Ambiente e Sostenibilità
Sviluppo di nuovi sensori elettrochimici per la determinazione del potenziale ossidativo nel particolato atmosferico
Development of new electrochemical sensors for the determination of oxidative potential in the atmospheric particulate
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L’inquinamento atmosferico ha un impatto sulla salute delle persone che vivono nelle aree urbane, causando effetti respiratori e cardiaci negativi, come dimostrato da studi epidemiologici e clinici [1]. Tra i componenti dell’inquinamento atmosferico, il particolato (PM) ha un ruolo fondamentale nella progressione infiammatoria e nella tossicità indotta. Il PM è una miscela di piccole particelle e goccioline liquide, rilasciata nell’atmosfera principalmente da processi industriali e fonti legate al traffico [2]. Queste particelle generano specie reattive dell’ossigeno (ROS), che provocano stress ossidativo nelle cellule. La proprietà distintiva di ossidare le bio-molecole bersaglio, chiamata potenziale ossidativo (OP), e la correlazione di questa caratteristica con effetti negativi sulla salute [2], rendono il PM un obiettivo notevole per l’analisi della qualità dell’aria. Attualmente, uno dei metodi utilizzati per l’analisi del PM è il test DTT, in cui il ditiotreitolo (DTT) viene ossidato dal PM per formare disolfuri, quindi il restante DTT viene rilevato colorimetricamente aggiungendo il reagente di Ellman [3] e correlato principalmente all’OP degli IPA (idrocarburi policiclici aromatici). Allo stesso modo, l’acido ascorbico (AA) viene utilizzato per testare l’OP dei metalli di transizione. In questo test, gli AA riducono gli ioni metallici e l’ossigeno per generare un radicale idrossile che reagisce con un substrato come l’acido salicilico per formare diidrobenzoati (DHBA). La reazione può essere monitorata misurando la variazione dell’assorbanza dell’AA nel tempo [4]. Tuttavia, mancano protocolli standardizzati, che comportano l’uso di tempi di reazione diversi, solventi diversi e trattamento ultrasonico dei campioni che potrebbero portare a risultati diversi [3].
Pertanto lo scopo di questo studio è quello di sviluppare un sensore elettrochimico per il rilevamento di OP utilizzando basse quantità di PM da campioni ambientali, valutando rapidamente le loro proprietà ossidative in tempo reale. A tale scopo, un approccio potrebbe essere un dispositivo microfluidico con elettrodi ricoperti di nanoparticelle, in grado di misurare parallelamente la quantità di DTT e AA risultante dalla reazione eseguita in diversi canali, valutando molteplici proprietà del PM.
References
1. Nemmar, A., et al., Recent advances in particulate matter and nanoparticle toxicology: a review of the in vivo and in vitro studies. BioMed research international, 2013. 2013: p. 279371-279371.
2. Kurt, O.K., J. Zhang, and K.E. Pinkerton, Pulmonary health effects of air pollution. Current opinion in pulmonary medicine, 2016. 22(2): p. 138-143.
3. Jiang, H., et al., Use of Dithiothreitol Assay to Evaluate the Oxidative Potential of Atmospheric Aerosols. Atmosphere, 2019. 10(10).
4. Hedayat, F., et al., Review – Evaluating the molecular assays for measuring the oxidative potential of particulate matter. Chemical Industry and Chemical Engineering Quarterly, 2014. 21: p. 31-31.
Air pollution impacts the health of people living in urban areas, causing negative respiratory and cardiac effects, as shown by epidemiological and clinical studies[1]. Among air pollutant components, particulate matter (PM) has a pivotal role in the inflammatory progression and induced toxicity. PM is a mixture of small particles and liquid droplets, released into the atmosphere mainly by industrial processes and traffic-related sources[2]. These particles generate Reactive Oxygen Species (ROS), which causes oxidative stress in cells. The distinctive property of oxidizing target biomolecules, called oxidative potential (OP), and the correlation of this feature with negative health effects [2], make PM a remarkable target for air quality analysis. Currently, one of the methods used for PM analysis is the DTT assay, in which dithiothreitol (DTT) is oxidised by PM to form disulphides, then the remaining DTT is colorimetrically detected by adding Ellman’s reagent[3] and correlated principally to OP of PAH (polycyclic aromatic hydrocarbons). Likewise, ascorbic acid (AA) is used to test the OP of Transition Metals. In this test, AA reduce the metals ions and oxygen to generate hydroxyl radical which reacts with a substrate such as salicylic acid to form dihydrobenzoates (DHBAs). The reaction can be monitored measuring the variation in absorbance of the AA during the time [4]. However, standardised protocols are missing, resulting in the use of dissimilar reaction times, different solvents, and ultrasonic treatment of samples which might lead to different outputs[3].
Therefore, the aim of this study is to develop an electrochemical sensor for the detection of OP by using low PM amounts from environmental samples, rapidly assessing their oxidative properties in real-time. For this purpose, one approach might be a microfluidic device with nanoparticles covered electrodes, which can parallelly measure the amount of DTT and AA resultant from the reaction performed in different channels, assessing multiple properties of PM.
References
1. Nemmar, A., et al., Recent advances in particulate matter and nanoparticle toxicology: a review of the in vivo and in vitro studies. BioMed research international, 2013. 2013: p. 279371-279371.
2. Kurt, O.K., J. Zhang, and K.E. Pinkerton, Pulmonary health effects of air pollution. Current opinion in pulmonary medicine, 2016. 22(2): p. 138-143.
3. Jiang, H., et al., Use of Dithiothreitol Assay to Evaluate the Oxidative Potential of Atmospheric Aerosols. Atmosphere, 2019. 10(10).
4. Hedayat, F., et al., Review – Evaluating the molecular assays for measuring the oxidative potential of particulate matter. Chemical Industry and Chemical Engineering Quarterly, 2014. 21: p. 31-31.