低温等离子体生物作用的“利器”：自由基
低温等离子体生物作用的“利器”：自由基
自由基是化学反应中的重要角色，它们在生物体和环境中发挥着重要作用。本文将为您详细介绍自由基的定义、分类、产生以及在生物体和环境中的作用，帮助您全面了解这一神秘的微观世界。
什么是自由基？
早在19世纪初期，科学家们就推测在化学反应进程里可能存在一种名为“自由基”的物质，然而当时缺乏实证。到了1900年，美国密歇根大学的摩西·冈伯格教授在进行化学实验时，将三苯基氯甲烷与锌粉置于苯溶液中一同加热，原本期望合成六苯基乙烷，却意外获得了三苯甲基自由基的黄色溶液。这一实验首次确凿地证实了有机自由基在生命系统中的存在。
简单来说，自由基就是在原子、原子团或者分子的外层电子轨道上存在单个未配对电子的一类物质。在书写的时候，通常会在分子式里加上一个黑点“·”来表示这个未配对电子，像羟自由基（·OH）、超氧阴离子自由基（O2⁻·）以及氯离子自由基（Cl·）等都是常见的自由基类型。
自由基的分类
自由基可以按照不同的标准进行分类，以下是按照活性氧/活性氮、长寿命/短寿命的分类方式。
活性氧自由基
是生物体内最常见的自由基类型，由氧分子接受电子后形成。主要包括以下几种，如超氧阴离子自由基（O2•-）、羟自由基（•OH）、过氧化氢（H2O2）以及单线态氧（1O2）等。
活性氮自由基
通常是指由氮氧化物形成的自由基，其中最出名的是一氧化氮自由基（NO•），它在生物体内具有多种生理功能，如作为信号分子参与血管舒张、神经传递等过程。此外，还有如硝基自由基（ONOO-）等也属于活性氮自由基。
短寿命自由基
大部分自由基存在的时间极为短暂，往往以微秒甚至纳秒来计算，很快就会发生反应而不复存在。比如•OH，O2•-，1O2，NO•，NO2•等自由基，它们一出现会即刻与周边生物分子发生反应，其半衰期极其短暂，在生物体内瞬间就会与其他物质反应转化为更稳定的形态。
长寿命自由基
一些结构稳定的有机自由基，例如H2O2，O3，NO2-，NO3-，ONOO-，因自身分子结构的独特性而具备一定的稳定性，在适宜条件下能够存在较长时间。
自由基的产生
在我们的日常生活中，自由基无处不在，它们对许多事物都有着不可忽视的影响。就拿水果来说，在其生长、成熟、储存与加工期间，自由基都会悄然产生。比如是光照、温度波动以及病虫害等因素，都会促使水果内生成诸如超氧阴离子自由基、羟基自由基这类物质。适量的自由基在水果成熟进程里扮演着信号传递者的角色，推动果实成熟与风味形成；但要是自由基过量堆积，像苹果、香蕉切开后迅速褐变就是自由基引发酶促褐变反应的结果，这不仅让水果外观变差，还会造成营养成分的流失。
油漆中的自由基则主要在其干燥固化阶段现身。油漆的成膜物质多为有机聚合物，当与空气里的氧气接触，并在光和热的助力下，便会发生氧化聚合反应，产生像烷基自由基、过氧自由基等。这些自由基在油漆成膜过程中功不可没，它们相互作用使油漆形成坚固的漆膜；可一旦漆膜长时间暴露在恶劣环境下，自由基又会引发一系列反应，致使漆膜老化、性能下降，而且油漆在反应时产生的挥发性有机化合物还会对人体健康和环境造成危害。
化妆品里的自由基来源有二：一是原料自身在储存时发生氧化反应产生，二是在使用过程中与皮肤表面的空气、光照接触后产生。其中有像超氧阴离子、羟基自由基这样的活性氧自由基，它们少量存在时可发挥抗氧化功效，清除皮肤表面多余自由基以延缓衰老；还有脂质自由基等有机自由基，若其数量失控，就会攻击皮肤细胞中的生物大分子，破坏皮肤屏障，使皮肤变得敏感、代谢紊乱，进而出现皱纹、松弛、暗沉等一系列衰老现象。
“小”自由基有“大”作用
等离子体本质上是气体电离产生的大量粒子混合形成的气态物质，其中多种粒子（电子、正负离子等）、活性氧及活性氮等成分决定了等离子体的生物学效应。等离子体在多领域中的广泛应用正是依赖于这些不同种类自由基与处理样品之间反应所实现。
目前研究发现，等离子体在环境污染方面具有较好的潜在应用。如除草剂丁草胺在亚洲广泛使用，其在土壤环境中的残留对生态系统造成危害。等离子体可有效修复丁草胺污染土壤，50 min处理后丁草胺就能显著降解。
此外，药物和个人护理产品等有机污染物在环境中持久存在，对生态环境和人类健康有潜在影响。卡马西平（CBZ）作为典型的PPCPs，在传统污水处理厂去除率低，其在环境中的残留可能危害水生系统。离子体结合合适催化剂（H₂O₂或Fe²⁺）就可有效降解水溶液中的CBZ，其主要降解途径主要包括氮杂环裂解、羟基化和脱酰胺等，处理后溶液生物毒性降低，该技术有望用于水溶液中药物的去除。
参考文献
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本文原文来自中国科学院网站