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利用电子顺磁共振(EPR)追踪环境中的自由基
发布:kittyll   时间:2018/12/21 17:06:22   阅读:3712 
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利用电子顺磁共振(EPR)追踪环境中的自由基

科学家是如何利用EPR检测出土壤、空气和水中带不成对电子的物质(如自由基)的?
 
作者:Kalina Ranguelova博士,Bruker BioSpin公司EPR应用科学家。

电子顺磁共振(EPR)波谱技术是一种检测带未成对电子的物质的技术。有很多材料具有未成对的电子,包括自由基、许多过渡金属离子以及存在缺陷的材料。自由基通常寿命很短,但在光合作用、氧化、催化和聚合等重要过程中起着至关重要的作用。因此,EPR的应用跨越了任何单一的主要分析技术的范畴,覆盖化学、量子物理、结构生物学、材料科学、医学研究中的分子研究到质量控制。

食物、药物和环境中的许多化学物质都具有形成自由基的能力。例如,当氧分子分裂成自由基时,会发生氧化应激,这些可能在环境中持续并进入生物系统。在体内,自由基可能攻击生物分子,破坏细胞、蛋白质和DNA,并可能导致疾病。

因此,在环境中监测自由基和其它带不成对电子的物质是至关重要的。除了寿命较短的自由基外,还存在寿命较长的物质,被称为环境持久型自由基(EPFRs)。EPFRs几乎可以无限期地存留于环境中,特别是当与细颗粒表面相关时〔1〕。
 
利用ERP检测空气污染

室外空气污染是世界范围内影响人类健康的一项主要环境危害。大气颗粒物(PM)的吸入和各种有害健康影响之间的联系被广泛地记录于流行病学和毒理学研究中。过渡金属已被鉴定为关键的PM组分,可引发羟基自由基(●OH)的生成。这是通过类芬顿反应发生的,会导致从过氧化氢和过渡金属催化剂形成 ●OH自由基。短寿命活性氧(ROS)和活性氮物质(RNS)由多环芳烃(PAH)产生,多环芳烃(PAH)经常在环境PM中发现,并且已知它们在体内具有毒性和致突变作用,其氧合衍生物[2]也是如此。在PM中也观察到了EPFR,并且它们具有在体内产生ROS的能力。

对北京雾霾事件的研究结果表明,利用EPR检测EPFR已鉴别出PM中的不同粒径的半醌自由基,EPFR主要存在于dae<1μm的PM组分中,这也是最具危害性的PM组分(图1)。对EPFR(spins/g)的日常监测显示了环境变化对人类健康的长期影响。这种监测可用于制定应对措施,以减少公众的健康风险。
 

图1:北京雾霾事件期间大气颗粒物(PM)的电子顺磁共振(EPR)研究(EMXplus X-波段EPR波谱仪,Bruker BioSpin)〔3〕。
 
利用EPR分析土壤

土壤可能会受到一系列来源的污染,并会影响到许多环境和农业过程。毒素可能会被植物吸收并渗入地下水,从而分布于地质中,并有可能进入食物系统。常见的土壤污染物来源于工业废料和重金属副产物,以及农药、杀虫剂、除草剂和肥料等。

所有这些污染物都是有毒的,并且经常参与导致表面稳定型EPFR的形成过程。EPFR可在毒性化合物的进一步生成中发挥作用,并且还参与影响腐殖物质形成和碳固化的自由基过程。利用EPR,可以检测最常见的污染物,这有助于制定措施以控制其分布,并有助于制定清理策略。

要了解工业和农业源污染对土壤环境的影响,必须进行详细的研究。了解土壤无机、有机和生物组分的机制和作用,以形成可有效中和有毒化合物的策略。EPR可在土壤分析中发挥很好的作用,科学家可以通过分析EPR信号来识别、量化并监测土壤有机质中的长寿命EPFR、短寿命ROS以及顺磁性重金属。

图2显示了对富Fe(Ⅲ)粘土中的自由基的详细研究〔4〕。粘土矿物质是过渡金属和有毒有机污染物的潜在储层。在这个例子中,EPR表明了受苯酚污染的粘土矿物质中的过渡金属中心(Fe3+)在EPFR形成中的催化作用。EPR通过氧化-还原机制监测并量化EPFR的产生。
 

图2:富Fe(Ⅲ)粘土中的自由基[4]

利用EPR分析水污染

有害有机废物通过工业、军事和民用渠道广泛传播于水体,是一种普遍的全球性污染问题。高级氧化工艺(AOP)是去除不可生物降解的污染物的有效方法。AOP是基于“●OH自由基”的化学作用,属非选择性ROS,并且能够将水污染物氧化成失活的最终产物,生成二氧化碳和盐。AOP通过破坏有机污染物、中和过渡金属以及使细菌和病毒失活来实现对水的净化。

通过使用EPR自旋捕获技术,可以识别、量化并监测在AOP中短寿命自由基(如 ●OH自由基)生成的本质机制。在自旋捕获实验中,不稳定自由基通过与自旋捕获剂发生反应转化为稳定的自由基加合物,并可通过EPR检测。

AOP的设计和优化取决于以下几个参数,包括试剂用量、附加反应物和反应时间。为了达到最有效的处理并降低运行成本,必须确定最佳条件。

OH是AOP中最活泼的物质,它与污染物的相互作用决定了氧化过程的效率。因此,提高AOP中 ●OH的产量是非常重要的。最近的研究检测了七种耐药药物(双氯芬酸、布洛芬、地西泮等)因被水中产生的脉冲电晕等离子体分解而导致的降解。高压液相色谱法(HPLC)检测表明,双氯芬酸的降解与 ●OH浓度随时间的增加直接相关。研究发现,通过EPR检测到的 ●OH是造成药物化合物分解的原因(图3)〔5〕。


图3:高级氧化工艺(AOP)- 脉冲电晕等离子体 - 电子顺磁共振(EPR)研究药物残留物[ 5 ]。

未来的EPR

据世界卫生组织(WHO)估计,地球上每10个人中就有9人在呼吸着高度污染的空气,每年会导致七百万人死亡(6)。除了肥料和其它农用化学品的使用日益增加之外,还使周围环境受到具有潜在危害的自由基的污染。

自20世纪50年代进入商业化以来,EPR已成为自由基检测、材料研究与结构生物学以及环境污染研究中一种越来越有价值的方法。台式EPR系统的开发,结合了更小的仪器占地面积、大大提高的易用性、更低的拥有成本,以及更强大的检测能力。

除了上述应用之外,EPR现在可以用来检测源于烘焙咖啡豆或烘焙面包的碳基自由基、源自药物降解的自由基,甚至还可以检测维生素中的抗氧化剂自由基。EPR作为检测工具的重要性还在不断深化发展。

有关Bruker EPR仪器的信息、访问现场、定向网络研讨会和其它培训材料,请访问:https://www.bruker.com/products/mr/epr.html

参考文献:

[1] Dellinger B, Lomnicki S, Khachatryan L, Maskos Z, Hall R, Adounkpe J, McFerrin C, Truong H. Formation and stabilization of persistent free radicals. Proceedings of the Combustion Institute. 2007; 31:521–528.

[2] Borrowman CK, Zhou S, Burrow TE andAbbatt JPD (2016) Formation of environmentally persistent free radicals from the heterogeneous reaction of ozone and polycyclic aromatic compounds, Phys. Chem. Chem. Phys. 18: 205.

[3] Yang L, Liu G, Zheng M, Jin R, Zhu Q, Zhao Y, Wu X, and Xu Y (2017) Highly Elevated Levels and Particle-Size Distributions of EnvironmentallyPersistent Free Radicals in Haze-Associated Atmosphere, Environmental Science and Technology,DOI: 10.1021/acs.est.7b01929.

[4] Nwosua UG, Roy A, delaCruza ALN, Dellingera B and Cook R (2016) Formation of Environmentally Persistent Free Radical (EPFR) in Iron(III) Cation-Exchanged Smectite Clay, Environ Sci Process Impacts.

[5] Banaschik R, Jablonowski H, Bednarski PJ and Kolb JF (2018) Degradation and Intermediates of Diclofenac asInstructive Example for Decomposition of RecalcitrantPharmaceuticals by Hydroxyl Radicals Generated with PulsedCorona Plasma in Water, Journal of Hazardous Materials, Accepted Manuscript,DOI:http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2017.08.058

[6] World Health Organization. WHO Global Urban Ambient Air Pollution Database (update2016)
(Online)http://www.who.int/phe/health_topics/outdoorair/databases/cities/en/  [Accessed 20/06/2018]结束
 
作者简介:

Kalina Ranguelova博士是Bruker BioSpin公司的一名EPR应用科学家。在加入Bruker之前,她在保加利亚科学院完成了博士学业,在那儿获得了一个博士学位,研究重点为利用电子顺磁共振(EPR)谱分析无机铜络合物的结构。

在CUNY和NIH的两个研究岗位上,她主要从事自由基生物学研究,以及利用EPR自旋捕获检测活性氧物质(ROS)。随后,她加入了Bruker,并且自2011年起一直为该公司工作。

她目前的研究重点是利用自旋捕捉剂和自旋探针检测并鉴定生物系统和药物中的自由基。她曾在Biological Chemistry、Biochemistry、Free Radical Biology和Medicine等期刊上发表过多篇文章,还在许多国际会议上做过有关生物学和蛋白质化学领域自由基研究的报告。
电子邮件地址:kalina.ranguelova@bruker.com
 
 
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