Detecção de Contaminantes Ambientais - Aplicações EPR (ESR)

Sendo uma das crises globais, a poluição ambiental está a afectar a vida e a saúde humanas. Há uma nova classe de substâncias ambientalmente nocivas entre os poluentes do ar, da água e do solo - Radicais Livres Ambientalmente Persistentes (EPFRs). Os EPFRs são onipresentes no meio ambiente e podem induzir a geração de espécies reativas de óxidos (ROS), que causam danos às células e ao corpo e são uma das causas do câncer e têm fortes efeitos de risco biológico. A tecnologia de ressonância paramagnética eletrônica (EPR ou ESR) pode detectar EPFRs e quantificá-los para encontrar a origem do perigo e resolver o problema subjacente.

O que são EPFRs

Os EPFRs são uma nova classe de substâncias de risco ambiental propostas em relação à preocupação tradicional dos radicais livres de vida curta. Eles podem existir no ambiente por dezenas de minutos a dezenas de dias, têm uma vida útil longa e são estáveis ​​e persistentes. A sua estabilidade baseia-se na sua estabilidade estrutural, não é fácil de decompor e é difícil reagir entre si para rebentar. A sua persistência baseia-se na inércia de que não é fácil reagir com outras substâncias do meio ambiente, podendo persistir no meio ambiente. EPFRs comuns são ciclopentadienil, semiquinona, fenoxi e outros radicais.

EPFRs comuns

De onde vêm os EPFRs?

EPFRs são encontrados em uma ampla variedade de meios ambientais, como partículas atmosféricas (por exemplo, PM 2,5), emissões de fábricas, tabaco, coque de petróleo, madeira e plástico, partículas de combustão de carvão, frações solúveis em corpos d'água e solos contaminados organicamente, etc. Os EPFRs têm uma ampla gama de vias de transporte em meios ambientais e podem ser transportados através de subida vertical, transporte horizontal, deposição vertical em corpos d'água, deposição vertical em terra e migração terrestre de corpos d'água. No processo de migração podem ser gerados novos radicais reativos, que afetam diretamente o meio ambiente e contribuem para as fontes naturais de poluentes.

Formação e transferência multimídia de EPFRs (Poluição Ambiental 248 (2019) 320-331)

Aplicação da técnica EPR para detecção de EPFRs

EPR (ESR) é a única técnica de espectroscopia de ondas que pode detectar e estudar diretamente substâncias contendo elétrons desemparelhados e desempenha um papel importante na detecção de EPFRs devido às suas vantagens como alta sensibilidade e monitoramento in situ em tempo real. Para a detecção de EPFRs, a espectroscopia EPR (ESR) fornece informações em dimensões espaciais e temporais. A dimensão espacial refere-se aos espectros EPR que podem comprovar a presença de radicais livres e obter informações sobre a estrutura molecular, etc. O teste EPR permite a análise de espécies como radicais livres na amostra, onde os espectros EPR de ondas contínuas podem fornecer informações como como fator g e constante de acoplamento hiperfina A, que por sua vez permite aos pesquisadores obter informações como a estrutura eletrônica dos radicais livres. A dimensão temporal significa que a meia-vida dos EPFRs pode ser inferida monitorando o tempo atual dos sinais EPR.

Aplicação da tecnologia EPR na detecção de EPFRs no ambiente do solo

O processamento, armazenamento, transporte de petróleo e possíveis vazamentos de tanques de armazenamento são suscetíveis à contaminação do solo. Embora técnicas de tratamento térmico possam ser usadas para remediar solos contaminados por vários pesticidas voláteis, semivoláteis e PCBs, o aquecimento pode alterar as propriedades físico-químicas do solo. O efeito do tratamento térmico a baixa temperatura sobre PCPs e EPFRs em solos pode ser estudado utilizando técnicas EPR.

Os solos foram tratados termicamente e testados para EPR (ESR) utilizando dois tipos de aquecimento: aquecimento fechado (condições anóxicas) e aquecimento aberto (condições ricas em oxigênio). Os resultados do teste mostraram um sinal radical EPR (ESR) ligeiramente mais amplo e mais fraco em solos aquecidos a céu aberto, indicando que o aquecimento aberto resultou na formação de um radical PCP ou outro radical semelhante com uma estrutura centrada em oxigênio. A maior concentração de EPFR foi 10 × 1018 spin/g sob aquecimento aberto a 100 °C e 12 × 1018 spin/g sob aquecimento fechado a 75 °C. Os resultados sugerem que o tratamento a baixa temperatura de solo contaminado com PCP pode converter o PCP em EPFRs mais tóxicos que podem estar presentes no ambiente por um tempo suficientemente longo.

Espectros EPR de solos aquecidos fechados e abertos e as concentrações correspondentes de EPFRs e PCP (Environ Sci Technol, 2012, 46(11): 5971-5978)

Aplicação da tecnologia EPR para detecção de EPFRs na fumaça do tabaco

A fumaça do tabaco é um aerossol composto de partículas/gotículas (TPM, material particulado total) e produtos químicos em fase gasosa (gases tóxicos, compostos orgânicos voláteis, radicais de vida curta, etc.). O TPM contém altas concentrações de EPFRs de longa vida, radicais estáveis que causam danos ao DNA através da formação de radicais hidroxila (-OH), resultando em efeitos negativos a longo prazo na saúde humana.

Para os cigarros convencionais, a presença de radicais livres centrados no carbono torna-os detectáveis ​​pelas técnicas EPR. Para os cigarros eletrônicos modernos, a técnica EPR permite a determinação dos radicais livres gerados durante a inalação dos cigarros eletrônicos e a quantificação da geração de EPFRs e da produção de ROS no TPM, respectivamente.

A quantidade de radicais hidroxila formados pelo cigarro eletrônico TMP (Environmental Science and Technology 2020 54 (9), 5710-5718)

Aplicação da tecnologia EPR na detecção de EPFRs em áreas de mineração a carvão

Xuanwei, Yunnan, China, é uma região com alta incidência de câncer de pulmão. A área é rica em reservas de carvão betuminoso e os residentes utilizam carvão betuminoso na sua vida quotidiana e na produção industrial. A combustão do carvão betuminoso produz poluentes contendo substâncias como os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAP), considerados a principal causa da elevada incidência de cancro do pulmão. Os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) são os poluentes químicos potencialmente cancerígenos e teratogênicos mais amplamente distribuídos no meio ambiente. As moléculas em si não são paramagnéticas, mas são facilmente oxidadas nos radicais catiônicos correspondentes sob a ação de catalisadores de sílica-alumínio. Tais radicais catiônicos adsorvidos na superfície do catalisador são estáveis ​​e podem ser detectados por espectroscopia EPR. Enquanto isso, a intensidade do sinal do EPR está linearmente relacionada à concentração de PAHs, de modo que a concentração total de PAHs pode ser monitorada por espectroscopia EPR.

Espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica CIQTEK (EPR)

A espectroscopia CIQTEK EPR (ESR) fornece um método analítico não destrutivo para a detecção direta de materiais paramagnéticos. Ele pode estudar a composição, estrutura e dinâmica de moléculas magnéticas, íons de metais de transição, íons de terras raras, aglomerados de íons, materiais dopados, materiais defeituosos, radicais livres, metaloproteínas e outras substâncias contendo elétrons desemparelhados, e pode fornecer in situ e não -informações destrutivas na escala microscópica de spins de elétrons, orbitais e núcleos. Possui uma ampla gama de aplicações nas áreas de física, química, biologia, materiais e indústria.