电子顺磁共振波谱仪：追踪大气污染“健康杀手”的有力工具

——访陕西科技大学 陈庆彩教授

      作为危害人类生命健康的一大杀手，大气污染已经成为大家关注的焦点之一。但是大气颗粒物中的哪些物质会影响人体健康？为什么会造成损害？这不仅是普通大众不明白的事情，也是科研工作者的难题。

      为了更深入的探究大气污染对人类健康的危害性，鉴定及监测大气颗粒物中自由基的产生并确定它们的氧化性能得到了科研工作者的重点关注。日前，媒体编辑采访了陕西科技大学陈庆彩教授，请其为大家介绍这其中的前沿研究成果。

陕西科技大学 陈庆彩教授

      团队负责人陈庆彩教授，理学博士，毕业于名古屋大学，陕西省省级人才， 政府特聘专家，一作/通讯发表学术论文30 余篇，主持国家自然基金等项目5 项。课题组目前主要方向包括：大气气溶胶化学组成和源解析、大气污染与人体健康、区域大气污染模拟和环境效应分析、VOCs 源头控制技术。目前课题组现有 5 名教授或副教授，博士、硕士研究生 20 余名。

     长寿命自由基：长时间、持久性健康损害的重要因素

      媒体：请介绍大气污染目前的研究热点，以及您现在主要的研究方向？

      陈庆彩：大气污染是我国最为复杂的环境问题之一，相关研究非常火热，过去几年间在细颗粒物的治理上取得了显著治理成效，未来几年国家战略也将聚焦在细颗粒物和臭氧的协同治理上。

      不过,控制大气污染不是我们的最终目的，而是实现人类健康生存环境的手段和过程。因此，大气污染的健康效应是该领域研究的热点问题之一，我的主要兴趣点也是在这个研究方向上。我们致力于探究大气颗粒物中造成人体健康损害的具体物质，以及其影响人体健康的原因，这也是基于能为我国人民身体健康贡献自己的科技力量这个信念而产生的。目前的研究发现大气颗粒物产生的活性氧自由基是危害人体健康的重要途径，最近我们的研究特别关注长寿命自由基（EPFRs），因为它可能带来长时间、持久性的健康损害，可谓人类的一大“健康杀手”。

      媒体：请简要介绍大气颗粒物中的活性氧自由基及其健康危害？贵课题组具体开展了哪些方面的研究？

      陈庆彩：活性氧自由基的种类很多，常见的有羟基自由基、超氧自由基等。由于自由基是一种缺乏电子的物质，进入人体后可能会夺去细胞蛋白分子的电子，使蛋白质接上支链发生烷基化，形成畸变的分子而致癌。

      本课题组近几年致力于关注长寿命自由基（EPFRs），它不同于传统的寿命只有几毫秒的自由基，其寿命长达数月甚至数年，能够持续对人体健康造成危害。我们研究发现，其大量存在于大气颗粒物中并且存在显著的健康风险，例如2017 年西安市的严重雾霾时期，PM2.5中 EPFRs 的含量相当于每人每天吸入约 23 支香烟，其健康危害不容小觑。

      EPR：“直接分析自由基的唯一流行设备”

      媒体：当前，大气污染研究主要应用哪些仪器手段？电子顺磁共振波谱仪（EPR） 在大气污染研究中主要用于解决哪些问题？相比其它分析仪器有哪些不可替代的优势？

      陈庆彩：用于大气污染研究的仪器设备非常多，有在线的、离线的，种类繁多，在线仪器例如气溶胶色谱、有机碳/元素碳分析仪等，离线仪器如气相色谱、傅里叶红外光谱仪等都是常用的大气颗粒物分析仪器。

MS5000（现更名为布鲁克 ESR5000）

      而电子顺磁共振波谱仪（EPR）是目前能够直接分析自由基的唯一流行设备，也是我课题研究中使用的重要设备。目前我们课题组使用的 EPR 是 MS5000（布鲁克 ESR5000），主要用于分析自由基的种类和含量。其原理简单来说就是含有未成对电子的物质在受到外磁场作用时，会发生能级分裂，这时在垂直于磁场的方向施加一定频率的电磁波，并不断改变磁场强度，当磁场强度刚好满足条件时，未成对电子就会产生跃迁，电子跃迁吸收的信号经电子学系统处理就可得到EPR 吸收谱线，不同种类的自由基对应的参数及产生的谱线都不同。

       其他的自由基检测方法，例如分光光度法、荧光探针法等都无法应对较为复杂的样品且其多为间接检测，定性定量自由基的效果都不理想。EPR 不但可以直接测定自由基的含量及种类，而且在大气样品检测的过程中往往不会对原始样品造成破坏，这样更有利于对样品的后续其他检测。此外，EPR 还能够在线检测自由基，探究自由基生成的时间变化曲线等，这些都是 EPR 的重要优势。

      媒体：据悉，贵课题组是国内比较早将 MS5000 应用于大气污染研究的团队，请问当时为什么会选择 MS5000 这款仪器？

      陈庆彩：国内外对 MS5000（布鲁克ESR5000）的使用多是在材料和生物领域，大气领域的研究相对还比较少。选择 MS5000（布鲁克ESR5000）的时候，虽然已经有相关文献的支撑，但我们还是经过了仔细的调研和考量。我们选择仪器主要考虑设备质量和企业服务两方面的因素。当时，在课题的基础上提出了对设备技术指标和要求的需求，并用样机当场验证了性能。其实，在购买的过程中也对比了其他公司的相关 EPR 设备。最终在满足课题技术需求的条件下，并考虑到性价比、服务等方面，选择了比较符合我们课题组需求的MS5000。

      媒体：据了解，2019 年 10 月份，布鲁克收购了 Magnettech EPR 业务，此项业务的变更对用户的售后等其他服务是否产生了影响？

      陈庆彩：基本没有产生影响，原有的仪器日常维护、软件更新、耗材更换、产品技术支持都继续保持，在仪器使用过程中产生的技术问题基本都会得到对方技术人员及国外工程师给出的解决方案。布鲁克的技术和业务水平非常知名的，希望今后服务更上一层楼，加强前沿技术和应用的交流和推广合作。

获奖证书

      前沿研究成果：EPFRs 的成分和来源解析

      媒体：基于 MS5000，您课题组的工作取得了哪些有代表性的研究成果？解决了哪些关键性的问题？

      陈庆彩：基于 MS5000（布鲁克ESR5000），我们在大气颗粒新型健康风险物质-长寿命自由基（EPFRs）研究方面取得了一系列成果，在 ES&T、ACP、EP、AE 等领域 TOP 期刊发表了十余篇学术论文。MS5000 帮助我解决了 EPFRs 分析的问题，我们拥有自主产权的适合大气颗粒物EPFRs 检测的方法和数据处理软著打开了这个研究方向的研究瓶颈。

      在 EPFRs 的研究方面，我们课题组首次提出了大气颗粒物中由有机物高温作用生产的类氧化石墨烯类物质是EPFRs 的主要生成机理和来源，并且通过一系列实验验证了该机理， 这不同于传统的金属氧化物主导EPFRs 生成的观点；另一个主要研究成果就是对 EPFRs 主要来源的研究，我们基于对西安市全年样品的研究发现，燃烧源和大气扬尘是西安市大气EPFRs 的主要来源。

大气 EPFRs 成分分析

大气 EPFRs 来源解析

      媒体：未来，基于电子顺磁共振波谱仪，贵课题组还将开展哪些方面的研究工作？

       陈庆彩：我们课题组将继续利用 EPR 研究大气颗粒物产生活性氧自由基的机制，进一步阐明大气颗粒物的健康风险机制，为我国人民健康环境的改善提供科学建议和指导方向。基于现有的研究成果，我们需要探究 EPFRs 危害人体健康的具体机制，例如其是如何与人体细胞作用生成活性氧的，及其生成活性氧的种类和能力，这些方面的研究对于探究大气颗粒物的健康风险具有十分重要的价值。

      媒体：基于科研需求和使用感受，您认为现在电子顺磁共振波谱技术有哪些需要提升或者改进的地方？有哪些新的技术是您比较期待的？

      陈庆彩：目前在仪器使用的过程中，遇到的主要问题是仪器稳定性方面，例如对大气样品的研究经常需要数月的连续检测，而在 EPR 的连续开机过程中就会出现基线偏移的问题， 希望厂商能够在后期的技术升级中针对仪器稳定性方面做出相应优化。

      未来，我认为应该加强特殊应用的研究和开发，比如大气颗粒物分析在我们研究之前并没有专门针对性的研究配件或者方法。此外，建议开发在线分析配件和技术，加强数据处理软件的自动解析功能等。

附注:布鲁克收购 Magnettech EPR 业务后，将 MS5000 更名为 ESR5000，并对仪器外观进行了升级改造。例如下图：