PM2.5，中文名稱為細顆粒物，又稱細粒、細顆粒，指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于 2.5 微米的顆粒物。它能較長時間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴重。PM2.5作為近年來關注度非常高的一個關鍵詞，大家應該并不陌生，而對于在PM2.5中的環境持久自由基（EPFRs）想必大家就鮮有了解了。
在說EPFRs之前，先來了解一下自由基。自由基，化學上也稱為“游離基”，是指化合物的分子在光熱等外界條件下，共價鍵發生均裂而形成的具有不成對電子的原子或基團。自由基是一種缺乏電子的物質（不飽和電子物質），在進入人體后會到處爭奪電子，如果奪去細胞蛋白分子的電子，會使蛋白質接上支鏈發生烷基化，形成畸變的分子而致癌。該畸變分子由于自己缺少電子，又要去奪取鄰近分子的電子，又使鄰近分子也發生畸變而致癌。這樣，惡性循環就會形成大量畸變的蛋白分子，基因突變，形成大量癌細胞，最后出現癌癥。而當自由基或畸變分子搶奪了基因的電子時，人就會直接得癌癥。所以在環境中存在的自由基對我們的健康有著巨大的潛在威脅。
EPFRs是相對穩定的有機自由基，具有單電子和順磁穩定性。一些氧中心或含氧的EPFRs，如苯氧基和半醌自由基，可在環境中存在數天。由于會增加慢性肺病和哮喘的風險，EPFRs被認為對人類健康有長期的不利影響。這些不利影響可能是由于它們在環境中的壽命很長，并且通過持續地催化氧分子產生活性氧（ROS），從而誘導生物系統中的氧化應激反應，破壞細胞和器官。然而對于EPFRs的研究僅局限于定性研究，在此之前并沒有關于來源分布的定量研究。
近日，陜西科技大學環境科學與工程學院的陳慶彩老師等人在著名SCI期刊Science of the Total Environment上發表了他們的研究成果。他們的研究是首次針對在PM2.5中的EPFRs來源的研究，該研究使用電子順磁共振（EPR）波譜技術測得EPFRs的自旋濃度，再通過正矩陣分解（PMF）模型進行分析。此外，該研究還結合了氣象參數探討了影響EPFRs來源的因素。通過對西安市PM2.5環境污染來源分布變化的分析，為進一步了解這些來源對人體健康的不利影響提供重要信息，從而幫助制定減少環境污染的控制措施，所以該研究是相關領域后續研究的重要引導。
該實驗取了從2017年4月4日至12月29日期間共116天的PM2.5樣品（期間內并非每日取樣），地點為西安市陜西科技大學，每次取樣時間為早上七點至第二天早上六點半（23.5小時）。在經過處理后，對樣品進行結合化學測試、EPR測試、氣象學結合分析及PMF分析等測試的系統研究。
Fig. 1. 各季節中EPFRs的來源分布
Fig. 2. 各季節中污染源分別對PM2.5 (A1-A4) 和EPFRs (B1-B4) 貢獻的占比
實驗結果表明，在2017年西安市PM2.5中的EPFRs分布情況主要由灰塵來源、煤燃燒、二次硝酸鹽、工業排放和機動車排放這五個主要因素組成，它們一共貢獻了總量的90.41%±29.44%。在這其中，機動車排放為EPFRs最主要的來源，占到了大約3.90×1013 spins/m3 (32.13%)。隨著PM2.5的增加，煤燃燒貢獻的比例也在顯著增加，這表明了對于PM2.5和EPFRs的綜合影響來說，煤燃燒遠高于其他因素。結合以上結果，陳慶彩老師等人認為，未來關于EPFRs的研究應該更著重于灰塵、煤燃燒及機動車排放三大來源，而且在未來，EPFRs應該像PM2.5一樣明確提出指標，方便制定控制環境污染的策略，以更好地減少EPFRs對人體健康的不利影響。
EPR是由不配對電子的磁矩發源的一種磁共振技術，可用于從定性和定量方面檢測物質原子或分子中所含的不配對電子，并探索其周圍環境的結構特性。對自由基而言，軌道磁矩幾乎不起作用，總磁矩的絕大部分（99%以上）的貢獻來自電子自旋，所以電子順磁共振亦稱“電子自旋共振”（ESR）。在此研究中使用的儀器為德國Magnettech MS 5000電子順磁共振波譜儀，該儀器在研究過程中展現了高靈敏性和穩定性，并且儀器操作的簡便性及檢測的高效性都得到了課題組的一致贊譽。
文獻原文：Wang, Y., Li, S., Wang, M., Sun, H., Mu, Z., Zhang, L., Li, Y. and Chen, Q. (2019). Source apportionment of environmentally persistent free radicals (EPFRs) in PM2.5 over Xi'an, China. Science of The Total Environment, 689, pp.193-202.
關于德國Magnettech電子順磁共振波譜儀（EPR）
EPR MiniSpcope MS 5000/5000X
MiniSpcope MS 5000/5000X系列電子順磁共振波譜儀（EPR）采用了電磁體和微波橋緊湊設計，實現了兩倍以上的信噪比提升，具有高靈敏度和磁場穩定性，科研級臺式波譜儀。MiniSpcope MS 5000/5000X系列電子順磁共振波譜儀（EPR）擁有快捷簡便準確的定量測試方法和完善的數據處理和分析系統，它還具有小巧輕便靈活的特點，為科研工作者帶來便捷。
MiniSpcope MS 5000/5000X系列電子順磁共振波譜儀（EPR）的應用對象主要是含有未成對電子的物質，可用于研究自由基、過渡金屬離子、催化反應機理、大氣顆粒物（PM2.5）、污水處理高級氧化機理、化學反應動力學、環境中持久性自由基EPFRs、材料缺陷、摻雜、酶活性、蛋白質結構、輻射劑量、地質測年等。
EPR應用實例
1. 環境化學：污水處理，大氣顆粒物
2. 催化與材料：光催化，電催化，芬頓反應，材料改性及缺陷檢測等
3. 生命科學：癌癥、心腦血管疾病發病機理研究，氮氧自由基、活性氧等檢測
4. 地質測年及輻照劑量檢測
EPR附件
1. 粉末和固體樣品的自動進樣器
可自動處理石英管中23個樣品直徑3-6 mm，諧振器內準確定位以獲得高重復性。
2. 液體樣品的自動進樣器
軟件控制小型波譜儀、自動進樣器、集成蠕動泵的自動進樣，動態監測的軟件包括自動化的數據采集和數據評估，對于單個或多種化合物，可選自動組分混合和溫度控制。
3. X射線輻照設備—X-ray Dose
用于劑量研究，材料輻照損傷，輻照食物劑量，釋光測年，ESR測年等。
4. 溫度控制器（TC H04）
溫度范圍93K-473K；控制精度±0.25K (@373K)；計算機控制；液氮存儲，用配有氮杜瓦的腔測量。
5. 自動測角儀
樣品可實現自動化的角旋轉；步長0.1°-180°；測量圖譜前自動重置波譜儀便實現好的測試性能。
6. 杜瓦
用于77K的低溫檢測，可提高檢測靈敏度。
7. 生物溫度控制器
溫度范圍：293K-350K；精度±0.25K，計算機控制；溫度介質：空氣。
8. 玻璃配件
50微升毛細管，扁平池，定制的SH-P夾，組織單元，樣品管，指狀杜瓦等。
9. 組織池
用于生物組織樣品，薄膜樣品，大氣顆粒物（PM2.5）檢測。
參考資料： 《電子磁共振波譜學》，徐元植，姚加編著，2016，清華大學出版社
關于锘海
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