一种快速检测大气颗粒物中EPFRs的EPR方法

环境长寿命自由基 (Environmentally persistent free radicals, EPFRs)是指大气污染物中一类新型的环境风险物质，能在大气环境中持久存在，可能对人体造成健康损坏。如何快速和精准的定量测量EPFRs在微量大气颗粒物中的含量，是大气EPFRs研究的关键瓶颈技术。目前EPR波谱是检测自由基的最直接的方法，对于空气颗粒物中的PM_2.5等的检测只能通过两种方法：基于石英管的EPR直接检测法和溶剂萃取法，直接检测法中，一般采用细长的石英管进行检测，但是该方法存在一些缺点，比如石英管中PM_2.5的密度较难控制，导致无法准确定量；且存在装样困难等问题。而溶剂萃取的方法也存在一些不足，其一是不能保证将样品中的所有自由基都萃取到溶液中，这些持久性自由基也可能与溶剂发生化学反应，而且样品制备过程需要耗费较长时间。尽管这两种方法较为成熟，但仍然缺乏一种快捷简单的检测方法。

为此，陈庆彩等人基于石英管组织池建立了一套新颖的快速、便捷定量大气EPFRs的分析方法，并将该方法成功的运用于西安市大气污染程度调查研究。该方法将进一步扩展或促进大气EPFRs理化性质、来源解析以及防治措施等研究，如图1所示。

图1 （a）玻璃毛细管，（b）石英管，（c）石英组织池（d）石英组织池图解.

首先，研究者对EPR相关信号响应因素的空间分布进行了研究，包括谐振器，石英组织池，石英管，玻璃毛细管及Cr³⁺标，如图2。通过计算得到各种条件下样品与Cr³⁺标的面积比，这些结果则用于计算真实自旋数的校正系数。

图2 相关信号响应因子的空间分布，（a）整个谐振器，（b）石英组织池，（c）石英管，（d）玻璃毛细管和（e）EPR测试中使用的Cr³⁺标。（b）和（c）中的滤芯长28mm，宽5mm，厚0.3mm。（d）中使用的玻璃毛细管长30mm，直径1.5mm，（e）中的Cr³⁺标长30mm，直径3mm。

随后，研究者使用该方法测试了不同大气颗粒物样品中的PM_2.5的自旋浓度，其与美国大气中检测到PM_2.5的自旋浓度相似。此后又进行了该实验方法的重现性和灵敏度的研究，见表1，实验结果验证了该方法良好的重现性。通过计算证明了使用该方法可检测到的大气自旋数浓度为6.0*10¹³ spins/m³，阐明了该方法的可行性。

表1 大气中PM_2.5样品的信号特征及EPFRs浓度。

^a曝光在可见光（400-700nm）下的2017年2月19日样品

^b三次实验的算术平均值

最后通过与传统方法的比较，见图3。首先对比了石英池与石英管的方法，实验结果表明基于石英组织池的方法展现了更为良好的重现性和准确性，而且相比石英管的方法更节省时间。此外，研究者还提出了多溶剂萃取的方法，使用了水，甲醇，DCM和正己烷多种溶剂，对比传统的溶剂萃取法，结果表明多种溶剂萃取可以检测到总的EPFRs的浓度。

图3 不同测试方法下收集于2017年12月1日的样品的EPR谱图

结论

1.      传统的EPFRs检测方法，如基于石英管的直接检测法和溶剂萃取法样品制备过程复杂，定量分析准确度低。

2.      基于石英组织池的EPR方法则为一种高效、可重复性好的大气中PM_2.5样品中EPFRs总含量的定量检测方法。相比传统的溶剂萃取法，多溶剂的方法也可有效地避免EPFRs与溶剂之间发生化学反应。

3.      该方法对大量PM_2.5样品中EPFRs的来源、浓度及物化性质的研究具有重要意义。

参考文献：

Qingcai Chen et al. Rapid determination of environmentally persistent free radicals (EPFRs) in atmospheric particles with a quartz sheet-based approach using electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy [J]. Atmospheric Environment 2018, 184,140-145

文章中使用的德国Freiberg Instruments公司的MS5000顺磁波谱仪，该仪器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。

德国美嘉特电子顺磁共振波谱仪——MiniSpcope MS 5000

MiniSpcope MS 5000系列电子自旋共振波谱仪结合了最先进的电子技术以及磁场和谐振腔工程应用的拓展经验，实现了两倍以上的信噪比的提升，具有出色的灵敏度和磁场稳定性，是理想的微型波谱仪。

该仪器的应用对象主要是含有未成对电子的物质，可用于检测顺磁体的磁化率，辐照损伤和辐照效应，研究酶反应动力学以及细胞组织中自由基与疾病的关系等。

应用领域

应用实例

1. 环境化学：污水处理，大气颗粒物

       E1208 液体流通池系统                          大气颗粒物(PM2.5)中自由基检测

2. 催化与材料：光催化，电催化，芬顿反应，材料改性及缺陷检测等

光催化反应机理                                              金属氧化物纳米材料改性

3. 生命科学：癌症、心脑血管疾病发病机理研究，氮氧自由基、活性氧等检测

活性氧检测                                            心血管内氮氧自由基检测

4. 地质测年及辐照剂量检测

EPR测年                                                      丙氨酸剂量计

附件

粉末和固体样品的自动进样器

可自动处理石英管中23个样品直径3-6 mm，谐振器内精确的高度定位以获得最高的可重复性。

液体样品的自动进样器

软件控制小型波谱仪、自动进样器、集成蠕动泵的自动进样，动态监测的软件包括自动化的数据采集和数据评估，对于单个或多种化合物，可选自动组分混合和温度控制。

X射线辐照设备—X-ray Dose

用于剂量研究，材料辐照损伤，辐照食物剂量，释光测年，ESR测年等。

温度控制器（TC H04）

温度范围93K-473K；控制精度±0.25K (@373K)；计算机控制；液氮存储，用配有氮杜瓦的腔测量。

自动测角仪

样品可实现完全自动化的角旋转；步长0.1°-180°；测量新光谱前自动重置波谱仪便实现最佳测试性能。

杜瓦

用于77K的低温检测，可提高检测灵敏度。

生物温度控制器

温度范围：293K-350K；精度±0.25K，计算机控制；温度介质：空气。

玻璃配件

50毫升毛细管，扁平池，定制的SH-P夹，组织单元，样品管，指状杜瓦等。

组织池

用于生物组织样品，薄膜样品，大气颗粒物（PM2.5）检测。

锘海生物科学仪器（上海）股份有限公司

Nuohai Life Science（Shanghai）Co.,Ltd

地址：上海市松江区莘砖公路650号1203室

电话：021-37827858       邮箱：info@nuohailifescience .com

http://www.nuohailifescience.com/