发光；2,4-二氯苯氧基乙酸 （2,4-D）；光降解；化学发光光谱

2011-06-22收稿；2011-11-11接受

本文系国家自然科学基金（No.20977042, 30971689）资助项目

* E-mail: qsong@jiangnan.省略

1 引 言

光转化化学发光是近年来非常活跃的研究领域，该方法能够将很多非发光或弱发光物质转化为强发光物质，可显著提高化学发光检测的灵敏度， 并拓展了化学发光检测的应用范围。光转化化学发光一般有两种方式，一种是在光敏剂存在下的可见光转化[1,2]； 另一种是直接紫外光降解转化。由于光敏剂的加入使体系复杂化，而直接紫外光转化因其过程简单，而得到更多关注。

基于KMnO4氧化作用的化学发光分析法已多有报道[3～6]，但是多数有机农药直接与KMnO4只能产生弱的化学发光或者不发光，而通过光转化后则会产生强的化学发光，因而这种方法已用于多种农药的检测[7～11]。但对相应的发光机理的研究尚未见报道。因此，目前尚不清楚是何种降解产物与KMnO4产生了强烈的化学发光反应。本实验研究了2,4-D经紫外光转化后与KMnO4的化学发光反应，并对光降解过程及化学发光机理进行了探讨。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

化学发光检测在自组装仪器上完成；发光信号由R375型光电倍增管（PMT）检测，实验数据由光子计数单元（C3866）采集，计数卡（M8784）数据处理系统记录并在软件（M8784）显示对应光电子数；光电倍增管负高压设为

Symbolm@@ 1200 V，光电倍增管密闭系统用冷却器（C4877）冷却至

Symbolm@@ 30 ℃（ 以上设备均为日本滨松公司提供）；系列干涉滤光片（中国科学院生物物理研究所） 的波长范围400～865 nm，波长间隔为20～30 nm；高效液相色谱仪和ZMIM000型质谱仪（美国Waters公司）；15 W紫外灯（λmax＝254 nm，天津瑞森特公司）；RF-5301荧光分光光度计（日本岛津公司）。

2,4-D和CHQ标准品（德国Labor Dr. Ehrenstorfer-Schfers公司）；其它常规试剂均购自国药集团化学试剂有限公司。所用试剂除特别说明外均为分析纯，实验用水为高纯去离子水。

2.2 实验方法

2.2.1 化学发光实验 流动注射化学发光实验装置如图l所示。流通池（内径为1 mm，外径为2 mm的石英玻璃管缠绕成的直径为2 cm的圆盘）直接放置在光电倍增管光窗前进行发光检测。在线光降解在缠绕于灯管上的聚四氟乙烯管（1.2 m×0.9 mm i.d.）中完成。样品经预定时间的光解后与KMnO4在三通管混合进入流通池，产生的化学发光由光电倍增管检测，强度以光电子数记录。化学发光光谱是将滤光片置于流通池和检测窗口之间，测定不同波长下发光强度，经透光率校准后得到。

2.2.2 2,4-D光降解产物的LC-MS分析 将含有2,4-D溶液的培养皿置于紫外灯下光照，并在预定时间（0，10，20，30，45和60 min）取样测定。进样量为1

SymbolmA@ L，流动相为甲醇（A）与0.1%甲酸（B）的混合液，梯度洗脱条件：0～0.1 min,10%A； 图1 流动注射化学发光测定2,4-D流路图

Fig．1 Manifold of FI-CL determination of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid （2,4-D）

A. 2,4-D溶液（2,4-D solution）；B. 载液（Carrier）；C. 酸性KMnO4溶液（Acidic KMnO4 solution）；P. 蠕动泵（Peristaltic pump）；V. 六通阀（Six-way valve）；FC. 流通池（Flow cell）；PMT. 光电倍增管（Photomultiplier tube）；W. 废液（Waste）；PC. 计算机（Computer）。0.1～10 min，10%～100% A；10～12 min，100% A；12～12.1 min，100%～10% A；12.1～15 min, 10% A。流动相以0.3 mL/min的流速载着样品通过BEH C18色谱柱（100 mm×2.1 mm，1.7

SymbolmA@ m）分离，柱温45 ℃，分离后的样品以电喷雾（ESI）负离子方式碰撞生成特征分子离子（毛细管电压: 3.0 kV；锥孔电压:20 V；离子源温度:100 ℃；脱溶剂温度: 250 ℃；光电倍增管电压:650 V；分子质量范围: m/z 50～1000；碰撞能: 6.0 eV）。

3 结果与讨论

3.1 化学发光体系条件优化和分析特性

固定2,4-D浓度，对光照时间、KMnO4浓度和反应介质等影响因素进行优化。随着光照时间增加，发光逐渐增大，但背景发光也会增大。综合考虑分析速度,本研究选择光照2 min作为实验条件。载液流速会显著影响化学发光的强度，在2.4～9.8 mL/min范围内,随着流速的增加，化学发光信号逐渐增强；当泵流速达到7.4 mL/min时，化学发光信号趋于稳定。考察了4种不同介质H2SO4，H6P4O13，HNO3和HClO4对发光的影响。实验表明，随着酸浓度的增大，发光强度增加，其中以H2SO4为介质时相对发光强度最大，信号稳定。如图2a所示， 当H2SO4浓度达到2.0 mol/L后，化学发光不再明显增加，故选择2.0 mol/L H2SO4作为反应介质。进一步考察了KMnO4浓度的影响，结果如图2b所示。当KMnO4浓度升高到8.0×10

Symbolm@@ 5 mol/L时，发光达到最大。浓度继续升高时，溶液吸光程度增加，反而导致发光强度下降。在上述条件下，2,4-D浓度在0.01～10 mg/L范围内与发光强度呈良好的线性关系，工作曲线的回归方程为I＝3×10.8C＋25.83（I为发光强度，C为2,4-D浓度），R.2＝0.9987。对1.0 mg/L 2,4-D连续11次平行测定的相对标准偏差为3.6%，方法的检出限为3.0

SymbolmA@ g/L（S/N＝3）。

Fig．2 Effect of （a） H2SO4 and （b） KMnO4 concentration on CL intensity

3.2 2,4-D光降解机理

光反应在水溶液中主要途径有3种：光致电离、芳卤键均裂和芳卤键异裂[12]。通过LC-MS鉴定发现，2,4-D光降解的初始产物为2-氯-4-羟基苯氧乙酸以及2,4-二氯酚[13～15]。紫外光照射下产生的•OH反应活性强，可以使通常难以实现的反应在比较温和的条件下进行。•OH主要进攻苯环对位上的Cl生成2-氯-4-羟基苯氧基乙酸，同时也伴随着•OH取代-OCH2COOH生成2,4-二氯酚。这些初始产物再进一步羟基化发生脱氯和芳环的开裂生成各种脂肪酸， 最终分解为CO2[16,17]。随着光照时间延长，生成的多酚类产物增多，质谱解析得到的降解产物如表1所示。

进一步研究了降解产物相对含量随光照时间的变化（图3），确定了各种产物的生成顺序。结合文献及质谱分析结果，推测2,4-D的光降解机理如图解1所示。

Fig．3 Effect of photo reaction time on peak area of the main photo-degradation products （Initial concentration of 2,4-D is 0.1 g/L）

A. 4-羟基-2-氯苯氧乙酸（2-Chloro-4-hydroxyphenoxyacetic acid）; B. 2,4-二氯苯酚（2,4-Dichlorophenol）; C. 氯氢醌（Chlorohydroquinone）; D. 4-氯邻苯二酚（4-Chlorocatechol）; E. 2-氯-1,4-苯醌（2-Chloro-1,4-benzoquinone）。

Scheme 1 Photodegradation mechanism of 2,4-D

3.3 2,4-D的化学发光机理

实验发现，最初样品的发光强度随光照时间增加而增大，30 min达到最大。光照45与30 min的发光值几乎相同，但是光照60 min后发光值却明显下降，推断是由于前期生成的多 图4 （a）10 mg/L Vc；（b）10 mg/L 2,4-D（光照30 min）；（c）1.0 mg/L CHQ与KMnO4反应的化学发光光谱

Fig．4 Chemiluminescence spectra obtained from the reactions of KMnO4 with （a） 10 mg/L ascorbic acid; （b） 10 mg/L 2,4-D （after 30 min UV irriadiation） and （c） 10 mg/L chlorohydroquinone （CHQ）

酚类物质进一步光降解而减少。样品放置24 h后，发光强度没有显著变化，说明生成的产物比较稳定。结合图3中各降解产物的峰面积变化曲线，CHQ的曲线变化能够很好地解释发光强度的变化。实验发现，CHQ直接与KMnO4反应即可产生强的化学发光，说明CHQ为主要发光反应物。此外，光解生成的其它多酚类降解产物也可能直接与KMnO4反应， 产生化学发光，这些产物的酚羟基易被KMnO4氧化成醌类化合物[18]。

根据光谱特性推断发光机理是化学发光研究的常用手段之一。图4是经光转化后2,4-D的化学发光光谱，最大化学发光波长为690 nm。另外，在740 nm有一个肩峰， 作为对照，测定了CHQ，Vc直接和KMnO4反应的化学发光光谱，可以看出，3个反应的光谱基本一致。据此推测3种物质与KMnO4化学发光反应具有相同的发光体。

为进一步确定发光体，分别测定了2,4-D及其降解30 min后溶液的荧光光谱，发现最大发射波长分别在354和446 nm，与化学发光最大发射波长并不相同。因此，反应物或产物的能量转移机理被排除。试样用氮气除氧后, 化学发光强度没有明显改变，说明溶解氧与本体系化学发光无关。KMnO4发光体系的发光体与Mn有关[19,20]。Bamett等报道了KMnO4氧化连二亚硫酸钠、亚硫酸钠和四氢硼酸钠的化学发光光谱，最大发光波长均位于（689±5） nm和（734±5） nm,与低温下测得的Mn的磷光光谱（λmax＝（688±5） nm，λmax＝（730±5） nm）基本一致[20]。据此认为690 nm处的发光与激发态的Mn有关。结合实验结果，推测KMnO4与2,4-D光转化化学发光的机理如下：

2,4-DhvCHQ＋Other Products

MnO.

Symbolm@@ 4＋CHQ＋H.＋Mn.＋（CHQ）OX＋H2O

Mn.Mn＋hv（λmax＝690 nm）

3.4 样品分析

称取3种当地市售的叶菜样品（各约10 g）于烧杯中，分别加入100 mL水浸泡0.5 h，超声处理5 min， 取上层清液测定原始样品的残留量。另外取3份样品进行加标回收实验，即将浓度为0.1 mg/L 2,4-D喷洒于叶菜表面，晾干后, 用相同的步骤提取残留物进行测定，结果见表2。

研究结果表明，通过LC-MS对2,4-D光降解产物分析和化学发光光谱测定，推断主要是光降解生成的多酚类降解产物CHQ和4-氯邻苯二酚与KMnO4反应产生最大化学发光波长为690 nm的光辐射。实验排除了反应物或反应产物的能量转移机理和单线态氧机理，初步确定产生化学发光的发光体为激发态的Mn，690 nm的发光是激发态Mn回到基态时产生的特征峰。

References

1 Song S J, Song Q J, Chen Z L. Anal. Bioanal. Chem., 2007, 387（8）: 2917～2922

2 Zhang J L, Song Q J, Hu X, Zhang A H, Gao H. Journal of Luminescence, 2008, 128（12）: 1880～18853 Lara F J, García-Campaa A M, Aaron J J. Anal. Chim. Acta, 2010, 679（1-2）: 17～30

4 QU Peng, LI Bao-Xin, ZHANG Zhu-Jun. Chinese J. Anal. Chem.，2004， 32（5）： 665～667

瞿 鹏, 李保新, 章竹君. 分析化学，2004， 32（5）： 665～667

5 Hindson B J, Barnett N W. Anal. Chim. Acta, 2001, 445（1）： 1～19

6 Adcock J L, Francis P S, Barnett N W. Anal. Chim. Acta, 2007, 601（1）: 36～67

7 López-Paz J L and Catal-Icardo M. Anal. Lett., 2011, 44（1-3）: 146～175

8 Palomeque M, García Bautista J A, Catalá Icardo M, García Mateo J V, Calatayud J M. Anal. Chim. Acta, 2004, 512（1）: 149～156

9 Albert-García J R, Catala Icardo M, Calatayud J M. Talanta, 2006, 69（3）： 608～614

10 Amorim C M P G, Albert-García J R, Montenegro M C B S, Araújo A N, Calatayud J M. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 2007, 43（2）: 421～427

11 WaseemA, Yaqoob M, Nabi A. Analytica Sciences, 2009, 25（3）: 395～400

12 Rayne S, Forest K, Friesen K J. Environment International, 2009, 35（2）: 425～437

13 De Amarante O P, Brito N M Jr, Dos Santos T C R, Nunes G S, Ribeiro M L. Talanta, 2003, 60（1）： 115～121

14 Singh H K, Muneer M. Res. Chem. Intermed, 2004, 30 （3）： 317～329

15 Aaron J J, Guigand S I, Pejov L, Efremova-Aaron S, Zdravkovski Z. Croat. Chem. Acta, 2010, 83（2） ： 171～177

16 Kwan C Y, Chu W. Water Research.， 2004, 38（19）: 4213～4221

17 Watanabe N, Horikoshi S, Suzuki K, Hidaka H, Serpone N. New J. Chem., 2003, 27（5）: 836～843

18 ZHU Chang-Qing, LI Yong-Xin, WANG Lun. Chinese Journal of Analysis Laboratory， 2001, 20（2）: 4～6

朱昌青, 李永新, 王 伦. 分析实验室， 2001, 20（2）: 4～6

19 Adcock J L, Francis P S, Smith T A, Barnetta N W. Analyst, 2008, 133（2）: 49～51

20 Barnett N W, Hindson B J, Jones P, Smith T A. Anal. Chim. Acta, 2002, 451（2）: 181～188

Mechanistic Study of Photoinduced Chemiluminescence

for 2,4-Dichlorophenoxyacetic Acid

LU Xiao-Mu, RAN Guo-Xia, WU Hai-Yan, SONG Qi-Jun.*

（School of Chemical and Material Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract After irradiation by low pressure mercury lamp, the photoproducts of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid （2,4-D） could react with KMnO4 to produce strong chemiluminescence （CL） in sulfuric acid medium. Liquid chromatography-mass spectrometric （LC-MS） analysis of photoproducts reveals that polyphenol products such as chlorohydroquinone（CHQ） and 4-chlorocatechol are produced in the photo reaction. These products can be readily oxidized by KMnO4 to produce light emission with a maximum wavelength at 690 nm. The photoinduced CL spectrum of 2,4-D is in good accordance with that obtained from the typical degradation product CHQ. A CL mechanism related to Mn was proposed to elucidate the light emmision process. An excited state Mn is formed in the oxidation reaction, which gives off the extra energy in form of red light when it returns to the ground state. The photoinduced CL reaction can be used for the detection of 2,4-D. Under the optimized reaction conditions, the CL-emission responses linearly to 2,4-D in the range of 0.01－10 mg/L with a limit of detection as low as 3.0 mg/L.

Keywords Photoinduced chemiluminescence; 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid （2,4-D）; Photodegradation; Chemiluminescence spectrum

（Received 22 June 2011; accepted 11 November 2011）