纳米金辅助低温等离子体常压质谱快速检测化学毒剂模拟剂

张 琳 马明英 李宝强 孔景临 张四纯* 张新荣

1(国民核生化灾害防护国家重点实验室， 北京 102205) 2(清华大学化学系， 北京 100084)

1 引 言

化学毒剂威力大、作用快、效果持久，使用后可造成巨大恐慌，在20世纪被广泛用于战争中，给人类带来了巨大的灾难和长久的危害。随着国际反恐形势的变化，世界又面临着化学毒剂非战争使用的新挑战。因此，无论是应对化学战还是恐怖袭击，化学毒剂现场快速检测已经成为重要的研究课题[1,2]。化学毒剂维埃克斯(VX)是一种典型的化学毒剂，由于其毒性大、稳定性好、作用持久，可分散成高浓度的气溶胶或液滴污染地面，阻滞人员的前进和行动，因此成为使用最广泛的毒剂[3,4]。芥子气(二(2-氯乙基乙基)硫醚，HD)是糜烂性化学毒剂的典型代表，是世界上贮量较大、化学扩散最严重的化学毒剂[5,6]。与其它毒剂相比，VX和HD的特点是毒性强、沸点高和挥发性差，现场快速检测困难。

目前，针对地面或者装备等表面沾染的化学毒剂现场检测方法主要有比色法[7,8]、离子迁移谱[9,10]和质谱法[11,12]等。基于比色法的侦检纸虽然可有效地检测HD和VX，但其易与其它有机物(如制动液和杀虫剂等)发生反应，特异性不佳，易产生误报[13]。便携式化学毒剂报警器和便携式质谱仪用于复杂基质中的V类和H类毒剂检测前， 均需对样品进行预处理，虽然灵敏度和准确性得到了提升，但检测时间较长，并易引起仪器污染等问题[14,15]。低温等离子体探针-质谱(LTP-MS)技术可快速检测气、液、固态样品，具有操作简单、快速准确、易小型化等特点，成为化学毒剂快速检测研究的研究和应用热点[16,17]。Iwai等[2]采用免气瓶的低温等离子体探针直接与质谱进样口连接，实现了野外现场分析化学毒剂环沙林、塔崩、VX和氮芥气，检出限分别为20.0、4.8、1.0和22.0 pmol。Wolf等[18]使用低温等离子体电离源与Mini10.5便携质谱联用检测G类化学毒剂的模拟剂乙基磷酸二乙酯(DEEP)和甲基磷酸二甲酯(DMMP)，并采用MS2谱图进行定量分析，检出限分别为1.0和6.3 μg/m3。但小型化质谱仪的检测性能普遍低于实验室质谱仪，特别是检测灵敏度更低[19，20]。

化学毒剂模拟剂因与化学毒剂分子结构相似，并且无毒或低毒性，因此常作为化学毒剂替代品，用于化学侦察装备性能评价实验或者化学毒剂检测方法研究，如毒剂沙林(GB)的模拟剂为DMMP[19]，VX的模拟剂马拉硫磷[21]，HD的模拟剂为2-氯乙基乙基硫醚(CEES)[22]。前期研究发现，纳米金(AuNPs)与等离子体作用可使G类毒剂模拟剂DMMP和甲基磷酸二异丙酯(DIMP)的质谱信号强度提高2个数量级[23]，基于此发展了AuNPs修饰纸芯片结合LTP-MS快速检测G类毒剂模拟剂的定量分析方法。然而由于纸基质与待测分析物之间的物理吸附和化学作用，一些与纸基质存在强相互作用的分子难以解析与离子化。

本研究采用AuNPs基底代替AuNPs纸芯片，发展了一种新型LTP-MS技术，解决了难挥发毒剂与纸芯片之间作用(吸附、氢键、范德华力等)强、离子化效率低的问题，具有快速、准确、灵敏的特点，在化学毒剂检测等领域有较好的应用价值。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

Thermo Finnigan LTQ-MS 质谱仪(美国Thermo 公司)：质谱仪离子传输管温度为275℃，最大注入时间为100 ms，毛细管电压设置为9 V，透镜电压为100 V，微扫描次数为1; E-1010离子溅射仪(日本HITACH公司); 可调交流电源(量程范围为0～6 kV，天津东文高压有限公司)。

N,N-二甲基甲酰胺(DMF，97%)、吡啶(98%)、马拉硫磷(98%)和甲醇(色谱纯)均购自Sigma-Aldrich化学试剂公司; 2-氯乙基乙基硫醚(CEES，90%)和2,4,6-三硝基甲苯(TNT，90%)，由国民核生化灾害防护国家重点实验室提供; 土壤标样(河北邯郸潮土)购自中国计量科学研究院。实验用水为Mili-Q纯水系统(美国Millipore公司)制备的超纯水(18.2 MΩ cm)。实验中的溶剂均为甲醇-水(1∶1，V/V)。氦气(99.998%)由北京华元气体公司提供。

2.2 实验平台的搭建

低温等离子体探针(LTP)由作为介质阻挡层的石英玻璃毛细管(外径1.5 mm，内径0.5 mm，长度10 cm)和两根外接铜电极构成。两根铜电极缠绕在石英玻璃毛细管外，用导电锡纸固定，两根铜电极之间的距离为3 cm。石英玻璃毛细管一端通入氦气，随后在两根铜电极上接入高压交流电，气体在高压放电条件下产生低温等离子体。

低温等离子体的发生电源采用40 W臭氧发生器，输入75 V交流电压，输出电压峰值为1 kV。实验中采用离子溅射仪对载玻片进行真空溅射镀金，制作成纳米金基底。LTP探针与纳米金基底的距离为1.5 cm。将3 μL化学毒剂模拟剂CEES溶液滴加在AuNPs基底上，然后垂直放置于低温等离子体探针下方。AuNPs基底在质谱进样口下方30°角位置，水平距离质谱进样口5 mm。低温等离子体直接打在模拟剂样品液滴上，使样品解吸附并离子化，产生质谱图。图1为AuNPs辅助LTP-MS检测示意图。

图1 纳米金辅助低温等离子体探针-质谱(LTP-MS)检测示意图Fig.1 Scheme of the experimental workflow of gold nanoparticles (AuNPs) substrate-assisted low-temperature plasma-mass spectrometry (LTP-MS) analysis

实验中使用的化学毒剂模拟剂具有一定的毒性，且化学危险品易燃易爆，因此必须由专业人员在通风条件下进行操作。

3 结果与讨论

3.1 AuNPs辅助增强LTP-MS检测化学毒剂模拟剂

图2A为添加AuNPs和无AuNPs时， 1 mg/L马拉硫磷的质谱检测结果。从图2A可见，采用LTP-MS检测马拉硫磷时，主要生成分子离子峰[M+H]+(m/z331)，可作为特征离子用于定量分析。本方法检测载玻片上的1 mg/L马拉硫磷样品时，样品分子离子峰信号强度为5.9 × 104，而采用AuNPs辅助LTP-MS检测模拟剂样品时，质谱信号强度为4.1×105，信号强度增强了7倍。如图2B所示，在LTP作用下，1 mg/L CEES主要生成m/z89 [M-Cl]+的特征离子，质谱信号强度为4.7 × 105，相比于无AuNPs时，质谱信号强度增强了9倍。前期研究发现，低温等离子体产生的射频电磁场与AuNPs耦合，产生热效应。AuNPs作为能量传递介质将热量传递给待测样品，促进样品的解吸附和离子化效率，显著提高了质谱信号强度[23]。

图2 AuNPs辅助增强LTP-MS检测(A)马拉硫磷和(B)2-氯乙基乙基硫醚(CEES)质谱图Fig.2 Mass spectra of (A) malathion and (B) 2-chloroethyl ethyl sulfide (CEES) using AuNPs substrate-assisted enhanced LTP-MS

为了满足应对多种安全威胁和执行反恐维稳等实际需求，本研究采用AuNPs辅助LTP-MS方法检测了常见化学危险品TNT、吡啶和DMF。如图3所示，对于100 μg/L吡啶，分子离子峰m/z80在纳米金基底上信号强度增加了66倍，同样条件下的DMF分子离子峰为m/z74，在纳米金基底上信号峰强度增强了52倍。将5 μL 1 mg/L TNT溶液(绝对量5 ng)滴在AuNPs基底上，待样品晾干后，采用质谱仪负电模式进行检测，其分子离子峰m/z226质谱信号强度提高了7倍。上述结果表明，本方法不仅对化学毒剂具有较高的检测灵敏度，同时也适用于化学危险品的快速检测。

图3 AuNPs辅助增强LTP-MS检测(A)吡啶、(B)N, N-二甲基甲酰胺和(C)2, 4, 6-三硝基甲苯的质谱图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 实验条件优化

3.2.1 氦气压力的影响通过改变氦气出口压力，对比不同压力条件下质谱信号强度的变化。如图4A所示，当氦气出口压力在0.02～0.12 MPa之间时，低温等离子体逐渐产生，马拉硫磷样品的质谱信号强度也逐渐增高; 当氦气出口压力为0.12 MPa时，质谱信号强度最高。但是，随着压力继续增大，气流流速逐渐增大，样品的分子离子峰质谱信号强度值反而降低。产生这一现象的原因是：尽管LTP的解吸附能力随着气流速度加快而增加，但是石英玻璃毛细管内单位体积的气体分子以及气体放电产生的电子、激发态He原子等组分浓度也逐渐降低，导致单位体积内低温等离子体的浓度降低，使得样品的分子离子峰质谱信号强度值降低[24，25]。 因此，在整个实验过程中，选取0.12 MPa的氦气出口压力作为最佳气体流速条件。

3.2.2 交流电源功率的优化交流电源功率是影响低温等离子体探针温度和浓度的重要参数之一。本研究在氦气出口压力为0.12 MPa，其它实验参数不变的条件下，考察了交流电源功率变化对马拉硫磷分子质谱信号强度的影响(图4B)。当电压在0～50 W范围内逐渐增加时，马拉硫磷分子离子峰的质谱信号强度逐渐增加，但是增幅不大。这说明交流电源功率虽然增加，但只能产生极少量的低温等离子体，难以将大部分样品解吸附和离子化，产生的分子离子峰质谱信号较弱。随着交流电源功率逐渐增加，质谱信号强度急剧增强，当交流电源功率达到75 W时，质谱信号强度达到最大，说明交流电源功率在50～75 W之间时，产生的低温等离子体中离子和亚稳态中性物质的浓度明显增加至最大。交流电压大于75 W时，LTP中的离子和亚稳态中性粒子等物质浓度保持稳定，获得的质谱信号强度趋于稳定[26]。

图4 (A) 不同气体出口压力条件下(0.02、 0.06、 0.08、 0.1、 0.12、 0.14、 0.16、 0.18和0.22 MPa)AuNPs辅助增强LTP-MS检测1 mg/L 的马拉硫磷甲醇水溶液(n=3)的结果; (B) 交流电源的功率改变(0、 15、 25、 35、 45、 55、 65、 75、 85、 95和105 W)对1 mg/L 的马拉硫磷质谱信号强度影响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厚度的影响以1 mg/L马拉硫磷为样品，测试了AuNPs的厚度对质谱信号强度的影响。AuNPs与含硫的化合物之间存在物理吸附和化学键作用[28]，AuNPs厚度在5～10 nm之间逐渐增加时，马拉硫磷的质谱信号强度也逐渐增强。AuNPs厚度>10 nm，AuNPs与化合物作用饱和，质谱信号强度变化不明显(图5) 。

图5 采用不同厚度AuNPs基底检测1 mg/L马拉硫磷样品的质谱图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

采用土壤标样分别配制1.0～1000.0 μg/g系列浓度的马拉硫磷和CEES土壤样品。取1 mg土壤样品均匀置于AuNPs基底上，分别以其特征离子m/z331(马拉硫磷)和m/z89(CEES)的质谱信号强度作为纵坐标，土壤样品的浓度为横坐标，绘制标准曲线。如表1所示，马拉硫磷和CEES在5～1000 μg/g之间有良好的线性关系，相关系数分别为0.9784和0.9915。重复进样3次的RSD值在9.4%～12.5%之间，检出限(S/N= 3)分别为1.5和1.0 μg/g。Hook等[28]采用固相微萃取结合GC-MS方法检测土壤中的VX，检出限为1.0 μg/g， 虽然满足美国对地面沾染的化学毒剂最高检出限为0.5 g/m2的要求[29]，但是检测时间需要1 h。本研究采用AuNPs辅助LTP-MS方法，样品无需预处理，检测时间缩短至1 min内，相对于传统的GC-MS方法具有时间短、成本低、操作简单的优势，满足化学毒剂现场快速检测需求。本方法同时也满足加拿大最新通报的马拉硫磷拟定最大残留限量(PMRL)的规定[30]，因此也适用于土壤和农产品等农药残留的检测。

3.4 实际样品的加标回收率

采用土壤基质进行加标回收实验，加标水平为10.1 μg/g，重复10次实验，将样品的分子离子峰质谱信号强度与标准曲线进行匹配计算。实验结果如表2所示，马拉硫磷的回收率为86.4%，相对标准偏差范围为7.1%～7.4%; CEES的平均回收率为89.7%， 相对标准偏差范围为7.7%～ 7.8%，表明本方法具有较好的准确性和重复性。

表1 AuNPs辅助增强LTP-MS对马拉硫磷和2-氯乙基乙基硫醚定量检测结果

表2 AuNPs辅助LTP-MS方法对马拉硫磷和DEES进行定量检测的结果

4 结 论

针对化学毒剂VX和HD沸点高、挥发性差的性质开发了AuNPs基底辅助进样模块，采用LTP-MS开展了化学毒剂模拟剂马拉硫磷和CEES快速检测方法研究。实验结果表明，本方法将两种毒剂模拟剂的质谱信号强度分别提高了7倍和9倍。通过优化实验条件，建立了两种毒剂模拟剂的定量分析曲线，并对土壤中的毒剂模拟剂进行了检测。本方法操作简单，快速准确，可与便携式常压离子源质谱结合，用于地面沾染的难挥发化学毒剂现场检测。