一种测定腐殖质抗氧化能力的系统和方法与流程

本发明涉及环境电化学技术领域，更具体地说，是涉及一种测定腐殖质抗氧化能力的系统和方法。

背景技术：

腐殖质(humicsubstances，简称hss)是水体、土壤中动植物残体经过长期的物理、化学、生物等作用转化而成的一类高分子化合物。在厌氧条件下，hss可作为电子中介体接受来自微生物呼吸作用的电子，具有加快微生物与胞外电子受体之间电子穿梭特性；在好氧条件下，可释放电子，与氧化性物质反应，因此具有抗氧化特性。hss的抗氧化特性主要是由于其结构中的酚。酚是羟基(-oh)与芳烃核(苯环或稠苯环)直接相连而成的基团，被认为是强烈影响土壤和水环境中具有反应活性的氧化剂含量及寿命的物质，能够保护hss结构中其他功能基团不被氧化，对环境中hss的物化性质稳定性的保持起到了重要作用。

hss的抗氧化特性对环境污染物的治理过程起到了重要的影响。例如，在表层水中，可溶态hss能与氧气反应，且能供给电子给光解产生的自由基，强烈抑制了表层水中有机污染物的氧化或光解；在实际的污水处理中，也需增加消毒和污染物去除过程中所需要的化学氧化剂量，以去除含有抗氧化性高的hss的污水。hss的抗氧化特性的抑制作用也存在于其他环境介质中，如在土壤中，影响mno2表面的氧化性污染物的转化，mno2会先于污染物与hss反应，从而抑制该污染物的降解。因此，hss作为环境中普遍存在的抗氧化剂，在对环境污染物降解和转化过程中其抗氧化特性(电子供给能力，electrondonatingcapacity，简称edc)受到了特别的关注。

目前，现有技术中确定edc的方法常用化学法和电化学法：

(1)化学法测定腐殖质的抗氧化能力：用k3[fe(cn)6]氧化被zn还原了的hs：

hs-q+zn(0)+2h⁺→hs-qh2+zn²⁺；

hs-qh2+2[fe(cn)6]^3-→2[fe(cn)6]^4-+hs-q+2h⁺；

通过对产物的定量测量分析，按照反应等式可以得到edc。

(2)电化学法测定腐殖质的抗氧化能力：在电化学工作站设定的恒定电位的条件下(+0.61vvs.sce)，通过计时库仑法检测hss供给至电极的电子转移量。

其中，化学法存在以下缺点：首先，在测量中，zn和h2o会发生反应生成h2，而h2本身是一种还原剂，从而高估了hss的edc；其次，hss与化学还原剂或氧化剂的反应速度很慢，hss与k3[fe(cn)6]的反应在24h后才能达到平衡，那么测定的edc是否恰好是达到平衡的值就很难确定了；最后，化学试剂的使用可能会导致hss发生副反应，例如络合或共价修饰等，改变了hss的化学组成或结构，从而给测量造成误差。相比于化学方法测定的抗氧化能力，电化学法虽然具有以下优点：hss在工作电极电位下迅速被氧化，方法简单快速；以工作电极为hss氧化产生电子的受体，避免化学试剂可能造成的副反应的影响；但是，其也存在一定的缺陷：首先，为了保证edc测量的准确性，需要借助电化学工作站控制恒电位，配套仪器的经济投入较大、能耗高；其次，不能实现实时测定，而室外取样的hss样品的物化性质会随时间或地域变化而发生变化，较长的存储时间会影响hss真正的edc。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种测定腐殖质抗氧化能力的系统和方法，能够实现对腐殖质抗氧化能力的快速、实时测定，且准确度高、成本低、能耗小。

本发明提供了一种测定腐殖质抗氧化能力的系统，包括：

阳极室，所述阳极室设有阳极电解液和阳极室电极；

阴极室，所述阴极室设有阴极电解液和阴极室电极；

将所述阳极室和阴极室隔开的质子交换膜；

将所述阳极室电极和阴极室电极外接的负载电阻；

与所述负载电阻并联的电压表；

所述阳极电解液包括含有氯化钾的磷酸缓冲液；

所述阴极电解液为酸性高锰酸钾溶液。

优选的，所述阳极室为密封厌氧结构；所述阳极室还设有腐殖质进样口和用于封闭所述腐殖质进样口的密封装置；

所述阴极室为密封厌氧结构。

优选的，所述阳极室电极为碳布或碳毡；所述阴极室电极为碳布或碳毡；所述阳极室电极和阴极室电极通过钛丝与所述负载电阻外接。

优选的，所述含有氯化钾的磷酸缓冲液为kcl、na2hpo4·12h2o和nah2po4·2h2o的混合水溶液；所述含有氯化钾的磷酸缓冲液的摩尔浓度为0.09m～0.11m。

优选的，所述酸性高锰酸钾溶液的摩尔浓度为4mm～6mm，ph值为3～5。

优选的，所述阳极电解液还包括：

电子穿梭体；所述电子穿梭体为2,2-联氮基-双-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸。

本发明还提供了一种测定腐殖质抗氧化能力的方法，包括以下步骤：

a)采用上述技术方案所述的系统，将腐殖质待测液加入阳极室中，采集电压表数据，得到电压数据曲线；

b)将步骤a)得到的电压数据曲线转化为电流曲线，再根据电流-时间响应区域面积积分计算得到腐殖质电子转出量。

优选的，所述电流-时间响应区域面积积分的计算公式为：

其中，f为法拉第常数，数值为96485c/mol，msh为腐殖质的质量，t0为积分峰区域的起始时间，tend为积分峰区域的终止时间，iox为电流。

优选的，所述腐殖质待测液为曝n2除氧后的腐殖质的水溶液；所述腐殖质待测液的ph值为7。

优选的，步骤a)中将腐殖质待测液加入阳极室前，还包括：

在阳极室中加入电子穿梭体；所述电子穿梭体为2,2-联氮基-双-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸。

本发明提供一种测定腐殖质抗氧化能力的系统和方法，所述测定腐殖质抗氧化能力的系统包括：阳极室，所述阳极室设有阳极电解液和阳极室电极；阴极室，所述阴极室设有阴极电解液和阴极室电极；将所述阳极室和阴极室隔开的质子交换膜；将所述阳极室电极和阴极室电极外接的负载电阻；与所述负载电阻并联的电压表；所述阳极电解液包括含有氯化钾的磷酸缓冲液；所述阴极电解液为酸性高锰酸钾溶液。与现有技术相比，本发明提供的测定腐殖质抗氧化能力的系统在保证准确性的基础上，简化电化学法的配套仪器，能够满足室外测样，从而实现对腐殖质抗氧化能力的快速、实时测定，且准确度高、成本低、能耗小。

附图说明

图1为本发明实施例提供的测定腐殖质抗氧化能力的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的测定腐殖质抗氧化能力的系统的结构及工作过程示意图；

图3为本发明实施例1提供的测定腐殖质抗氧化能力的系统的实物图；

图4为本发明实施例1提供的系统和方法测定腐殖质抗氧化能力的电流-时间曲线；

图5实施例1中腐殖质加样质量与测得的edc之间的线性关系；

图6为本发明实施例2提供的系统和方法测定腐殖质抗氧化能力的电流-时间曲线；

图7实施例2中腐殖质加样质量与测得的edc之间的线性关系；

图8为本发明实施例2提供的系统和方法测定抗坏血酸抗氧化能力的电流-时间曲线；

图9抗坏血酸加样质量与测得的edc之间的线性关系；

图10为电化学方法测定抗坏血酸抗氧化能力的电流-时间曲线；

图11为本发明实施例2提供的系统和方法测定对苯二酚抗氧化能力的电流-时间曲线；

图12对苯二酚加样质量与测得的edc之间的线性关系；

图13为电化学方法测定对苯二酚抗氧化能力的电流-时间曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种测定腐殖质抗氧化能力的系统，包括：

阳极室，所述阳极室设有阳极电解液和阳极室电极；

阴极室，所述阴极室设有阴极电解液和阴极室电极；

将所述阳极室和阴极室隔开的质子交换膜；

将所述阳极室电极和阴极室电极外接的负载电阻；

与所述负载电阻并联的电压表；

所述阳极电解液包括含有氯化钾的磷酸缓冲液；

所述阴极电解液为酸性高锰酸钾溶液。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的测定腐殖质抗氧化能力的系统的结构示意图，其中，1为阳极室，2为阳极室电解液，3为阳极室电极，4为阴极室，5为阴极室电解液，6为阴极室电极，7为质子交换膜，8为负载电阻，9为电压表。

在本发明中，所述阳极室优选为密封厌氧结构，采用本领域技术人员熟知的有机玻璃制成，本发明对所述阳极室的尺寸没有特殊限制。在本发明中，所述阳极室用于放置腐殖质，优选还设有腐殖质进样口和用于封闭所述腐殖质进样口的密封装置，从而实现打开封闭装置加入腐殖质及关闭封闭装置使阳极室满足密封厌氧结构。在本发明中，所述密封装置优选为软塞。同时，所述腐殖质进样口还能够用于阳极电解液的加入与取出。

在本发明中，所述阳极室设有阳极电解液和阳极室电极。在本发明中，所述阳极电解液包括含有氯化钾的磷酸缓冲液；所述含有氯化钾的磷酸缓冲液优选为kcl、na2hpo4·12h2o和nah2po4·2h2o的混合水溶液；所述含有氯化钾的磷酸缓冲液的摩尔浓度优选为0.09m～0.11m，更优选为0.1m。

在本发明中，所述阳极电解液优选还包括：电子穿梭体。在本发明中，所述电子穿梭体优选为2,2-联氮基-双-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(abts)。在本发明中，所述电子穿梭体能够促进电子传递，加速反应速率。在本发明优选的实施例中，所述阳极电解液由含有氯化钾的磷酸缓冲液和电子穿梭体组成，所述电子穿梭体的摩尔浓度优选为10mm～15mm，更优选为13mm。

在本发明中，为保证阳极电解液中不含氧，在使用前曝n2除氧。在本发明中，所述曝n2除氧的时间优选为25min～35min，更优选为30min。

在本发明中，所述阳极室电极优选为碳布或碳毡，更优选为碳布。在本发明中，所述阳极室电极通过钛丝进行外接，本发明对此没有特殊限制。

在本发明中，所述阴极室优选为密封厌氧结构，采用本领域技术人员熟知的有机玻璃制成，本发明对所述阴极室的尺寸没有特殊限制。在本发明中，所述阴极室优选还设有阴极室电解液进样口和用于封闭所述阴极室电解液进样口的密封装置，从而实现阴极电解液的加入与取出，同时关闭封闭装置使阴极室满足密封厌氧结构。在本发明中，所述密封装置优选为软塞。

在本发明中，所述阴极室设有阴极电解液和阴极室电极。在本发明中，所述阴极电解液为酸性高锰酸钾溶液；所述酸性高锰酸钾溶液的摩尔浓度优选为4mm～6mm，更优选为5mm；所述酸性高锰酸钾溶液的ph值优选为3～5，更优选为4，采用本领域技术人员熟知的盐酸或氢氧化钠溶液进行调节。

在本发明中，为保证阴极电解液中不含氧，在使用前曝n2除氧。在本发明中，所述曝n2除氧的时间优选为25min～35min，更优选为30min。

在本发明中，所述阴极室电极优选为碳布或碳毡，更优选为碳布。在本发明中，所述阴极室电极通过钛丝进行外接，本发明对此没有特殊限制。

在本发明中，所述质子交换膜将所述阳极室和阴极室隔开。本发明对所述质子交换膜的种类没有特殊限制，能够保证将上述阳极电解液和阴极电解液分开，同时不影响质子转递的质子交换膜即可。

在本发明中，所述负载电阻将所述阳极室电极和阴极室电极外接，从而完成电子传输通路；本发明对所述负载电阻的种类和阻值没有特殊限制，能够满足后续电压表读数稳定即可。在本发明一个优选的实施例中，所述负载电阻的阻值为1000ω。

在本发明中，所述电压表与所述负载电阻并联，用于通过电压读数表征系统测定的腐殖质电子传出量，本发明对此没有特殊限制。

本发明还提供了一种测定腐殖质抗氧化能力的方法，包括以下步骤：

a)采用上述技术方案所述的系统，将腐殖质待测液加入阳极室中，采集电压表数据，得到电压数据曲线；

b)将步骤a)得到的电压数据曲线转化为电流曲线，再根据电流-时间响应区域面积积分计算得到腐殖质电子转出量。

本发明采用上述技术方案所述的系统，将腐殖质待测液加入阳极室中，采集电压表数据，得到电压数据曲线。在本发明中，所述腐殖质待测液优选为曝n2除氧后的腐殖质的水溶液。在本发明中，为保证腐殖质待测液中不含氧，在使用前曝n2除氧。在本发明中，所述曝n2除氧的时间优选为25min～35min，更优选为30min。在本发明中，所述腐殖质待测液的ph值为7，采用本领域技术人员熟知的盐酸或氢氧化钠溶液进行调节。在本发明中，所述腐殖质待测液的质量浓度优选为1.9g/l～2.1g/l，更优选为2g/l。

在本发明中，将腐殖质待测液加入阳极室前，优选还包括：在阳极室中加入电子穿梭体。在本发明中，所述电子穿梭体优选为2,2-联氮基-双-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(abts)。

得到所述电压数据曲线后，本发明将得到的电压数据曲线转化为电流曲线，再根据电流-时间响应区域面积积分计算得到腐殖质电子转出量。在本发明中，所述电流-时间响应区域面积积分的计算公式优选为：

其中，f为法拉第常数，数值为96485c/mol，msh为腐殖质的质量，t0为积分峰区域的起始时间，tend为积分峰区域的终止时间，iox为电流。

本发明提供一种测定腐殖质抗氧化能力的系统和方法，所述测定腐殖质抗氧化能力的系统包括：阳极室，所述阳极室设有阳极电解液和阳极室电极；阴极室，所述阴极室设有阴极电解液和阴极室电极；将所述阳极室和阴极室隔开的质子交换膜；将所述阳极室电极和阴极室电极外接的负载电阻；与所述负载电阻并联的电压表；所述阳极电解液包括含有氯化钾的磷酸缓冲液；所述阴极电解液为酸性高锰酸钾溶液。与现有技术相比，本发明提供的测定腐殖质抗氧化能力的系统在保证准确性的基础上，简化电化学法的配套仪器，能够满足室外测样，从而实现对腐殖质抗氧化能力的快速、实时测定，且准确度高、成本低、能耗小。

为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例所用的hss样品为购于sigma-aldrich公司的ha(以下简称aha)，文献报道用电化学法测得的该样品的edc为535±10μmole-/ghs；食品抗氧化剂抗坏血酸购于科密欧化学试剂有限公司；涂料清漆稳定剂和抗氧剂对苯二酚购于广州锐剀化工有限公司。对抗坏血酸和对苯二酚的测试均用于检验本发明提供的测定腐殖质抗氧化能力的系统和方法的准确性。

实施例1

(1)测定腐殖质抗氧化能力的系统：

参见图2～3，图2为本发明实施例1提供的测定腐殖质抗氧化能力的系统的结构及工作过程示意图，其中，1为阳极室，2为阳极室电解液，3为阳极室电极，4为阴极室，5为阴极室电解液，6为阴极室电极，7为质子交换膜，8为负载电阻，9为电压表；图3为本发明实施例1提供的测定腐殖质抗氧化能力的系统的实物图。

该系统的阳极室和阴极室部分由有机玻璃制成，二者形成的整体尺寸为40mm×40mm×60mm；阳极室和阴极室均为圆柱形密封厌氧结构，内径均为15mm，宽均为15mm，有效容积均为3.5ml，上端均设有进样口并配合软塞；阳极室和阴极室由质子交换膜隔开，分别填充4cm²的碳布作为电极，两电极分别通过钛丝外接负载电阻(r＝1000ω)，负载电阻并联手持式伏安表；

阳极室电解液由含0.1mkcl的磷酸缓冲液和2,2-联氮基-双-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(abts)组成，使用前曝n2除氧30min；其中，含0.1mkcl的磷酸缓冲液，配制方法为：0.13gkcl、22.2gna2hpo4·12h2o与5.93gnah2po4·2h2o用蒸馏水定容至1l，使用前曝n2除氧30min；abts用pbs配制，摩尔浓度为13mm，ph值为7；

阴极室电解液为5mm的酸性高锰酸钾溶液，ph值为4，使用前曝n2除氧30min。

(2)测定腐殖质抗氧化能力的方法：

腐殖质待测液：将aha配制成2g/l的水溶液，调节ph值为7，使用前曝n2除氧30min；

在阳极室加入3ml含0.1mkcl的磷酸缓冲液，盖软塞密封，同时，在阴极室加入3ml阴极室电解液，盖软塞密封；等待伏安表数据稳定，外接负载电阻(r＝1000ω)，伏安表电压数值再次稳定(u≈700mv)，在阳极室加入5μlabts，等待电压数据稳定后，分别加入5μl、10μl、20μl、40μl、60μl腐殖质待测液，分别得到电压-时间曲线；

将得到的电压-时间曲线转换为电流-时间曲线，如图4所示；再根据电流-时间响应区域面积积分计算得到腐殖质电子转出量edc为869.60μmole-/ghs。

此外，实施例1中腐殖质加样质量与测得的edc之间的线性关系，如图5所示，由图5可知，腐殖质加样质量与测得的edc呈现线性关系。

采用本发明实施例1提供的测定腐殖质抗氧化能力的系统和方法，得到的edc值高于文献中用电化学方法测得的edc值，是因为电化学法测试的氧化还原电压的条件为-0.61v(vs.sce)，低于本发明的氧化还原电压，并且本发明使用了电子穿梭体加快测试速度，其本身也具有一定的抗氧化特性，因此测得的edc高于文献报道的数值，可以通过空白实验校正，得到准确的edc值。

实施例2

(1)测定腐殖质抗氧化能力的系统：

采用实施例1提供的系统，区别在于：阳极室电解液为含0.1mkcl的磷酸缓冲液，即不加入abts；

(2)测定腐殖质抗氧化能力的方法：

腐殖质待测液：将aha配制成2g/l的水溶液，调节ph值为7，使用前曝n2除氧30min；

在阳极室加入3ml含0.1mkcl的磷酸缓冲液，盖软塞密封，同时，在阴极室加入3ml阴极室电解液，盖软塞密封；等待伏安表数据稳定，外接负载电阻(r＝1000ω)，伏安表电压数值再次稳定(u≈700mv)，分别加入5μl、10μl、20μl、40μl、60μl、80μl腐殖质待测液，分别得到电压-时间曲线；

将得到的电压-时间曲线转换为电流-时间曲线，如图6所示；再根据电流-时间响应区域面积积分计算得到腐殖质电子转出量edc为472.76μmole-/ghs。

此外，实施例2中腐殖质加样质量与测得的edc之间的线性关系，如图7所示，由图7可知，腐殖质加样质量与测得的edc呈现线性关系。并且，结合图5分析可知，阳极室电解液中加入abts与不加abts两种情况下，都满足腐殖质加样质量与测得的edc呈现线性关系。

采用本发明实施例2提供的测定腐殖质抗氧化能力的系统和方法，得到的edc值略低于文献中用电化学方法测得的edc值，但扔可较准确地反映aha的抗氧化能力。

对本发明实施例2提供的测定腐殖质抗氧化能力的系统和方法的准确性进行检验：

①抗坏血酸待测液：将抗坏血酸配制成2g/l的水溶液，调节ph值为7，使用前曝n2除氧30min；

在阳极室加入3ml含0.1mkcl的磷酸缓冲液，盖软塞密封，同时，在阴极室加入3ml阴极室电解液，盖软塞密封；等待伏安表数据稳定，外接负载电阻(r＝1000ω)，伏安表电压数值再次稳定(u≈700mv)，分别加入10μl、20μl、40μl、60μl、80μl、100μl抗坏血酸待测液，分别得到电压-时间曲线；

将得到的电压-时间曲线转换为电流-时间曲线，如图8所示；再根据电流-时间响应区域面积积分计算得到抗坏血酸的edc为810.02μmole-/g抗坏血酸。

此外，抗坏血酸加样质量与测得的edc之间的线性关系，如图9所示，由图9可知，抗坏血酸加样质量与测得的edc呈现线性关系。

图10为电化学方法测定抗坏血酸抗氧化能力的电流-时间曲线，在三电极体系中，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂片电极，工作电极为石墨板电极(面积为17.5cm²)，与本发明的方法相同，待基线平稳后(电压稳定)，加入10μl抗坏血酸待测液，经计算，电化学法测得的抗坏血酸的edc为804.22μmole-/g抗坏血酸，与本发明实施例2提供的系统和方法得到的结果基本吻合。

②对苯二酚待测液：将对苯二酚配制成2g/l的水溶液，调节ph值为7，使用前曝n2除氧30min；

在阳极室加入3ml含0.1mkcl的磷酸缓冲液，盖软塞密封，同时，在阴极室加入3ml阴极室电解液，盖软塞密封；等待伏安表数据稳定，外接负载电阻(r＝1000ω)，伏安表电压数值再次稳定(u≈700mv)，分别加入5μl、10μl、15μl、20μl、30μl、50μl对苯二酚待测液，分别得到电压-时间曲线；

将得到的电压-时间曲线转换为电流-时间曲线，如图11所示；再根据电流-时间响应区域面积积分计算得到对苯二酚的edc为3492.70μmole-/g对苯二酚。

此外，对苯二酚加样质量与测得的edc之间的线性关系，如图12所示，由图12可知，对苯二酚加样质量与测得的edc呈现线性关系。

图13为电化学方法测定对苯二酚抗氧化能力的电流-时间曲线，在三电极体系中，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂片电极，工作电极为石墨板电极(面积为17.5cm²)，与本发明的方法相同，待基线平稳后(电压稳定)，加入20μl对苯二酚待测液，经计算，电化学法测得的对苯二酚的edc为3500.35μmole-/g对苯二酚，与本发明实施例2提供的系统和方法得到的结果基本吻合。

综上所述，本发明提供的测定腐殖质抗氧化能力的系统和方法具有较高的精确性、稳定性与快捷性。在测试时间上，远快于化学测试法；而相比于只能于室内测试的电化学法，本发明简化电化学法的配套仪器，能够满足室外测样，从而实现实时测定，成本低、能耗小，有较高的实用价值。

所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。