大黄酚在水中的光解特性研究

刘雁雨，周艳明，魏京华，田建利，袁善奎

(农业农村部农药检定所，北京 100125)

1 前言

大黄酚(Chrysophanol)，化学名称为1，8-二羟基-3甲基-9，10-蒽醌，分子式C15H10O4，是一种天然蒽醌类化合物，为蓼科植物大黄中的一种有效成分单体[1]。近年来，随着化学农药环境风险的日益暴露，利用植物源材料开发新型农药逐渐成为研究热点，目前已有多种植物源活性成分的农药取得登记并成功应用[2]。郭庆港等[3]研究发现，大黄酚在防治黄瓜霜霉病中起主要作用。因此，大黄酚有望作为新的植物源农药获得登记。

农药的光解特性是农药环境行为的重要组成部分，是影响农药在环境中归趋的重要因素之一，也是评价农药对生态环境安全性的重要指标之一[4]。目前，国内对大黄酚的研究主要集中在提取工艺、分析方法及药理药效等方面[5-7]，但有关大黄酚在水中光解的研究尚未见报道。一般来说，影响水中光解的因素主要有初始浓度、光照强度、pH值等[8]，因此本文在研究大黄酚在水中光解特性时，主要考虑初始浓度、光照强度及pH缓冲溶液的影响，以期了解大黄酚的迁移转化规律，为其安全性评价及合理使用提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 仪器与试剂 XT5409光稳定性试验箱，光源：人工氙弧灯，光照时石英试管距光源10cm；Waters 2996高效液相色谱仪；SG98多参数测试仪；BP211D分析天平；QL-901 Vortex涡旋混合器；0.22μm有机相针式滤器。

大黄酚(98%)由成都瑞芬思生物科技有限公司提供；甲醇、二氯甲烷(色谱纯)；甲酸(色谱纯)；邻苯二甲酸氢钾(分析纯)；氢氧化钠(分析纯)；磷酸二氢钾、硼酸、氯化钾(分析纯)。

2.2 试验方法

2.2.1 大黄酚标准溶液的配制 储备液的配制：称取大黄酚标样0.1g(精确至0.000 1g)，置于100mL容量瓶中，用甲醇溶解并稀释定容至刻度，摇匀。

系列标准溶液的配制：吸取不同体积的储备液，以甲醇为溶剂，配制质量浓度为0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、15mg/L的大黄酚系列标准溶液。

2.2.2 缓冲溶液的配制 pH值4.0、7.0、9.0缓冲溶液的配制参照GB/T 31270.2《化学农药环境安全评价试验准则》水解试验部分[9]中Clark-Lubs缓冲溶液配制方法。

2.2.3 仪器条件 色谱柱：Venusil XBP C18柱(4.6mm×250 mm， 5 μm)；流动相：甲醇-0.1%甲酸/水溶液=90/10(V:V)；检测器：二极管阵列检测器；流速：1.000 mL/min；检测波长：225.2nm；柱温：30℃；进样量：10μL。

此条件下大黄酚的保留时间约为10.982min。

2.2.4 样品前处理方法 取10mL水样(加标样品及实际待测样品)于棕色玻璃瓶中，加入10mL二氯甲烷，涡旋振荡1min，待分层后取下层有机相1.0mL于玻璃管中，氮吹至干，加入1.0mL甲醇，充分溶解后过0.22μm有机滤膜，待测。

2.2.5 不同质量浓度对大黄酚的光解影响 分别吸取1 000 mg/L的大黄酚试验母液0.2、0.5、1mL于100mL容量瓶中，用纯水定容，配制成2.0、5.0、10.0mg/L的大黄酚水溶液。将不同质量浓度(2.0、5.0、10.0mg/L)的大黄酚水溶液分装在石英管中，待光稳定性试验箱稳定后将石英管置于光解仪中，光源为人工氙灯，光照强度为4 000 lx，石英管距光源10cm，启动转动电机使反应液均匀受光，试验温度为25℃，试验过程中定时取样并测定水中大黄酚的残留浓度，设置2个平行，同时设置黑暗对照组。

2.2.6 不同光照强度对大黄酚的光解 将质量浓度5.0mg/L的大黄酚水溶液分装在石英管中，分别置于光照强度为4 000、8 000 lx的光稳定性试验箱中，试验温度为25℃，试验过程中定时取样并测定水中大黄酚的残留浓度。

2.2.7 不同pH值缓冲溶液对大黄酚水中光解的影响 取0.5mL的1 000mg/L大黄酚标准溶液于100mL容量瓶中，用不同pH值(4、7、9)的缓冲溶液定容，得到5.0mg/L大黄酚的试验溶液，将溶液分装于石英管中，光照强度为4 000 lx，试验温度为25℃，试验过程中定时取样并测定水中大黄酚的残留浓度。

2.3 统计方法与计算公式 对大黄酚水中光解试验数据用一级动力学方程拟合，可通过Ct=C0e-kt，由该式可以推得半衰期t1/2=ln2/k。

式中：C0为供试物初始质量浓度(mg/L)，Ct为t时的供试物质量浓度(mg/L)，k为降解速率常数(min-1或h-1)，t为光照时间(min或h)，t1/2为半衰期(min或h)。

用公式w(%)=(C0-Ct)/C0×100%来计算光降解率，式中：w表示光解率(%)，C0为供试物初始质量浓度(mg/L)，Ct为t时的供试物质量浓度(mg/L)。

3 结果与讨论

3.1 标准曲线及线性范围 以大黄酚的质量浓度为横坐标，峰面积为纵坐标进行线性回归，结果表明：大黄酚在0.1～15mg/L范围内具有良好的线性关系，标准曲线方程为y=100761.2157x+1526.7388，R2 = 1.000 0。分析方法最小检出量(LOD)为2×10-9g。

3.2 方法的准确度和精密度 方法的准确度和精密度通过添加回收率和变异系数来表示。在空白水样中加入一定量的大黄酚标准溶液，使添加浓度分别为0.2、1.0、10mg/L。每组设定5个平行，按照2.2.4所述前处理方法测定水中大黄酚的含量，添加回收率结果(表1)。结果表明：大黄酚在水中的平均回收率为89.0%～104.2%，变异系数为1.5%～6.8%。方法的准确度和精密度均满足农药残留分析的要求[10]，水中最小检出质量浓度(LOQ)为0.2mg/L。

表1 大黄酚水中添加回收率

3.3 不同初始质量浓度对大黄酚水中光解的影响 不同质量浓度下大黄酚在水中的光解动态曲线图(图1)。由图可见，随着光解反应时间的延长，其质量浓度均呈逐渐下降的趋势，并且前24h，质量浓度变化较快，而后趋于平缓。当反应进行到192h时，2.0mg/L的光解率达92.6 %，而5.0和10.0mg/L的光解率仅为46.1%和28.6%；黑暗条件下，反应进行至192h时，2.0、5.0和10.0mg/L的光解率分别为2.1%、3.6%和5.7%，可见，光照是影响大黄酚降解的主要因素，且随着大黄酚初始质量浓度的增大，其光解速率逐渐减缓，降解时间逐渐延长。对大黄酚在水中的光解数据进行回归分析，结果(表2)，不同质量浓度下大黄酚的光解均符合一级动力学方程，2.0、5.0和10.0mg/L的半衰期分别为66h、239h和433h。按照一级动力学模型，降解半衰期应与浓度无关，出现不同浓度间半衰期差别较大的原因可能是由于反应截止时，5.0和10.0mg/L大黄酚的降解率均<50%，其半衰期是通过一级动力学外推得到。根据我国农药的光解特性等级划分标准[11]，在25℃、光照强度为4 000lx条件下，大黄酚在水中的光解性能为难光解。

图1 不同质量浓度下大黄酚在水中的光解动态曲线

表2 不同质量浓度下大黄酚的光解动力学参数

试验质量浓度(mg/L)光照强度(lx)时间段(h)降解动力学方程(y=)r2半衰期(h)降解等级2.04 000.00～1921.748 8e-0.010 5x0.934 166难光解5.04 000.00～1924.375 0e-0.002 9x0.912 4239难光解10.04 000.00～1928.692 4e-0.001 6x0.878 0433难光解

3.4 不同光照强度对大黄酚水中光解的影响 不同光照强度下5.0mg/L大黄酚在水中的光解动态曲线图(图2)。由图可见，前6h，在4 000 lx和8 000 lx光照强度下，相同时刻其残留质量浓度区别不大；6h以后，随着反应的进行，8 000 lx光照强度下大黄酚的光解速率明显>4 000 lx，当反应进行到192h时，8 000 lx光照强度下大黄酚的光解率达87.3%，而4 000 lx光照强度下大黄酚的光解率仅为47.6%。对数据进行回归分析，结果(表3)，不同光照强度下大黄酚的光解均符合一级动力学方程，半衰期分别为239h和77h，即同一质量浓度，8 000 lx光照强度下的半衰期明显低于4 000 lx 光照强度下的半衰期。因此，增加光照强度可促进大黄酚的光解。

图2 不同光照强度下大黄酚在水中的光解动态曲线

表3 不同光照强度下大黄酚的光解动力学参数

3.5 不同pH值缓冲溶液对大黄酚水中光解的影响 大黄酚在不同pH值缓冲溶液中的光解动态曲线图(图3)。由图可见，与pH4和pH7相比，pH值为9时可显著促进大黄酚的光解，12h时大黄酚的光解率达94.5%；而在pH4和pH7的缓冲溶液中，大黄酚的光解偏于稳定，其中，pH4时的光解速率略低于pH7，反应进行到192h时，其光解率分别为72.3%和88.7%。对数据进行回归分析得到(表4)所示结果：不同pH值缓冲溶液中大黄酚的光解均符合一级动力学方程，半衰期分别为107h、71h和3h，说明随着pH值的增大，降解速率加快，其中，OH-可显著促进大黄酚的光解，而H+对大黄酚的光解有一定的延缓作用。

图3 大黄酚在不同pH值缓冲溶液中的光解动态曲线

表4 不同pH值缓冲溶液中大黄酚的光解动力学参数

4 结论

采用室内模拟法研究了大黄酚在不同因素条件下的光解动态，结果表明：①大黄酚在不同条件下的水中光解均符合一级动力学方程，其中，前期降解速率较快，随着反应的进行，光解速率逐渐趋缓。②初始质量浓度越大，光解反应时间越长；光照强度越大，光解越快；偏酸条件对大黄酚的水中光解有一定的抑制作用，偏碱环境可显著促进大黄酚的水中光解。③根据我国农药的光解特性等级划分标准，大黄酚在水中的光解性能为难光解。