草铵膦作为Ru(bpy)32+电化学发光反应的共反应物：机制研究及分析应用

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Glufosinate herbicide as co-reactant in Ru(bpy) 32+ electrochemiluminescence: Mechanistic insights and analytical implications

　　

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  草铵膦在Ru(bpy)₃²⁺电化学发光反应中可作为阳极辅助反应物。
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  pH值通过调控溶液中草铵膦的活性来影响电化学发光响应。
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  直接反应路径与羟基自由基辅助路径最终都会导致(Ru(bpy)₃²⁺)*发光现象的产生。
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  将信号积分至1.0?V可有效抑制高电位背景干扰。
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  该方法可将电化学发光检测技术应用于含氨基的除草剂。

引言

草甘膦、草铵膦铵盐以及阿特拉津这类除草剂因具有高效且成本相对较低的特点，被广泛应用于现代农业，尤其是在大规模种植系统中。[1]由于这些除草剂被广泛且频繁地使用，它们常常在土壤、地表水、沉积物以及生物体内被发现，这引发了诸多环境和监管方面的担忧。[2]因此，对这类化合物进行可靠监测对于环境风险评估、确保合规性以及保护生态系统和人类健康至关重要，尤其是在那些高强度农业种植区域。[3]所以，迫切需要一些能够快速、低成本且无需复杂实验室分析即可实现除草剂监测的筛查和预警分析工具。[4]便携式检测平台能够大幅降低分析成本和响应时间，从而加强环境监控和风险管控措施。[5]此外，如果能够建立一种基于特定机制、可适用于多种结构相似的含氨基除草剂的检测方法，那么不仅能够提升分析的一致性，简化方法开发流程，还能便于在不同环境介质中广泛应用。

尽管这类除草剂非常重要，但对其进行分析测定仍然面临诸多挑战。从化学性质上看，草甘膦和草铵膦铵盐属于一类极性很强、在环境相关pH条件下主要以两性离子形式存在的含磷酸酯基团的除草剂，而阿特拉津则是一种中等疏水性的三嗪类除草剂。尽管它们的极性和环境行为存在显著差异，但这三种化合物通常都没有很强的光学响应特性，这使得用传统光谱方法检测它们十分困难，因此人们不得不采用需要衍生化处理、复杂样品预处理或高端仪器分析的方法，比如基于衍生化的色谱法和质谱法。[6]、[7]、[8]虽然这些技术可以实现超痕量检测，但它们依赖于集中的实验室设施，难以用于快速或现场监测。[9]、[10]这些局限性凸显出需要寻找替代的分析方案，这类方案应避免过度依赖高度专业化的实验室技术，而更注重方法的简便性、便携性以及机制选择性。

为了解决这些问题，人们越来越关注无需衍生化处理、尽量减少样品操作，并且能基于统一检测原理来检测含有氨基的结构相似除草剂的无标记直接检测方法。这类方法的优势在于能够降低分析复杂性，提高在实际样品中的检测稳定性，同时还能打造出更快、更易使用的检测平台。[11]这种策略的一个关键优点是，只要目标除草剂具有相似的分子结构特征，就可以使用同一检测平台对其进行检测，无需专门为该分析物设计电极，也无需对目标化合物进行事先的化学衍生化处理。识别出如氨基功能团这样的共同结构元素，并将其纳入统一的信号转换机制中，有望为结构相似的除草剂构建出统一的检测框架，不过在不经过预先分离的情况下，可能还无法实现对这些除草剂的区分。

在之前关于草甘膦[10]和阿特拉津[9]的研究基础上，本研究将电化学发光技术拓展应用于草铵膦铵盐的直接检测，重点关注二者共有的结构特征——氨基功能团的存在。通过结合分析实验和机理研究，该研究阐明了影响电化学发光响应的关键因素，尤其是电子转移路径和激发态的形成过程。与仅优化单一分析物的检测不同，本研究旨在通过基于Ru(bpy)₃²⁺的统一转换机制，扩大可检测的除草剂种类。从这个意义上说，将分析结果与机理研究相结合，有助于为将电化学发光检测技术扩展到更多结构相似的含氨基除草剂提供更完善的理论基础。需要指出的是，目前尚未在基于Ru(bpy)₃²⁺的机理框架内系统研究过草铵膦铵盐的电化学发光行为，尤其是在其与环境监测相关的条件下的阳极辅助反应物作用机制方面。[12]、[13]

近期的一些研究指出，电化学发光技术因其兼具高灵敏度以及能够对信号生成过程实现电化学控制的特点，极具用于除草剂检测的潜力。[13]、[14]在基于Ru(bpy)₃²⁺的体系中，由胺类辅助反应物（例如三丙胺）介导的电化学发光机制，为检测含胺分析物提供了理论基础，使得这些分析物无需经过衍生化处理，就能作为发光物质的辅助反应物或调节剂发挥作用。[14]、[15]不过，与传统的叔胺类辅助反应物不同，草铵膦铵盐中的伯胺基团可能会表现出不同的氧化路径以及与质子相关的电子转移行为，因此需要专门开展机理研究。[14]、[16]此外，在微碱性水环境中，电化学产生的Ru(bpy)₃³⁺会与氢氧根发生反应，这一特性可能会为基于Ru(bpy)₃²⁺和胺类的电化学发光体系增加额外的机理复杂性，而不仅仅是作为弱背景发射的来源。[17]

本研究证实，草铵膦铵盐在基于Ru(bpy)₃²⁺的电化学发光体系中可以作为阳极辅助反应物发挥作用，从而为其发光行为和分析响应提供了机理上的解释。通过明确其氨基功能团所涉及的氧化还原过程以及电子转移路径，本研究为直接利用电化学发光技术检测草铵膦铵盐以及其它含有氨基的类似除草剂建立了基于机理的检测原则。

章节节选

概述

草铵膦铵盐（4-[羟基(甲基)膦酰基]-dl-同型丙氨酸，商品名Supelco PESTANAL，为分析标准品）和D-山梨醇（化学式HOCH2(CHOH)4CH2OH，为ACS试剂），均购自默克公司，使用时未进行进一步纯化处理。三(2,2′-联吡啶)钌(II)高氯酸盐则是通过99.95%纯度的三(2,2′-联吡啶)二氯化钌(II)六水合物（来自Sigma-Aldrich公司）与纯度超过99%的高氯酸钠（来自Fluka公司）之间的离子交换反应制得的。所得产物经过纯化处理

对Ru(bpy)₃²⁺/草铵膦铵盐体系的电化学及电化学发光特性研究

草铵膦其实是一种铵盐，即草铵膦铵盐，它属于含有膦酸功能团的氨基酸类似物。[22]从结构上看，该分子包含一个伯胺基团和一个膦酸基团，这两个基团共同决定了它在水溶液中的酸碱行为。在微碱性环境中，膦酸基团主要以去质子后的膦酸根形式存在，而铵基团也可能发生部分去质子反应。[23]这些酸碱特性

结论

本研究证明，草铵膦铵盐可以通过其作为Ru(bpy)₃²⁺体系中的阳极辅助反应物参与电化学发光催化反应而被直接检测到。研究结果表明，该物质的发光响应不仅受Ru(bpy)₃³⁺的非均匀生成过程的影响，还与涉及草铵膦铵盐的、受pH值调控的均匀活化过程有关，同时还有证据表明羟基自由基也会对该发光过程起到辅助作用。在此基础上，研究结果还提示Ru(bpy)₃³⁺与氢氧根离子之间的反应可能

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达米安·安东尼奥·佩德拉萨·达萨：负责文章的撰写——审阅与编辑工作、可视化处理、验证实验、研究实施、正式分析以及数据整理工作。加布里埃拉·马尔扎里：负责文章的撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证实验、资源获取、方法设计、研究实施、正式分析以及概念构建工作。卡罗琳·威特：负责验证实验、研究实施、正式分析以及数据整理工作。费尔南多·丰戈：负责文章的撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化处理、项目监督、资源协调以及项目整体管理

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