环境持久型自由基

电子顺磁共振（EPR）波谱仪是自由基检测的一种仪器分析技术。EPR在医学、生物、量子化学、物理学、环境以及化学领域等都有所应用。环境与健康是一个热门主题，其中，环境污染会导致怎样的健康效应，也是当下亟需回答的重要科学问题。电子顺磁共振在环境与健康研究领域也可能发挥重要作用。除高活性和短寿命的自由基外，环境中还存在寿命较长的自由基，被称为环境持久性自由基（Environmentally Persistent Free Radicals: EPFRs）或长寿命自由基。EPFRs是十多年前提出的概念，它具有较长的半衰期和稳定性，在环境中存留时间长，增加了生物体的暴露时长，易诱发氧化应激反应，引起细胞和机体损伤等，被认为是一类新型的环境污染物。而实际追溯到1900年，冈伯格发现的第一个自由基——三苯甲基自由基，也是长寿命自由基。目前关于环境中EPFRs的存在及其环境效应研究引起国内外科研人员的广泛重视，开展相关研究工作的课题组逐渐变多。中科院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室刘国瑞研究员较早在国内开展了一些EPFRs相关的工作并取得了不错的成果。日前，仪器信息网特别采访到了刘国瑞研究员，他讲述了与EPR、EPFRs的故事。刘国瑞的主要工作集中在两个方面：1.持久性有机污染物（POPs）：如二噁英、溴代二噁英、多氯萘和卤代多环芳烃等持久性有机污染物，建立典型POPs的高灵敏分析方法，阐明了POPs在环境中的污染特征，发现一些潜在排放源并开展了机理和控制原理研究；2.环境持久性自由基（EPFRs）：主要研究EPFRs的环境污染特征和转化机理相关的工作。被问到当初选择研究EPFRs的原因，刘国瑞介绍到主要有两个因素，一是想要深入了解二噁英等POPs的分子机理，反应过程的中间体检测至关重要，使用顺磁共振技术可以检测反应过程中的自由基中间体，从而推断二噁英的分子机理。另一个原因是2015年基金委启动了重大研究计划项目——大气细颗粒物的毒理与健康效应。“我们重点实验室江老师鼓励我去做大气细颗粒物里的自由基相关的研究工作，”刘国瑞说道，“2015年左右是北京雾霾天气比较严重的时候，我们课题组采集了北京市大气细颗粒物样品，检测了其中的EPFRs，发现不同粒径的颗粒物中EPFRs有不同的分布，越细的颗粒物中吸附的EPFRs含量也越高，由此导致的潜在健康效应值得进一步关注。”该研究工作发表在当时环境领域的国际知名杂志ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY（ES&T）上。刘国瑞在EPFRs相关研究工作中主要使用了电子顺磁共振波谱和色谱/质谱联用两大类分析技术，电子顺磁共振波谱技术可检测未成对电子，即反应过程中的自由基中间体；色谱质谱联用可对反应后产物进行鉴定，用于研究生成机理。刘国瑞表示，未来希望能将电子顺磁共振和色谱/质谱仪器同时与化学反应器连接使用，同时检测反应中的自由基中间体并鉴定反应后的产物。实验室使用的电子顺磁共振波谱仪器来自布鲁克的EMXplus电子顺磁共振波谱仪。更多精彩内容请观看以下采访视频：

环境中自由基检测有多难？自由基化学性质高度活泼，极易发生得失电子的氧化还原反应，是环境水体中降解污染物的重要因素。自由基的环境鉴定和分析对揭示环境污染物降解转化机制具有重要意义。但由于自由基环境浓度极低、反应活性高、寿命短，再加上复杂环境基质的干扰效应，使其环境分析一直是研究的重点和难点。而且，目前的研究主要针对一些已知的自由基展开，对未知自由基的识别和鉴定研究较为匮乏。有学者研究表明，自旋捕获结合质谱分析技术具有特异性和高灵敏性的优点，可同时检测天然水体中多种自由基，并能够识别和鉴定未知自由基，是未来的研究方向。EPR如何检测自由基？ EPR的检测对象包括以下几类：（1）在分子轨道中出现不配对电子（或称单电子）的物质。如自由基、双基及多基、三重态分子等。（2）在原子轨道中出现单电子的物质，如碱金属的原子、过渡金属离子（包括铁族、钯族、铂族离子）等。用EPR检测自由基是一种快速的、直接有效的方法，实验中将所得EPR波谱中相应吸收峰的g因子计算出来，通过与标准值比较，便可估算是哪种自由基，再通过化学手段消除自由基以验证上面的推断。哪些科研院所正开展EPR研究？据小编所知，中科大、清华大学、北京大学、四川大学等众多985/211院校，以及中国科学院生态环境中心，均围绕EPR在环境中应用，开展了系列研究，并取得喜人的进展，包括不限于用于大气污染、水处理过程的表征。为了更好地促进EPR技术发展，仪器信息网3i讲堂联合国仪量子，将于2月23日，全网直播EPR技术在环境领域中的应用进展，上述代表院所专家将进行精彩分享，诚邀免费报名参会。点击图片，免费报名：

自由基是具有非偶电子的基团或原子，它具有非常强的化学反应活性。在生物体内，自由基高度的化学活性使得它可以与各类生物大分子反应使其变性，这使它成为了一把生物体的“双刃剑”：在炎症反应中自由基可以攻击外来病原体来保护生物体自身，而过度的自由基又会导致DNA变性甚至细胞坏死和凋亡。因此检测自由基的含量，尤其是在体内检测尤为重要。以一氧化氮为代表的自由基药物一直是药物学研究的重点。传统的药代动力学自由基测量，需要从生物体的不同部位提取体液，然后再使用电子顺磁共振波谱仪（electron paramagnetic resonance，EPR）来测量体液样品内的自由基含量。然而如何在生物体内定点、定时、定量地检测释放自由基药物，以及如何在时间、空间、剂量上测量生物体内的自由基药物，一直是药代动力学领域的难题。波兰Novilet公司新推出的小动物活体自由基检测系统ERI TM 600，是一款可对小鼠与大鼠等动物进行活体顺磁成像的商业化仪器。ERI TM 600突破了传统电子顺磁共振波谱仪仅能对体外提取物进行定量分析的局限，实现了对小鼠体内的自由基药物进行长时间的3D/2D实时成像观测。同时ERI TM 600配置了温度控制与呼吸监测仪，有效保证小动物在成像时维系正常的生理活动。ERI TM 600成像原理图ERI TM 600成像非常简单，仅需将小鼠麻醉之后，对荷瘤小鼠与对照小鼠注射OX063自旋探针即可。ERI TM 600在2分钟内可对小鼠进行255个投影扫描（25 cm2，精度500 μm），获得一系列的2D图像，然后通过软件对这些2D图像进行重构，获得小鼠的实时3D图像。ERI TM 600成像结果 近期发表于J. Phys. Chem.C的工作“Dynamic Electron Paramagnetic Resonance Imaging: Modern Technique for Biodistribution and Pharmacokinetic Imaging”表明与荷瘤小鼠相比，对照组小鼠探针（尤其在肿瘤部位）分布均匀。荷瘤小鼠探针的信号强度、峰值时间、流入流出比等药代动力学参数与对照小鼠差异明显。将3D成像图与小鼠体表照片相拟合，可以明显观察到肿瘤部位的ERI探针成像表征的药代动力学参数异常。ERI TM 600所得3D图像可以更加直观、准确、长时间地展现自由基药物在小鼠体内的药代动力学分布。 作为中国与进行先进技术、先进仪器交流的重要桥头堡，Quantum Design中国于2020年初引进了波兰Novilet公司的先进产品小动物活体自由基检测系统——ERI TM 600，欢迎感兴趣的老师咨询！