劉國宏,黃婷婷,于競翔
(陸軍防化學(xué)院 化學(xué)防護(hù)系,北京 102205)
神經(jīng)性毒劑是毒性最強的化學(xué)戰(zhàn)劑,主要包括沙林(GB)、梭曼(GD)、塔崩(GA)、維??怂?VX)等。神經(jīng)性毒劑比糜爛性毒劑、窒息性毒劑和全身中毒劑的毒性大,成為恐怖主義者最常用的化學(xué)戰(zhàn)劑[1]。當(dāng)今社會,化學(xué)恐怖從潛在威脅轉(zhuǎn)向現(xiàn)實威脅的趨勢日益明顯?;瘜W(xué)恐怖襲擊危害嚴(yán)重,造成的社會和政治影響大,恐怖分子視化學(xué)恐怖為“殺手锏”。目前,世界上已發(fā)生多起神經(jīng)性毒劑恐怖事件,例如1995年震驚世界的東京地鐵沙林事件,大量人員受難[2-4];2017年金正男在吉隆坡機場因中神經(jīng)性毒劑VX身亡[5]?,F(xiàn)場快速檢測有利于神經(jīng)性毒劑的早期發(fā)現(xiàn)和后期處置,因此,發(fā)展一種便攜式、可現(xiàn)場檢測神經(jīng)性毒劑的方法非常必要。
現(xiàn)有的神經(jīng)性毒劑檢測方法主要有色譜法(氣相色譜[6]、液相色譜[7]、毛細(xì)管電泳[8])、波譜法(紅外光譜[9]、拉曼光譜[10-13]、核磁共振法[14]等)、質(zhì)譜法[15]、催化發(fā)光法[16-17]、質(zhì)量傳感器[18]、離子遷移譜[19]、顯色法[20-22]等。色譜、波譜以及質(zhì)譜等方法通常在實驗室使用,這些分析方法大多儀器昂貴,需將樣品取至實驗室進(jìn)行分析,雖檢測結(jié)果精確,但費時費力,不易現(xiàn)場檢測;催化發(fā)光、質(zhì)量傳感器、離子遷移譜等方法可用于現(xiàn)場檢測,但存在使用限制,選擇性不高,攜帶不便,使用方式復(fù)雜,存在定性不準(zhǔn)確或不能定量等問題。顯色法基于顯色反應(yīng),反應(yīng)現(xiàn)象直觀,成本相對低廉,適合現(xiàn)場快速檢測[23]。本文從基于顯色反應(yīng)的神經(jīng)性毒劑檢測方法的原理、檢測手段和顯色劑三方面綜述了顯色法在神經(jīng)性毒劑檢測中的應(yīng)用現(xiàn)狀,總結(jié)了其發(fā)展趨勢,提出了顯色法在神經(jīng)性毒劑檢測中的研究方向。
特異性化學(xué)顯色、酶催化反應(yīng)、納米粒子修飾等均可應(yīng)用于基于顯色反應(yīng)的神經(jīng)性毒劑檢測。在特異性化學(xué)顯色中,利用許乃曼反應(yīng),神經(jīng)性毒劑可與過氧化物生成過氧磷酸,過氧磷酸進(jìn)一步氧化聯(lián)苯胺后顯色[24]。在酶催化反應(yīng)中,乙酰靛酚類化合物可作為膽堿酶是否被抑制的指示劑[25]。Climent課題組則采用巰基和脂肪醇修飾的硅納米粒子對神經(jīng)性毒劑模擬劑進(jìn)行顯色檢測[26]。近年來,顯色類試劑或傳感器[27]在神經(jīng)性毒劑檢測方面受到了關(guān)注。上述基于顯色反應(yīng)的神經(jīng)性毒劑檢測方法雖然研究內(nèi)容不同,但其反應(yīng)原理一致,或基于與磷原子的親核取代,或基于生化反應(yīng),主要是利用神經(jīng)性毒劑對膽堿酯酶的抑制進(jìn)行顯色檢測。
1944年,許乃曼在塔崩試劑的偵檢分析時發(fā)現(xiàn),堿性的過氧化氫溶液加入到塔崩溶液中后,能使化學(xué)發(fā)光試劑發(fā)光,也能使鄰甲基苯胺發(fā)生顏色變化,該反應(yīng)被稱為許乃曼反應(yīng)[28]。1957年,Sass等[29]在此基礎(chǔ)上,對含磷化合物(塔崩、沙林)進(jìn)行顯色反應(yīng)研究,探索出許乃曼反應(yīng)的機理,即:有機磷毒劑與過氧化氫發(fā)生親核取代反應(yīng),生成過氧磷酸,過氧磷酸氧化聯(lián)苯胺類,進(jìn)而發(fā)生顏色改變。
有機磷毒劑與吡啶、苯胺類也能發(fā)生親核取代。2011年,西班牙的Royo和Costero等[30]合成了含有N,N-二甲基苯胺供電子基團(tuán)和偶氮橋連接的吡啶電子受體基團(tuán)的分子。該分子中的苯胺和吡啶均能與帶有強離去基團(tuán)的磷酸酯或膦酸酯發(fā)生反應(yīng)。根據(jù)生成物顏色的不同可以判斷該磷酸酯是否帶氰基團(tuán)。2012年,該研究組以合成的2種三芳基甲烷類衍生物作為檢測指示劑,利用三芳基離子上的親核基團(tuán),攻擊其磷酸酯或膦酸酯的磷原子中心,使其脫去P-X鍵后脫去磷酸,發(fā)生內(nèi)環(huán)化[31]。
同年,廈門大學(xué)的研究人員基于羥基與神經(jīng)性毒劑的親核取代反應(yīng)[32],采用羅丹明染料作為指示劑進(jìn)行顯色研究,該研究采用羅丹明B與5-氨基-1-戊醇發(fā)生甲酯氨解生成N-羅丹明B-內(nèi)酰胺-5-氨基-1-戊醇(dRB-APOH)。內(nèi)酰胺上的羥基與氟磷酸酯發(fā)生親核取代,然后發(fā)生環(huán)化反應(yīng),最終使該合成染料發(fā)生熒光性質(zhì)和顏色上的改變。
在二吡咯(BODIPY)染料上連接羥基合成的化合物,也可用于神經(jīng)性毒劑檢測。2013年,研究者在BODIPY染料的基礎(chǔ)上合成了用于神經(jīng)性毒劑檢測的顯色指示劑,利用合成化合物上的羥基與有機磷毒劑發(fā)生親核取代反應(yīng),生成熒光性質(zhì)、顏色變化的產(chǎn)物,以達(dá)到檢測神經(jīng)性毒劑的目的[33]。
神經(jīng)性毒劑進(jìn)入人體后作用于神經(jīng)系統(tǒng),通過抑制膽堿酯酶活性從而引起乙酰膽堿的蓄積,使膽堿能神經(jīng)過度興奮,最后導(dǎo)致呼吸、循環(huán)系統(tǒng)衰竭死亡[34]。神經(jīng)性毒劑經(jīng)酶催化水解后產(chǎn)物或因結(jié)構(gòu)改變致使本身顏色發(fā)生變化,或因與加入的其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)使顏色間接發(fā)生變化,可通過反應(yīng)前后的顏色變化判斷神經(jīng)性毒劑是否存在[35]。
除了酶與底物直接反應(yīng)生色或間接反應(yīng)生色的方法外,納米材料的應(yīng)用也提供了一種基于生化反應(yīng)檢測神經(jīng)性毒劑的新思路。2005年,以色列研究人員Pavlov等[36]利用抑制劑對乙酰膽堿酯酶(AchE)的作用來刺激金納米粒子的生長,研究了神經(jīng)性毒劑的顯色檢測方法。2009年,Virel等[37]基于神經(jīng)性毒劑抑制膽堿酯酶水解乙酰膽堿的原理,研究出一種能控制Ag-Au納米粒子生長的反應(yīng)體系,以達(dá)到檢測神經(jīng)性毒劑的目的。與Pavlov等的檢測方法不同,該研究組通過Ag-Au納米粒子的生長來判斷神經(jīng)性毒劑是否存在。硫代膽堿(Tch)在抗壞血酸存在下能控制Ag-Au納米粒子的制備。Virel等建立了一個含有AgNO3、乙酰膽堿酯酶、Au納米粒子(2~3 nm)、L-抗壞血酸和分解底物乙酰膽堿的水溶液體系,在該體系中,乙酰膽堿酯酶水解乙酰硫膽堿生成硫代膽堿,硫代膽堿抑制L-抗壞血酸與Ag+反應(yīng)生成Ag,導(dǎo)致Ag-Au納米粒子不再繼續(xù)生長。而當(dāng)神經(jīng)性毒劑抑制了乙酰膽堿酯酶活性,使硫代膽堿不能生成,則L-抗壞血酸與Ag+反應(yīng)生成Ag,覆蓋Au納米粒子,此時Ag-Au納米粒子繼續(xù)生長,溶液產(chǎn)生裸眼可見的顏色變化,據(jù)此建立了檢測微量神經(jīng)性毒劑的方法。
與控制納米粒子的生長不同,2012年我國軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院的研究人員基于神經(jīng)性毒劑對AchE的抑制作用,在硫辛酸修飾的金納米粒子復(fù)合物上建立了神經(jīng)性毒劑和高毒有機磷農(nóng)藥顯色的超靈敏檢測方法[38]。該方法中AchE水解ATch生成Tch,誘發(fā)硫辛酸修飾的金納米粒子復(fù)合物顏色從紅色變?yōu)樗{(lán)色。有機磷農(nóng)藥作為抑制劑,可以抑制Tch的生成,顏色變化因毒劑不同而不同,如圖1所示。
圖1 硫辛酸修飾的金納米粒子復(fù)合物檢測神經(jīng)性毒劑的機制圖[38]Fig.1 Schematic illustration for the detection of nerve agents based on the aggregation[38]
基于顯色法的神經(jīng)性毒劑檢測方法的研究起步較早,自20世紀(jì)神經(jīng)性毒劑出現(xiàn)開始,其檢測方法不斷發(fā)展,可分為裸眼檢測、紫外-可見光檢測、熒光檢測等。
裸眼檢測無需借助任何儀器,肉眼可直接觀察到顯色反應(yīng)前后顏色的變化,從而判斷有無神經(jīng)性毒劑存在。El Sayed等[39]合成的顯色探針在氟膦酸二異丙酯(DFP)下有明顯區(qū)別于塔崩模擬劑氰基膦酸二乙酯(DCNP)的黃色變化;Gotor等[31]在三芳基甲烷染料的基礎(chǔ)上合成了帶羥基的衍生物,以其為探針與DFP進(jìn)行親核取代,在水與乙腈混合溶液中檢測DCNP和DFP,前者由無色變?yōu)榫G色,后者從無色變?yōu)榧t色;帶有羅丹明染料的指示劑在反應(yīng)前后的顏色變化很明顯[32];用BODIPY染料合成相應(yīng)指示劑后,Climent等[40]觀察到反應(yīng)前后體系顏色由粉色變?yōu)榛尹S色。
裸眼檢測可判斷物質(zhì)的性質(zhì)并對物質(zhì)進(jìn)行初步的半定量,結(jié)果直觀,操作簡單。但人眼辨識度低,因此基于人眼觀察的裸眼檢測準(zhǔn)確度低,光學(xué)儀器的應(yīng)用則增加了其準(zhǔn)確性。
紫外-可見光檢測也是基于顯色反應(yīng)判斷神經(jīng)性毒劑是否存在的一種手段,其工作波長在200~800 nm范圍內(nèi),用途廣泛。Royo等[30]用紫外-可見光光譜檢測3種不同顏色的反應(yīng)體系:指示劑、指示劑與氯磷酸二乙酯(DCP)、指示劑與DCNP,3種體系分別呈桔、玫紅、黃色,在紫外-可見光光譜下可明顯看到其吸收帶和波譜的差異,對照體系吸收峰高可獲得相應(yīng)濃度。Costero等[41]合成的推拉染料指示劑與DCP反應(yīng)后光譜吸收峰增強,波長藍(lán)移。Gotor等[31]用紫外-可見光光譜檢測合成的三芳基甲烷衍生物指示劑,發(fā)現(xiàn)指示劑與DCNP和DCP反應(yīng)后的光譜圖差異大,以此判斷指示劑的檢測性能。
紫外-可見光檢測工作范圍廣泛,是一種常見的顯色法研究手段,也能通過光譜差異辨識物質(zhì)。
化合物的熒光猝滅現(xiàn)象可作為判斷被測物種類的依據(jù),為提高分辨率,可采用熒光光度儀進(jìn)行檢測。Climent課題組將BODIPY染料用于神經(jīng)性毒劑的檢測,在熒光光度儀下,其顏色由桔色變?yōu)榛揖G色,DFP的信號顯著減少,發(fā)生了熒光猝滅現(xiàn)象[40]。Barba-Bon等[33]也進(jìn)行了基于BODIPY染料檢測神經(jīng)性毒劑的研究,除了觀察到顏色變化,還檢測到熒光波長在反應(yīng)前后的變化。Wu等[32]在羅丹明染料基礎(chǔ)上合成了一種指示劑,當(dāng)其與神經(jīng)性毒劑反應(yīng)時可以明顯觀察到熒光增強現(xiàn)象。
熒光檢測比裸眼檢測、紫外-可見光檢測更靈敏,人眼無法準(zhǔn)確辨別的顏色區(qū)別,在熒光檢測下信號差異明顯,更易判斷。
神經(jīng)性毒劑本身無顏色,反應(yīng)前后通常不會變色,反應(yīng)體系中需存在能指示反應(yīng)前后顏色變化的物質(zhì)。該物質(zhì)可直接與神經(jīng)性毒劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生顏色變化,也可與神經(jīng)性毒劑的反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生顏色變化。
聯(lián)苯胺是在許乃曼反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)的顯色劑,過氧磷酸氧化聯(lián)苯胺后使聯(lián)苯胺發(fā)生顏色變化。能與神經(jīng)性毒劑反應(yīng)的肟試劑為α-含氧醛肟或酮肟,該試劑可與神經(jīng)性毒劑發(fā)生二級Beckmann反應(yīng),生成HCN和相應(yīng)羧酸,可通過顯色法檢測CN-和羧酸來檢測神經(jīng)性毒劑[42]。Kumar等[43]使用以吡啶、咪唑和肟等為主要官能團(tuán)的顯色劑,如苯胺類[24]、米氏酮肟試劑[44],建立了神經(jīng)性毒劑的顯色反應(yīng)檢測方法。
染料本身有顏色,能在反應(yīng)前后發(fā)生顏色變化,如三芳基甲烷染料、羅丹明染料、BODPIY染料等。這些染料本身不帶能與神經(jīng)性毒劑發(fā)生親核取代的基團(tuán),經(jīng)人為修飾或合成其衍生物后,可用于神經(jīng)性毒劑的檢測。2010年,西班牙瓦倫西亞大學(xué)研究人員[45]用二芳基甲烷衍生物合成了一系列三芳基甲烷衍生物,然后在乙腈或乙腈-水溶液(3∶1)中反應(yīng)后進(jìn)行顯色檢測,原理是基于三芳基甲烷衍生物羥基的磷酸化和去磷酸化,生成碳正離子,結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致吸收帶發(fā)生紅移。同年,該課題組對具有共軛π鍵的推拉式染料檢測神經(jīng)性毒劑模擬劑的顯色檢測方法進(jìn)行了研究,這種具有共軛π鍵的推拉式染料結(jié)構(gòu),能夠在膦酸酯底物存在時發(fā)生?;饔茫缓筮M(jìn)一步發(fā)生分子N-烷基化作用[41]。該法通過特定發(fā)色團(tuán)染料受體與發(fā)色團(tuán)染料結(jié)合制作顯色法檢測神經(jīng)性毒劑的探針分子,神經(jīng)性毒劑模擬劑能觸發(fā)該推拉式染料的環(huán)化反應(yīng),將二甲胺鹽轉(zhuǎn)變?yōu)榧句@鹽。在乙腈或與乙腈-水溶液(3∶1)中反應(yīng)后該染料的紫外吸收帶發(fā)生藍(lán)移,基于此可將其用于神經(jīng)性毒劑的測定。
羅丹明具有內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)和特殊的光學(xué)物理特性,能用于神經(jīng)性毒劑的檢測。羅丹明在與神經(jīng)性毒劑反應(yīng)的過程中能可逆地打開酰胺螺環(huán),變成具有高熒光特性的化合物。我國軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院研究人員合成了能與神經(jīng)性毒劑反應(yīng)的羅丹明化合物dRB-APOH,其與神經(jīng)性毒劑模擬劑發(fā)生磷酸化反應(yīng)后,生成中間產(chǎn)物,再發(fā)生環(huán)化反應(yīng)生成內(nèi)酰胺產(chǎn)物。無熒光特性和無色的合成指示劑與神經(jīng)性毒劑發(fā)生反應(yīng)后,能生成具有高熒光特性和顏色的物質(zhì),從而實現(xiàn)神經(jīng)性毒劑的測定[32]。
二吡咯(BODIPY)可以吸收可見光范圍的光。2016年,德國、捷克、西班牙的研究人員以BODIPY染料為基礎(chǔ),合成了能快速檢測塔崩、沙林和梭曼等神經(jīng)性毒劑的BODIPY改良硅材料[40]。該研究將熒光指示劑BODIPY鍵合到硅介孔微球(SBA)合成混合指示劑,SBA可使該混合指示劑具有更高的反應(yīng)性和穩(wěn)定性。該混合指示劑在神經(jīng)性毒劑作用下從粉色變?yōu)榛尹S色,并可在數(shù)秒內(nèi)實現(xiàn)對濃度為μg/m3范圍內(nèi)的神經(jīng)性毒劑的檢測。Royo團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)吡啶與神經(jīng)性毒劑的親核反應(yīng)可用于檢測神經(jīng)性毒劑[30],2017年,Kim等[46]在此基礎(chǔ)上合成了meso-Pyridyl-BODIPY化合物(m-py-BOD),m-py-BOD與DCP或DECP共存于乙腈溶液時,顏色由黃色變?yōu)榉凵?,熒光特性發(fā)生改變。2018年,山東大學(xué)的研究人員設(shè)計并合成了一種快速響應(yīng)的熒光探針,探針包含一個電子供體-受體體系,其中BODIPY部分起報告基團(tuán)和羥基的作用,羥基作為神經(jīng)介質(zhì)模擬物的反應(yīng)位點,反應(yīng)前后探針的熒光特性和顏色皆發(fā)生改變,從而實現(xiàn)神經(jīng)性毒劑的測定[47]。
有些配合物具有獨特的物理化學(xué)性質(zhì),能與神經(jīng)性毒劑反應(yīng)并發(fā)生顏色、熒光性質(zhì)的改變。目前基于該性質(zhì)用于檢測神經(jīng)性毒劑的常用配合物是以鑭系元素作為中心原子的配合物。鑭系元素與特定配體結(jié)合生成的配合物具有熒光特性,這些配合物可與神經(jīng)性毒劑反應(yīng)發(fā)生熒光猝滅,以此對神經(jīng)性毒劑進(jìn)行檢測。
Menzel等[48]構(gòu)建了鑭系元素的配合物,建立了裸眼檢測神經(jīng)性毒劑模擬劑氟膦酸酯的方法。該配合物由銪離子(Eu3+)與四噻吩甲酰三氟丙酮(TTFA)雙齒配體組成(Tb3+與TTFA和鄰啡咯啉(Op)生成雙齒混合配合物)。TTFA配體在近紫外光照射下發(fā)出紅光,而Op配體在遠(yuǎn)紫外光照射下發(fā)出綠光。在這些感光配體的輔助下,經(jīng)紫外燈照射可觀察到鑭系配合物發(fā)光。水合分子對鑭系配合物有強烈的熒光猝滅作用,使用前需對Op鑭系配合物和TTFA鑭系配合物形成的薄膜進(jìn)行干燥,薄膜在干燥后暴露在氟的氣氛下很快發(fā)生熒光猝滅,該方法能裸眼檢測神經(jīng)性毒劑模擬劑氟膦酸酯。2008年,Shunmugam和Tew采用三聯(lián)吡啶與鑭系元素反應(yīng)生成配合物[49],G類毒劑會使該配合物發(fā)生熒光猝滅,從而達(dá)到檢測目的。此外,研究人員還探討了三聯(lián)吡啶與鑭系元素形成多種配合物的熒光特性。G類毒劑模擬劑氯膦酸二乙酯(SAS-Cl)與三聯(lián)吡啶鑭系配合物發(fā)生反應(yīng)生成的產(chǎn)物能發(fā)出紅色熒光,其他有機磷化合物的顏色不一樣,且SAS-Cl信號強。該方法能從一系列有機磷化合物中識別出SAS-Cl。該研究找到了一種檢測G類毒劑的新型、簡單、敏感、高選擇性的配合物。
兩種或兩種以上不同物質(zhì)所形成的結(jié)合體,能表現(xiàn)出單一材料不具備的性質(zhì),而納米粒子本身具有許多不同于微觀粒子和宏觀物體的特性。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,納米粒子復(fù)合物顯色劑也應(yīng)用于神經(jīng)性毒劑的檢測中。
2010年,西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)Climent等[50]對雙功能化二氧化硅納米粒子的傳質(zhì)控制作用在神經(jīng)性毒劑顯色檢測上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。合成的納米二氧化硅表面有巰基(—SH)、羥基(—OH)兩個活性亞基,正常情況下,這兩個亞基是方酸染料(SD)反應(yīng)亞基,巰基與SD中間缺電子的四圓環(huán)反應(yīng)誘導(dǎo)使芳香性減弱。—OH亞基與神經(jīng)性毒劑發(fā)生反應(yīng),會抑制SD與—SH的反應(yīng),從而發(fā)生顏色變化。這兩個反應(yīng)均基于親核進(jìn)攻。巰基因親核性強而與SD反應(yīng),但分子空間位阻和結(jié)構(gòu)阻礙了—SH與親電的模擬劑的磷原子反應(yīng)。反應(yīng)過程如圖2所示。含有SD的修飾硅納米粒子溶液暴露在DFP條件下,顏色為深藍(lán)色,而對照組為淡藍(lán)色。該課題組將金納米粒子應(yīng)用于神經(jīng)性毒劑模擬劑檢測,探索了金納米粒子聚集與分散時的顏色變化[51]。采用三芳基甲烷染料修飾金納米粒子,在神經(jīng)性毒劑模擬劑存在時,三芳基甲烷可被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的碳正離子,并引起強烈的顏色改變,納米粒子表面的電荷補償,能使納米粒子在溶液中聚集,從而產(chǎn)生顏色變化[52]。
圖2 雙功能二氧化硅納米粒子檢測神經(jīng)性毒劑模擬劑作用機制[51]Fig.2 Mechanism of the detection of nerve agent mimics based on bifunctionalized SiO2 nanoparticles[51]
基于顯色反應(yīng)的檢測方法是一種重要的神經(jīng)性毒劑檢測方法,但目前仍有許多不足。在顯色原理上,許乃曼反應(yīng)中強氧化劑也能使聯(lián)苯胺類生色,造成干擾;檢測方法方面,便攜式的分光光度計穩(wěn)定性差,結(jié)果誤差大;顯色劑方面,基于納米粒子團(tuán)聚的顏色變化,即使在無神經(jīng)性毒劑存在的情況下,無機鹽超過一定濃度時,也會引起納米粒子的團(tuán)聚,發(fā)生顏色改變,造成假陽性。為提高顯色法的靈敏度、抗干擾能力和特異性,基于顯色反應(yīng)的神經(jīng)性毒劑檢測方法尚需進(jìn)一步的研究,其發(fā)展趨勢包括:(1)尋找新的顯色反應(yīng)檢測神經(jīng)性毒劑的原理,例如免疫抗體法,以提高檢測的選擇性和靈敏度;(2)現(xiàn)有的現(xiàn)場檢測手段簡單,發(fā)展新型、便攜式的檢測儀器有利于現(xiàn)場檢測,提高檢測方法的準(zhǔn)確性;(3)現(xiàn)有的顯示劑不能完全滿足檢測要求,需研究新型顯示劑,尋找反應(yīng)前后顏色變化明顯、光學(xué)物理性質(zhì)獨特、選擇性好、靈敏度高的顯示劑。