張 琳 馬明英 李寶強(qiáng) 孔景臨 張四純* 張新榮

1(國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102205) 2(清華大學(xué)化學(xué)系， 北京 100084)

1 引 言

化學(xué)毒劑威力大、作用快、效果持久，使用后可造成巨大恐慌，在20世紀(jì)被廣泛用于戰(zhàn)爭(zhēng)中，給人類帶來了巨大的災(zāi)難和長(zhǎng)久的危害。隨著國(guó)際反恐形勢(shì)的變化，世界又面臨著化學(xué)毒劑非戰(zhàn)爭(zhēng)使用的新挑戰(zhàn)。因此，無論是應(yīng)對(duì)化學(xué)戰(zhàn)還是恐怖襲擊，化學(xué)毒劑現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)已經(jīng)成為重要的研究課題[1,2]?；瘜W(xué)毒劑維?？怂?VX)是一種典型的化學(xué)毒劑，由于其毒性大、穩(wěn)定性好、作用持久，可分散成高濃度的氣溶膠或液滴污染地面，阻滯人員的前進(jìn)和行動(dòng)，因此成為使用最廣泛的毒劑[3,4]。芥子氣(二(2-氯乙基乙基)硫醚，HD)是糜爛性化學(xué)毒劑的典型代表，是世界上貯量較大、化學(xué)擴(kuò)散最嚴(yán)重的化學(xué)毒劑[5,6]。與其它毒劑相比，VX和HD的特點(diǎn)是毒性強(qiáng)、沸點(diǎn)高和揮發(fā)性差，現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)困難。

目前，針對(duì)地面或者裝備等表面沾染的化學(xué)毒劑現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法主要有比色法[7,8]、離子遷移譜[9,10]和質(zhì)譜法[11,12]等。基于比色法的偵檢紙雖然可有效地檢測(cè)HD和VX，但其易與其它有機(jī)物(如制動(dòng)液和殺蟲劑等)發(fā)生反應(yīng)，特異性不佳，易產(chǎn)生誤報(bào)[13]。便攜式化學(xué)毒劑報(bào)警器和便攜式質(zhì)譜儀用于復(fù)雜基質(zhì)中的V類和H類毒劑檢測(cè)前， 均需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，雖然靈敏度和準(zhǔn)確性得到了提升，但檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，并易引起儀器污染等問題[14,15]。低溫等離子體探針-質(zhì)譜(LTP-MS)技術(shù)可快速檢測(cè)氣、液、固態(tài)樣品，具有操作簡(jiǎn)單、快速準(zhǔn)確、易小型化等特點(diǎn)，成為化學(xué)毒劑快速檢測(cè)研究的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)[16,17]。Iwai等[2]采用免氣瓶的低溫等離子體探針直接與質(zhì)譜進(jìn)樣口連接，實(shí)現(xiàn)了野外現(xiàn)場(chǎng)分析化學(xué)毒劑環(huán)沙林、塔崩、VX和氮芥氣，檢出限分別為20.0、4.8、1.0和22.0 pmol。Wolf等[18]使用低溫等離子體電離源與Mini10.5便攜質(zhì)譜聯(lián)用檢測(cè)G類化學(xué)毒劑的模擬劑乙基磷酸二乙酯(DEEP)和甲基磷酸二甲酯(DMMP)，并采用MS2譜圖進(jìn)行定量分析，檢出限分別為1.0和6.3 μg/m3。但小型化質(zhì)譜儀的檢測(cè)性能普遍低于實(shí)驗(yàn)室質(zhì)譜儀，特別是檢測(cè)靈敏度更低[19，20]。

化學(xué)毒劑模擬劑因與化學(xué)毒劑分子結(jié)構(gòu)相似，并且無毒或低毒性，因此常作為化學(xué)毒劑替代品，用于化學(xué)偵察裝備性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)或者化學(xué)毒劑檢測(cè)方法研究，如毒劑沙林(GB)的模擬劑為DMMP[19]，VX的模擬劑馬拉硫磷[21]，HD的模擬劑為2-氯乙基乙基硫醚(CEES)[22]。前期研究發(fā)現(xiàn)，納米金(AuNPs)與等離子體作用可使G類毒劑模擬劑DMMP和甲基磷酸二異丙酯(DIMP)的質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度提高2個(gè)數(shù)量級(jí)[23]，基于此發(fā)展了AuNPs修飾紙芯片結(jié)合LTP-MS快速檢測(cè)G類毒劑模擬劑的定量分析方法。然而由于紙基質(zhì)與待測(cè)分析物之間的物理吸附和化學(xué)作用，一些與紙基質(zhì)存在強(qiáng)相互作用的分子難以解析與離子化。

本研究采用AuNPs基底代替AuNPs紙芯片，發(fā)展了一種新型LTP-MS技術(shù)，解決了難揮發(fā)毒劑與紙芯片之間作用(吸附、氫鍵、范德華力等)強(qiáng)、離子化效率低的問題，具有快速、準(zhǔn)確、靈敏的特點(diǎn)，在化學(xué)毒劑檢測(cè)等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用價(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

Thermo Finnigan LTQ-MS 質(zhì)譜儀(美國(guó)Thermo 公司)：質(zhì)譜儀離子傳輸管溫度為275℃，最大注入時(shí)間為100 ms，毛細(xì)管電壓設(shè)置為9 V，透鏡電壓為100 V，微掃描次數(shù)為1; E-1010離子濺射儀(日本HITACH公司); 可調(diào)交流電源(量程范圍為0～6 kV，天津東文高壓有限公司)。

N,N-二甲基甲酰胺(DMF，97%)、吡啶(98%)、馬拉硫磷(98%)和甲醇(色譜純)均購(gòu)自Sigma-Aldrich化學(xué)試劑公司; 2-氯乙基乙基硫醚(CEES，90%)和2,4,6-三硝基甲苯(TNT，90%)，由國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供; 土壤標(biāo)樣(河北邯鄲潮土)購(gòu)自中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。實(shí)驗(yàn)用水為Mili-Q純水系統(tǒng)(美國(guó)Millipore公司)制備的超純水(18.2 MΩ cm)。實(shí)驗(yàn)中的溶劑均為甲醇-水(1∶1，V/V)。氦氣(99.998%)由北京華元?dú)怏w公司提供。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

低溫等離子體探針(LTP)由作為介質(zhì)阻擋層的石英玻璃毛細(xì)管(外徑1.5 mm，內(nèi)徑0.5 mm，長(zhǎng)度10 cm)和兩根外接銅電極構(gòu)成。兩根銅電極纏繞在石英玻璃毛細(xì)管外，用導(dǎo)電錫紙固定，兩根銅電極之間的距離為3 cm。石英玻璃毛細(xì)管一端通入氦氣，隨后在兩根銅電極上接入高壓交流電，氣體在高壓放電條件下產(chǎn)生低溫等離子體。

低溫等離子體的發(fā)生電源采用40 W臭氧發(fā)生器，輸入75 V交流電壓，輸出電壓峰值為1 kV。實(shí)驗(yàn)中采用離子濺射儀對(duì)載玻片進(jìn)行真空濺射鍍金，制作成納米金基底。LTP探針與納米金基底的距離為1.5 cm。將3 μL化學(xué)毒劑模擬劑CEES溶液滴加在AuNPs基底上，然后垂直放置于低溫等離子體探針下方。AuNPs基底在質(zhì)譜進(jìn)樣口下方30°角位置，水平距離質(zhì)譜進(jìn)樣口5 mm。低溫等離子體直接打在模擬劑樣品液滴上，使樣品解吸附并離子化，產(chǎn)生質(zhì)譜圖。圖1為AuNPs輔助LTP-MS檢測(cè)示意圖。

圖1 納米金輔助低溫等離子體探針-質(zhì)譜(LTP-MS)檢測(cè)示意圖Fig.1 Scheme of the experimental workflow of gold nanoparticles (AuNPs) substrate-assisted low-temperature plasma-mass spectrometry (LTP-MS) analysis

實(shí)驗(yàn)中使用的化學(xué)毒劑模擬劑具有一定的毒性，且化學(xué)危險(xiǎn)品易燃易爆，因此必須由專業(yè)人員在通風(fēng)條件下進(jìn)行操作。

3 結(jié)果與討論

3.1 AuNPs輔助增強(qiáng)LTP-MS檢測(cè)化學(xué)毒劑模擬劑

圖2A為添加AuNPs和無AuNPs時(shí)， 1 mg/L馬拉硫磷的質(zhì)譜檢測(cè)結(jié)果。從圖2A可見，采用LTP-MS檢測(cè)馬拉硫磷時(shí)，主要生成分子離子峰[M+H]+(m/z331)，可作為特征離子用于定量分析。本方法檢測(cè)載玻片上的1 mg/L馬拉硫磷樣品時(shí)，樣品分子離子峰信號(hào)強(qiáng)度為5.9 × 104，而采用AuNPs輔助LTP-MS檢測(cè)模擬劑樣品時(shí)，質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度為4.1×105，信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)了7倍。如圖2B所示，在LTP作用下，1 mg/L CEES主要生成m/z89 [M-Cl]+的特征離子，質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度為4.7 × 105，相比于無AuNPs時(shí)，質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)了9倍。前期研究發(fā)現(xiàn)，低溫等離子體產(chǎn)生的射頻電磁場(chǎng)與AuNPs耦合，產(chǎn)生熱效應(yīng)。AuNPs作為能量傳遞介質(zhì)將熱量傳遞給待測(cè)樣品，促進(jìn)樣品的解吸附和離子化效率，顯著提高了質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度[23]。

圖2 AuNPs輔助增強(qiáng)LTP-MS檢測(cè)(A)馬拉硫磷和(B)2-氯乙基乙基硫醚(CEES)質(zhì)譜圖Fig.2 Mass spectra of (A) malathion and (B) 2-chloroethyl ethyl sulfide (CEES) using AuNPs substrate-assisted enhanced LTP-MS

為了滿足應(yīng)對(duì)多種安全威脅和執(zhí)行反恐維穩(wěn)等實(shí)際需求，本研究采用AuNPs輔助LTP-MS方法檢測(cè)了常見化學(xué)危險(xiǎn)品TNT、吡啶和DMF。如圖3所示，對(duì)于100 μg/L吡啶，分子離子峰m/z80在納米金基底上信號(hào)強(qiáng)度增加了66倍，同樣條件下的DMF分子離子峰為m/z74，在納米金基底上信號(hào)峰強(qiáng)度增強(qiáng)了52倍。將5 μL 1 mg/L TNT溶液(絕對(duì)量5 ng)滴在AuNPs基底上，待樣品晾干后，采用質(zhì)譜儀負(fù)電模式進(jìn)行檢測(cè)，其分子離子峰m/z226質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度提高了7倍。上述結(jié)果表明，本方法不僅對(duì)化學(xué)毒劑具有較高的檢測(cè)靈敏度，同時(shí)也適用于化學(xué)危險(xiǎn)品的快速檢測(cè)。

圖3 AuNPs輔助增強(qiáng)LTP-MS檢測(cè)(A)吡啶、(B)N, N-二甲基甲酰胺和(C)2, 4, 6-三硝基甲苯的質(zhì)譜圖Fig.3 Mass spectra of (A) pyridine, (B) N, N-dimethylformamide (DMF) and (C) 2, 4, 6-trinitrotoluene(TNT) using AuNPs substrate-assisted enhanced LTP-MS

3.2 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

3.2.1 氦氣壓力的影響通過改變氦氣出口壓力，對(duì)比不同壓力條件下質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度的變化。如圖4A所示，當(dāng)氦氣出口壓力在0.02～0.12 MPa之間時(shí)，低溫等離子體逐漸產(chǎn)生，馬拉硫磷樣品的質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度也逐漸增高; 當(dāng)氦氣出口壓力為0.12 MPa時(shí)，質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度最高。但是，隨著壓力繼續(xù)增大，氣流流速逐漸增大，樣品的分子離子峰質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度值反而降低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：盡管LTP的解吸附能力隨著氣流速度加快而增加，但是石英玻璃毛細(xì)管內(nèi)單位體積的氣體分子以及氣體放電產(chǎn)生的電子、激發(fā)態(tài)He原子等組分濃度也逐漸降低，導(dǎo)致單位體積內(nèi)低溫等離子體的濃度降低，使得樣品的分子離子峰質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度值降低[24，25]。 因此，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，選取0.12 MPa的氦氣出口壓力作為最佳氣體流速條件。

3.2.2 交流電源功率的優(yōu)化交流電源功率是影響低溫等離子體探針溫度和濃度的重要參數(shù)之一。本研究在氦氣出口壓力為0.12 MPa，其它實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變的條件下，考察了交流電源功率變化對(duì)馬拉硫磷分子質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度的影響(圖4B)。當(dāng)電壓在0～50 W范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，馬拉硫磷分子離子峰的質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度逐漸增加，但是增幅不大。這說明交流電源功率雖然增加，但只能產(chǎn)生極少量的低溫等離子體，難以將大部分樣品解吸附和離子化，產(chǎn)生的分子離子峰質(zhì)譜信號(hào)較弱。隨著交流電源功率逐漸增加，質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度急劇增強(qiáng)，當(dāng)交流電源功率達(dá)到75 W時(shí)，質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最大，說明交流電源功率在50～75 W之間時(shí)，產(chǎn)生的低溫等離子體中離子和亞穩(wěn)態(tài)中性物質(zhì)的濃度明顯增加至最大。交流電壓大于75 W時(shí)，LTP中的離子和亞穩(wěn)態(tài)中性粒子等物質(zhì)濃度保持穩(wěn)定，獲得的質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定[26]。

圖4 (A) 不同氣體出口壓力條件下(0.02、 0.06、 0.08、 0.1、 0.12、 0.14、 0.16、 0.18和0.22 MPa)AuNPs輔助增強(qiáng)LTP-MS檢測(cè)1 mg/L 的馬拉硫磷甲醇水溶液(n=3)的結(jié)果; (B) 交流電源的功率改變(0、 15、 25、 35、 45、 55、 65、 75、 85、 95和105 W)對(duì)1 mg/L 的馬拉硫磷質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度影響Fig.4 Effect of (A) the pressure of helium (0.02, 0.06, 0.08, 0.1, 0.12, 0.14, 0.16, 0.18 and 0.22 MPa) and (B) the AC power (0, 15, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 95 and 105 W) on detection of 1 mg/L malathion in 1∶1 water/methanol by AuNPs substrate-assisted enhanced LTP-MS

3.2.3 AuNPs厚度的影響以1 mg/L馬拉硫磷為樣品，測(cè)試了AuNPs的厚度對(duì)質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度的影響。AuNPs與含硫的化合物之間存在物理吸附和化學(xué)鍵作用[28]，AuNPs厚度在5～10 nm之間逐漸增加時(shí)，馬拉硫磷的質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。AuNPs厚度>10 nm，AuNPs與化合物作用飽和，質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度變化不明顯(圖5) 。

圖5 采用不同厚度AuNPs基底檢測(cè)1 mg/L馬拉硫磷樣品的質(zhì)譜圖Fig.5 Mass spectra of 1 mg/L malathion solution in water-methanol (1∶1, V/V) using AuNPs substrate with different thicknesses by AuNPs assisted enhanced LTP-MS

3.3 方法的分析性能

采用土壤標(biāo)樣分別配制1.0～1000.0 μg/g系列濃度的馬拉硫磷和CEES土壤樣品。取1 mg土壤樣品均勻置于AuNPs基底上，分別以其特征離子m/z331(馬拉硫磷)和m/z89(CEES)的質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)，土壤樣品的濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。如表1所示，馬拉硫磷和CEES在5～1000 μg/g之間有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.9784和0.9915。重復(fù)進(jìn)樣3次的RSD值在9.4%～12.5%之間，檢出限(S/N= 3)分別為1.5和1.0 μg/g。Hook等[28]采用固相微萃取結(jié)合GC-MS方法檢測(cè)土壤中的VX，檢出限為1.0 μg/g， 雖然滿足美國(guó)對(duì)地面沾染的化學(xué)毒劑最高檢出限為0.5 g/m2的要求[29]，但是檢測(cè)時(shí)間需要1 h。本研究采用AuNPs輔助LTP-MS方法，樣品無需預(yù)處理，檢測(cè)時(shí)間縮短至1 min內(nèi)，相對(duì)于傳統(tǒng)的GC-MS方法具有時(shí)間短、成本低、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，滿足化學(xué)毒劑現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)需求。本方法同時(shí)也滿足加拿大最新通報(bào)的馬拉硫磷擬定最大殘留限量(PMRL)的規(guī)定[30]，因此也適用于土壤和農(nóng)產(chǎn)品等農(nóng)藥殘留的檢測(cè)。

3.4 實(shí)際樣品的加標(biāo)回收率

采用土壤基質(zhì)進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，加標(biāo)水平為10.1 μg/g，重復(fù)10次實(shí)驗(yàn)，將樣品的分子離子峰質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行匹配計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，馬拉硫磷的回收率為86.4%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為7.1%～7.4%; CEES的平均回收率為89.7%， 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為7.7%～ 7.8%，表明本方法具有較好的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

表1 AuNPs輔助增強(qiáng)LTP-MS對(duì)馬拉硫磷和2-氯乙基乙基硫醚定量檢測(cè)結(jié)果

表2 AuNPs輔助LTP-MS方法對(duì)馬拉硫磷和DEES進(jìn)行定量檢測(cè)的結(jié)果

4 結(jié) 論

針對(duì)化學(xué)毒劑VX和HD沸點(diǎn)高、揮發(fā)性差的性質(zhì)開發(fā)了AuNPs基底輔助進(jìn)樣模塊，采用LTP-MS開展了化學(xué)毒劑模擬劑馬拉硫磷和CEES快速檢測(cè)方法研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法將兩種毒劑模擬劑的質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度分別提高了7倍和9倍。通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，建立了兩種毒劑模擬劑的定量分析曲線，并對(duì)土壤中的毒劑模擬劑進(jìn)行了檢測(cè)。本方法操作簡(jiǎn)單，快速準(zhǔn)確，可與便攜式常壓離子源質(zhì)譜結(jié)合，用于地面沾染的難揮發(fā)化學(xué)毒劑現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。