納米金輔助低溫等離子體常壓質譜快速檢測化學毒劑模擬劑

張 琳 馬明英 李寶強 孔景臨 張四純* 張新榮

1(國民核生化災害防護國家重點實驗室， 北京 102205) 2(清華大學化學系， 北京 100084)

1 引 言

化學毒劑威力大、作用快、效果持久，使用后可造成巨大恐慌，在20世紀被廣泛用于戰爭中，給人類帶來了巨大的災難和長久的危害。隨著國際反恐形勢的變化，世界又面臨著化學毒劑非戰爭使用的新挑戰。因此，無論是應對化學戰還是恐怖襲擊，化學毒劑現場快速檢測已經成為重要的研究課題[1,2]。化學毒劑維埃克斯(VX)是一種典型的化學毒劑，由于其毒性大、穩定性好、作用持久，可分散成高濃度的氣溶膠或液滴污染地面，阻滯人員的前進和行動，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)是糜爛性化學毒劑的典型代表，是世界上貯量較大、化學擴散最嚴重的化學毒劑[5,6]。與其它毒劑相比，VX和HD的特點是毒性強、沸點高和揮發性差，現場快速檢測困難。

目前，針對地面或者裝備等表面沾染的化學毒劑現場檢測方法主要有比色法[7,8]、離子遷移譜[9,10]和質譜法[11,12]等。基于比色法的偵檢紙雖然可有效地檢測HD和VX，但其易與其它有機物(如制動液和殺蟲劑等)發生反應，特異性不佳，易產生誤報[13]。便攜式化學毒劑報警器和便攜式質譜儀用于復雜基質中的V類和H類毒劑檢測前， 均需對樣品進行預處理，雖然靈敏度和準確性得到了提升，但檢測時間較長，并易引起儀器污染等問題[14,15]。低溫等離子體探針-質譜(LTP-MS)技術可快速檢測氣、液、固態樣品，具有操作簡單、快速準確、易小型化等特點，成為化學毒劑快速檢測研究的研究和應用熱點[16,17]。Iwai等[2]采用免氣瓶的低溫等離子體探針直接與質譜進樣口連接，實現了野外現場分析化學毒劑環沙林、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便攜質譜聯用檢測G類化學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譜圖進行定量分析，檢出限分別為1.0和6.3 μg/m3。但小型化質譜儀的檢測性能普遍低于實驗室質譜儀，特別是檢測靈敏度更低[19，20]。

化學毒劑模擬劑因與化學毒劑分子結構相似，并且無毒或低毒性，因此常作為化學毒劑替代品，用于化學偵察裝備性能評價實驗或者化學毒劑檢測方法研究，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]。前期研究發現，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)的質譜信號強度提高2個數量級[23]，基于此發展了AuNPs修飾紙芯片結合LTP-MS快速檢測G類毒劑模擬劑的定量分析方法。然而由于紙基質與待測分析物之間的物理吸附和化學作用，一些與紙基質存在強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，發展了一種新型LTP-MS技術，解決了難揮發毒劑與紙芯片之間作用(吸附、氫鍵、范德華力等)強、離子化效率低的問題，具有快速、準確、靈敏的特點，在化學毒劑檢測等領域有較好的應用價值。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

Thermo Finnigan LTQ-MS 質譜儀(美國Thermo 公司)：質譜儀離子傳輸管溫度為275℃，最大注入時間為100 ms，毛細管電壓設置為9 V，透鏡電壓為100 V，微掃描次數為1; E-1010離子濺射儀(日本HITACH公司); 可調交流電源(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)均購自Sigma-Aldrich化學試劑公司; 2-氯乙基乙基硫醚(CEES，90%)和2,4,6-三硝基甲苯(TNT，90%)，由國民核生化災害防護國家重點實驗室提供; 土壤標樣(河北邯鄲潮土)購自中國計量科學研究院。實驗用水為Mili-Q純水系統(美國Millipore公司)制備的超純水(18.2 MΩ cm)。實驗中的溶劑均為甲醇-水(1∶1，V/V)。氦氣(99.998%)由北京華元氣體公司提供。

2.2 實驗平臺的搭建

低溫等離子體探針(LTP)由作為介質阻擋層的石英玻璃毛細管(外徑1.5 mm，內徑0.5 mm，長度10 cm)和兩根外接銅電極構成。兩根銅電極纏繞在石英玻璃毛細管外，用導電錫紙固定，兩根銅電極之間的距離為3 cm。石英玻璃毛細管一端通入氦氣，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生低溫等離子體。

低溫等離子體的發生電源采用40 W臭氧發生器，輸入75 V交流電壓，輸出電壓峰值為1 kV。實驗中采用離子濺射儀對載玻片進行真空濺射鍍金，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基底在質譜進樣口下方30°角位置，水平距離質譜進樣口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，產生質譜圖。圖1為AuNPs輔助LTP-MS檢測示意圖。

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

實驗中使用的化學毒劑模擬劑具有一定的毒性，且化學危險品易燃易爆，因此必須由專業人員在通風條件下進行操作。

3 結果與討論

3.1 AuNPs輔助增強LTP-MS檢測化學毒劑模擬劑

圖2A為添加AuNPs和無AuNPs時， 1 mg/L馬拉硫磷的質譜檢測結果。從圖2A可見，采用LTP-MS檢測馬拉硫磷時，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。本方法檢測載玻片上的1 mg/L馬拉硫磷樣品時，樣品分子離子峰信號強度為5.9 × 104，而采用AuNPs輔助LTP-MS檢測模擬劑樣品時，質譜信號強度為4.1×105，信號強度增強了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，質譜信號強度為4.7 × 105，相比于無AuNPs時，質譜信號強度增強了9倍。前期研究發現，低溫等離子體產生的射頻電磁場與AuNPs耦合，產生熱效應。AuNPs作為能量傳遞介質將熱量傳遞給待測樣品，促進樣品的解吸附和離子化效率，顯著提高了質譜信號強度[23]。

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

為了滿足應對多種安全威脅和執行反恐維穩等實際需求，本研究采用AuNPs輔助LTP-MS方法檢測了常見化學危險品TNT、吡啶和DMF。如圖3所示，對于100 μg/L吡啶，分子離子峰m/z80在納米金基底上信號強度增加了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峰強度增強了52倍。將5 μL 1 mg/L TNT溶液(絕對量5 ng)滴在AuNPs基底上，待樣品晾干后，采用質譜儀負電模式進行檢測，其分子離子峰m/z226質譜信號強度提高了7倍。上述結果表明，本方法不僅對化學毒劑具有較高的檢測靈敏度，同時也適用于化學危險品的快速檢測。

圖3 AuNPs輔助增強LTP-MS檢測(A)吡啶、(B)N, N-二甲基甲酰胺和(C)2, 4, 6-三硝基甲苯的質譜圖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 實驗條件優化

3.2.1 氦氣壓力的影響通過改變氦氣出口壓力，對比不同壓力條件下質譜信號強度的變化。如圖4A所示，當氦氣出口壓力在0.02～0.12 MPa之間時，低溫等離子體逐漸產生，馬拉硫磷樣品的質譜信號強度也逐漸增高; 當氦氣出口壓力為0.12 MPa時，質譜信號強度最高。但是，隨著壓力繼續增大，氣流流速逐漸增大，樣品的分子離子峰質譜信號強度值反而降低。產生這一現象的原因是：盡管LTP的解吸附能力隨著氣流速度加快而增加，但是石英玻璃毛細管內單位體積的氣體分子以及氣體放電產生的電子、激發態He原子等組分濃度也逐漸降低，導致單位體積內低溫等離子體的濃度降低，使得樣品的分子離子峰質譜信號強度值降低[24，25]。 因此，在整個實驗過程中，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之一。本研究在氦氣出口壓力為0.12 MPa，其它實驗參數不變的條件下，考察了交流電源功率變化對馬拉硫磷分子質譜信號強度的影響(圖4B)。當電壓在0～50 W范圍內逐漸增加時，馬拉硫磷分子離子峰的質譜信號強度逐漸增加，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，產生的分子離子峰質譜信號較弱。隨著交流電源功率逐漸增加，質譜信號強度急劇增強，當交流電源功率達到75 W時，質譜信號強度達到最大，說明交流電源功率在50～75 W之間時，產生的低溫等離子體中離子和亞穩態中性物質的濃度明顯增加至最大。交流電壓大于75 W時，LTP中的離子和亞穩態中性粒子等物質濃度保持穩定，獲得的質譜信號強度趨于穩定[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LTP-MS檢測1 mg/L 的馬拉硫磷甲醇水溶液(n=3)的結果; (B) 交流電源的功率改變(0、 15、 25、 35、 45、 55、 65、 75、 85、 95和105 W)對1 mg/L 的馬拉硫磷質譜信號強度影響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，測試了AuNPs的厚度對質譜信號強度的影響。AuNPs與含硫的化合物之間存在物理吸附和化學鍵作用[28]，AuNPs厚度在5～10 nm之間逐漸增加時，馬拉硫磷的質譜信號強度也逐漸增強。AuNPs厚度>10 nm，AuNPs與化合物作用飽和，質譜信號強度變化不明顯(圖5) 。

圖5 采用不同厚度AuNPs基底檢測1 mg/L馬拉硫磷樣品的質譜圖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)的質譜信號強度作為縱坐標，土壤樣品的濃度為橫坐標，繪制標準曲線。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系，相關系數分別為0.9784和0.9915。重復進樣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]采用固相微萃取結合GC-MS方法檢測土壤中的VX，檢出限為1.0 μg/g， 雖然滿足美國對地面沾染的化學毒劑最高檢出限為0.5 g/m2的要求[29]，但是檢測時間需要1 h。本研究采用AuNPs輔助LTP-MS方法，樣品無需預處理，檢測時間縮短至1 min內，相對于傳統的GC-MS方法具有時間短、成本低、操作簡單的優勢，滿足化學毒劑現場快速檢測需求。本方法同時也滿足加拿大最新通報的馬拉硫磷擬定最大殘留限量(PMRL)的規定[30]，因此也適用于土壤和農產品等農藥殘留的檢測。

3.4 實際樣品的加標回收率

采用土壤基質進行加標回收實驗，加標水平為10.1 μg/g，重復10次實驗，將樣品的分子離子峰質譜信號強度與標準曲線進行匹配計算。實驗結果如表2所示，馬拉硫磷的回收率為86.4%，相對標準偏差范圍為7.1%～7.4%; CEES的平均回收率為89.7%， 相對標準偏差范圍為7.7%～ 7.8%，表明本方法具有較好的準確性和重復性。

表1 AuNPs輔助增強LTP-MS對馬拉硫磷和2-氯乙基乙基硫醚定量檢測結果

表2 AuNPs輔助LTP-MS方法對馬拉硫磷和DEES進行定量檢測的結果

4 結 論

針對化學毒劑VX和HD沸點高、揮發性差的性質開發了AuNPs基底輔助進樣模塊，采用LTP-MS開展了化學毒劑模擬劑馬拉硫磷和CEES快速檢測方法研究。實驗結果表明，本方法將兩種毒劑模擬劑的質譜信號強度分別提高了7倍和9倍。通過優化實驗條件，建立了兩種毒劑模擬劑的定量分析曲線，并對土壤中的毒劑模擬劑進行了檢測。本方法操作簡單，快速準確，可與便攜式常壓離子源質譜結合，用于地面沾染的難揮發化學毒劑現場檢測。