水相終止－溶劑萃取/氣相色譜法分析氫氧化鋯對(duì)VX的消毒率

黃星綺，趙 婷，嚴(yán)春曉*，金彥任，張鴻鵬，胡曉春，武 越

（1.中國(guó)人民解放軍陸軍防化學(xué)院，北京 102205；2.山西新華防化裝備研究院有限公司，山西 太原 030000）

自第一次世界大戰(zhàn)大規(guī)模使用化學(xué)武器以來(lái)，至今已過(guò)了一個(gè)多世紀(jì)。盡管《禁止化學(xué)武器公約》制約了各國(guó)對(duì)化學(xué)武器的使用，但國(guó)際生化安全形勢(shì)依舊不容樂(lè)觀，尤其在局部戰(zhàn)爭(zhēng)和恐怖活動(dòng)中，傳統(tǒng)化學(xué)毒劑的威脅依然存在［1－2］。維埃克斯（VX）是一種神經(jīng)性毒劑，具有滲透皮膚的高毒性，中毒后可在短時(shí)間內(nèi)破壞神經(jīng)系統(tǒng)的正常傳導(dǎo)功能，造成呼吸困難、嚴(yán)重痙攣、意識(shí)喪失等癥狀，幾毫克即可致人死亡［3］。2017 年2 月，朝鮮最高領(lǐng)導(dǎo)人金正恩的長(zhǎng)兄金正男在馬來(lái)西亞吉隆坡機(jī)場(chǎng)遭襲，臉部被噴射不明液體，并在不到3 h后宣告死亡。據(jù)馬來(lái)西亞警方證實(shí)，金正男正是死于VX中毒［4－5］。

氫氧化鋯（Zr（OH）4）基體表面分布有配位不飽和金屬陽(yáng)離子（Zrδ+）、氧空位、呈Br?nsted 酸性的橋連羥基（b-OH）和呈Br?nsted 堿性的末端羥基（t-OH）等多種活性中心，是一種兼具氧化還原性和酸堿性的金屬氫氧化物［6－7］。美國(guó)學(xué)者研究了Zr（OH）4對(duì)VX 的消毒性能，發(fā)現(xiàn)其主要通過(guò)堿性t-OH 和酸性b-OH 催化水解VX，采用核磁共振（NMR）監(jiān)測(cè)到半衰期為1 min［8］，但該方法對(duì)樣品和操作環(huán)境要求較高，分析成本高，且定量分析條件苛刻。

在研究Zr（OH）4對(duì)VX的消毒性能過(guò)程中，為確保殘留毒劑不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害，準(zhǔn)確、快速地測(cè)定殘留毒劑濃度是必須解決的問(wèn)題。本文用VX的消毒率評(píng)價(jià)Zr（OH）4消毒性能，消毒率可由殘留毒劑濃度計(jì)算得到，而氣相色譜/火焰光度檢測(cè)法（GC/FPD）對(duì)有機(jī)磷類(lèi)物質(zhì)的檢測(cè)靈敏度高、選擇性好、分析速度快、成本低［9－10］，所以采用該方法分析VX 的消毒率。用GC/FPD 分析殘留的毒劑之前，需對(duì)消毒樣品預(yù)處理。可采用操作簡(jiǎn)單便捷的直接萃取法減小對(duì)體系的干擾，萃取劑常用二氯甲烷［11－13］、正己烷［14］、甲醇［15－16］、乙腈［17］等有機(jī)溶劑。但當(dāng)消毒劑在溶劑中的溶解度較大時(shí)，應(yīng)采取還原反應(yīng)或酸堿中和［18－20］以最大程度地降低或完全去除消毒劑對(duì)毒劑的反應(yīng)活性，以便準(zhǔn)確檢出指定消毒時(shí)間下體系中的毒劑殘留［21］。本文研究發(fā)現(xiàn)，消毒過(guò)程中未反應(yīng)的VX會(huì)與Zr（OH）4粉末產(chǎn)生吸附作用，僅用有機(jī)溶劑不足以使VX 解吸附到液相，因此無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定殘存毒劑濃度。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，使用終止劑將未反應(yīng)的VX從Zr（OH）4的吸附位點(diǎn)上脫離下來(lái)終止消毒反應(yīng)，然后用有機(jī)溶劑萃取可得到較高的回收率。本文采用水相終止、溶劑萃取的預(yù)處理方法，并結(jié)合氣相色譜分析Zr（OH）4對(duì)VX 的消毒率，操作簡(jiǎn)單、定量分析準(zhǔn)確、可重復(fù)性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

AUTOSORB－1C 型自動(dòng)吸附儀（美國(guó)Quantachrome 公司）；KQ－500DE 型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；Agilent 6890N 氣相色譜儀（配火焰光度檢測(cè)器FPD，美國(guó)安捷倫公司）；TGL－16G 型飛鴿牌離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）；HI2221 型臺(tái)式酸度離子測(cè)量?jī)x（意大利HANNA公司）。

鹽酸、四硼酸鈉（硼砂）、氨水（25%）、氫氧化鈉、無(wú)水硫酸鈉（分析純，北京試劑廠）；磷酸三丁酯（98%，上海阿法埃莎化學(xué)有限公司）；二氯甲烷、正己烷均為色譜純（i國(guó)譜銳達(dá)公司）；氫氧化鋯（分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；VX（純度＞98%，VX 劇毒且危險(xiǎn)，須由專(zhuān)業(yè)人員謹(jǐn)慎操作，陸軍防化學(xué)院履約技術(shù)中心提供）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 Zr（OH）4粉末的孔結(jié)構(gòu)表征 采用自動(dòng)吸附儀測(cè)定粉末的氮?dú)猓?7 K）吸附－脫附等溫線，吸附測(cè)試前，樣品于60 ℃真空下脫氣4 h。利用密度泛函理論（DFT）、Dubinin 微孔分析法和BET 比表面積法對(duì)吸附等溫線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到微孔容積、總孔容積、BET 比表面積和平均孔徑大小（Mea）等結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制 準(zhǔn)確稱取磷酸三丁酯40 mg，置于10 mL 容量瓶中，用CH2Cl2定容，作為內(nèi)標(biāo)液。移取10 μL（準(zhǔn)確稱量為0.009 7 g）VX 置于25 mL 容量瓶中，用CH2Cl2定容配成質(zhì)量濃度為388 μg/mL 的VX 標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別吸取標(biāo)準(zhǔn)溶液25、100、250、500、1 000 μL，用CH2Cl2稀釋至1.0 mL，得質(zhì)量濃度分別為9.7、38.8、97.0、194.0、388.0 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)系列工作液。加入30 μL內(nèi)標(biāo)液，搖勻，供GC分析。

1.2.3 VX消毒率的測(cè)定方法 取20 μL VX在自制磨口容器底部均勻布毒，加入1.0 g Zr（OH）4粉末搖勻，使其鋪展在VX液滴上，立即加入10 mL 0.05 mol/L硼砂水溶液終止，再加入50 mL CH2Cl2萃取，振蕩20 s，靜置10 min。取有機(jī)相加入無(wú)水Na2SO4離心干燥，取上層清液1 mL于EP管內(nèi)，加入30 μL內(nèi)標(biāo)液混勻，用GC/FPD分析VX的消毒率。采用內(nèi)標(biāo)法，以保留時(shí)間定性，根據(jù)峰面積定量。消毒率的計(jì)算公式：D=（1－ct/c0）×100%，式中D為VX 的消毒率（%），Ct為VX 的殘存濃度（mg/L），C0為VX 的初始濃度（mg/L）。

1.2.4 GC 條件 HP－5毛細(xì)管柱（30 m×32 mm×0.25 μm）；不分流進(jìn)樣；進(jìn)樣量：1 μL；進(jìn)樣口溫度：250 ℃；FPD 檢測(cè)溫度：250 ℃；燃?xì)猓篐2，90 mL/min；助燃?xì)猓嚎諝猓?0 mL/min；尾吹氣：N2，60 mL/min。柱溫：起始溫度60 ℃，保持1 min，以15 ℃/min 升至280 ℃，保持1 min；溶劑延遲時(shí)間3.5 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取劑的影響

為了防止Zr（OH）4溶解在溶劑中繼續(xù)與VX 發(fā)生反應(yīng)，所以選用對(duì)其溶解度極低的正己烷和CH2Cl2作為溶劑進(jìn)行萃取。為避免其他物質(zhì)產(chǎn)生干擾，采用溶劑分離法直接從消毒樣品中提取毒劑。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，50 mL正己烷萃取的VX 回收率僅0.4%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為66.1%，而50 mL CH2Cl2萃取的VX回收率為14.5%，RSD 為7.6%，因此盡量選擇毒劑分配比大的萃取劑，所以采用50 mL CH2Cl2萃取VX。

2.2 萃取方式的選擇

超聲波輻射壓強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的空化效應(yīng)、擾動(dòng)效應(yīng)、機(jī)械振動(dòng)、高加速度以及擴(kuò)散、擊碎和攪拌作用等多種效應(yīng)，使得分子運(yùn)動(dòng)頻率和速度、溶劑穿透力得以增加，可提高毒劑的回收率［22］。但對(duì)于反應(yīng)較快的消毒體系，由于液固萃取分配比和界面效應(yīng)，超聲產(chǎn)生的能量可能促進(jìn)消毒作用繼續(xù)發(fā)生。因此，為使VX被充分提取，同時(shí)萃取方式不影響回收率，以CH2Cl2為萃取劑，分別考察了振蕩萃取和超聲萃取對(duì)萃取效率的影響。結(jié)果顯示：振蕩20 s 的回收率為14.2%，遠(yuǎn)大于超聲5 min 的0.9%和超聲15 min的0.1%。這是因?yàn)槌曒腿?dǎo)致儀器內(nèi)水溫上升，雖然有利于傳質(zhì)過(guò)程，但可能造成毒劑的降解和萃取劑的揮發(fā)，且超聲產(chǎn)生的能量會(huì)促進(jìn)消毒劑和毒劑繼續(xù)反應(yīng)，反而降低了VX 的回收率。因此，采用振蕩20 s的方式萃取。

2.3 終止劑的選擇

改變萃取劑和萃取方式僅得到14.2%的回收率，其原因可能是Zr（OH）4存在孔結(jié)構(gòu)，而VX 的摩爾體積高達(dá)342.5 cm3，較易被吸附。消毒劑與毒劑結(jié)合牢固，在萃取過(guò)程中兩者難以完全分離，所以回收率低。對(duì)Zr（OH）4粉末進(jìn)行了孔結(jié)構(gòu)表征，由表1 可知，Zr（OH）4粉末的比表面積高達(dá)582.7 m2/g，較高的比表面積可以暴露更多的吸附位點(diǎn)，有利于毒劑分子與活性位點(diǎn)的結(jié)合。由Dubinin 公式［23］計(jì)算得到微孔容積為0.18 cm3/g，會(huì)發(fā)生微孔充填。如圖1 所示，77 K溫度下Zr（OH）4粉末對(duì)N2的吸附等溫線屬于Ⅱ型等溫線，在相對(duì)壓力P/PS=0.2～1.0時(shí)，脫附曲線出現(xiàn)較小滯后環(huán)，說(shuō)明存在一定含量的中孔結(jié)構(gòu)且發(fā)生了毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。中孔的存在使得Zr（OH）4的吸附能力增強(qiáng)，吸附容量增大。由于Zr（OH）4對(duì)VX 具有吸附作用，需外力干擾才能將未反應(yīng)的VX 從吸附位點(diǎn)上脫離。而Zr（OH）4具有氧空位、堿性t-OH和酸性b-OH等多種活性中心，所以分別選擇具有氫鍵作用或酸堿中和作用破壞吸附位點(diǎn)的終止劑進(jìn)行終止。

圖1 N2在氫氧化鋯粉末上的吸/脫附等溫線Fig.1 Adsorption/desorption isotherm of N2 on zirconium hydroxide powder

表1 氫氧化鋯粉末的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of zirconium hydroxide powder

以水為終止劑時(shí)，水的—OH 與Zr（OH）4橋連氧原子上的—H（L 酸）會(huì)形成氫鍵，同時(shí)水的—H 與氧空位（B 酸）也會(huì)形成氫鍵，破壞了Zr（OH）4對(duì)VX 的化學(xué)吸附（反應(yīng)機(jī)理如圖2 中步驟（2）所示），再加入CH2Cl2萃取，VX在水相和有機(jī)相重新分配，回收率增至74.4%。

圖2 終止劑對(duì)消毒反應(yīng)的終止過(guò)程Fig.2 Process of terminating the degradation reaction of terminators

酸具有離子化作用，VX分子含有呈堿性的叔胺基團(tuán)，兩者反應(yīng)成鹽，會(huì)增加其在水中的溶解度，而通過(guò)萃取進(jìn)入到有機(jī)相中的VX量可能很少。實(shí)驗(yàn)證明，酸對(duì)消毒體系的終止作用微弱，用0.06 mol/L HCl作終止劑的回收率為25.6%，相比未使用終止劑的回收率僅提高了11.4%。為進(jìn)一步驗(yàn)證VX 在酸性條件下成鹽導(dǎo)致回收率不高的推論，在該體系中加入10 mL 0.04 mol/L NaOH溶液，NaOH與HCl反應(yīng)破壞了VX成鹽，回收率增至81.1%，比單獨(dú)使用0.04 mol/L NaOH終止的回收率高8.4%，可能是因?yàn)榍罢咄瑫r(shí)破壞了VX與Zr（OH）4的酸、堿羥基的結(jié)合，所以回收率更高。

Zr（OH）4的等電點(diǎn)（pI）為6.5，VX 的解離常數(shù)（pKa）為8.6，當(dāng)堿性終止劑的pH 值超過(guò)VX 的pKa值時(shí)，就會(huì)與VX 產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)作用，使VX 脫離吸附位點(diǎn)。但強(qiáng)堿會(huì)與VX 發(fā)生消毒反應(yīng)，0.04 mol/L NaOH 溶液在20 min即可消解5.1%的VX，而1 mol/L NaOH 的消毒率高達(dá)85.5%，因此，強(qiáng)堿類(lèi)物質(zhì)不宜作為終止劑。

選用pH值超過(guò)8.6的氨水和硼砂為終止劑，測(cè)定pH值為9.4～13.6（濃度為5.0×10－4～13.38 mol/L）氨水的終止效果。結(jié)果顯示：pH 值為9.4 時(shí)氨水終止的回收率僅63.5%（RSD 為7.9%），pH 值增至11.2 時(shí)，VX 的回收率顯著升高，達(dá)到89.8%，此時(shí)RSD 為4.2%，隨著氨水的pH 值繼續(xù)增大，回收率幾乎不變。堿性終止劑是通過(guò)酸堿中和反應(yīng)將未反應(yīng)的VX 從氫氧化鋯的吸附位點(diǎn)上脫離，所以O(shè)H－用量（即pH 值）至關(guān)重要，同時(shí)測(cè)定了終止劑在終止并萃取后所在水相的pH 值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與終止前相比，終止并萃取后水相的pH 值均有所下降，終止前pH 值越大，終止后pH 值下降越小，且氨水的pH 值從9.4 增至13.6，相應(yīng)的pH 下降值從2.8 減至0.6，說(shuō)明Zr（OH）4的酸性橋連羥基的確與其發(fā)生了酸堿中和反應(yīng)，且VX 從Zr（OH）4的吸附位點(diǎn)上脫附所需OH－用量固定，pH 值增至一定程度后，多余OH－對(duì)體系幾乎無(wú)影響，所以回收率保持不變。考慮氨水易揮發(fā)，因此考察了性質(zhì)更穩(wěn)定的硼砂緩沖溶液［24］的終止效果，采用飽和硼砂（0.05 mol/L）溶液時(shí)回收率達(dá)89.0%，與使用氨水的最佳回收率相當(dāng)。而硼砂溶液的pH 值更穩(wěn)定，RSD 不超過(guò)1.2%，所以最終選用0.05 mol/L 硼砂為終止劑。

2.4 靜置時(shí)間的影響

考慮到外力會(huì)加速消毒反應(yīng)的進(jìn)行，只能輕輕振蕩20 s 萃取，然后靜置，依靠分子運(yùn)動(dòng)達(dá)到良好的萃取效果。結(jié)果顯示：靜置時(shí)間為3～10 min時(shí)，回收率從84.5%增至87.4%，且10 min時(shí)RSD 僅為0.01%。當(dāng)靜置時(shí)間超過(guò)10 min 后，回收率基本不變。靜置時(shí)間太短沒(méi)有達(dá)到平衡，會(huì)導(dǎo)致萃取不完全；時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不夠快捷，所以選擇靜置10 min。

最終確定的分析方法為：采用10 mL 0.05 mol/L 硼砂水溶液終止反應(yīng)，50 mL CH2Cl2萃取，振蕩20 s，靜置10 min取樣，再進(jìn)行GC/FPD分析。

綜上，在優(yōu)化條件下，VX的回收率為87.8%～90.3%，RSD不高于1.2%。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限與定量下限

本方法以磷酸三丁酯為內(nèi)標(biāo)物（IS）內(nèi)標(biāo)法定量，以減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程及儀器不穩(wěn)定對(duì)樣品測(cè)定的干擾。圖3 為磷酸三丁酯和VX 的氣相色譜圖，保留時(shí)間分別是11.603 min和12.080 min。

圖3 磷酸三丁酯和VX的氣相色譜圖Fig.3 Gas chromatogram of tributyl phosphate and VX

以VX 的質(zhì)量濃度（x）為橫坐標(biāo)，以VX 與內(nèi)標(biāo)的色譜峰面積比值（Ai/As，y）為縱坐標(biāo)，進(jìn)行線性回歸分析，在9.7 ～388.0 μg/mL 范圍內(nèi)得標(biāo)準(zhǔn)曲線y= 0.010 8x+0.106 9，相關(guān)系數(shù)（r2）為0.996 9。以3倍和10倍信噪比計(jì)算得到檢出限（LOD）和定量下限（LOQ）［25］分別為0.05、0.15 μg/mL。

2.6 不同反應(yīng)時(shí)間的消毒樣品分析

在溫度為（25 ± 1）℃，濕度為（12 ± 2）%條件下，Zr（OH）4粉末對(duì)VX 的消毒率隨反應(yīng)時(shí)間的變化關(guān)系如圖4所示。由圖可見(jiàn)：消毒率隨反應(yīng)時(shí)間的增加而增加，擬合得公式D= 10.231lnt+ 39.269，其中D為VX 消毒率（%），t為消毒反應(yīng)時(shí)間（min）。VX 的降解呈先快后慢的趨勢(shì)，初始反應(yīng)速率很快，5 min 后消毒率即可達(dá)64.0%。60 min 后反應(yīng)速率減慢，這是因?yàn)榉磻?yīng)底物濃度的降低所致，9.6 h 消毒率已達(dá)99%以上。5～60 min時(shí)間段內(nèi)其催化水解過(guò)程符合擬一級(jí)反應(yīng)趨勢(shì)，根據(jù)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程：ln（Ct/C0）=kt+b，式中k為反應(yīng)速率常數(shù)（min－1），b是常數(shù)，擬合得k為0.019 2 min－1，r2為0.986 7。由此可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)建立的檢測(cè)方法有效測(cè)定了Zr（OH）4粉末對(duì)VX消毒的殘留毒劑濃度，提高了定量分析的準(zhǔn)確性。

圖4 VX的消毒率隨反應(yīng)時(shí)間的變化關(guān)系Fig.4 Degradation rate of VX varing with reaction time

3 結(jié) 論

本文建立了氫氧化鋯粉末對(duì)VX消毒率的測(cè)定方法。結(jié)果顯示，采用10 mL 0.05 mol/L硼砂水溶液破壞氫氧化鋯的酸性橋連羥基與VX的化學(xué)吸附作用從而終止反應(yīng)，再用50 mL二氯甲烷萃取反應(yīng)體系可得到較高的分配比，再振蕩20 s萃取并靜置10 min，得VX的回收率為87.8%～90.3%，RSD不高于1.2%。本方法操作簡(jiǎn)單、快速、定量分析準(zhǔn)確，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。