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EPR应用 | 陕西科技大学陈庆彩老师研究PM2.5中EPFRs的来源

发布日期：2019/7/30 9:06:15

PM2.5，中文名称为细颗粒物，又称细粒、细颗粒，指环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。PM2.5作为近年来关注度非常高的一个关键词，大家应该并不陌生，而对于在PM2.5中的环境持久自由基（EPFRs）想必大家就鲜有了解了。

在说EPFRs之前，先来了解一下自由基。自由基，化学上也称为“游离基”，是指化合物的分子在光热等外界条件下，共价键发生均裂而形成的具有不成对电子的原子或基团。自由基是一种缺乏电子的物质（不饱和电子物质），在进入人体后会到处争夺电子，如果夺去细胞蛋白分子的电子，会使蛋白质接上支链发生烷基化，形成畸变的分子而致癌。该畸变分子由于自己缺少电子，又要去夺取邻近分子的电子，又使邻近分子也发生畸变而致癌。这样，恶性循环就会形成大量畸变的蛋白分子，基因突变，形成大量癌细胞，最后出现癌症。而当自由基或畸变分子抢夺了基因的电子时，人就会直接得癌症。所以在环境中存在的自由基对我们的健康有着巨大的潜在威胁。

EPFRs是相对稳定的有机自由基，具有单电子和顺磁稳定性。一些氧中心或含氧的EPFRs，如苯氧基和半醌自由基，可在环境中存在数天。由于会增加慢性肺病和哮喘的风险，EPFRs被认为对人类健康有长期的不利影响。这些不利影响可能是由于它们在环境中的寿命很长，并且通过持续地催化氧分子产生活性氧（ROS），从而诱导生物系统中的氧化应激反应，破坏细胞和器官。然而对于EPFRs的研究仅局限于定性研究，在此之前并没有关于来源分布的定量研究。

近日，陕西科技大学环境科学与工程学院的陈庆彩老师等人在SCI期刊Science of the Total Environment上发表了他们的研究成果。他们的研究是针对在PM2.5中的EPFRs来源的研究，该研究使用电子顺磁共振（EPR）波谱技术测得EPFRs的自旋浓度，再通过正矩阵分解（PMF）模型进行分析。此外，该研究还结合了气象参数探讨了影响EPFRs来源的因素。通过对西安市PM2.5环境污染来源分布变化的分析，为进一步了解这些来源对人体健康的不利影响提供重要信息，从而帮助制定减少环境污染的控制措施，所以该研究是相关领域后续研究的重要引导。

该实验取了从2017年4月4日至12月29日期间共116天的PM2.5样品（期间内并非每日取样），地点为西安市陕西科技大学，每次取样时间为早上七点至第二天早上六点半（23.5小时）。在经过处理后，对样品进行结合化学测试、EPR测试、气象学结合分析及PMF分析等测试的系统研究。

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Fig. 1. 各季节中EPFRs的来源分布

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Fig. 2. 各季节中污染源分别对PM2.5 (A1-A4) 和EPFRs (B1-B4) 贡献的占比

实验结果表明，在2017年西安市PM2.5中的EPFRs分布情况主要由灰尘来源、煤燃烧、二次硝酸盐、工业排放和机动车排放这五个主要因素组成，它们一共贡献了总量的90.41%±29.44%。在这其中，机动车排放为EPFRs最主要的来源，占到了大约3.90×1013 spins/m3 (32.13%)。随着PM2.5的增加，煤燃烧贡献的比例也在显著增加，这表明了对于PM2.5和EPFRs的综合影响来说，煤燃烧远高于其他因素。结合以上结果，陈庆彩老师等人认为，未来关于EPFRs的研究应该更着重于灰尘、煤燃烧及机动车排放三大来源，而且在未来，EPFRs应该像PM2.5一样明确提出指标，方便制定控制环境污染的策略，以更好地减少EPFRs对人体健康的不利影响。

EPR是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。对自由基而言，轨道磁矩几乎不起作用，总磁矩的绝大部分（99%以上）的贡献来自电子自旋，所以电子顺磁共振亦称“电子自旋共振”（ESR）。在此研究中使用的仪器为德国Magnettech MS 5000电子顺磁共振波谱仪，该仪器在研究过程中展现了高灵敏性和稳定性，并且仪器操作的简便性及检测的高效性都得到了课题组的一致赞誉。

文献原文：Wang, Y., Li, S., Wang, M., Sun, H., Mu, Z., Zhang, L., Li, Y. and Chen, Q. (2019). Source apportionment of environmentally persistent free radicals (EPFRs) in PM2.5 over Xi'an, China. Science of The Total Environment, 689, pp.193-202.

关于德国Magnettech电子顺磁共振波谱仪（EPR）

EPR MiniSpcope MS 5000/5000X

MiniSpcope MS 5000/5000X系列电子顺磁共振波谱仪（EPR）采用了电磁体和微波桥紧凑设计，实现了两倍以上的信噪比提升，具有高灵敏度和磁场稳定性，科研级台式波谱仪。MiniSpcope MS 5000/5000X系列电子顺磁共振波谱仪（EPR）拥有快捷简便准确的定量测试方法和完善的数据处理和分析系统，它还具有小巧轻便灵活的特点，为科研工作者带来便捷。

MiniSpcope MS 5000/5000X系列电子顺磁共振波谱仪（EPR）的应用对象主要是含有未成对电子的物质，可用于研究自由基、过渡金属离子、催化反应机理、大气颗粒物（PM2.5）、污水处理高级氧化机理、化学反应动力学、环境中持久性自由基EPFRs、材料缺陷、掺杂、酶活性、蛋白质结构、辐射剂量、地质测年等。

EPR应用实例

1. 环境化学：污水处理，大气颗粒物

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