Detección de contaminantes ambientales: aplicaciones EPR (ESR)

Como una de las crisis globales, la contaminación ambiental está afectando la vida y la salud humana. Existe una nueva clase de sustancias nocivas para el medio ambiente entre los contaminantes del aire, el agua y el suelo: los radicales libres ambientalmente persistentes (EPFR). Los EPFR están omnipresentes en el medio ambiente y pueden inducir la generación de especies reactivas de óxido (ROS), que causan daño celular y corporal y son una de las causas de cáncer y tienen fuertes efectos de riesgo biológico. La tecnología de resonancia paramagnética electrónica (EPR o ESR) puede detectar EPFR y cuantificarlos para encontrar la fuente del peligro y resolver el problema subyacente.

¿Qué son los EPFR?

Los EPFR son una nueva clase de sustancias de riesgo ambiental que se proponen en relación con la preocupación tradicional de los radicales libres de vida corta. Pueden existir en el medio ambiente durante decenas de minutos a decenas de días, tienen una vida útil prolongada y son estables y persistentes. Su estabilidad se basa en su estabilidad estructural, no es fácil de descomponer y es difícil reaccionar entre sí para explotar. Su persistencia se basa en la inercia de que no es fácil reaccionar con otras sustancias del ambiente, por lo que puede persistir en el ambiente. Los EPFR comunes son ciclopentadienilo, semiquinona, fenoxi y otros radicales.

EPFR comunes

¿De dónde vienen los EPFR?

Los EPFR se encuentran en una amplia gama de medios ambientales, como partículas atmosféricas (por ejemplo, PM 2,5), emisiones de fábricas, tabaco, coque de petróleo, madera y plástico, partículas de combustión de carbón, fracciones solubles en cuerpos de agua y suelos contaminados orgánicamente, etc. Los EPFR tienen una amplia gama de vías de transporte en medios ambientales y pueden transportarse mediante ascenso vertical, transporte horizontal, deposición vertical en masas de agua, deposición vertical en la tierra y migración de masas de agua hacia la tierra. En el proceso de migración, se pueden generar nuevos radicales reactivos, que afectan directamente al medio ambiente y contribuyen a las fuentes naturales de contaminantes.

Formación y Transferencia Multimediada de EPFR (Contaminación Ambiental 248 (2019) 320-331)

Aplicación de la técnica EPR para la detección de EPFR

EPR (ESR) es la única técnica de espectroscopia de ondas que puede detectar y estudiar directamente sustancias que contienen electrones no apareados, y desempeña un papel importante en la detección de EPFR debido a sus ventajas, como la alta sensibilidad y el monitoreo in situ en tiempo real. Para la detección de EPFR, la espectroscopia EPR (ESR) proporciona información tanto en dimensiones espaciales como temporales. La dimensión espacial se refiere a los espectros EPR que pueden probar la presencia de radicales libres y obtener información sobre la estructura molecular, etc. La prueba EPR permite el análisis de especies como los radicales libres en la muestra, donde los espectros EPR de onda continua pueden proporcionar información como como factor g y constante de acoplamiento hiperfina A, que a su vez permite a los investigadores obtener información como la estructura electrónica de los radicales libres. La dimensión temporal significa que la vida media de los EPFR se puede inferir monitoreando el tiempo actual de las señales EPR.

Aplicación de la tecnología EPR en la detección de EPFR en el entorno del suelo

El procesamiento, almacenamiento, transporte y posibles fugas de petróleo de los tanques de almacenamiento son todos susceptibles a la contaminación del suelo. Aunque se pueden utilizar técnicas de tratamiento térmico para remediar suelos contaminados por diversos pesticidas volátiles y semivolátiles y PCB, el calentamiento puede alterar las propiedades fisicoquímicas del suelo. El efecto del tratamiento térmico a baja temperatura sobre los PCP y EPFR en los suelos se puede estudiar utilizando técnicas EPR.

Los suelos fueron tratados térmicamente y evaluados para EPR (ESR) utilizando dos tipos de calentamiento: calentamiento cerrado (condiciones anóxicas) y calentamiento abierto (condiciones ricas en oxígeno). Los resultados de la prueba mostraron una señal de radical EPR (ESR) ligeramente más amplia y más débil en suelos calentados al aire libre, lo que indica que el calentamiento abierto resultó en la formación de un radical PCP u otro radical similar con una estructura centrada en oxígeno. La concentración más alta de EPFR fue 10 × 1018 espín/g bajo calentamiento abierto a 100 °C y 12 × 1018 espín/g bajo calentamiento cerrado a 75 °C. Los resultados sugieren que el tratamiento a baja temperatura del suelo contaminado con PCP puede convertir el PCP en EPFR más tóxicos que pueden estar presentes en el medio ambiente durante un tiempo suficientemente largo.

Espectros EPR de suelos con calefacción cerrada y abierta y las concentraciones correspondientes de EPFR y PCP (Environ Sci Technol, 2012, 46(11): 5971-5978)

Aplicación de la tecnología EPR para la detección de EPFR en el humo del tabaco

El humo del tabaco es un aerosol compuesto de partículas/gotitas (TPM, material particulado total) y sustancias químicas en fase gaseosa (gases tóxicos, compuestos orgánicos volátiles, radicales de vida corta, etc.). El TPM contiene altas concentraciones de EPFR de vida larga, radicales estables. que causan daños en el ADN mediante la formación de radicales hidroxilo (-OH), lo que produce efectos negativos a largo plazo en la salud humana.

En el caso de los cigarrillos convencionales, la presencia de radicales libres centrados en el carbono los hace detectables mediante técnicas EPR. Para los cigarrillos electrónicos modernos, la técnica EPR permite la determinación de los radicales libres generados durante la inhalación de los cigarrillos electrónicos y la cuantificación de la generación de EPFR y la producción de ROS en TPM, respectivamente.

La cantidad de radicales hidroxilo formados por el cigarrillo electrónico TMP (Environmental Science and Technology 2020 54 (9), 5710-5718)

Aplicación de la tecnología EPR en la detección de EPFR en áreas mineras alimentadas con carbón

Xuanwei, Yunnan, China, es una región con una alta incidencia de cáncer de pulmón. La zona es rica en reservas de carbón bituminoso y los residentes utilizan el carbón bituminoso en su vida diaria y en la producción industrial. La combustión de carbón bituminoso produce contaminantes que contienen sustancias como los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), que se consideran la principal causa de la alta incidencia de cáncer de pulmón. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) son los contaminantes químicos potencialmente cancerígenos y teratogénicos más ampliamente distribuidos en el medio ambiente. Las moléculas en sí no son paramagnéticas, pero se oxidan fácilmente a los radicales catiónicos correspondientes bajo la acción de catalizadores de sílice-aluminio. Estos radicales catiónicos adsorbidos en la superficie del catalizador son estables y pueden detectarse mediante espectroscopia EPR. Mientras tanto, la intensidad de la señal de EPR está relacionada linealmente con la concentración de HAP, por lo que la concentración total de HAP puede controlarse mediante espectroscopia de EPR.

Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica (EPR) CIQTEK

La espectroscopía CIQTEK EPR (ESR) proporciona un método analítico no destructivo para la detección directa de materiales paramagnéticos. Puede estudiar la composición, estructura y dinámica de moléculas magnéticas, iones de metales de transición, iones de tierras raras, grupos de iones, materiales dopados, materiales defectuosos, radicales libres, metaloproteínas y otras sustancias que contienen electrones desapareados, y puede proporcionar in situ y no -información destructiva a escala microscópica de espines, orbitales y núcleos de electrones. Tiene una amplia gama de aplicaciones en los campos de la física, la química, la biología, los materiales y la industria.