抗生素的光降解机理及反应路径研究
抗生素的光降解机理及反应路径研究
在含有不同光化学活性物质的水溶液中，抗生素的光降解途径可能包括直接光解、敏化光解、光氧化降解等。一般认为，活性物质存在时溶液中有机污染物的光氧化降解，与水溶液中羟自由基为代表的活性氧物质产生有关。因此，本部分实验以苯作为自由基捕获剂，通过检测苯酚生成量，考察在不同水溶液中羟自由基产生的相对数量，并尝试建立其与抗生素降解之间的关系，以便探讨不同的光化学活性物质对抗生素光降解的促进机理。此外，尝试通过液相色谱-电喷雾电离-多级质谱方法对抗生素的光降解产物进行分析，从而揭示抗生素光降解的反应路径。
1.1 方法和材料
1.1.1 仪器与试剂
1.1.1.1 试剂与材料
抗生素（磺胺类，奎诺酮类）标准试剂日本林纯药株式会社
苯（C6H6）色谱纯天津市光复精细化工研究所甲醇（CH3OH）色谱纯天津彪士奇化学有限公司
氯化亚铁（FeCl2·4H2O）分析纯天津大学科威公司
1.1.1.2 仪器与设备
400W-UVB光源（主波长313 nm，天津英泽科技有限公司）
高效液相色谱，
C18反相色谱柱（4.6 mm i.d. × 250 mm × 5 µm Waters公司，德国）
液相色谱-电喷雾电离-质谱分析采用Waters 2695型四元液相色谱与Quattro Micro TM API质谱仪（Waters 公司，美国）。
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1.1.2 实验设计
实验采用苯作为羟自由基（•OH）捕获剂，通过检测苯酚的生成量，对•OH 产生的相对量进行评估。由于在UV A或SSL光源辐射下，苯酚的生成速率较低，所需实验周期较长，而挥发、氧化等理化过程导致苯与苯酚损耗较大，会引起较大实验误差，因此采用400W-UVB光源作为实验光源。配制一系列100 mL 含有不同浓度光化学活性物质（NaNO3、NaNO2、FeCl3、FeCl2、MnCl2、H2O2）的高浓度苯溶液（含苯1.2 mmol/L）于150 mL烧杯之中，将烧杯置于盛有冰水混合物的水槽，放置在振荡器内，反应周期内溶液温度约5~10 ℃；400W-UVB 光源置于振荡器顶部，与烧杯液面垂直距离约为6.9 cm （参见图1.1）。经1 h 光辐射后取样，采用反相HPLC分析苯酚的生成浓度，扣除空白值（纯水中苯酚的光致生成浓度）后作为不同溶液中·OH的相对生成量。
为考察在不同活性物质存在时，溶液中抗生素的降解路径及产物差异，选择纯水、含H2O2（1.00 mmol/L）、含Fe（Ⅲ）（500 μmol/L）三种抗生素水溶液，考察在UV A辐射96 h光降解后溶液中降解产物的生成情况，并采用液相色谱-电喷雾电离-多级质谱检测方法，对溶液中其他降解产物进行定性分析。
1.1.3 分析方法
1.1.3.1 水溶液中羟自由基相对产生量的分析
高浓度苯可作为•OH捕获剂（式1.1-1.3），通过检测苯酚的生成量，来对•OH 产生的相对量进行估算。
配制一系列不同浓度的苯酚标准溶液（超纯水），采用反相HPLC进样分析并绘制标准曲线，色谱条件如下：流动相：甲醇/超纯水(80/20，v/v)，流速0.6 mL/min，进样量为5 μL，出峰时间约为6.6 min；荧光检测器：激发波长：270 nm；发射波长：297 nm。
反应后水溶液中的苯酚浓度使用HPLC直接进样测定。
1.1.3.2 抗生素的分析方法
用于LC-MS分析的水样经液液萃取、氮气吹干后，用0.5 mL甲醇定容。
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3 1.1.3.3 抗生素的光降解产物的LC-ESI-MS-MS 分析
使用液相色谱-电喷雾电离-多级质谱（LC-ESI-MS-MS ）对水溶液中抗生素的光降解产物进行分析。采用色谱甲醇 (A) 和水/甲醇3:1 (v/v)混合液(B)作为液相色谱流动相。在流速为0.20 mL/min 条件下，流动相A 和B 的百分比分别为90 %和10 %。在全扫描模式下，分别对经液相色谱柱分离并通过ESI 电离（+/-）的样品进行正离子和负离子扫描，
1.2 实验过程
5.2.1 不同溶液体系中羟自由基的生成
同其他活性氧物质（单线态氧、过氧化氢等）相比，•OH 的能量较高，因此在很多体系中有机物的氧化反应多主要归功于•OH [1]。通过抽氢产生有机自由基、羟基加成等反应，•OH 能无选择地和大多数有机物反应，二级反应速率达107～1010 M -1s -1[2]。•OH 与烯烃、芳香族化合物反应速率几乎可达扩散控制速率限，而对脂肪族多氯代化合物反应活性较低[3]。有机物的氧化反应受•OH 生成速率和其他•OH 清除剂竞争反应限制，而非受•OH 自身活性影响[4]。
苯与•OH 的反应具有较好的选择性，苯分子不与O 2（1△g ）等反应[5]，同时，苯酚的直接光解及被H 2O 2、O 2（1△g ）以及其它氧化剂氧化降解的速率远低于苯分子羟基化生成苯酚的速率。对于苯对•OH 捕获率，有研究者认为在含高浓度苯的溶液中，全部•OH 可被苯捕获，而也有报道认为，苯对•OH 的捕获率约为60 %。尽管看法不一，但苯作为•OH 捕获剂来检验•OH 相对生成量的方法，已在很多研究中被采用[6]。
∙∙→+OH H C HO H C 6666 （1.1）
∙
∙→+266266OHO H C O OH H C （1.2）
∙∙+→256266HO OH H C OHO H C （1.3）
一般认为，苯被水中的溶解氧等氧化成酚的产率很低[7]。但在本实验中，400W-UVB 辐射下，1 h 后空白溶液（含苯1.2 mmol/L 的超纯水）中也可检出浓度为3.09 μmol/L 的苯酚生成，而在无光照的对照实验中则没有苯酚检出，这说
