循环化学发光快速区分醇类化合物

钟燕辉 卢晓钿 黄婉婷 张润坤 李攻科

(中山大学化学学院， 广州 510275)

循环化学发光快速区分醇类化合物

钟燕辉 卢晓钿 黄婉婷 张润坤*李攻科*

(中山大学化学学院， 广州 510275)

以纳米氧化镁为催化剂构建了循环化学发光(Cyclic chemiluminescence, CCL)系统，以醇类化合物为研究对象，研究了反应物浓度、反应温度和检测波长对CCL分析的影响。结果表明，CCL检测信号满足一级指数衰减规律，每个反应均对应一个描述其信号变化规律的指数方程，其初变量A与反应物浓度呈线性关系，衰减系数k是与反应物浓度无关的特征常数。以异丁醇为例，其A值与浓度在0.89～14.24 mg/L之间呈良好的线性关系，线性范围内的k值平均值为32.0，RSD=2.2%，可根据k值进行定性分析，根据A值进行定量分析。采用此系统分析了8种醇类化合物，发现其k值存在显著差异，如正丁醇、异丁醇、叔丁醇的k值分别为27.2±0.2、 32.0±0.8及19.5±0.1，据此提出了一种快速区分醇类同系物及结构异构体的新方法。

循环化学发光; 催化发光; 氧化镁; 醇类

2017-06-16收稿；2017-09-07接受

本文系国家自然科学基金(Nos.21475153、21605163、21675178)和高校基本科研业务费青年教师培育项目(No. 31000-31610743)资助

* E-mail: zhangrk5@mail.sysu.edu.cn；cesgkl@mail.sysu.edu.cn

1 引 言

挥发性有机化合物(Volatile organic compounds，VOCs)广泛存在于人们的生产生活中[1]，对人类健康构成了危害。人体长期暴露在有害VOCs中会引起多种疾病，甚至造成死亡[2,3]。此外，部分VOCs蒸气与空气混合会形成可爆炸混合气体，遇到热源或明火有燃烧爆炸的危险[4,5]。因此，建立快速灵敏检测VOCs的方法对保护人类健康和安全具有重要意义。

VOCs种类繁多，且VOCs异构体的理化性质相似[6]，快速准确区分有机同系物和异构体面一直是分析化学研究的热点和难点课题[7]。常用的VOCs分析方法，如气相色谱法[8]、气相色谱-质谱联用法[9～11]等，使用的仪器较昂贵、操作复杂、运行费用高，在现场、在线快速区分VOCs的应用上受到限制。因此，简单、快速、经济的VOCs分析方法具有重要的实际应用价值。

催化发光(Cataluminescence，CTL)是分析物在催化剂表面发生反应时产生的化学发光(Chemiluminiscence, CL)现象[12]，CTL的发展极大扩展了CL的检测对象。研究表明，气体小分子、药物、糖类、氨基酸、蛋白质甚至细胞均可在适合的催化剂表面产生CTL现象，从而进行检测[13]。CTL具有灵敏度高、响应迅速、仪器设备简单以及运行成本低等特点[14,15]，在快速检测领域具有广阔应用前景。CTL传感器在测定过程中仅消耗样品和空气中的氧气，传感元件无消耗，因此具有很强的可逆响应性及长期稳定性[16,17]，这为设计性能优异的气体传感器提供了新的方法和原理。Wu等[18]采用纳米TiO2研制了检测乙醇和丙酮的传感器; Deng等[19]采用Zn掺杂的SnO2复合催化剂作为传感元件，设计了快速检测六氟化硫的CTL传感器; Tang等[20]研制了一种基于纳米NaYF4催化剂的新型CTL气体传感器，此传感器可用于酮类化合物的快速检测; Luo等[21]在纸基材上采用Mn掺杂的SiO2纳米材料作为传感器元件，构建了快速检测乙烯的CTL传感器。但CTL同传统化学发光法一样存在定性能力差的问题。为此，本课题组提出了循环化学发光 (Cyclic chemiluminescence, CCL)的概念[22]，通过流路的设计，CCL系统的载流方向可实现自动化周期性的改变，使未反应的物质多次进入反应室，促使发光反应反复进行。与传统的CL分析对比，CCL的突出优点是可获得更多与化学反应特征相关的检测信号，从而实现分析物的快速定性和定量分析。

在工业合成[23]、天然产物分析[24]及制药工业[25,26]等领域，需要对分离纯化后得到的单组分物质进行鉴定，因此发展化合物的快速鉴定方法具有重要应用。CCL的发展为化合物的快速鉴定提供了新方法，有望与其它快速鉴定方法互补而应用于相关领域。本实验研制了结构更加紧凑的CCL分析系统，并采用纳米MgO为催化剂，建立了快速区分醇类同系物和结构异构体的新方法。

2 实验部分

2.1仪器与试剂

BPCL微弱化学发光仪(中科院生物物理研究所); FAT200.8型空气泵(成都新为诚科技有限公司); DH48S-2Z型时间继电器(中国康泰电子技术有限公司); 电磁阀(美国Valco仪器有限公司); TDGC2调压器(上海谐昌电压设备制造有限公司); 陶瓷加热片(珠海惠友电子有限公司)。

纳米MgO (50 nm，99.9%，球形，上海阿拉丁生化科技股份有限公司); 甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、异丁醇购自天津大茂化学试剂厂; 正丁醇、正戊醇、异戊醇购自天津市福晨化学试剂厂; 仲丁醇购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。上述试剂均为分析纯。实验用水为去离子水。

2.2循环化学发光系统的构建

构建的CCL分析系统示意图如图1A所示，主要由反应室、检测装置和载流控制组件组成。

反应室：采用陶瓷加热片(1 cm×1 cm, 5～40 V, 55 W)作基底和供热元件。取0.1 g纳米MgO，加入1 mL去离子水，搅拌成糊状，再将糊状物涂抹在陶瓷加热片表面，高温加热使其烧结在陶瓷加热片表面。加热片导线与调压器相连，通过施加不同的电压控制其表面温度，通过热电偶测量加热片表面温度。加热片置于石英流通池中组成发光反应室。反应室与光电倍增管(Photomultiplier, PMT)呈垂直放置。

检测装置：采用BPCL超微弱发光测量仪检测和转化光信号。发光仪采用PMT作为检测器，PMT高压设置为820 V，采样间隔为0.5 s。采用干涉滤波片选择检测波长。

载流控制组件：由空气泵、三通进样阀(V1)、微电动六通电磁阀(V2)、继电器及系统管道组成。采用聚四氟乙烯管(0.3 mm×0.2 mm)连接管路部件形成环形流路。V2阀的阀口3为常开状态，阀口6用堵头塞住，处于常闭状态，阀口2和4与反应室两端相连，阀口1和5为废气出口。当V2阀通电时，阀口3与2相连，而阀口4和5相连; 当V2阀断电时，阀口3与4相连，而阀口2和1相连。采用时间继电器控制V2阀通、断电状态，便可自动化周期性地改变系统载流方向，使载流按如图1A所示的黑色或紫色箭头所示方向流动。出现第一个峰信号后，系统载流方向按照设定的程序实现周期性的改变，不同阶段的反应剩余物可反复进入反应室诱发第1，2，3……n阶段的CL反应相继进行，随着反应时间延长，不同反应阶段的CL信号被检测记录下来，得到如图1B所示的CCL动力学曲线。

与本课题组前期设计的CCL系统[22]对比，本研究设计的CCL系统采用一个微电动六通阀代替3个三通电磁阀， 省略了两个交流触电器，使CCL系统更加紧凑，有利于其集成化和小型化，发展为现场在线的快检装置。

图1 (A) 循环化学发光(CCL)分析系统示意图; (B) CCL动力学曲线Fig.1 (A) Schematic diagram of cyclic chemiluminescence (CCL) analysis system; (B) kinetic curve of CCL

2.3数据分析方法

采用OriginPro 8.0模拟CCL信号变化规律的数学式，数据分析表明CCL信号满足一级指数衰减规律，数据模拟所得的相关系数>0.99。描述CCL信号变化规律的指数方程(Exponential decay equation, EDE)可以表达为[22]：

其中，In为第n阶段反应的CL强度;I0为背景噪音;A为初始量，其物理化学意义为最大CL强度;k为衰减系数，是衡量CL信号衰减速率的参数。k值越大, 表示CL信号衰减回背景值的速率越慢;k值越小，CL信号衰减回背景值的速率越快。t为校准时间，tP为CL动力学曲线上的峰时间，tmax为最大CL强度所对应的时间。采用校准时间的目的是以tmax为零参考点。

3 结果与讨论

3.1CCL动力学曲线

在反应温度为237℃，检测波长为425 nm，载气流速为450 mL/min条件下，采用所构建的CCL系统研究了异丁醇在纳米MgO表面的发光反应，CCL动力学曲线如图2A所示。CCL系统中获得的发光动力学曲线上有一系列峰信号，随着反应时间延长，CCL信号从最大值以指数形式衰减至背景值。数据分析表明可由方程(1)描述CCL信号变化规律。在不改变载流方向条件下，即传统的CL分析方法所获得的化学发光动力学曲线如图2B所示，可见传统方法所获得的动力学曲线上只有1个峰值，这是因为其载流方向是单向流动的，样品只进行单次检测，获取的信息量少。上述结果表明，CCL可以获取更丰富的分析信息。

图2 (A) CCL系统获得的动力学曲线; (B)传统CL系统获得的动力学曲线Fig.2 Kinetic curve obtained by (A) CCL system and (B) traditional CL system

3.2检测条件对CCL的影响

CCL信号变化规律可由方程(1)描述，而方程(1)主要由A和k决定，本研究选择异丁醇在纳米MgO表面的发光反应为模型，考察反应物浓度、反应温度及检测波长对A和k的影响。

表1 不同初始反应浓度的浓度异丁醇测定的k值

Table 1k-Values of different initial concentrations ofiso-butanol

c(mg/L)kRSD(%，n=3)0．8931．31．7832．73．5631．27．1232．610．6831．314．2432．32．2

3.2.1反应物浓度在反应温度为237℃，检测波长为425 nm，载气流速为450 mL/min条件下研究不同浓度的异丁醇在纳米MgO表面的发光反应，以考察反应物初始反应浓度对其CCL动力学曲线的影响，结果如图3A所示。在一定范围内，其最大化学发光强度(A)与反应物浓度成正比，线性回归方程为A=1.16×103c-911(R2=0.9996)，其中，A为最大发光强度，c为异丁醇浓度，R2为相关系数，因此可根据A值进行定量分析; 而k值与异丁醇浓度无关。表1详细列出不同初始反应浓度的异丁醇时测定的k值，平均值为32.0，相对标准偏差(Relative standard deviation, RSD)为2.2%，重现性良好，表明k=32.0可视为异丁醇的特征常数，可根据k值进行异丁醇的定性分析。

3.2.2反应温度反应温度对催化发光反应具有显著影响，在检测波长为425 nm，载气流速为450 mL/min条件下研究反应温度对CCL信号的影响，结果如图3B所示。可见A值随着反应温度的升高而增大，当超过一定温度时,A值随着反应温度的升高而减小。这可能是因为在较低反应温度时，发光反应速率随着温度的升高而增大，但在较高的反应温度下，分子间的碰撞速率会加剧，因而使发光信号淬灭。

图3 (A) 异丁醇在纳米MgO表面的A和k值与其初始反应浓度的关系; (B) 反应温度对A、k和I0的影响; (C) 检测波长对化学发光动力学曲线的影响。误差棒由3次实验结果所得Fig.3 (A) Relationship between A and k-values of iso-butanol on surface of nano-MgO and its initial reactant concentration; (B) Effect of reaction temperature on A, k and I0; (C) Effect of detection wavelength on chemiluminescence kinetics curve. The error bars were obtained from three repetitive experimental results

k值随着反应温度的升高而减小。这可能是在较高的反应温度下，反应物及其产物的消耗速率增大，使得参与下一阶段反应的反应物的量减少，致使发光信号的衰减速率变快，k值变小。此外，背景噪音I0随着反应温度的升高而增大，这也使得发光信号衰减回背景值的速率增大。上述结果表明，对于给定的反应体系，反应温度对发光反应的影响可采用EDE加以描述。

3.2.3检测波长在反应温度为237℃，空气载体的流速为450 mL/min条件下研究了检测波长对CCL信号的影响，结果如图3C所示。k值在一定波长范围内是一个定值，而背景噪音I0和最大化学发光强度A值会随检测波长的不同发生变化。这是因为CL实质是自身发光，所以其检测仪器只需提供一种可检测光信号与记录结果的方法即可，而选择不同的检测波长不会影响化学发光反应的历程与速率，但会影响灵敏度。

3.3醇类化合物的鉴别

CL光谱通常是处于激发态的中间产物跃迁回较低能态时所发射的宽波段光电辐射，光谱较简单，缺乏分析物的鉴定信息。而传统的CL动力学曲线反映的是发光信号随时间的变化趋势，也缺乏鉴定分析物的信息。而CCL可获得与发光反应相对应的特性EDE，在一定条件下，方程的k值是反应物的特征常数，因此可根据k值对分析物进行区分和定性鉴定[22]。醇是一类重要的有机化合物，其种类繁多，并且存在多种结构异构体，实现这些结构相似化合物的快速鉴别是具有挑战性的研究课题[27,28]。

图4 8种醇类化合物在纳米MgO表面的CCL动力学曲线Fig.4 CCL kinetic curves of eight kinds of alcohols on surface of nano-MgO(A) Methol; (B) Ethanol; (C) n-Propanol; (D) iso-Propanol; (E) n-Butanol; (F) iso-Butanol; (G) sec-Butanol; (H) iso-Pentanol.

本研究选用8种不同的醇类化合物, 即甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇和异戊醇为研究对象，考察所构建的CCL分析系统对结构相似、性质相近化合物的区分和定性鉴定能力。不同醇类化合物的CCL动力学曲线如图4所示，3次平行测定所得的k值结果如表2所示。这些醇类化合物理化性质相似，但其k值不同，根据k值可区分醇类同系物，如甲醇(k=36.3±1.1)、乙醇(k=22.5±0.4)、异戊醇(k=29.2±0.4); 此外，正丙醇(k=26.6±0.4)和异丙醇(k=17.8±0.1)，正丁醇(k=27.2±0.2)、仲丁醇(k=19.5±0.1)及异丁醇(k=32.0±0.8)，这些结构异构体的k值也存在显著的差别。Speller等[29]设计了鉴定醇类的石英晶体微天平的传感器阵列，这种传感器阵列可以很好的鉴别醇类同系物如甲醇、乙醇、丙醇，但较难区分丙醇和丁醇的结构异构体，而本方法可快速准确地鉴别醇类的结构异构体。

表2 8种醇类化合物的k值结果

Table 2 Determination ofk-values for eight kinds of alcohols (n=3)

物质Compoundk值k⁃valueRSD(%，n=3)置信区间Confidenceinterval(P<0．05)甲醇Methanol36．31．236．3±1．1乙醇Ethanol22．50．822．5±0．4正丙醇n⁃Propanol26．60．726．6±0．4异丙醇iso⁃Propanol17．80．317．8±0．1正丁醇n⁃Butanol27．20．427．2±0．2异丁醇iso⁃Butanol32．00．932．0±0．8仲丁醇sec⁃Butanol19．50．619．5±0．1异戊醇iso⁃Pentanol29．20．929．2±0．4

4 结 论

建立了气相CCL分析系统，研究了检测条件对CCL动力学曲线的影响。结果表明，CCL信号满足指数衰减规律，且每个CCL反应均有与之相对应的描述其信号变化规律的指数方程。根据指数方程的初变量A可进行定量分析，根据衰减系数k可对分析物进行定性分析。采用CCL对8种醇类化合物进行区分，结果表明CCL可快速区分醇类同系物及结构异构体，本方法在醇类化合物监测及有机合成鉴定等领域具有一定的应用潜力。

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This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 21475153, 21605163, 21675178) and the Cultivation Project of Young Teacher in University (No. 31000-31610743)

RapidIdentificationofAlcoholCompoundsbyCyclicChemiluminescence

ZHONG Yan-Hui, LU Xiao-Tian, HUANG Wan-Ting, ZHANG Run-Kun*, LI Gong-Ke*
(SchoolofChemistry,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China)

Rapid discrimination of compounds with similar structures and properties is a hot topic in analytical chemistry. In this study, a cyclic chemiluminescence (CCL) system was designed by using nano-magnesium oxide as catalyst. The effects of reactant concentration, reaction temperature and detection wavelength on CCL analysis were studied. It was found that the CCL signal satisfied the first order exponential decay law. Each reaction had an exponential decay equation (EDE) describing its signal change law. The initial variable A was proportional to the reactant concentration. The decay-coefficientkwas a characteristic constant that was independent of the reactant concentration. For iso-butanol, it's A-values versus concentration was linear in 0.89-14.24 mg/L, the average ofk-value in this range was 32.0 with a RSD of 2.2%. Thus, qualitative and quantitative analysis could be conducted according to the A andkvalues. The system was used to analyze eight kinds of alcohol compounds, and it was found that there were significant differences in thek-values for different alcohols. For example, thek-values forn-butanol,iso-butanol and sec-butanol were 27.2±0.2, 32.0±0.8 and 19.5±0.1, respectively.

Cyclic chemiluminescence; Cataluminescence; Magnesium oxide; Alcohols

16 June 2017; accepted 7 September 2017)

10.11895/j.issn.0253-3820.171010