Erkennung von Umweltschadstoffen – EPR (ESR)-Anwendungen

Als eine der globalen Krisen beeinträchtigt die Umweltverschmutzung das Leben und die Gesundheit der Menschen. Unter den Luft-, Wasser- und Bodenschadstoffen gibt es eine neue Klasse umweltschädlicher Substanzen – umweltbeständige freie Radikale (EPFRs). EPFRs sind in der Umwelt allgegenwärtig und können die Bildung reaktiver Oxidspezies (ROS) induzieren, die Zell- und Körperschäden verursachen, eine der Ursachen für Krebs sind und starke biogefährdende Auswirkungen haben. Die elektronenparamagnetische Resonanztechnologie (EPR oder ESR) kann EPFRs erkennen und quantifizieren, um die Quelle der Gefahr zu finden und das zugrunde liegende Problem zu lösen.

Was sind EPFRs?

EPFRs sind eine neue Klasse umweltgefährdender Substanzen, die im Vergleich zu der traditionellen Sorge um kurzlebige freie Radikale vorgeschlagen werden. Sie können mehrere zehn Minuten bis mehrere Tage in der Umwelt existieren, haben eine lange Lebensdauer und sind stabil und beständig. Seine Stabilität basiert auf seiner strukturellen Stabilität, ist nicht leicht zu zersetzen und es ist schwierig, miteinander zu reagieren, um zu platzen. Seine Persistenz beruht auf der Trägheit, dass es nicht leicht mit anderen Stoffen in der Umwelt reagiert und daher in der Umwelt verbleiben kann. Übliche EPFRs sind Cyclopentadienyl, Semichinon, Phenoxy und andere Radikale.

Gemeinsame EPFRs

Woher kommen EPFRs?

EPFRs kommen in einer Vielzahl von Umweltmedien vor, beispielsweise in atmosphärischen Partikeln (z. B. PM 2,5), Fabrikabgasen, Tabak, Petrolkoks, Holz und Kunststoff, Partikeln aus der Kohleverbrennung, löslichen Fraktionen in Gewässern und organisch kontaminierten Böden usw . EPFRs haben ein breites Spektrum an Transportwegen in Umweltmedien und können durch vertikalen Aufstieg, horizontalen Transport, vertikale Ablagerung in Gewässern, vertikale Ablagerung an Land und Landwanderung von Gewässern transportiert werden. Bei der Migration können neue reaktive Radikale entstehen, die sich direkt auf die Umwelt auswirken und zu den natürlichen Schadstoffquellen beitragen.

Bildung und multimedialer Transfer von EPFRs (Environmental Pollution 248 (2019) 320-331)

Anwendung der EPR-Technik zur Erkennung von EPFRs

EPR (ESR) ist die einzige Wellenspektroskopietechnik, mit der Substanzen mit ungepaarten Elektronen direkt nachgewiesen und untersucht werden können. Aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Empfindlichkeit und Echtzeit-In-situ-Überwachung spielt sie eine wichtige Rolle bei der Erkennung von EPFRs. Für den Nachweis von EPFRs liefert die EPR (ESR)-Spektroskopie Informationen sowohl in räumlicher als auch zeitlicher Dimension. Die räumliche Dimension bezieht sich auf die EPR-Spektren, die das Vorhandensein freier Radikale nachweisen und Informationen über die Molekülstruktur usw. erhalten können. Der EPR-Test ermöglicht die Analyse von Spezies wie freien Radikalen in der Probe, wobei kontinuierliche Wellen-EPR-Spektren Informationen liefern können, z als g-Faktor und Hyperfeinkopplungskonstante A, was es Forschern wiederum ermöglicht, Informationen wie die elektronische Struktur freier Radikale zu erhalten. Die Zeitdimension bedeutet, dass die Halbwertszeit von EPFRs durch Überwachung der aktuellen Zeit von EPR-Signalen abgeleitet werden kann.

Anwendung der EPR-Technologie zur Erkennung von EPFRs in der Bodenumgebung

Erdölverarbeitung, -lagerung, -transport und mögliche Leckagen aus Lagertanks sind alle anfällig für Bodenverunreinigungen. Obwohl thermische Behandlungstechniken zur Sanierung von Böden eingesetzt werden können, die mit verschiedenen flüchtigen, halbflüchtigen Pestiziden und PCB kontaminiert sind, kann die Erwärmung die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Bodens verändern. Die Wirkung einer thermischen Behandlung bei niedriger Temperatur auf PCPs und EPFRs in Böden kann mithilfe von EPR-Techniken untersucht werden.

Die Böden wurden wärmebehandelt und auf EPR (ESR) getestet, wobei zwei Arten der Erwärmung zum Einsatz kamen: geschlossene Erwärmung (anoxische Bedingungen) und offene Erwärmung (sauerstoffreiche Bedingungen). Die Testergebnisse zeigten ein etwas breiteres und schwächeres EPR (ESR)-Radikalsignal in offen erhitzten Böden, was darauf hindeutet, dass offenes Erhitzen zur Bildung eines PCP-Radikals oder eines anderen ähnlichen Radikals mit einer sauerstoffzentrierten Struktur führte. Die höchste EPFR-Konzentration betrug 10 × 1018 Spin/g bei offener Erwärmung bei 100 °C und 12 × 1018 Spin/g bei geschlossener Erwärmung bei 75 °C. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Behandlung PCP-kontaminierter Böden bei niedrigen Temperaturen PCP in toxischere EPFRs umwandeln kann, die möglicherweise lange genug in der Umwelt vorhanden sind.

EPR-Spektren geschlossener und offener beheizter Böden und die entsprechenden Konzentrationen von EPFRs und PCP (Environ Sci Technol, 2012, 46(11): 5971-5978)

Anwendung der EPR-Technologie zur Erkennung von EPFRs in Tabakrauch

Tabakrauch ist ein Aerosol, das aus Partikeln/Tröpfchen (TPM, Total Particulate Matter) und Gasphasenchemikalien (giftige Gase, flüchtige organische Verbindungen, kurzlebige Radikale usw.) besteht. TPM enthält hohe Konzentrationen langlebiger EPFRs, stabiler Radikale die durch die Bildung von Hydroxylradikalen (-OH) DNA-Schäden verursachen und langfristig negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben.

Bei herkömmlichen Zigaretten sind die kohlenstoffzentrierten freien Radikale durch EPR-Techniken nachweisbar. Bei modernen E-Zigaretten ermöglicht die EPR-Technik die Bestimmung der freien Radikale, die beim Inhalieren von E-Zigaretten entstehen, und die Quantifizierung der Entstehung von EPFRs bzw. der Produktion von ROS in TPM.

Die Menge an Hydroxylradikalen, die durch elektronische Zigaretten-TMP gebildet werden (Environmental Science and Technology 2020 54 (9), 5710-5718)

Anwendung der EPR-Technologie zur Erkennung von EPFRs in Kohlebergbaugebieten

Xuanwei, Yunnan, China, ist eine Region mit einer hohen Lungenkrebsinzidenz. Das Gebiet ist reich an Steinkohlevorkommen und die Bewohner nutzen Steinkohle in ihrem täglichen Leben und in der industriellen Produktion. Bei der Verbrennung von Steinkohle entstehen schadstoffhaltige Stoffe wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die als Hauptursache für die hohe Lungenkrebsrate gelten. Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sind die am weitesten verbreiteten potenziell krebserregenden und teratogenen chemischen Schadstoffe in der Umwelt. Die Moleküle selbst sind nicht paramagnetisch, werden aber unter Einwirkung von Siliciumdioxid-Aluminium-Katalysatoren leicht zu den entsprechenden kationischen Radikalen oxidiert. Solche auf der Katalysatoroberfläche adsorbierten kationischen Radikale sind stabil und können mittels EPR-Spektroskopie nachgewiesen werden. Mittlerweile steht die Signalintensität von EPR in einem linearen Zusammenhang mit der PAK-Konzentration, sodass die Gesamtkonzentration von PAKs durch EPR-Spektroskopie überwacht werden kann.

CIQTEK Elektronenparamagnetische Resonanzspektroskopie (EPR).

Die CIQTEK EPR (ESR)-Spektroskopie bietet eine zerstörungsfreie Analysemethode zum direkten Nachweis paramagnetischer Materialien. Es kann die Zusammensetzung, Struktur und Dynamik magnetischer Moleküle, Übergangsmetallionen, Seltenerdionen, Ionencluster, dotierter Materialien, defekter Materialien, freier Radikale, Metalloproteine ​​und anderer Substanzen mit ungepaarten Elektronen untersuchen und in situ und nicht bereitstellen -zerstörerische Informationen auf der mikroskopischen Skala von Elektronenspins, Orbitalen und Kernen. Es hat ein breites Anwendungsspektrum in den Bereichen Physik, Chemie, Biologie, Materialien und Industrie.