现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (3) : 252-256. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.03.041

分析测试

检测大气中羟基自由基荧光探针的制备与应用研究

闫欣 ¹^,² ,
王国英 ¹^,²^,³^,^* ,
李嘉贤 ¹^,² ,
李昕 ¹^,² ,
李娜 ¹^,²

作者信息 +

Preparation and application of fluorescent probe for the detection of hydroxyl radical in the atmosphere

YAN Xin ¹^,² ,
WANG Guo-ying ¹^,²^,³^,^* ,
LI Jia-xian ¹^,² ,
LI Xin ¹^,² ,
LI Na ¹^,²

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Received		Published
2025-04-15		2026-03-20
Issue Date	Revised Date
2026-03-27	2025-04-15

PDF (3360K)

摘要

为测量大气中羟基自由基(·OH)的浓度,开发了一种能够捕获大气中·OH并检测其浓度的荧光探针,通过1-苯基-3-羧酸基-5-吡唑酮(PCP)与2-噻吩甲醇的酯化反应,合成了PCP-T荧光探针,并对探针进行了表征。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)验证了其结构,高效液相色谱(HPLC)分析显示纯度达97.36%,然后利用静电纺丝技术合成了大气·OH捕获膜。大气·OH捕获膜纤维分布均匀、孔隙率高,能有效捕获大气中的·OH,通过荧光光谱检测其浓度变化,并建立了定量分析大气·OH的方法。

Abstract

In order to measure the concentration of atmospheric hydroxyl radical (·OH),a fluorescent probe capable of capturing atmospheric ·OH and detecting its concentration was developed.The PCP-T fluorescent probe was synthesized and characterized by the esterification reaction of 1-phenyl-3-carboxylic acidyl-5-pyrazolone (PCP) with 2-thiophene methanol.The structure was verified by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR),and high-performance liquid chromatography (HPLC) analysis showed a purity of 97.36%,and then the atmospheric ·OH capture membrane was synthesized using electrostatic spinning technique.With uniform fiber distribution and high porosity,the atmospheric ·OH capture membrane can effectively capture atmospheric ·OH,and its concentration change was detected by fluorescence spectroscopy,and a method for quantitative analysis of atmospheric ·OH was established.

Graphical abstract

关键词

大气羟基自由基 / 大气·OH捕获膜 / 静电纺丝 / 荧光探针

Key words

atmospheric hydroxyl radical / atmospheric ·OH capture membrane / electrostatic spinning / fluorescent probe

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闫欣,王国英,李嘉贤,李昕,李娜. 检测大气中羟基自由基荧光探针的制备与应用研究[J]. 现代化工, 2026, 46(3): 252-256 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.03.041

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随着全球工业化进程的加速,大气环境问题日益严峻,对人类健康、生态系统和全球气候产生了深远影响^[1]。近年来,大气中温室气体浓度的上升、大气污染物的大量排放以及极端气候事件的频繁发生,使得大气化学过程变得更加复杂^[2]。大气羟基自由基(·OH)是对流层中最重要的氧化剂之一,其生成机制、浓度分布以及对大气化学过程的影响成为研究的关键^[3]。

大气·OH的浓度和活性直接影响大气氧化能力,·OH通过与人为排放的有机物(如VOCs、CO、NO₂等)发生反应,引发一系列自由基链反应^[4]。这一过程对温室气体的寿命产生显著影响^[5]。此外,·OH能够氧化VOCs生成中间产物,并与氮氧化物(NO_x)进一步反应,形成二次气溶胶^[6-7]。这一过程促进了大气中H₂SO₄的生成,还推动SO₂向H₂SO₄的均相气相转化,成为PM2.5的重要前体物质^[8]。

近年来,众多研究团队开发了多种检测·OH的方法^[9],包括激光诱导荧光法(LIF)^[10]、气体膨胀荧光法(FAGE)^[11]、差分光学吸收光谱法(DOAS)^[12]、化学电离质谱法(CIMS)^[13]以及溶液吸收法^[14],这些方法在实际应用中仍存在诸多局限性。例如,LIF技术在背景光干扰下信号分离困难,而FAGE技术需要昂贵的泵组进行采样,且仪器复杂不便携。

荧光探针技术在化学、生物学、医学以及环境科学等多个领域得到了广泛应用^[15-16]。通过与目标分析物相互作用,产生显著的荧光信号变化,从而对目标分子进行高灵敏度、高选择性检测^[17]。通过设计合成特定的荧光探针,可以实现对大气中·OH的检测^[18]。

本研究开发一种新型的、便捷高效的羟基自由基检测技术。通过制备一种噻吩基荧光探针PCP-T(1-苯基吡唑酮-3-甲酸-噻吩甲酯)及其静电纺丝捕获膜技术^[19],实现对大气中·OH的高效、灵敏检测,能够为大气·OH的检测提供一种高效、可靠的新方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

LS55荧光分光光度计,美国PerkinElmer公司生产;TH-150A型智能中流量空气悬浮颗粒物采样器,武汉天虹仪器有限公司生产;84-1A6S磁力搅拌器,上海司乐仪器有限公司生产;Nexus 670傅里叶变换红外光谱,美国Thermo Nicolet公司生产;SS-2533静电纺丝设备,北京永康乐业科技发展有限公司生产;Ultimate 3000高效液相色谱,美国Thermo Scientific公司生产;SEM5000x扫描电子显微镜,合肥国义量子技术有限公司生产;BS-201S电子天平,北京赛多利斯仪器有限公司生产。

1-苯基-3-羧酸基-5-吡唑酮(PCP)、2-噻吩甲醇、氯化亚砜、吡啶、聚乙烯吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、无水甲醇、乙酸乙酯。

1.2 实验方法

1.2.1 荧光探针PCP-T的制备

(1)PCP的酰氯化反应

取10 mmol 1-苯基-3-羧酸基-5-吡唑酮(PCP,2.042 g)和过量的氯化亚砜(20 mL)在 50 mL圆底瓶中,混合搅拌,加入0.05 mL DMF催化反应,并在75℃下油浴中搅拌回流反应5.5 h,反应得到深黄色澄清液体,然后通过减压蒸馏去除过量的氯化亚砜,实验最终得到结晶状深黄色固体(PCP酰氯化产物,产率为91.7%),并用15 mL二氯甲烷溶解后备用,反应流程如图1所示。

(2)PCP-T探针的酯化合成

取15 mL二氯甲烷于250 mL锥形瓶中,在磁力搅拌器不断搅拌下,将10 mmol 2-噻吩甲醇溶解于二氯甲烷中,同时加入0.05 mL吡啶催化反应,并使用0.05 mL三乙胺作为酸结合剂。第二步,将第一步得到的PCP酰氯化产物逐滴加入锥形瓶中,在氮气保护及室温下,搅拌16 h。最后,将反应溶液过滤并减压旋干,除去溶剂,再加入乙酸乙酯萃取,减压旋干除去乙酸乙酯,得到PCP-T荧光探针粗品,为棕黄色固体,反应流程如图2所示。

1.2.2 静电纺丝法制备大气·OH捕集膜

PCP-T大气·OH捕集膜的制备方法如下。

(1)静电纺丝溶液的制备:取0.01 mol/L PCP-T探针甲醇溶液10 mL,加入0.5 g聚乙烯吡咯烷酮,室温下混合搅拌2 h,所得溶液注入2支5 mL的注射器中。

(2)制备大气·OH捕集膜:在接收轴上放置好直径90 mm大气玻璃纤维膜作为支撑物,实验在以下纺丝条件下进行,负电压-2.0 kV、正电压15.0 kV、轴间距20 cm、推动速度0.08 mL/min、18G型号针头、接收速度50 r/min。制备得到的大气·OH捕集膜隔绝空气密封待用。

2 结果与讨论

2.1 PCP-T荧光探针的表征

图3显示了PCP-T探针的傅里叶变换红外光谱,噻吩环的共轭结构在3 100、3 000 cm^-1处有2个连续的吸收峰。在1 750 cm^-1附近有1个强烈的 —C=O伸缩振动的吸收峰,在1 250 cm^-1处有1个—C—O伸缩振动峰,表明含有酯键中的—C—O键,因此可以确定分子结构中存在酯键,酯键是区分2种合成原料与目标产物结构的关键官能团;此外,在1 360 cm^-1处观察到了—C—N的特征吸收峰,680 cm^-1处有—C—S键的吸收峰,证明探针结构中含有噻吩环结构,因此可以判断探针中含有噻吩环、酯键和C—N的官能团等结构,证明合成的PCP-T探针的分子结构正确。

图4所示为PCP-T探针的液相色谱图,在对PCP-T探针进行高效液相色谱(HPLC)检测时,发现色谱图中存在2个色谱峰,具体成分详见表1。经鉴定,色谱峰1保留时间为13.20 min,是PCP-T探针的液相色谱峰,色谱峰2为合成探针过程中残留的少量原料,这不会对大气·OH的测量产生干扰。

为了进一步评估探针分子的纯度和适用性,采用归一化方法对色谱峰面积进行定量分析。结果显示,PCP-T探针分子的峰面积占比高达97.36%。

2.2 PCP-T探针静电纺丝膜表征

如图5所示,在静电纺丝加载PCP-T探针后,静电纺丝膜的纤维分布均匀,纺丝纤维细且离散度小,提高了对较低浓度的自由基的捕集效率和吸附能力^[20]。光滑的纤维表面和无结点的结构提高了捕集的效率。较大的孔隙率提高了采样气体的通过性,提高对大气自由基的吸附和检测能力^[21]。

2.3 PCP-T探针膜捕获大气·OH的应用

2.3.1 实验室模拟产生标准大气·OH的方法

颗粒物氧化流动反应器(potential aerosol mass oxidation flow reactor,PAM)是一种能够标准化产生自由基的装置^[22]。该装置能够通过控制温度、相对湿度、氧化剂浓度等参数,用于模拟大气中挥发性有机化合物(VOCs)氧化过程和实际大气环境下的高氧化条件。

在实验室使用颗粒物氧化流动反应器PAM生成·OH,PAM利用185、254 nm低压汞灯的照射来高效生成·OH,并广泛应用于大气化学和其他领域^[23]。可以通过调节185、254 nm低压汞灯的电压从而调控产生·OH的浓度。生成·OH的反应如下:

(1)$\mathrm{O}_{3}+h v(\lambda<315 \mathrm{~nm}) \longrightarrow \mathrm{O}\left({ }^{1} \mathrm{D}\right)+\mathrm{O}_{2}$

(2)$\mathrm{O}\left({ }^{1} \mathrm{D}\right)+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow 2 \cdot \mathrm{OH}$

2.3.2 大气·OH捕集膜的采样方法

图6所示是捕集大气中·OH的静电纺丝膜及其在大气采样器上的采样过程。该装置有几个关键构成,静电纺丝膜、采样器主体以及连接管道^[24]。采样器包括抽气泵、流量计、采样入口和出口等部件,抽气泵产生负压,将大气气流抽入,大气气流通过采样入口进入采样器,被大气·OH捕获膜采集^[25]。

2.4 PCP-T探针膜捕集大气·OH定量方法

荧光光谱法定量·OH的原理是利用·OH与PCP-T探针反应生成一种独特的加成产物,即PCP-T-OH。PCP-T-OH具有独特的荧光特性,在300 nm的激发波长处有一个清晰的荧光峰。因此,可以利用激发波长为300 nm处的荧光峰来定量加成产物PCP-T-OH,并推断出·OH的浓度。

利用荧光光谱法快速、方便地确定大气中的 ·OH浓度,采用PerkinElmer-LS55荧光分光光度计进行荧光光谱的测量,狭缝宽度:E_x Slit=15.0 nm;E_m Slit=20.0 nm,在PCP-T-OH的激发波长λ=300 nm处进行测试。

实验控制在·OH浓度为0.5×10^-6~2.5×10^-6的范围内,验证了不同浓度的·OH与加合产物荧光强度的关系,PCP-T探针捕集·OH后,在300 nm处观察荧光峰强度的变化,发现随着·OH浓度的增加,300 nm处加合产物PCP-T-OH的荧光强度不断地增加,如图7(a),接着进行了线性拟合后发现,·OH浓度与加合产物PCP-T-OH的荧光强度有着良好的线性关系,如图7(b)所示。然后利用荧光光谱的峰值强度进行换算,得到大气·OH浓度的计算公式:

(3)

$\begin{array}{l}{C}_{·OH}\left(c\right.{m}^{-3})=FL\times {C}_{PCP-T}\{[P\times t\times F\times \alpha \times \\ (1-\beta )\times {N}_{A}]/({P}_{x}\times {t}_{x}\times {F}_{x}\times K\times {D}_{f}\left)\right\}\end{array}$

式中,P_x为工况下的大气压;P为标准大气压,101 kPa;t_x为捕集时间,min;t为标准捕集时间,60 min;F_x为采样气体流速,L/min;F为标准采样气体流速,100 L/min;K为自由基修正系数;FL为探针加合产物的荧光强度;α为探针的有效捕获率,75%;β为加合产物PCP-T-OH的损失率,27%;C_PCP-T为PCP-T荧光探针浓度,10 mmol/L为标准;C_·OH为探针捕获的·OH浓度,molecule/cm³;N_A为阿伏加德罗常数(6.02×10²³);D_f为探针稀释倍率,以10 mmol/L为标准。

3 结论

(1)通过1-苯基-3-羧酸基-5-吡唑酮(PCP)与2-噻吩甲醇的酯化反应,合成了PCP-T探针,并对其结构进行了表征。FT-IR显示了噻吩环、酯基、C—N键和C—S键的存在,验证了PCP-T探针的结构。HPLC分析表明,PCP-T探针的纯度高达97.36%。

(2)采用静电纺丝法将PCP-T探针制备成大气·OH捕集膜。SEM观察结果显示,膜纤维分布均匀,孔隙率高,且纤维直径细且均匀,这些特性有利于提高自由基的捕获效率。

(3)通过实验室PAM装置高效生成高浓度 ·OH,模拟出标准的大气·OH环境,PCP-T探针膜能够高效地捕获大气·OH,然后生成加合产物PCP-T-OH,利用荧光光谱建立了定量分析大气·OH的方法。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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