实验室和现场测试的自动化大气Particle-Bound活性氧取样分析系统

文摘

在这项研究中,各种实验室和现场测试进行了开发一个有效的自动化particle-bound ROS取样分析系统。系统使用2′7′-dichlorofluorescin (DCFH)作为一个特异性的荧光方法,一般particle-bound ROS的指示器。锋利的气旋和particle-into-liquid取样器(得利)被用来收集点_2。5大气粒子产生的成浆DCFH-HRP解决方案。实验结果表明,该DCFH和H₂O₂标准的解决方案可以在室温下保持至少3和8天,分别。纽约罗彻斯特市的现场试验表明,平均ROS浓度nmol相当于H₂O₂米⁻³的空气。ROS浓度观察大雾天气后更大。这项研究展示了第一个实用的自动取样分析系统来测量这个环境粒子组件。

1。介绍

大量正在努力阐明不利人体健康效应的机制由空气中的颗粒物(PM)。微粒(PM_2。5)已被发现与心肺发病率和死亡率(1]。超细粒子(UFPs、海里)一直在与影响动物(2,3)和人(4,5]。然而,粒子的化学成分,驱动机制导致健康的影响还不清楚。由于氧化应激被认为是一个关键因素在推动健康的影响(1),有必要识别和链接特定氧化颗粒组件,如活性氧(ROS)。

ROS包括含氧化合物具有较强的氧化能力。分子H₂O₂离子、有机过氧化物、和亚硝酸盐过氧化物,如次氯酸盐离子(OCl⁻)过氧化物阴离子(),和激进分子羟基()和超氧化物自由基()和有机过氧化氢()都是分组“活性氧”。活性氧可以通过反应在细胞代谢产生内生的吸入点组件(如金属(铁、铜、锌)和多环芳烃(PAH) [6,7]。活性氧的过量的氧化应激导致脂质过氧化,DNA损伤,和蛋白质氧化,并涉及心肺疾病发病率的增加,哮喘和慢性阻塞性肺疾病(8- - - - - -11]。最近,ROS被发现出现在点,尤其是在UFPs组件(12,13]。据信这些particle-bound ROS产生对人类健康的影响类似于内源性活性氧。

particle-bound活性氧的主要来源之间的反应在大气中挥发性有机化合物(VOC)和臭氧等氧化剂(O₃)或羟基自由基(OH)。例如,生物挥发性有机化合物的氧化产品和O₃蒸汽压较低,很容易凝结表面现有的点或成核形成二次有机气溶胶(SOA)。这些组件还包括过氧化物和激进的物种构成的一些particle-bound ROS (14,15]。原则上,光化学反应产生自由基物种的多数在白天在大气中。没有阳光,particle-bound ROS形成机制在很大程度上是受到了没有₃激进的(16],哦,激进的,后者是由臭氧和烯烃反应(17]。具体的路线通过大气particle-bound ROS形成尚不清楚。

一直努力描述环境particle-bound ROS。光化学强度是一个重要因素影响ROS浓度在较小的粒子,尤其是UFPs [18]。对流层羟基自由基的浓度可以被描述为一个线性依赖太阳紫外辐射(19]。氢过氧化物同时测量气体和气溶胶阶段,和大约40%的particle-bound H₂O₂与点有关_2。5(20.]。大气粒子相中的ROS浓度数据是有限的,报道的单位nmol相当于H₂O₂米⁻³空气(12,13,18,21,22]。

在先前的研究中,过滤器是常用的手动收集particle-bound ROS。ROS当时从过滤器中提取和分析使用-dichlorofluorescin (DCFH)荧光技术在实验室。这种方法可能会低估ROS浓度,因为短暂的化学活性物种可能超过几天或几周后测量的组件。相当劳动密集型的方法(23]。缺乏合适的方法通常样本和立即分析ROS限制particle-bound ROS的健康影响的评价。

一个连续、自动化particle-bound ROS以前开发系统(23]。DCFH采用一般,particle-bound ROS浓度的非特异性指标。大幅削减风暴和particle-into-liquid-sampler(得利)被用来收集点_2。5在水泥浆中含有DCFH解决方案。荧光强度(FI)然后用材料荧光探测器测量。量化是通过相关样本的FI的当量浓度的H₂O₂。这个最初的实验室系统并不是部署在该领域由于其操作的不确定性。关心的问题包括试剂的解决方案在现场条件下的稳定性和设计的复杂性。当前的研究中提出的结果修改系统的实验室检测和测量解决方案的稳定性导致实地测量大气particle-bound ROS浓度在罗切斯特,纽约。

2。实验

2.1。仪器

自动取样分析系统的原理图如图1。介绍了系统的详细设计和施工在前面研究[23]。在系统的优化和实验室检测,发现膜反应器和superserpentine反应堆不显著改善DCFH之间的反应,辣根过氧化物酶(合)和活性氧。因此,他们是直接从系统中删除,合溶解到DCFH解决方案。

当前系统包括一个点_2。5锋利的气旋,二氧化锰(MnO₂)剥夺去除气态氧化剂和particle-into-liquid-sampler(得利,瑞士万通Inc .)作为进气系统。解决方案使用摘要流传蠕动泵通过选择阀,和荧光检测器(FP2020 Jasco Inc .)。样品和空白的周期运行3分钟和7分钟,分别通过一个周期的选择阀消除影响未来。减少可变性产生可见光和长波紫外线辐射,以及防止photo-oxidation DCFH,流满是铝箔。采样流率为16.7 L / min。

2.2。试剂

两种解决方案,DCFH合和H₂O₂前标准,准备在一个黑暗的环境测量。DCFH nonfluorescent试剂,成为荧光反应与ROS。玻璃容器用铝箔包裹,防止光照。所有的解决方案都是用高纯度水(电阻率:18.2 MΩ25°C·厘米,密理博公司)。

DCFH和合解决方案准备在5μ分别M和0.5单位/毫升,如附件所述一个。一个标准的H₂O₂解决方案是用于开发校准曲线。具体的制备过程H₂O₂通过一系列标准稀释30%的H₂O₂如图2。最后H₂O₂的浓度,,,米是由混合0.1毫升的中间H₂O₂解决方案的米,米,M,米与3毫升DCFH与合解决方案准备。标准曲线是由测量这些最后的FI四个浓度的H₂O₂。

2.3。过程

的标准操作程序运行自动化ROS附录中给出了系统B。校准系统的执行标准H₂O₂解决方案的浓度从100到400纳米,由串行的原液稀释30% H₂O₂作为一个空白,MilliQ水。HEPA过滤器放置在系统校准期间运行的前面。图3显示了blank-subtracted领域所取得的线性校准曲线。该系统是线性的()/ H的范围₂O₂由最小二乘分析浓度。H之间的关系₂O₂浓度和FI表示为图中的方程。

2.4。取样位置

particle-bound ROS浓度,O₃浓度和气象参数(环境温度、相对湿度、风向和风速)是连续测量期间8月12至18,2009年在纽约国务院环境保护(NYSDEC)网站在罗切斯特,纽约。站点位于N,W,州际高速公路相邻i - 490和i - 590,以及96年纽约航线,主要路线交通旅行和罗切斯特从市区(见图4)。

3所示。结果与讨论

3.1。DCFH和H的稳定性₂O₂解决方案

化学试剂的稳定性是非常重要的对于一个实用系统,可以保持在一个合理的水平的努力。因此,DCFH和H的稳定性₂O₂标准检查。5实验结果稳定μM DCFH储存在室温下呈现在图5和表1。可以看出,5μM DCFH在室温下稳定了三天。稳定的H₂O₂标准如图6和表2。解决方案可以在室温下保存长达8天。这些结果提供了可行性的现场部署自动取样分析系统以来,单位不需要每天准备的解决方案。

3.2。系统的实验室检测

实验室测试是由抽样particle-bound ROS的α-pinene-ozone发生器(24]30分钟的流量16.7 L分钟⁻¹。连续采样和过滤样品相比,H₂O₂标准的解决方案(见图7)。在30分钟的采样周期,FI是常数。过滤点代表样本了烤石英滤波器的15分钟的间隔。这个示例ROS的损失寿命短时间限制。50毫升的5μM DCFH被添加到筛选样本和过滤器然后用15分钟。滤波器的FI particle-bound ROS相媲美,用连续测量系统。滤波器和连续样本的FI结果绘制标准校准曲线如图7。

从滤波器获得更高的FI是样本,这与假设过滤器采样方法可能导致短暂的一生ROS的损失,导致FI在过滤器示例低于从连续系统示例23]。滤波器的15分钟提取样本可能增加DCFH氧化的程度,而不是减少短终生ROS。另一个可能的原因是DCFH解决方案的提取量是50毫升,比体积更大的用于连续系统样本(10毫升)。因此,更高的FI筛选particle-bound ROS产生。化学试剂后稳定性能测试、检查和实验室自动化particle-bound ROS取样分析系统是准备现场测试。

3.3。系统的现场测试

表3总结了气象参数统计。持续的阳光和潮湿的天气(平均环境温度:25.75°C,平均相对湿度:66.17%)是由安大略省湖坐在北。的盛行风在此期间主要是西南平均风速1.44米/秒。在七天的学习,有一个雾蒙蒙的天(6:00-9:00是8月13)和两个雨天(降雨量小于0.4厘米,只持续了5分钟)。

图8显示了每小时的昼夜变化平均particle-bound ROS浓度测量在工作日和周末。工作日的浓度一般高于测量在周末。变化最大的是观察在清晨当机动车排放量的主要操作在附近高速公路(i - 490和i - 590)。之间有显著差异在交通卷工作日和周末的日子。最高平均ROS浓度发生在下午。白天ROS浓度略大于夜间水平在两个工作日和周末。

类似的结果中发现了Rubidoux、钙、和纽约市,particle-bound ROS不一样啊₃在夜间浓度(12,13]。新形成的₃途径和运输长期ROS扮演重要角色在夜间ROS浓度升高。硝酸根的反应与氧化烯烃的残余臭氧导致ROS浓度,仅略低于白天浓度(22]。这些昼夜模式表明,光化学反应和车辆排放的主要来源是大气particle-bound ROS在城市地区。

表4比较了particle-bound ROS浓度测量在不同的城市地区与过滤收集和提取方法。除了冲洗,纽约的研究中,所有的研究都是在夏季进行。所有研究的总体平均ROS浓度为6.1 nmol m⁻³。ROS浓度最低(0.54 nmol m⁻³)测定在台北,台湾,这是一个数量级的ROS浓度低于其他研究。短暂的ROS,终生无法估计不到3小时,3小时后收集的样本,研究[22]。因此,ROS浓度与生命周期少于3小时可能大大低估了。平均particle-bound ROS浓度8.3±2.2 nmol m⁻³以本研究的典型值为城市网站报道美国和亚洲。

表5总结每小时平均ROS之间的皮尔逊相关系数值,其他测量污染物和气象变量。所有的变量都以相同的网站,平均每小时的值。细节描述的测量是在其他地方(25- - - - - -27]。散点图的平均臭氧浓度和相应的ROS浓度在整个采样周期图所示9。臭氧浓度,测量作为一个潜在的光化学反应的强度指标(18),得到从标准光度臭氧监测维护的NYSDEC在这个位置。统计上的高度的相关性(臭氧和ROS浓度之间)表明,活性氧的形成受光化活性的影响较大,与先前的研究一致(13,18,22]。

最大的ROS浓度标准差被发现的最高水平显示为点。这是由于更高的ROS浓度测量在8月13日,一个雾蒙蒙的早晨,平均ROS浓度12.31 nmol m⁻³。这个事件可能导致快速吸收的水溶性氧化剂进入水相导致高残留ROS浓度。此外,H的收益率₂O₂和其他复杂的过氧化物观察到大幅增加在空气中水蒸气的存在从另一个最近的研究(28]。

4所示。结论

实验室化学试剂的稳定性和性能测试领域应用的可行性建议自动大气particle-bound ROS取样分析系统。抽样的夏季环境ROS成功执行七天在罗切斯特,纽约。ROS浓度平均8.3±2.2 nmol m⁻³是典型值为城市网站报道,在美国和亚洲。也发现,光化学反应和车辆排放两个主要因素影响particle-bound ROS浓度在城市氛围。夜间ROS浓度仅略低于白天的水平。ROS浓度观察大雾蒙蒙的天气比清晰的天后。这可能是因为摄入的氧化剂或生产水相,当水被蒸发掉,这让大量的残留在大气中ROS。

这项研究已经产生了第一个实用的系统来衡量这个粒子组件。不确定性包括得利)粒子捕获效率,使裸露气相ROS清除效率,和剥夺替换频率在未来的实验需要量化。自动particle-bound ROS取样分析系统可能是有用的管理社区控制ROS污染。进一步的研究需要使用ROS浓度测量在不同的季节和不同的地点与人类心肺疾病。

附录

答:试剂的准备

6 L的最终解决方案的制备过程如下描述。(我)一个1毫米-Dichlorofluorescin二乙酸(DCFH-DA)解决方案是由溶解14.619毫克DCFH-DA (Sigma-Aldrich Inc .)在30毫升乙醇和存储没有光。(2)120毫升0.01 m氢氧化钠溶液添加到30毫升的1毫米DCFH-DA解决脱去乙酰基DCFH-DA DCFH不稳定。混合物在室温下呆了30分钟完成deacetalytion。(3)25毫米磷酸盐缓冲剂是由溶解4.9762 g二钠磷酸氢盐(≥99.0%,Sigma-Aldrich Inc .)和15.1400 g磷酸氢盐钠(≥99.0%,Sigma-Aldrich Inc .)在5.85 L MilliQ水。(iv)150毫升水解中和DCFH解决方案是5.85 L的25毫米磷酸盐缓冲剂的pH = 7.2中含有26.4毫克酶辣根过氧化物酶(合,I型,113单位/毫克,Sigma-Aldrich Inc)。6 L解决方案包含5μM DCFH和0.5单位/毫升合。

b . ROS监控标准操作程序

运行自动ROS系统的标准操作程序是这样的。(我)检查每个单元和所有油管之间的联系,以确保无渗漏。(2)打开采样泵,空气干燥器,确保采样流率在16.7升/分钟。(3)打开蠕动泵,并设置旋转速度每分钟35旋转。(iv)打开得利并设置提示温度为100°C。(v)得利)蒸汽发生器温度将达到150°C的设定温度为100°C。随后,打开荧光检测器,并设置在1000,衰减,响应速度标准,激发和发射波长在485和530海里,分别。(vi)启动电脑,设置3分钟的采样周期和清洗段7分钟。(七)启动“记录器Lite”软件(版本1.3.2,游标软件与技术),建立一个文件来保存数据。

确认

这项工作是由美国环境保护署(EPA)通过科学实现的结果(STAR)批准号RD83107801,锡拉丘兹卓越中心的CARTI项目奖,这是由美国环境保护署的资助(奖。x - 83232501 - 0),没有电力研究所协议。W06325,纽约州能源研究和发展机构(能源研究与开发局)都知道,它通过合约号。8650年和10604年。尽管本文中描述的研究已经被美国环保署资助完全或部分,尚未接受该机构的同行和政策审查,因此,并不一定反映机构的意见,没有官方认可应该推断。

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