东莨菪内酯(scopoletin)是植物体内一种重要的酚类植物抗毒素，属于香豆素类化合物，其化学名称为6-甲氧基-7-羟基香豆素(化学结构式见Scheme 1)，具有抗肿瘤、抗炎、抗氧化等多种药理活性^{[1, 2, 3, 4]}，同时还具有良好的杀虫、抗菌杀菌及化感等农用生物活性^{[5, 6, 7, 8, 9, 10]}。张永强等^{[11, 12, 13]}曾报道从黄花蒿Artemisia annua L.7月份叶中提取的东莨菪内酯对朱砂叶螨Tetranychus cinnabarinus和柑橘全爪螨Panonychus citri具有较强的触杀作用，表现出了一定的农用开发前景。由于东莨菪内酯良好的杀螨活性，全国农药标准化技术委员会已于2012年正式将其农药中文通用名称定为“甲氧香螨酯”，英文通用名称为scopoletin。

Scheme 1

Scheme 1

农药的光化学降解与其在环境中的持久性密切相关，是影响农药在环境中归趋的重要依据之一，也是评价农药在水体中残留性的重要指标^[14]。目前尚未见有关东莨菪内酯光解的研究报道。笔者采用高效液相色谱仪，建立了水溶液中东莨菪内酯残留的分析方法，并在实验室条件下研究了其光解特性，以期为东莨菪内酯的环境风险评价提供科学依据。

Agilent 1260高效液相色谱仪(带VWD检测器，美国Agilent公司)；BSA124S-CW型电子天平(精确到0.1 mg，北京赛多利斯科学仪器有限公司)；LDZX-50KB型立式压力蒸汽灭菌器(上海申安医疗器械厂)；PB-10型pH计(德国赛多利斯公司)；CCT-3320型超纯水系统(成都威思达智能科技有限公司)；UV1000紫外分光光度计(上海天美科学仪器有限公司)；TES-1332A照度计(东莞泰纳电子科技有限公司)；BL-GHX-V型光化学反应仪(上海比朗仪器有限公司)，其中液面距光源3.1 cm，配有500 W高压汞灯(照度为1.5×10⁵～1.6×10⁵ lx)、18 W紫外灯(254 nm，照度为1.25×10³～1.32×10³ lx，平均紫外强度为1 144 μW/cm²)以及500 W氙灯(照度为2.9×10³～3.1×10³ lx)。

东莨菪内酯(scopoletin)标准品(纯度≥99%，购于上海源叶生物科技有限公司)，由于其微溶于水^[15]，故用甲醇将该标准品配制成1 000 mg/L的母液；甲醇、磷酸为色谱纯，其余试剂均为分析纯；试验用水为灭菌后的纯水。

不同pH值缓冲溶液配制：pH 5、7、9的缓冲液参考文献^[16]方法配制，pH 6、8的缓冲液参考文献^[17]方法配制，均现配现用，使用前灭菌并重新进行pH校准。

分别取40 mL 反应液于6支具塞夹套石英管中(长60 mm，内径7.5 mm)，磁力搅拌下使反应液均匀受光，利用冷凝水控制反应液和光源温度，待光化学反应仪稳定后进行光解试验。以氙灯为光源时分别于光照后第0、1、3、5、7、9、11和14 h取样，以汞灯为光源时分别于光照后第0、1、2、3、5、6、7和8 min取样，以紫外灯为光源时取样时间为第0、10、20、30、40、50、60和70 min。样品过0.22 μm微孔滤膜，避光保存。参考文献报道^[18]，采用优化后的HPLC法检测溶液中东莨菪内酯的质量浓度，根据不同时间段溶液中东莨菪内酯的质量浓度拟合得到光解动力学方程。每处理重复3次，同时设黑暗对照。黑暗对照除试管用铝箔包裹外，其他条件均与光照处理相同。

用纯水将1 000 mg/L的东莨菪内酯母液分别稀释成40、20、10和5 mg/L的系列光反应液，于500 W 氙灯下进行光解，反应液温度控制在25 ℃±1 ℃。

用纯水将东莨菪内酯母液稀释成10 mg/L的反应液，分别于500 W高压汞灯、18 W紫外灯和500 W 氙灯下进行光解，反应液温度控制在25 ℃±1 ℃。

分别用pH为5、6、7、8、9的缓冲液将东莨菪内酯母液稀释成10 mg/L 的反应液，于500 W氙灯下进行光解，反应液温度控制在25 ℃±1 ℃。

用纯水将东莨菪内酯母液稀释成10 mg/L的反应液，于500 W氙灯下进行光解，温度分别控制为5、15、25、35、45、55和65 ℃，温差不超过±1 ℃。 1.2.2 HPLC 检测条件

采用Agilent 1260 高效液相色谱仪进行测定。通过对流动相比例、进样量、色谱柱温度等进行优化，确定其最佳检测条件为：Venusil XBP C₁₈色谱柱(250 mm×4.6 mm,5 μm)；VWD检测器；柱温30 ℃；流速为1 mL/min；进样量为10 μL；流动相：V(甲醇)∶V(0.05%磷酸)=40∶60；检测波长345 nm；运行时间18 min。在此条件下，东莨菪内酯的保留时间约为8.37 min。

用纯水稀释东莨菪内酯标准品母液，使其质量浓度分别为40、20、10、5和0.5 mg/L，按1.2.2 节条件进行测定。每个添加水平重复5次，同时设不加药的空白对照。

按(1)式计算不同光照时间下东莨菪内酯的光解率。

通过(2)式和(3)式分别计算东莨菪内酯在不同溶液中的光解动力学方程及半衰期^[19]。

式中，c_t为t时刻反应液中东莨菪内酯的质量浓度(mg/L)，c₀为东莨菪内酯的初始质量浓度(mg/L)，k为光解速率常数(h^-1)，t_1/2为光解半衰期(h)。

试验数据采用Excel 2003和SPSS statistic 17.0软件进行统计分析。

2 结果与讨论 2.1 检测方法的准确度和精密度

在添加水平为0.5、5、10、20和40 mg/L时，东莨菪内酯在纯水中的平均回收率在84%～96%之间，相对标准偏差(RSD)在1.9%～0.38%之间，表明所建立方法的准确度及精密度均较好，符合农药残留分析要求。东莨菪内酯标样及水中添加0.5 mg/L 东莨菪内酯样品的色谱图见图 1。

图 1

Fig. 1

图 1 东莨菪内酯标样及水中的添加回收色谱图(345 nm) Fig. 1 HPLC chromatogram of scopoletin standard solution and water sample fortified with scopoletin at level of 0.5 mg/L at 345 nm

研究发现：在试验设定的初始质量浓度范围内，东莨菪内酯的光解均符合一级动力学方程(表 1)，其光解速率与初始质量浓度呈负相关；此外，随着光解时间的推移，单一浓度下的光解速率逐渐趋于平缓(图 2)。这与武霓等^[20]的研究结果一致。分析其原因可能是由于反应初期水溶液中存在大量的东莨菪内酯分子，它们相互之间对光子存在竞争吸收，在光能一定的条件下，随东莨菪内酯初始质量浓度增加，单位分子接受到的光能减少，从而使其光解速率相应降低；而随着反应时间延长，光解产物增多，光解产物在光能的激发下继续发生降解并与农药分子竞争吸收光能量，从而使得光解速率趋于平缓^{[20, 21]}。

表 1(Table 1)

表 1 不同初始质量浓度下东莨菪内酯的光解动力学参数 Table 1 Photolytic kinetics parameters of scopoletin at four different initial concentrations 5 初始质量浓度 Initial mass conc./ (mg/L) 光解动力学方程 Photolysis kinetics equation 决定系数 Determination coefficient(R2) 半衰期 Half-life， t1/2/h ct=5.56e-0.215t 0.992 3.22 10 ct=10.0e-0.128t 0.998 5.42 20 ct=19.5e-0.070 0t 0.999 9.90 40 ct=39.0e-0.035 4t 0.995 19.6 注：光源为500 W氙灯；反应温度25 ℃±1 ℃。 Note: Light source was 500 W xenon lamp; reaction temperature was 25 ℃±1 ℃.

表 1 不同初始质量浓度下东莨菪内酯的光解动力学参数 Table 1 Photolytic kinetics parameters of scopoletin at four different initial concentrations

图 2

Fig. 2.

图 2 不同初始质量浓度东莨菪内酯在水中的光降解 Fig. 2. Photolysis of scopoletin with different initial concentrations in water 注：光源为500 W氙灯；反应温度25 ℃±1 ℃。 Note: Light source was 500 W xenon lamp; reaction temperature was 25 ℃±1 ℃.

东莨菪内酯在不同光源下的光解结果均符合一级动力学方程(表 2)，但光解速率存在显著差异,其在500 W汞灯和18 W紫外灯下的光解速率明显高于在500 W 氙灯下的。东莨菪内酯在高压汞灯、紫外灯和氙灯下的光解半衰期分别为0.052 5、0.297和5.42 h，其中氙灯下的光解半衰期是高压汞灯下的103倍左右，而高压汞灯和紫外灯下的半衰期相对比较接近。这主要是由于3种光源所发射的光波在不同波段的能量分布差异显著，同时还与东莨菪内酯自身的吸收波长有关。通常高压汞灯的发射光谱主要集中在紫外光区，光的能量较高，而氙灯光谱集中在可见光区，光能较低^[22]。

表 2(Table 2)

表 2 东莨菪内酯在不同光源下的光解动力学参数 Table 2 Photolytic kinetics parameters of scopoletin under different light sources 光源 Light sources 光解动 力学方程 Photolysis kinetics equation 决定系数 Determination coefficient(R2) 半衰期 Half-life， t1/2/h 500 W高压汞灯 500 W high-pressure mercury lamp ct=9.11e-13.2t 0.972 0.052 5 18 W紫外灯 18 W UV lamp ct=10.2e-2.33t 0.994 0.297 500 W氙灯 500 W xenon lamp ct=10.0e-0.128t 0.998 5.42 注：初始质量浓度为10 mg/L；反应温度25 ℃±1 ℃。 Note: Initial mass concentration was 10 mg/L; reaction temperature was 25 ℃±1 ℃.

表 2 东莨菪内酯在不同光源下的光解动力学参数 Table 2 Photolytic kinetics parameters of scopoletin under different light sources

图 3为东莨菪内酯在纯水中的吸收光谱。从中可看出，东莨菪内酯在紫外光区吸收较强，其最大吸收波长在345 nm处，而在长波长区基本不吸收，因此氙灯光波中能被东莨菪内酯吸收的部分所占比例很少。因此，东莨菪内酯在高压汞灯下光解非常迅速，在紫外光下次之，在氙灯下光解速率最慢。

图 3

Fig. 3

图 3 东莨菪内酯在纯水中的紫外-可见吸收光谱 Fig. 3 UV-Vis absorption spectra of scopoletin in pure water

东莨菪内酯在不同pH值缓冲溶液中的光解规律均符合一级动力学方程(表 3)，其光解速率随pH值的增大而加快。由黑暗对照可知，处理期间东莨菪内酯在不同pH值缓冲溶液中均未降解，排除了东莨菪内酯在处理期间水解的可能性，表明水中东莨菪内酯的降解途径为光降解。由表 3可看出，pH值对水溶液中东莨菪内酯的光解具有明显影响，在500 W氙灯照射下，东莨菪内酯在pH值为9的缓冲液中光解速率最快，其半衰期比在pH 5时缩短了8.09 h；pH 在6、7、8范围内时，pH值对东莨菪内酯光解速率的影响很小。其原因可能是由于东莨菪内酯属于酯类物质，除光解外，其在碱性溶液中吸收光能还同时发生了光水解的缘故^[23]。

表 3(Table 3)

表 3 东莨菪内酯在不同pH值下的光解动力学参数 Table 3 Photolytic kinetics parameters of scopoletin in different pH value buffer solutions 缓冲液pH值 pH value of buffer solutions 光解动力学方程 Photolysis kinetics equation 决定系数 Determination coefficient(R2) 半衰期 Half-life， t1/2/h 5 ct=9.47e-0.053 9t 0.990 12.9 6 ct=9.93e-0.096 0t 0.999 7.22 7 ct=9.93e-0.098 6t 0.998 7.03 8 ct=10.0e-0.103t 0.998 6.73 9 ct=10.9e-0.144t 0.983 4.81 注：光源为500 W氙灯；初始质量浓度为10 mg/L；反应温度为25 ℃±1 ℃。 Note: Light source was 500 W xenon lamp; initial mass concentration was 10 mg/L; reaction temperature was 25 ℃±1 ℃.

表 3 东莨菪内酯在不同pH值下的光解动力学参数 Table 3 Photolytic kinetics parameters of scopoletin in different pH value buffer solutions

从表 4中可看出，在5～65 ℃下，东莨菪内酯的光解符合一级动力学方程，且光解速率随温度升高呈先升高后降低的趋势，其中在15 ℃时光解速率达到最大值0.135 h^-1，即半衰期最短为5.13 h。光解速率仅在5～15 ℃范围内随温度的升高而加快，可能是由于光化学反应不是普通的热反应，因此温度对光解速率增加的作用有限；而在15～65 ℃范围内，光解速率随温度的升高而降低，其原因可能是由于东莨菪内酯本身的结构特性，其酚羟基的H易电离成为H⁺，从而表现出弱酸性^[24]，当温度升高时，电离平衡正向移动，H⁺增多，溶液的酸性增大，根据2.2.3节结果，酸性增大将不利于东莨菪内酯光水解反应的进行，因而使得其光解速率降低。

表 4(Table 4)

表 4 东莨菪内酯在不同温度下的光解动力学参数 Table 4 Photolytic kinetics parameters of scopoletin at different temperatures 温度 Temperature/℃ 光解动力学方程 Photolysis kinetics equation 决定系数 Determination coefficient(R2) 半衰期 Half-life， t1/2/h 5 ct=10.0e-0.110t 0.998 6.30 15 ct=9.83e-0.135t 0.999 5.13 25 ct=10.0e-0.128t 0.998 5.42 35 ct=9.98e-0.116t 0.999 5.98 45 ct=9.87e-0.103t 0.998 6.73 55 ct=9.98e-0.095 5t 0.998 7.26 65 ct=10.1e-0.085 7t 0.998 8.09 注：光源为500 W氙灯；初始质量浓度为10 mg/L。 Note: Light source was 500 W xenon lamp; initial mass concentration was 10 mg/L.

表 4 东莨菪内酯在不同温度下的光解动力学参数 Table 4 Photolytic kinetics parameters of scopoletin at different temperatures

不同条件下，东莨菪内酯在水溶液中的光解均符合一级动力学方程。其光解速率与初始质量浓度、光源、pH值及温度相关：不同初始浓度下，东莨菪内酯的光解速率随初始质量浓度的增大而降低；不同光源下，其光解速率从大到小依次为500 W高压汞灯＞18 W紫外灯＞500 W氙灯，即东莨菪内酯在高压汞灯下光解最快；不同pH值下，其光解速率随pH值的增大而升高，即东莨菪内酯在碱性条件下光解最快；在5～ 65 ℃范围内，其光解速率随温度升高呈先升高后降低趋势。东莨菪内酯光解反应机理及光解产物的研究正在进行中。