楊 姝 王學(xué)峰 高 適 錢廷碧 賀金娜

（陸軍防化學(xué)院履約技術(shù)中心，北京 102205）

甲氟膦酸異丙酯又被稱作沙林（GB），是典型的神經(jīng)性毒劑之一，作為有機膦酸類物質(zhì)，其毒理作用是通過抑制生物體內(nèi)的乙酰膽堿酯脢，導(dǎo)致生物的神經(jīng)出現(xiàn)紊亂。它的揮發(fā)度高，毒性強，潛伏時間短，是戰(zhàn)場上最為常見的化學(xué)毒劑之一。沙林經(jīng)呼吸道致毒時，蒸汽/氣溶膠暴露半致死濃度（LCT50inh）為35 mg·min/m3（暴露2分鐘為3 ppm），在0.01 ppm 濃度的毒劑蒸汽下暴露2分鐘就會出現(xiàn)縮瞳現(xiàn)象，立即威脅生命和健康濃度（IDLH）為0.02 ppm［1］。由于化學(xué)毒劑有著易于合成、價格低廉、難防難控等特點，有效的檢測方法可以對沙林毒氣進行定性定量，提高防護能力。

1 氣相色譜‐離子遷移譜方法概述

離子遷移譜技術(shù)（Ion Mobility Spectroscopy，IMS）是上世紀(jì)60 年代發(fā)展起來的微痕量檢測技術(shù)。IMS 的工作原理是電離進入離子化區(qū)域中的氣體分子，根據(jù)不同離子在電場中的遷移速率不同進行區(qū)分。其對化合物的檢測下限可低至ppb 級，有著應(yīng)用范圍廣，技術(shù)成本低，分辨率高，容易被小型化等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于對化學(xué)毒劑、危險品、爆炸物和毒品的檢測和鑒定［2］，適用于有機膦毒劑分析檢測［3，4］。盡管IMS 有著諸多優(yōu)點，但是由于其主要是通過區(qū)分離子遷移時間來進行分析的，所以難以對遷移率相同或相近的物質(zhì)進行區(qū)分；由于直接對氣體分子離子化，所以在檢測類似物混合物時可能會出現(xiàn)離子在電離區(qū)互相湮滅的情況；檢測成分較為復(fù)雜的物質(zhì)時，容易受到其中濃度較大的物質(zhì)的影響，不利于分析［2，5］。

氣相色譜技術(shù)（Gas chromatography，GC）是實驗室中較為常見的氣相檢測手段，廣泛的應(yīng)用于易揮發(fā)型化學(xué)物質(zhì)以及有毒有害物質(zhì)的檢測中［6］。GC 技術(shù)發(fā)展較為成熟，一般為了提高檢測速度和準(zhǔn)度，經(jīng)常將氣相色譜技術(shù)與火焰光度計、質(zhì)譜儀、氮?磷探測儀等技術(shù)進行聯(lián)用。氣相色譜?離子遷移譜法（GC?IMS）是將上述兩種技術(shù)聯(lián)用的極具前景的新檢測手段［7］，二者聯(lián)用有效利用GC 的高效分離能力，彌補IMS 對遷移率相近混合物檢測不靈敏的缺點，并且降低空氣濕度對IMS的影響；而IMS的準(zhǔn)確定性，可以改善GC重復(fù)性差、對復(fù)雜化合物難以定性的情況。另外，GC?IMS 相較于常用的GC?MS 技術(shù)，接口更簡單，不需要真空環(huán)境，日常更容易維護和使用［2］。

通過配套軟件LAV 的自帶插件可以對復(fù)雜化合物的特征進行整合分析，獲得保留時間、漂移時間和信號強度的綜合譜圖，提供全面的圖像。如圖1 所示的3 類譜圖，分別為3D 投影平面頂視圖、3D?IMS 色譜圖以及離子流圖。頂視圖中的一個點即是色譜圖中的一個峰，表示著一種化合物。根據(jù)不同化合物的性質(zhì)，同一種化合物可能產(chǎn)生單體、二聚體乃至三聚體?；衔锏臐舛炔煌?，頂視圖中給點的顏色飽和度不同。

圖1 GC‐IMS 軟件測試譜圖［8］

GC?IMS 可以直接對氣體樣品進行快速分析，現(xiàn)在多用于對食品氣味的分類、檢測、評價［7，9?17］，尚未應(yīng)用在毒劑氣體測試分析中。針對毒劑氣體發(fā)生的測試，過去多采取的方法是，利用有機溶劑（乙醇、乙腈等）進行1~3 小時的采集，再使用分光光度計法進行定量分析，一般全流程操作需要2~4 小時。利用GC?IMS 則可以直接對氣體分子進行檢測分析，大大縮短了采集氣體所需要花費的時間，因此本研究旨在運用GC?IMS 法實現(xiàn)對沙林氣體進行快速檢測。

2 實驗部分

2.1 主要儀器及試劑

毒劑氣體發(fā)生器，自制；GC?IMS 氣相離子遷移譜聯(lián)用儀；氣體流量控制模塊；冷肼；0 號柴油；16種多環(huán)芳烴（PAHs）混標(biāo)；鹽酸聯(lián)苯胺（A.R）、過硼酸鈉（A. R），乙醇（A. R）；沙林（GB）含量大于98%，自制。

2.2 實驗平臺

實驗采用空氣壓縮機供氣，經(jīng)過五級干燥塔干燥后由氣體流量控制模塊（MFC）對氣路的流量進行控制。干燥塔為自制800mL 不銹鋼塔串聯(lián)而成，內(nèi)裝分子篩、活性炭、無水CaCl2。如圖2 所示經(jīng)過干燥后的空氣進入毒劑氣體發(fā)生器，經(jīng)由冷阱控制氣室的環(huán)境溫度，通過溫度調(diào)控?fù)]發(fā)度配制不同濃度的染毒氣體。揮發(fā)的氣體，通過細(xì)孔被空氣氣流帶出，再在氣體流量控制模塊中與空氣混合。為避免氣流產(chǎn)生的擾動，控制氣路中的流速始終保持在700mL/min。

圖2 實驗平臺

將氣路直（旁）接接入GC?IMS 中進行檢測（圖3），氣路中毒劑氣體的濃度由溶劑吸收采集，采用分光光度計進行標(biāo)定。

圖3 氣路連接

2.3 實驗方法參數(shù)

GC?IMS 內(nèi)部氣路如圖4 所示，由電子壓力控制器1（EPC1）控制IMS 檢測器的漂移氣體，EPC2控制色譜柱載氣。氣體樣品經(jīng)過六通閥進入色譜柱，色譜柱洗脫后通過IMS 進行檢測。

圖4 GC‐IMS 內(nèi)部設(shè)置［8］

預(yù)設(shè)GC 條件為：色譜柱：DB?5，長15m，直徑0.53 mm，膜厚0.25 μm；進樣體積：1000μL；色譜柱溫度：60 ℃；定量環(huán)溫度：60 ℃；載氣：高純N2，純度≥99.999%。

預(yù)設(shè)IMS 條件：漂移管長度：5 cm；管內(nèi)電壓：400 V/cm；漂移管溫度：45 ℃；漂移氣為高純N2；電離源：氚源；檢測模式：正離子模式；IMS 溫度：45 ℃。

探索檢測沙林氣體時GC 的載氣終止流量、檢測時長、進樣量條件；IMS 的檢測模式條件，以建立檢測的工作曲線以及最低檢出限，建立GC?IMS 法測定化學(xué)毒劑沙林氣體的方法體系。

3 結(jié)果與討論

3.1 GC‐IMS 條件的確定

3.1.1 對沙林的定性

根據(jù)揮發(fā)性化合物在GC?IMS 中的漂移時間和氣相色譜保留時間，通過外標(biāo)法使用C4~C9 的正酮作為校準(zhǔn)液進行檢測，與實測物質(zhì)的保留指數(shù)進行對照，最后利用Library Search 軟件及其數(shù)據(jù)庫進行查找配對，從而對檢測的物質(zhì)進行定性。本實驗定性結(jié)果為圖5 所示，譜圖表明氣路中的揮發(fā)性物質(zhì)有單體及二聚體，檢測到的物質(zhì)為沙林。

圖5 軟件定性結(jié)果

3.1.2 檢測模式的選擇

分別在正離子模式與負(fù)離子模式下對0.313 μg/L（50ppb）的沙林氣體進行檢測，測試譜圖如圖6 所示，在正離子模式下可以檢測到沙林氣體的反應(yīng)離子峰，負(fù)離子模式下未見離子峰，因此選擇正離子模式進行檢測。

圖6 不同離子模式下的譜圖對比

3.1.3 氣相色譜分離條件的選擇

3.1.3.1 載氣最終流量的設(shè)定

GC?IMS 采取的是程序升流技術(shù)，通過載氣流量的線性增加達到分離效果。本實驗對0.313 μg/L 在不同升流程序下的沙林氣體的色譜條件進行了摸索。

設(shè)置初始流量為2mL/min，載氣終止流量設(shè)定為5mL/min、15mL/min、20mL/min、30mL/min、50mL/min、80mL/min 、100mL/min、120mL/min 分別進行檢測，譜圖如圖7。結(jié)果表明載氣流量的增幅越少，色譜峰的拖尾情況越嚴(yán)重，響應(yīng)越小，該濃度下終止流量高于80mL/min 時離子峰分離較好，載氣流量在100mL/min~150mL/min之間時峰型差異不大。

圖7 載氣終止流量不同時的譜圖（5~120mL/min）

進一步檢測1.876 μg/L（300ppb）濃度的沙林氣體發(fā)現(xiàn)，初始流量為2mL/min，載氣最終流量分別設(shè)為50mL/min、100mL/min、150mL/min 進行檢測時，測試結(jié)果如圖8。綜合測試結(jié)果表明，載氣流設(shè)定從2 mL/min 線性增至150mL/min 時分離效果最好。這主要是因為載氣流速上升時，離子快速通過遷移區(qū)，導(dǎo)致到達檢測極的離子隨之增加，信號強度也就隨之增加。

圖8 載氣終止流量不同時的譜圖（50， 100， 150mL/min）

3.1.3.2 檢測時長的選擇

固定載氣最終流量，考察檢測時間對譜圖的影響，檢測時間分別設(shè)為：3 min、6 min、8 min、10 min、13 min、16 min，如圖9 所示，檢測時間越長出峰越晚，響應(yīng)值也有所下降，峰型不佳；時間過短則會導(dǎo)致離子遷移時間不夠，出峰過早容易受噪音影響。測試結(jié)果表明，檢測沙林氣體的時間在8~10 min 較合適。

圖9 檢測時間不同時的譜圖

3.1.3.3 進樣量的設(shè)定

GC?IMS 可以通過改變定量環(huán)體積以及進樣時間控制氣體的進樣量，氣體進樣量過大會導(dǎo)致定量環(huán)中死體積增大，影響峰形導(dǎo)致峰拖尾，進樣量過小會導(dǎo)致檢測到的氣體量少，響應(yīng)不明顯。本儀器定量環(huán)為固定環(huán)1000μL，故而只討論進樣時間對檢測的影響。如圖10 可以看出進樣時間過短時響應(yīng)較小，時間過長時拖尾較明顯，因此對沙林氣體的檢測，進樣時間在10s~20s 時分離較好。

圖10 進樣時間不同時的譜圖

3.2 確定檢測沙林氣體方法

通過上述實驗，可以得知檢測沙林氣體的最佳條件為：正離子模式下檢測，初始載氣的流量為2mL/min，進樣15s，穩(wěn)定2 min，而后在2~10 min 內(nèi)將載氣流量線性增至150 mL/min。因此，將GC?IMS 法測試沙林氣體的檢測條件確定為：

GC 條件：色譜柱：DB?5；進樣體積：1000μL；色譜柱溫度：60 ℃；定量環(huán)溫度：60 ℃；運行時間：15 min；載氣：高純N2，純度≥99.999%；載氣流量：初始2 mL/min，在10~25s 時進樣15s，保持2 min后在10 min 內(nèi)線性增至150 mL/min，之后在150 mL/min 流速下穩(wěn)定5 min。

IMS 條件：漂移管長度：5 cm；管內(nèi)線性電壓：400 V/cm；漂移管溫度：45 ℃；漂移氣為高純N2（純度≥99.999%）；流速：150 mL/min；檢測模式：正離子模式；IMS 溫度：45 ℃。

3.3 檢測沙林氣體的工作曲線與回歸方程

由毒劑氣體發(fā)生器發(fā)生沙林氣體濃度分別為0.0375、0.0563、0.156、0.294、0.819，1.307、2.07、2.627 μg/L。由GC?IMS 檢測，而后以濃度為橫坐標(biāo)，以各濃度對應(yīng)的分析物離子峰（analyte ion peak，AIP）強度（三維圖對應(yīng)所得峰體積）為縱坐標(biāo)，分別擬合繪制出GB 單體和二聚體的Boltzman函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖11。

圖11 GC‐IMS 檢測GB 的bolzman 函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線

并得出Boltzman 函數(shù)回歸方程如下：

根據(jù)此方程計算可得，低濃度（低于1 μg/L）時GB 單體區(qū)域信號標(biāo)線的標(biāo)稱濃度與校準(zhǔn)濃度之間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，高濃度（高于1 μg/L）時GB 二聚體區(qū)域信號標(biāo)線的標(biāo)稱濃度與校準(zhǔn)濃度之間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，因此在低濃度測試時以單體區(qū)域信號曲線為理想曲線，高濃度測試時以二聚體區(qū)域信號曲線為理想曲線。

3.4 環(huán)境中廢氣類干擾物對沙林檢測的影響

實際中檢測沙林氣體時，要考慮到環(huán)境空氣中可能存在的一些廢氣的干擾，其中包括含有苯環(huán)類物質(zhì)和碳?xì)浠衔?。因此本實驗將含?6種多環(huán)芳烴（PAHs）的混合標(biāo)準(zhǔn)樣品代表苯環(huán)類干擾物，將0 號柴油代表碳?xì)浠衔锔蓴_物，考察了GC?IMS 方法檢測廢氣中沙林的干擾情況。

將沙林與含有16種混標(biāo)的PAHs 同時注入2L配氣瓶中，分別考察PAHs（總）與沙林的質(zhì)量比為1∶1、10∶1、100∶1、500∶1 這4種情況下，對GC?IMS方法檢測沙林的影響。實驗表明，當(dāng)PAHs 與沙林的質(zhì)量比為500∶1時，GC?IMS 已經(jīng)無法分辨沙林的色譜峰，PAHs 與沙林質(zhì)量比為100∶1時，GC?IMS可以明顯檢測出沙林，其信噪比S/N 為19，PHAs 與GB 的出峰完全分離，由此可以看出，PAHs 對沙林的檢測無明顯影響。考察了柴油與L 的質(zhì)量比為10∶1、100∶1、500∶1 這3種 情 況 下 柴 油 濃 度 對GC?IMS 檢測沙林氣體的影響。實驗表明，即使柴油與沙林的質(zhì)比值達到500∶1時，含柴油的空白樣品中沒有檢測出沙林，柴油與GB 的出峰完全分離，空氣中碳?xì)浠衔飳υ摲椒z測沙林無明顯影響。

3.5 檢出限

GC?IMS 對0.0375 μg/L（6ppb）沙林氣體的檢測噪音平均值約為0.009V，信號強度為0.0476，根據(jù)最低檢出限公式D=3N×Q/I，其中N 噪音值，Q 為進樣氣體濃度，I 為響應(yīng)信號強度。計算可以得出本研究所用方法對GB 氣體的檢測下限約為0.0214 μg/L（3.4ppb）。這對痕量毒劑氣體的定量分析提供了一定的數(shù)據(jù)支撐，實際檢測過程中能對目標(biāo)物進行定量或半定量，有助于化學(xué)毒劑偵檢精準(zhǔn)度的提高。

4 結(jié)論與展望

利用GC?IMS 可以直接對氣體分子進行檢測分析，大大縮短了采集氣體所需要花費的時間，因此運用GC?IMS 建立了更加高效檢測沙林氣體的方法。對沙林氣體的測試可以看出，GC?IMS 可以較好地定性，考察了干擾物對該方法沒有明顯影響。利用此方法檢測下限可以達到0.0214 μg/L，且響應(yīng)信號與濃度可以通過Boltzman 函數(shù)建立回歸方程，實現(xiàn)了定量或半定量檢測，提高了對有毒有害氣體檢測的效率。