在使用对苯二甲酸的基于荧光的羟基自由基剂量测定方法中，内部滤光器引入的偏差

《Talanta》：Inner-filter-induced bias in fluorescence-based hydroxyl radical dosimetry using terephthalic acid

羟基自由基荧光测定中内滤波效应的发现与机制分析，等离子体处理导致光吸收副产物生成，显著降低荧光信号，需改进检测方法。

　　

Van-Phuoc Thai|Toru Sasaki

越南胡志明市HCMC工程技术大学机械工程学院，邮编71307

摘要

基于荧光的对苯二甲酸（TA）剂量测定方法被广泛用于水系统中羟基自由基（OH）的定量分析。该方法隐含地假设样品的光学性质在分析过程中保持不变，并且检测到的荧光完全来自2-羟基对苯二甲酸（2-hTA）。然而，我们在等离子体-液体相互作用条件下证明了这一假设可能不成立，从而导致显著的分析偏差。我们发现，TA溶液在等离子体处理后会产生吸收光的副产物，这些副产物的荧光量子产率较低，从而引发明显的一级和二级内滤光效应。这些效应会减弱310 nm处的激发光，并重新吸收425 nm处的发射光，导致用于OH定量分析的荧光信号被系统性地抑制。因此，即使在通常被认为没有光学干扰的早期反应阶段，OH自由基的浓度也会被显著低估。结合激发-发射映射和高分辨率透射电子显微镜的光谱分析证实，等离子体产生的碳基纳米结构显著影响了系统的紫外-可见光吸收，是导致观察到的干扰现象的根源。这些发现揭示了基于荧光的TA剂量测定方法在等离子体处理系统中的根本局限性，并强调了考虑内滤光效应或采用互补诊断策略的必要性，以确保对荧光测定的可靠定量解释。

引言

在高反应性氧物种（ROS）的准确定量方面，基于荧光的化学剂量测定仍面临根本性挑战，尤其是在样品的光学性质可能在分析过程中发生变化的化学侵蚀性环境中。在ROS中，OH自由基在调控氧化途径、化学反应性和水系统中的能量传递方面起着核心作用。因此，可靠地确定OH浓度对于正确解释反应机制以及评估各种化学和物理化学环境下的过程性能至关重要[1]，[2]。

在现有的分析方法中，对苯二甲酸（TA）剂量测定作为一种基于荧光的OH自由基定量方法被广泛使用。该方法依赖于TA与OH之间的快速反应生成2-羟基对苯二甲酸（2-hTA），其反应速率常数为$10^9$ M^?1 s^?1 [3]，[4]。由于2-hTA在310 nm处有强吸收，在425 nm处有特征荧光发射（图1a），因此通常认为荧光强度与OH浓度成正比。由于其简单性、选择性和低检测限，TA剂量测定已成为包括等离子体-液体相互作用（PLI）、辐射化学和水解在内的多个领域中广泛接受的OH自由基检测方法[5]，[6]，[7]，[8]，[9]。

重要的是，TA剂量测定本质上是一种基于荧光的分析方法，因此依赖于几个隐含的假设。最关键的是，它假设（i）2-hTA是唯一贡献于检测信号的荧光物种；（ii）溶液的光学性质在测量过程中保持不变。在这种理想条件下，由激发或发射波长处的吸收引起的内滤光效应（IFE）可以忽略不计，测得的荧光强度能够准确反映目标分析物的浓度[10]。然而，当TA剂量测定应用于等离子体-液体相互作用等化学侵蚀性环境时，这些假设的有效性尚未经过系统验证。

在大多数PLI研究中，TA剂量测定反复显示出特征性的两阶段荧光行为（如图1b所示）：在等离子体照射的最初几分钟内荧光强度线性增加，随后在更长的处理时间内荧光强度增长放缓或出现饱和[5]，[6]，[7]，[11]，[12]，[13]。这种两阶段行为并未被报道为常规化学系统中的普遍现象，似乎是特定于化学极端环境的。通常将其解释为反应动力学的结果，其中OH–TA的一级反应与其他反应物种（如H${}_2$${}_2$${}_2$（表1）[1]，[14]，[15]，[16]中的竞争反应。此外，之前的声化学和放射分解系统研究表明，由于竞争反应路径、多种羟基化产物的形成以及非荧光物种的生成，基于TA的剂量测定可能会低估OH的产量[17]，[18]，[19]。虽然这种动力学解释是合理的，但它们隐含地假设荧光信号完全来自2-hTA，并且溶液的光学性质在整个测量过程中保持不变。

在等离子体-液体相互作用系统中，极端的物理化学环境（包括高能电子、自由基、紫外线辐射、冲击波和瞬态热点）会促进多种吸收光的副产物的形成，包括碳纳米点、寡聚物和氧化芳香烃[14]，[20]，[21]，[22]。当这些物种与目标荧光团同时形成时，它们可以引发一级和二级内滤光效应，减弱激发光并重新吸收发射的荧光，从而影响TA剂量测定的定量可靠性。在其他化学侵蚀性系统中使用TA剂量测定时也存在类似情况，例如$\gamma$-水溶液的放射分解，其中OH自由基与多种二级产物同时生成[8]，[9]。在这些环境中，高能电子、光子和自由基可以引起有机分子的广泛断裂、氧化和碳化，可能产生额外的吸收光物种，从而违反可靠荧光定量所需的基本条件。

然而，迄今为止，尚未有系统研究批判性地探讨在等离子体-液体相互作用条件下形成的副产物是否干扰TA剂量测定，或者常见的荧光饱和行为是反映了OH反应动力学，还是由于溶液吸光度的变化引起的光学干扰。这一空白提出了一个根本性的分析问题：TA荧光的明显平台期是否真正代表了OH的消耗动态，还是主要由内滤光效应引起的失真所主导？

在这项工作中，我们证明了常压等离子体处理TA溶液会产生强吸收光的副产物，包括荧光量子产率较低的碳纳米点，这些副产物引发明显的一级和二级内滤光效应。这些效应显著减弱了2-hTA的激发和发射光，导致即使在通常认为没有光学干扰的时间范围内，OH自由基的浓度也被系统性地低估。我们的发现揭示了基于荧光的TA剂量测定在化学侵蚀性条件下的根本局限性，并强调了考虑内滤光效应或采用互补诊断策略的必要性，以确保对荧光测定的可靠定量解释。

实验程序

图2a展示了本实验中使用的装置，用于在10 mL 5 mM NaTA溶液中产生PLI。对苯二甲酸二钠盐（NaTA）购自Wako Pure Chemical Industries, Ltd.；2-羟基对苯二甲酸（2-hTA）和硫酸奎宁（QS）购自Sigma-Aldrich（英国）。样品制备过程中使用了去离子水。一个含有10 mL 5 mM NaTA的玻璃烧杯被放置在高电压电极下，该电极连接到一个高压电源。

结果与讨论

光学发射光谱（图2c）在309 nm附近显示出一个明显的OH（A–X）带，表明在等离子体相中生成了OH自由基。这些OH自由基随后与NaTA溶液相互作用并生成2-hTA，如图1a所示[5]，[6]，[7]。在等离子体处理过程中，在等离子体-液体界面下方观察到一个薄薄的蓝色发光层（图2a），这与近紫外等离子体激发产生的2-hTA的局部荧光一致。

结论

总之，本研究表明，在等离子体-液体相互作用系统中使用TA剂量测定检测OH自由基存在关键的分析局限性。当等离子体照射同时生成额外的吸收光副产物时，传统的假设（即2-hTA的荧光强度直接反映OH自由基浓度）不再成立。本文发现的碳纳米点作为典型的等离子体生成副产物，表明...

CRediT作者贡献声明

Van-Phuoc Thai：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，研究设计，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。Toru Sasaki：撰写 – 审稿与编辑，数据管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。