熊道文司馬小峰朱文濤方 濤陳旭東

(1.中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所,武漢,430072; 2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京,100049)

納米 TiO2及 ZnO懸浮液中·OH的生成＊

熊道文1,2司馬小峰1,2朱文濤1,2方 濤1＊＊陳旭東1

(1.中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所,武漢,430072; 2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京,100049)

采用氣相色譜法間接測(cè)定了光照下納米及常規(guī) TiO2、ZnO懸浮液中·OH的產(chǎn)生情況.結(jié)果表明,光照下常規(guī) T iO2及 ZnO懸浮液中沒有檢測(cè)到·OH,而納米 T iO2及 ZnO懸浮液在日光燈及紫外燈照射下的·OH生成量與時(shí)間之間具有較好的線性關(guān)系,120h內(nèi)溶液中·OH含量隨納米顆粒濃度 (＜200mg·l-1)的升高而逐漸升高;但當(dāng)納米顆粒濃度高于 200mg·l-1時(shí),·OH含量不再隨納米顆粒濃度升高而增加.本實(shí)驗(yàn)中不同光照條件下納米顆粒懸浮液中·OH產(chǎn)生速率各不相同,其中普通日光燈照射下·OH產(chǎn)生速率最慢、紫外光(254nm)其次、太陽(yáng)光最快,而避光條件下沒有檢測(cè)到·OH.同時(shí),·OH的產(chǎn)生與納米顆粒化學(xué)組成十分相關(guān),在日光燈照射下納米 TiO2的·OH產(chǎn)生速率為納米 ZnO的 2—4倍(200mg·l-1的納米 T iO2、ZnO在日光燈照射下的·OH生成速率分別為 0.0239mmol·l-1·h-1、0.010mmol·l-1·h-1).由于·OH是活性氧簇 (ROS)中毒性最強(qiáng)的自由基之一,所以金屬納米氧化物顆粒在不同條件下產(chǎn)生的 ROS應(yīng)作為納米材料水生態(tài)毒理學(xué)研究的主要因素之一.

納米顆粒,TiO2,ZnO,羥基自由基.

納米 T iO2及 ZnO可通過工程運(yùn)用及廢物處理等多種途徑釋放到水環(huán)境[1-2],并對(duì)水生生物產(chǎn)生毒性作用[3-5].但納米 T iO2、ZnO在水中一般團(tuán)聚為與常規(guī)顆粒十分接近的團(tuán)聚體[6],所以其毒性作用不能簡(jiǎn)單地歸結(jié)為由粒徑小、比表面積大所引起[7].研究表明光照下納米顆粒(如納米 TiO2、ZnO)會(huì)產(chǎn)生活性氧簇(ROS),如·目前已有部分研究測(cè)定了 ROS的產(chǎn)生量,并與納米顆粒毒理效應(yīng)相結(jié)合,如納米、碳納米管[11]、碲化鎘量子點(diǎn)[12]、納米 CeO2、NiO、MgO、Co3O4、ZnO等[13]在培養(yǎng)基中或細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生了 ROS并對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生損傷作用.另外 Jiang等[8]系統(tǒng)研究了粒徑大小、晶型及顆粒形態(tài)對(duì)納米 TiO2顆粒在水中產(chǎn)生ROS的影響.但這些研究只是表征了納米顆粒在特定實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的ROS生成量與毒性的關(guān)聯(lián),而沒有具體到各種不同的自由基,如·OH.·OH是一種非常活潑的非選擇性的毒性最強(qiáng)的 ROS[14],幾乎可以和所有的細(xì)胞組分反應(yīng)[15-16],納米 T iO2及 ZnO過量生成·OH可能會(huì)對(duì)水生生物造成損傷[17-18].Applerot等[19]研究表明納米 ZnO懸浮液中·OH的持續(xù)生成對(duì)其抗菌性有所提高.但目前對(duì)納米顆粒在水中生成·OH的研究都是以環(huán)境利用為主要目的[20-21].而具體將·OH與納米顆粒毒性關(guān)聯(lián)的資料還十分缺乏.

本研究利用異丙醇與·OH反應(yīng)生成丙酮這一反應(yīng)[22],采用氣相色譜分析丙酮含量間接測(cè)定·OH含量[23].以納米 T iO2、ZnO為研究對(duì)象,研究了納米及常規(guī) TiO2、ZnO懸浮液在不同條件下的·OH生成量,探討了納米 T iO2及 ZnO在光照下·OH的表觀生成動(dòng)力學(xué)模式,為金屬納米氧化物顆粒的水生態(tài)安全性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

納米 T iO2(銳鈦礦 30nm)、納米 ZnO(30nm)購(gòu)自南京工業(yè)大學(xué)納米應(yīng)用研究中心.常規(guī) T iO2(分析純,粒徑分布 300—500nm)購(gòu)自天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心,常規(guī) ZnO(分析純,粒徑分布 300—500nm)購(gòu)自天津市廣成化學(xué)試驗(yàn)有限公司.光照條件：太陽(yáng)光條件為武漢地區(qū) (北緯 30°32′,東經(jīng)114°21′)7月中旬 (9∶00—18∶00),天氣為晴天,可見光 (390—770nm)強(qiáng)度大約為 1700μmol·m-2·s-1;紫外線(200—400nm)指數(shù)為 5—6;紫外光光源為 3根 18wZ WS(254nm)系列紫外滅菌燈,光照強(qiáng)度為214μmol·m-2·s-1;普通日光燈光照實(shí)驗(yàn)在MGC-250型光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行,波長(zhǎng)分布為 380—780nm,光照強(qiáng)度為 189μmol·m-2·s-1.

實(shí)驗(yàn)中控制納米及常規(guī)顆粒懸浮液 pH值在 7—8之間,實(shí)驗(yàn)溫度為 30℃左右.超聲分散 20min配制不同濃度的納米及常規(guī) TiO2、ZnO懸浮液,分別加入 5ml 1%異丙醇及 100μl FeCl3(10mmol·l-1),混合均勻后置于 50ml石英管中,分別于不同的光照條件以及避光環(huán)境中進(jìn)行反應(yīng).于不同時(shí)間內(nèi)取 2ml懸浮液樣品,10000r·min-1離心,取上清液過 0.22μm針式過濾器(棄前 1ml濾液),濾液用 GC/F ID分析其中丙酮含量.由于異丙醇對(duì)·OH捕獲反應(yīng)的效率為 86.7%[24],因此,cOH=c丙酮/0.867.

SP3400型氣相色譜儀(北京瑞利分析儀器廠).氣相色譜條件：FFAP 30m×530μm,升溫程序?yàn)椋撼跏贾鶞?70℃保持 4min,以 30℃·min-1升溫到 250℃,保持 5min,進(jìn)樣口溫度 150℃,載氣N2,40ml·min-1, F ID檢測(cè)器溫度 300℃.丙酮及異丙醇的保留時(shí)間分別為 2.0min和 2.2min.樣品定量分析采用外標(biāo)法,丙酮及異丙醇標(biāo)準(zhǔn)曲線分別為：c丙酮=0.0146A+0.0914(R2=0.9995);c異丙醇=0.0137A+0.0555(R2= 0.9995),其中,c為標(biāo)準(zhǔn)試劑的物質(zhì)的量濃度,A為峰面積.本研究中氣相色譜對(duì)丙酮的檢測(cè)限為 0.22 mmol·l-1,相應(yīng)的對(duì)·OH的檢測(cè)限為 0.25mmol·l-1.

2 結(jié)果與討論

2.1 回收率測(cè)定

為了測(cè)定納米懸浮液對(duì)丙酮及異丙醇的吸附,以及過濾等處理過程中的濃度損失,同時(shí)測(cè)定了分析方法的回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,結(jié)果見表 1.

表 1 峰面積的回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(%)Table 1 Recovery rate and the relative standard deviations of the peak area

從表 1可以看出,異丙醇回收率在 96%以上,平均回收率為 99.04%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 2.3%;丙酮回收率在 93%以上,平均回收率為 96.8%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為 3.6%,表明本文實(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)確可靠.

2.2 光照時(shí)間的影響

圖 1為不同時(shí)間內(nèi),納米 TiO2及 ZnO懸浮液中·OH及異丙醇濃度的變化圖.

圖 1 光照時(shí)間對(duì)·OH及異丙醇濃度的影響(A：異丙醇,B：·OH)Fig.1 Effect of illumination t ime on the concentration of 2-propanol(A)and·OH(B)

從圖 1B可以看出 50mg·l-1納米 T iO2及 ZnO中·OH積累總量 (光照 120h后的·OH含量分別為2.53mmol·l-1、0.74 mmol·l-1)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加;回歸分析發(fā)現(xiàn)·OH濃度與時(shí)間之間具有很好的線性關(guān)系,其中納米 TiO2：cOH=0.0465+0.0208t(R2=0.9988);納米 ZnO：cOH=0.0096+0.0061t(R2=0.9988),cOH為·OH濃度 (mmol·l-1),t為時(shí)間(h).從圖 1A中也可以看出納米懸浮液中異丙醇的濃度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷降低,表明異丙醇與·OH反應(yīng)生成了丙酮.同時(shí)從空白組可以看出 120h內(nèi)異丙醇濃度沒有變化,表明實(shí)驗(yàn)條件下異丙醇較穩(wěn)定,沒有發(fā)生自氧化反應(yīng),是理想的·OH捕獲劑.另外,50 mg·l-1常規(guī) T iO2及 ZnO懸浮液中的異丙醇濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系顯示 120h內(nèi)在日光燈照射下沒有·OH生成.

納米 ZnO與 TiO2同屬于 n型半導(dǎo)體,在光照下發(fā)生電子躍遷,形成空穴與電子,分別與 H2O及 O2相互作用產(chǎn)生及·OH[19,25].實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納米及 ZnO均能持續(xù)快速產(chǎn)生·OH;但在相同條件下常規(guī) TiO2及 ZnO懸浮液中沒有檢測(cè)到·OH.這可能是由于納米顆粒的粒徑非常小,極大縮短了空穴和電子從晶體內(nèi)部遷移至表面的時(shí)間,降低了其復(fù)合幾率,從而提高了 ROS的生成速率[26].

2.3 納米顆粒濃度的影響

圖 2為普通日光燈照射下不同濃度納米顆粒懸浮液中·OH含量的變化.從圖 2A可以看出,120h內(nèi)納米懸浮液中·OH含量隨納米顆粒濃度 (＜200mg·l-1時(shí))的升高而升高,但濃度高于 200mg·l-1時(shí), ·OH含量不再升高(趨于一個(gè)恒定值),這可能是由于納米懸浮液 (置于石英管中)受到光照的面積一定,當(dāng)濃度超過一定值時(shí)能受到光照的納米顆粒不再增加的緣故 (據(jù)此后續(xù)實(shí)驗(yàn)中納米顆粒濃度選擇為 200mg·l-1).圖 2B中 2—100mg·l-1的納米 ZnO懸浮液在 24h的·OH含量低于檢測(cè)限(200mg·l-1及300mg·l-1懸浮液的數(shù)據(jù)沒有列出).圖 2也表明納米 T iO2在光照下的活性明顯強(qiáng)于納米 ZnO,各濃度的納米 TiO2在 5d內(nèi)累計(jì)產(chǎn)生的·OH含量約為納米 ZnO的 2—4倍.

圖 2 納米懸浮液中·OH含量與納米顆粒濃度的關(guān)系(A：納米 TiO2,B：納米 ZnO)Fig.2 Dependence of the amount of·OH on concentration of nanoscale TiO2(A)and ZnO(B)

2.4 光照條件的影響

不同光照條件下,200mg·l-1納米 T iO2及 ZnO懸浮液中·OH含量的變化見圖 3.從圖 3可以看出,在單位時(shí)間內(nèi)納米顆粒懸浮液不同光照條件下·OH產(chǎn)生量各不相同,其中太陽(yáng)光照射下·OH生成量最高(9h時(shí)納米 TiO2、ZnO懸浮液中·OH產(chǎn)生量分別為 1.68、0.93 mmol·l-1),紫外光照射下其次 (24h時(shí)納米 TiO2、ZnO懸浮液中·OH產(chǎn)生量分別為 1.94、1.08 mmol·l-1),普通日光燈照射下最低 (24h時(shí)納米TiO2懸浮液中·OH產(chǎn)生量為 0.79mmol·l-1;納米 ZnO懸浮液中的·OH產(chǎn)生量低于檢測(cè)限).

圖 3 光照條件對(duì)·OH產(chǎn)生的影響(A：日光燈,B：紫外光,C：太陽(yáng)光(9∶00—18∶00))Fig.3 Effect of illumination light source on the amount of·OH in suspensions(A：fluorescent lamp,B：UV-light,C：sunlight(9∶00—18∶00))

圖 3可見太陽(yáng)光照射下納米顆粒中·OH的生成速率約為普通日光燈照射下的 10倍,這可能與光照強(qiáng)度有較大關(guān)系,7月中旬武漢地區(qū)太陽(yáng)光強(qiáng)度及紫外線指數(shù)(5—6)均較高.紫外光照射下·OH的產(chǎn)生量為日光燈照射下的 3—5倍,表明不同波長(zhǎng)的光線對(duì)納米顆粒產(chǎn)生·OH的影響較大.從圖 3B還可以看出納米顆粒懸浮液在紫外光照射下·OH的產(chǎn)生量與時(shí)間也具有較好的線性關(guān)系;但太陽(yáng)光照射下·OH與時(shí)間之間的線性關(guān)系并不明顯(特別是 TiO2),這可能與太陽(yáng)光強(qiáng)度及紫外線指數(shù)在一天之中并不均勻有關(guān) (上午及下午相對(duì)較低,中午較強(qiáng)),同時(shí)實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)中午時(shí)納米顆粒懸浮液中·OH生成速率相對(duì)最高.另外暗反應(yīng)條件下(避光)沒有檢測(cè)到·OH.

由此可見,本實(shí)驗(yàn)體系中納米顆粒需要在光照下才能產(chǎn)生·OH,并且光照強(qiáng)度及光線波長(zhǎng)對(duì)·OH的產(chǎn)生影響較大.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在 pH值及溫度等條件一定的情況下,·OH生成速率可能只與納米顆粒濃度及光照條件有關(guān).

2.5 ·OH產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)不同濃度及光照條件下納米懸浮液中·OH的生成反應(yīng)進(jìn)行表觀動(dòng)力學(xué)分析,結(jié)果見表 2.表 2表明·OH的生成反應(yīng)符合表觀零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模式,即 cOH=a+k×t,其中 k為·OH生成速率,cOH為·OH濃度,t為反應(yīng)時(shí)間.從 k值可以看出·OH生成速率隨納米顆粒懸浮液濃度的升高而升高(50、100、200和 300mg·l-1納米 TiO2在日光燈照射下的·OH生成速率分別為 0.0208 mmol·l-1·h-1、0.0224 mmol·l-1·h-1、0.0239 mmol·l-1·h-1和 0.0244 mmol·l-1·h-1);紫外光照射下·OH的生成速率明顯高于日光燈照射(以 200mg·l-1納米 T iO2為例,·OH生成速率分別為 0.0825mmol·l-1·h-1、0.0239 mmol·l-1·h-1).由于太陽(yáng)光強(qiáng)度隨著時(shí)間的變化而變化,受天氣條件的影響也有較大波動(dòng),因此沒有對(duì)太陽(yáng)光照射下納米顆粒中·OH生成反應(yīng)進(jìn)行表觀動(dòng)力學(xué)模式分析.

表 2 ·OH生成的表觀動(dòng)力學(xué)分析Table 2 Kinetics analyses of·OH generation

光照下納米 TiO2的活性較納米 ZnO強(qiáng)[3],表觀動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)日光燈照射下納米 TiO2中·OH產(chǎn)生速率為納米 ZnO的 2—4倍 (200mg·l-1的納米 TiO2、ZnO在日光燈照射下的·OH生成速率分別為0.0239mmol·l-1·h-1、0.010 mmol·l-1·h-1),表明化學(xué)組成對(duì)納米顆粒產(chǎn)生·OH的速率具有一定影響,可能是不同化學(xué)組成顆粒的晶體結(jié)構(gòu)以及表面特征各異所造成.

3 結(jié)論

納米 T iO2及 ZnO懸浮液在光照下能持續(xù)產(chǎn)生·OH,其生成反應(yīng)符合表觀零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模式.當(dāng)pH值及溫度一定時(shí),納米懸浮液中·OH的生成速率與光照條件、納米顆粒濃度及納米顆粒的化學(xué)組成極其相關(guān).同時(shí)光照下納米 T iO2懸浮液中·OH的生成速率高于納米 ZnO,本實(shí)驗(yàn)中不同光照條件下,納米懸浮液中·OH的生成速率為：太陽(yáng)光 ＜紫外光 ＜日光燈.

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ABSTRACT

Using 2-propanol as a scavenger to produce acetone,the hydroxyl radicals(·OH)produced in nanoparticle suspensionswas deter mined by GC/F ID.The results show that no·OH was found in bulky TiO2and ZnO suspension,while both the nano-sized TiO2and ZnO suspensions generated·OH with light illumination,and the·OH generation kinetics follows pseudo-zero-order reaction model under UV-light and white-light.Under light illumination, the amount of·OH in suspension increased with nanoparticle concentration(＜200mg·l-1),and reached the maximum when the concentration was higher than 200 mg·l-1.The rate of generation reaction was different for each illumination condition,which was highest for sunlight,followed by UV-light, then fluorescent lamp respectively. However,no·OH was found in nanoparticle suspension in the dark.The chemical composition also affected the·OH generate rates,and the activity of nanosized TiO2is abouttimes higher than nanosized ZnO(the rates for generation of·OH in 200mg·l-1nano-sized TiO2and ZnO are 0.0239mmol·l-1·h-1,0.010mmol·l-1·h-1respectively.Since·OH is one kinds of most toxic ROS,the results implicated that aquatic biological and toxicological studies using nanomaterials should take into consideration ROS produced by nanoparticle suspension underlight illumination.

Keywords:nanoparticle,T iO2,ZnO,hydroxyl radicals.

GENERATI ON OF HYDROXYL RAD ICALS IN NANOSCALE TiO2AND ZnO SUSPENSI ONS

X IONG Daowen1,2SIMA X iaofeng1,2ZHU W entao1,2FANG Tao1CHEN Xudong1
(1.Institute of Hydrobiology,Chinese Academy of Sciences,Wuhan,430072,China; 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing,100049,China)

2009年 9月 17日收稿.

＊國(guó)家水專項(xiàng)課題項(xiàng)目(2008ZX07103-001).

＊＊通訊聯(lián)系人,Tel：027-68780710;E-mail：fangt@ihb.ac.cn