第二章 文獻回顧
2.7 以 EPR 技術量測自由基生成
電子自旋共振(electron spin resonance，ESR)，舊稱電子順磁共振 (electron paramagnetic resonance，EPR)，是屬於自旋 1/2 粒子的電子在靜 磁場下發生的磁共振現象。因為類似靜磁場下自旋 1/2 原子核核磁共振的 現象，又因利用到電子的順磁性，故稱作「電子順磁共振」。
由於分子中的電子多數是成對存在，根據泡利不相容原理，每個電子 對中的兩個電子必為一個自旋向上，另一個自旋向下，所以磁性互相抵
消。因此只有擁有不成對電子存在的粒子(例如過渡元素中重金屬原子或 自由基)，才能表現磁共振。
對於溶液中自由基強度之檢測，已有許多研究(Cheng et al., 2004; Ma et al., 2005; Ma et al., 2006) 指 出 利 用 電 子 順 磁 共 振 儀 (Electron Paramagnetic Resonance Spectrometer, EPR)可有效檢測出自由基之強度，
其中大多以 DMPO (5,5-Dimethyl-1-pyrroline-N-oxide)做為自由基捕捉 劑，DMPO 能迅速捕捉自由基，形成相對於自由基穩定之自旋化合物 (Janzen et al., 1995)，而自旋化合物則可藉由 EPR 測得，自由基與 DMPO 反應如圖 2.12 所示：
(a)
(b)
圖 2.12 自由基與 DMPO 反應生成自旋化合物示意圖 (a) DMPO 與氫氧自由基(OH·)反應生成 DMP-OH (b) DMPO 與超氧陰離子自由基反應生成(O2
−·)DMP-OOH
而在
Paciolla 等學者利用鐵金屬附載在腐植酸上(Fe-Humic acids,
Fe-HA)為材料去進行 EPR 測試，添加 DMPO 自由基捕捉劑去穩定生成DMPO-OH，使其在 EPR 上有訊號的產生。如圖 2.13 2A 所示，一開始利 用
Fe-HA 添加 H2O2，而 Fe-HA 在水體中會釋出亞鐵離子，再循著 Fenton 反應產生氫氧自由基(OH·)，如方程式 2.45、2.46 所示。因此在 EPR 測定 上，有 4 支明顯的特徵波峰產生，經判定後為 DMPO-OH 自由基波峰。(Paciolla et al., 1999)
H2O2 + Fe2+ → OH· + OH- + Fe3+ (2.45) OH· + DMPO → DMPO-OH (2.46)
而在此文獻的接續實驗則是在 Fe-HA 與 H2O2系統中添加了自由基清 除劑 DMSO，使其產生甲基自由基(CH3·)，如圖 2.13 2B 所示，DMSO 的 添加目的是為了讓 Fenton-like 反應產生的 OH·攻擊破壞 DMSO 化合物上 的甲基鍵結而形成甲基自由基(CH3·)，再去與 DMPO 螯合成 DMPO-CH3
自由基衍生物，並產生 6 支明顯波峰，如方程式 2.47~2.49 所示，這是一 連串的反應生成。但在 Fe-HA 與 H2O2系統中依舊會有氫氧自由基(OH·) 的產生，形成 4 支波峰，但訊號強度比未添加自由基清除劑(DMSO)來得 弱，因此在圖譜上會有 10 支波峰出現。且經由 DMPO-CH3訊號產生，
DMPO-OH 訊號值減少的現象，來驗證產生的特徵波峰訊號值為氫氧自 由基，且會因為加入 DMSO 轉變成甲基自由基而使原本氫氧自由基濃度 減低。
H2O2 + Fe2+ → OH· + OH- + Fe3+ (2.47) OH· + DMSO → CH3· + CH3S(O)OH (2.48) CH3· + DMPO → DMPO-CH3 (2.49)
接 著 在 同 篇 文 獻 也 有 添 加 超 氧 化 物 歧 化 酶 (Superoxide dismutase, SOD)在 Fe-HA 與 H2O2系統中，如圖 2.13 2C 所示。SOD 酵素在此系統 中主要是做為催化劑，將超氧陰離子自由基(superoxide, O2−·)結合生成過 氧化氫(H2O2)及氧氣(O2)，如式 2.50 表示之。添加 SOD 酵素的目的是為 了探討在 Fe-HA 與 H2O2反應系統中，是否會經由方程式 2.50~2.52 一連 串反應而額外產生氫氧自由基，或是只有透過 Fenton 反應來產生氫氧自 由基。但從文獻圖譜來看，添加 SOD 並沒有增加其 DMPO-OH 的訊號強 度，因此可以確定超氧陰離子自由基(O2−·)並沒有參與或形成在 Fe-HA 與 H2O2系統中，DMPO-OH 的訊號值是單純從 Fe-HA 與 H2O2系統中產生 的。
2H+ + 2O2
−· ─SOD→ H2O2 + O2 (2.50) Fe2+ + H2O2 → OH· + OH- + Fe3+ (2.51) OH· + DMPO → DMPO-OH (2.52)
最後在圖 2.13 2D 中，是加入過氧化氫酶(Catalase, CAT)在 Fe-HA 與 H2O2系統中。添加過氧化氫酶在系統中主要是測試過氧化氫若被此酵素
行分解反應成水及氧氣，如方程式 2.53 所示。如此一來水體中便無過氧 化氫的存在，因此單純的 Fe-HA 便無法產生自由基，所以在 EPR 圖譜上 便沒有任何訊號值出現。
2H
2O
2→ 2H
2O + O
2(2.53)
圖 2.13 EPR 測定 Fe-HA 與 H2O2系統中自由基的訊號圖 (Paciolla et al., 1999)