научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЛЮМИНОЛА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В РЕАКЦИИ ФЕНТОНА Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЛЮМИНОЛА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В РЕАКЦИИ ФЕНТОНА»

ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2011, том 45, № 6, с. 543-547

= ФОТОХИМИЯ =

УДК 535.426

ВЛИЯНИЕ ЛЮМИНОЛА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В РЕАКЦИИ ФЕНТОНА

© 2011 г. Н. А. Аристова*, И. П. Иванова**, С. В. Трофимова**, Д. И. Князев**, И. М. Пискарев***

* Нижнетагильский технологический институт (филиал) УрФУ 620031, Свердловская обл., Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59 ** Нижегородская государственная медицинская академия федерального агентства по здравоохранению и

социальному развитию 603005, Нижний Новгород, пл. Минина и Пожарского, 10/1 *** Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного

университета имени М.В. Ломоносова 119992, Москва, Ленинские горы, 1

E-mail: i.m.piskarev@gmail.com Поступила в редакцию 09.03.2011 г. В окончательном виде 11.04.2011 г.

Рассчитана кинетика окисления Fe2+ и накопления продуктов окисления люминола в реакции Фентона при рН 2. Оценены характеристики процесса в нейтральной (рН 6) и щелочной (рН 12) средах. Результаты расчета сравниваются с экспериментальными данными выхода хемилюминес-ценции, индуцированной реактивом Фентона и люминолом. Показано, что ионы трехвалентного железа подавляют свечение люминола. Присутствие в образце железа или других металлов переменной валентности может значительно снижать квантовый выход хемилюминесценции после введения люминола.

Оценка интенсивности свободно-радикальных реакций в многокомпонентных органических субстратах (клетки, ткани) представляет интерес для биомедицинских исследований. Собственная люминесценция биологических образцов крайне мала — это сверхслабые свечения. Именно поэтому в настоящее время используются различные активаторы свободно-радикальных процессов, увеличивающие квантовый выход люминесценции (кумарин, реактив Фентона, люминол и т.д.). Обзор физических и химических аспектов, связанных с люминесценцией, дается в работах [1—3]. Методы с использованием реакции Фентона, когда генерируются в основном ОН* радикалы, широко используются для анализа прооксидантной и антиоксидантной активности в биологических образцах. Однако результаты исследований, в которых применяется реактив Фентона, интерпретируются неоднозначно. Так, по одним источникам, реактив Фентона вводят при моделировании окислительного стресса и для оценки потенциальной способности субстрата к окислению [4, 5]. В других источниках по интенсивности хеми-люминесценции, индуцированной реактивом Фен-тона, судят об уровне свободно-радикальных реакций и антиоксидантной активности в биологическом образце [6, 7]. Следует также отметить, что информации о времени протекания реакции Фен-тона в литературе нет, поэтому время наблюдения

выбирается произвольно (от 30 секунд до нескольких часов).

Известно, что наиболее интенсивное свечение люминола регистрируется в щелочной среде [2]. Биологические пробы имеют рН ~ 6.8—7.8. В этих условиях введение люминола если и увеличивает свечение, то незначительно. Изменение рН для биологических проб недопустимо, так как приводит к необратимым изменениям в клетке и искажает результаты исследования. Изучение продуктов, времени реакции, и подбор оптимальных концентраций реагентов для наблюдения хемилюминесценции с использованием реактива Фентона и люминола является актуальным, в частности, для биологических и медицинских исследований.

Поэтому целью настоящей работы было исследование интенсивности хемилюминесценции в воде с реактивом Фентона и люминолом при различных рН и концентрациях пероксида водорода, сульфата железа, люминола. В задачи исследования входило составление кинетической модели реакции Фенто-на, расчет характеристик реакции в кислой, нейтральной и щелочной среде, сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Световое излучение регистрировалось прибором БХЛ-06 (Н. Новгород). Калибровку прибора осуществляли по эталонному источнику света известной интенсивности. Объем пробы составлял 1 мл в экспериментах без люминола: 0.4 мл Н2О, 0.4 мл Бе804, 0.2 мл Н2О2 и 1.1 мл с люминолом (объем люминола 0.1 мл). Кювета с пробой располагалась почти вплотную к фотокатоду ФЭУ, что обеспечивало высокую эффективность регистрации. Измерения проводились в кислой (рН 2), нейтральной (рН 6) и щелочной (рН 12) средах. Растворы перекиси водорода требуемой концентрации готовили предварительно, растворы Бе804 — непосредственно перед началом эксперимента, на воде с рН 2, рН 6 или рН 12, исходя из условий эксперимента. Значение рН контролировали рН-метром рН-150М (г. Гомель) Воду до рН 2 доводили добавлением Н2804, до рН 12 — №0Н. Использовались реактивы ЧДА, дважды дистиллированная вода (рН 6). Все пробы промеряли в 10—15 повторностях.

Регистрацию хемилюминесценции начинали через 0.5—1.0 с после добавления перекиси и Бе804. Это время необходимо для ввода перекиси и перевода кюветы в режим измерения хемилюминесцен-ции. Перед измерением и сразу после каждого измерения регистрировался фон, вычитаемый автоматически. Кислая среда использовалась в связи с тем, что в ней исходное двухвалентное железо стабильно, а образующееся трехвалентное железо не выпадает в осадок. Это дает возможность корректно выполнить расчет процесса. Чистота растворов и состав продуктов реакции на разных стадиях контролировались по УФ-спектрам с помощью прибора Флюорат-02 Панорама (Санкт-Петербург). В частности, концентрация трехвалентного железа измерялась по пику поглощения при X = 304 нм, коэффициент экстинк-ции е = 2200 моль л-1 см-1). Решение системы уравнений химической кинетики осуществляли с помощью пакета Ма&Саё 11.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Кинетическая модель процесса. Модель процесса в кислой среде включает реакции (1)—(17) (таблица). Концентрации ионов 0Н— и Н+ (рН раствора) задавались в виде коэффициентов. Модель включает взаимодействие двухвалентного железа с перекисью водорода и последующее образование радикалов

0Н*, Н02, 02-, и синглетного кислорода; диссоциацию перекиси водорода Н202 ^ Н0- + Н+, рКа = = 11.5 (реакции (12), (13)) и равновесие Н02 ^ Н+ +

+ 02-, рКа = 4.8 (реакции (7), (8)). Значения констант скорости реакций приведены из [8].

При протекании реакции Фентона в нейтральной и щелочной средах трехвалентное железо выпа-

дает в осадок после реакции Бе3+ + 30Н— ^ ^ Бе(0Н)3^ (реакции (18), (19)). Константы скорости этих реакций оценены на основании наблюдения времени образования осадка.

Кинетика окисления Бв2+. Рассчитана зависимость количества актов окисления М(Бе2+ ^ Бе3+) в кислой среде (рН 2) для случая [Бе2+] > [Н202] при [Н202] = 10—6 моль/л при различной длительности регистрации ХЛ. Сюда включались как первично окисляемые ионы Бе2+, вводимые с реактивом, так и ионы Бе2+, восстановленные в реакции (реакция (11)) из ионов Бе3+. Для всех концентраций Бе2+ от 10—2 до 10—5 моль/л величина М(Бе2+ ^ Бе3+) достигает предельного значения 2 х 10—6 моль/л, т.е. 2 х х [Н202]. Предел определяется тем, что перекись водорода двухнормальна. Процесс окисления прекращается, когда перекись оказывается полностью израсходованной.

При [Бе2+] < [Н202] и рН 2 введенное в пробу двухвалентное железо быстро расходуется. Трехвалентное железо будет восстанавливаться в двухвалентное (реакция (11)), и процесс будет идти до полного расходования перекиси, а его скорость определяется скоростью восстановления Бе3+. Установлено, что число актов окисления М(Бе2+ ^ ^ Бе3+) существенно превышает количество ионов [Бе2+], первоначально введенных в раствор. Это обусловлено цепными реакциями, на поддержание которых расходуется перекись, т.е. "регенерацией" ионов двухвалентного железа, образованных в реакции (11).

Рассчитанная кинетика подтверждается спек-трофотометрическими измерениями пика поглощения при X = 304 нм, связанного с образованием трехвалентного железа. При условии [Бе2+] > [Н202] время реакции (время уменьшения концентрации [Бе2+] в 100 раз) составляет 6, 60, 600 и 6000 с для [Бе2+] = 10—2, 10—3, 10—4 и 10—5 моль/л соответственно.

В кислой среде (рН 2) основным агентом, окисляющим двухвалентное железо до трехвалентного, является пероксид водорода и радикалы ОН * (реакции (1) и (4). Концентрации активных частиц, образующихся в растворе Фентона при [Бе2+] = 10—3 и [Н202] = 10—4 моль/л, рН 2 за время до 60 с с начала реакции, представлены на рис. 1. Видно, что основными активными частицами являются гидрок-сильные радикалы, однако в начале реакции, когда не наработаны ионы Бе3+, концентрация супероксидных радикалов 02- намного больше. Ионы трехвалентного железа расходуют супероксидные радикалы, и когда Бе3+ еще нет, радикалы 02- быстро накапливаются.

В нейтральной среде (рН 6) определяющую роль в окислении двухвалентного железа и выпадении в осадок трехвалентного железа играет его взаимодей-

Константы скорости реакций в растворе Фентона

№№ Реакция Константа скорости, л/(моль с), [8]

1 Бе2+ + H2O2 ^ Бе3+ + OH' + OH- к1 = 56

2 OH' + Н^ ^ HO2 + ню к2 = 3 х 107

3 нo2 + нo2 ^ н2o2 + o2 к3 = 8.3 х 105

4 Бе2+ + OH' ^ Бе3+ + OH- к4 = 3 х 108

5 OH' + OH' ^ H2O + 1/2О2 к5 = 5.5 х 109

6 OH' + нo2 ^ H2O + O2 к6 = 7.1 х 109

7 нo2 ^ н+ + o2- к7 = 7.5 х 106

8 н+ + o2- ^ нo2 к8 = 1.2 х 102 рКа = 4.8

9 нo2 + o2- ^ нo- + o2 к9 = 9.7 х 107

10 нo2 + oн- ^ o2- + н2o кю = 1010

11 O2- + Бе3+ ^ Бе2+ + O2 к11 = 1.9 х 109

12 H2O2 ^ нo- + н+ к12 = 2 х 10-2

13 нo- + н+ ^ H2O2 к13 = 1010; рКа = 11.5

14 oн' + нo- ^ нo2 + oн- к14 = 7.5 х 109

15 Ьиш + OH' ^ LOOH' к15 = 8.7 х 109 [9]

16 LOOH' + O2- ^ Р* к16 = 1

17 o2- + oн' + н+ ^ нр + o2(5) к17 = 1010

18 Бе3+ + 3OH- ^ Fe(OH)3; к18 = 1 (рн 6)

19 Бе3+ + 3OH- ^ Fe(OH)3; к19 = 106 (рн 12)

ствие с гидроксид-ионами (реакция (18)). Однако при регистрации хемилюминесценции в течение 600 с влияние этих процессов не существенно, и справедливы оценки, сделанные для кислой среды. В сильнощелочной среде (рН 12) эти процессы ускоряются (реакция (19)), но на начальной стадии реакции (до 30 с) предложенная модель может быть применена для оценки особенностей кинетики процесса.

Свечение с люминолом. Для увеличения квантового выхода хемилюминесценции раствора вво

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»