Rilevamento di contaminanti ambientali - Applicazioni EPR (ESR).

Essendo una delle crisi globali, l’inquinamento ambientale sta influenzando la vita e la salute umana. Esiste una nuova classe di sostanze dannose per l'ambiente tra gli inquinanti dell'aria, dell'acqua e del suolo: i radicali liberi persistenti per l'ambiente (EPFR). Gli EPFR sono onnipresenti nell’ambiente e possono indurre la generazione di specie di ossidi reattivi (ROS), che causano danni alle cellule e al corpo e sono una delle cause del cancro e hanno forti effetti di rischio biologico. La tecnologia di risonanza paramagnetica elettronica (EPR o ESR) è in grado di rilevare gli EPFR e quantificarli per individuare la fonte del pericolo e risolvere il problema sottostante.

Cosa sono gli EPFR

Gli EPFR sono una nuova classe di sostanze a rischio ambientale proposte rispetto alla tradizionale preoccupazione dei radicali liberi di breve durata. Possono esistere nell'ambiente da decine di minuti a decine di giorni, hanno una lunga durata e sono stabili e persistenti. La sua stabilità si basa sulla stabilità strutturale, non è facile da decomporre ed è difficile reagire tra loro per scoppiare. La sua persistenza si basa sull'inerzia per cui non è facile reagire con altre sostanze nell'ambiente, quindi può persistere nell'ambiente. Gli EPFR comuni sono ciclopentadienile, semichinone, fenossi e altri radicali.

EPFR comuni

Da dove provengono gli EPFR?

Gli EPFR si trovano in un'ampia gamma di ambienti ambientali, come il particolato atmosferico (ad esempio PM 2,5), le emissioni delle fabbriche, il tabacco, il coke di petrolio, il legno e la plastica, i particolati derivanti dalla combustione del carbone, le frazioni solubili nei corpi idrici e i terreni contaminati da sostanze organiche, ecc. Gli EPFR hanno un'ampia gamma di percorsi di trasporto nei mezzi ambientali e possono essere trasportati attraverso l'ascesa verticale, il trasporto orizzontale, la deposizione verticale sui corpi idrici, la deposizione verticale sulla terra e la migrazione verso terra dei corpi idrici. Nel processo di migrazione possono essere generati nuovi radicali reattivi che influenzano direttamente l'ambiente e contribuiscono alle fonti naturali di inquinanti.

Formazione e trasferimento multimediale degli EPFR (Inquinamento ambientale 248 (2019) 320-331)

Applicazione della tecnica EPR per la rilevazione degli EPFR

L'EPR (ESR) è l'unica tecnica di spettroscopia d'onda in grado di rilevare e studiare direttamente sostanze contenenti elettroni spaiati e svolge un ruolo importante nel rilevamento di EPFR grazie ai suoi vantaggi come l'elevata sensibilità e il monitoraggio in situ in tempo reale. Per la rilevazione degli EPFR, la spettroscopia EPR (ESR) fornisce informazioni sia nella dimensione spaziale che temporale. La dimensione spaziale si riferisce agli spettri EPR che possono dimostrare la presenza di radicali liberi e ottenere informazioni sulla struttura molecolare, ecc. Il test EPR consente l'analisi di specie come i radicali liberi nel campione, dove gli spettri EPR a onda continua possono fornire informazioni come come fattore g e costante di accoppiamento iperfine A, che a sua volta consente ai ricercatori di ottenere informazioni come la struttura elettronica dei radicali liberi. La dimensione temporale significa che l'emivita degli EPFR può essere dedotta monitorando il tempo presente dei segnali EPR.

Applicazione della tecnologia EPR nel rilevamento degli EPFR nell'ambiente del suolo

La lavorazione, lo stoccaggio, il trasporto del petrolio e le possibili perdite dai serbatoi di stoccaggio sono tutti soggetti alla contaminazione del suolo. Sebbene le tecniche di trattamento termico possano essere utilizzate per risanare i terreni contaminati da vari pesticidi volatili e semivolatili e PCB, il riscaldamento può alterare le proprietà fisico-chimiche del suolo. L'effetto del trattamento termico a bassa temperatura su PCP ed EPFR nei suoli può essere studiato utilizzando tecniche EPR.

I terreni sono stati trattati termicamente e testati per l'EPR (ESR) utilizzando due tipi di riscaldamento: riscaldamento chiuso (condizioni anossiche) e riscaldamento aperto (condizioni ricche di ossigeno). I risultati del test hanno mostrato un segnale del radicale EPR (ESR) leggermente più ampio e più debole nei terreni riscaldati all’aperto, indicando che il riscaldamento all’aperto ha portato alla formazione di un radicale PCP o di un altro radicale simile con una struttura centrata sull’ossigeno. La concentrazione più alta di EPFR era 10 × 1018 spin/g sotto riscaldamento aperto a 100 °C e 12 × 1018 spin/g sotto riscaldamento chiuso a 75 °C. I risultati suggeriscono che il trattamento a bassa temperatura del terreno contaminato da PCP può convertire il PCP in EPFR più tossici che possono essere presenti nell’ambiente per un tempo sufficientemente lungo.

Spettri EPR di suoli riscaldati a circuito chiuso e a riscaldamento aperto e concentrazioni corrispondenti di EPFR e PCP (Environ Sci Technol, 2012, 46(11): 5971-5978)

Applicazione della tecnologia EPR per il rilevamento degli EPFR nel fumo di tabacco

Il fumo di tabacco è un aerosol composto da particelle/goccioline (TPM, particolato totale) e sostanze chimiche in fase gassosa (gas tossici, composti organici volatili, radicali a vita breve, ecc.). Il TPM contiene alte concentrazioni di EPFR a lunga vita, radicali stabili che causano danni al DNA attraverso la formazione di radicali idrossilici (-OH), con conseguenti effetti negativi a lungo termine sulla salute umana.

Per le sigarette convenzionali, la presenza di radicali liberi centrati sul carbonio li rende rilevabili mediante tecniche EPR. Per le moderne sigarette elettroniche, la tecnica EPR consente la determinazione dei radicali liberi generati durante l'inalazione delle sigarette elettroniche e la quantificazione rispettivamente della generazione di EPFR e della produzione di ROS nel TPM.

La quantità di radicali idrossilici formati dalla sigaretta elettronica TMP (Environmental Science and Technology 2020 54 (9), 5710-5718)

Applicazione della tecnologia EPR nel rilevamento degli EPFR nelle aree minerarie alimentate a carbone

Xuanwei, Yunnan, Cina, è una regione con un'alta incidenza di cancro ai polmoni. L'area è ricca di riserve di carbone bituminoso e i residenti utilizzano il carbone bituminoso nella loro vita quotidiana e nella produzione industriale. La combustione del carbone bituminoso produce sostanze inquinanti contenenti sostanze come gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA), considerati la causa principale dell'elevata incidenza del cancro ai polmoni. Gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) sono gli inquinanti chimici potenzialmente cancerogeni e teratogeni più ampiamente distribuiti nell’ambiente. Le molecole stesse non sono paramagnetiche ma si ossidano facilmente nei corrispondenti radicali cationici sotto l'azione di catalizzatori di silice-alluminio. Tali radicali cationici adsorbiti sulla superficie del catalizzatore sono stabili e possono essere rilevati mediante spettroscopia EPR. Nel frattempo, l'intensità del segnale dell'EPR è linearmente correlata alla concentrazione degli IPA, quindi la concentrazione totale degli IPA può essere monitorata mediante spettroscopia EPR.

Spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica (EPR) CIQTEK

La spettroscopia CIQTEK EPR (ESR) fornisce un metodo analitico non distruttivo per il rilevamento diretto di materiali paramagnetici. Può studiare la composizione, la struttura e la dinamica di molecole magnetiche, ioni di metalli di transizione, ioni di terre rare, cluster ionici, materiali drogati, materiali difettosi, radicali liberi, metalloproteine ​​e altre sostanze contenenti elettroni spaiati e può fornire in situ e non -informazioni distruttive su scala microscopica di spin, orbitali e nuclei degli elettroni. Ha una vasta gamma di applicazioni nei campi della fisica, della chimica, della biologia, dei materiali e dell'industria.