水相终止－溶剂萃取/气相色谱法分析氢氧化锆对VX的消毒率

黄星绮，赵 婷，严春晓*，金彦任，张鸿鹏，胡晓春，武 越

（1.中国人民解放军陆军防化学院，北京 102205；2.山西新华防化装备研究院有限公司，山西 太原 030000）

自第一次世界大战大规模使用化学武器以来，至今已过了一个多世纪。尽管《禁止化学武器公约》制约了各国对化学武器的使用，但国际生化安全形势依旧不容乐观，尤其在局部战争和恐怖活动中，传统化学毒剂的威胁依然存在［1－2］。维埃克斯（VX）是一种神经性毒剂，具有渗透皮肤的高毒性，中毒后可在短时间内破坏神经系统的正常传导功能，造成呼吸困难、严重痉挛、意识丧失等症状，几毫克即可致人死亡［3］。2017 年2 月，朝鲜最高领导人金正恩的长兄金正男在马来西亚吉隆坡机场遭袭，脸部被喷射不明液体，并在不到3 h后宣告死亡。据马来西亚警方证实，金正男正是死于VX中毒［4－5］。

氢氧化锆（Zr（OH）4）基体表面分布有配位不饱和金属阳离子（Zrδ+）、氧空位、呈Brønsted 酸性的桥连羟基（b-OH）和呈Brønsted 碱性的末端羟基（t-OH）等多种活性中心，是一种兼具氧化还原性和酸碱性的金属氢氧化物［6－7］。美国学者研究了Zr（OH）4对VX 的消毒性能，发现其主要通过碱性t-OH 和酸性b-OH 催化水解VX，采用核磁共振（NMR）监测到半衰期为1 min［8］，但该方法对样品和操作环境要求较高，分析成本高，且定量分析条件苛刻。

在研究Zr（OH）4对VX的消毒性能过程中，为确保残留毒剂不会对人体产生伤害，准确、快速地测定残留毒剂浓度是必须解决的问题。本文用VX的消毒率评价Zr（OH）4消毒性能，消毒率可由残留毒剂浓度计算得到，而气相色谱/火焰光度检测法（GC/FPD）对有机磷类物质的检测灵敏度高、选择性好、分析速度快、成本低［9－10］，所以采用该方法分析VX 的消毒率。用GC/FPD 分析残留的毒剂之前，需对消毒样品预处理。可采用操作简单便捷的直接萃取法减小对体系的干扰，萃取剂常用二氯甲烷［11－13］、正己烷［14］、甲醇［15－16］、乙腈［17］等有机溶剂。但当消毒剂在溶剂中的溶解度较大时，应采取还原反应或酸碱中和［18－20］以最大程度地降低或完全去除消毒剂对毒剂的反应活性，以便准确检出指定消毒时间下体系中的毒剂残留［21］。本文研究发现，消毒过程中未反应的VX会与Zr（OH）4粉末产生吸附作用，仅用有机溶剂不足以使VX 解吸附到液相，因此无法准确测定残存毒剂浓度。研究进一步发现，使用终止剂将未反应的VX从Zr（OH）4的吸附位点上脱离下来终止消毒反应，然后用有机溶剂萃取可得到较高的回收率。本文采用水相终止、溶剂萃取的预处理方法，并结合气相色谱分析Zr（OH）4对VX 的消毒率，操作简单、定量分析准确、可重复性强，具有较强的实用价值。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

AUTOSORB－1C 型自动吸附仪（美国Quantachrome 公司）；KQ－500DE 型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；Agilent 6890N 气相色谱仪（配火焰光度检测器FPD，美国安捷伦公司）；TGL－16G 型飞鸽牌离心机（上海安亭科学仪器厂）；HI2221 型台式酸度离子测量仪（意大利HANNA公司）。

盐酸、四硼酸钠（硼砂）、氨水（25%）、氢氧化钠、无水硫酸钠（分析纯，北京试剂厂）；磷酸三丁酯（98%，上海阿法埃莎化学有限公司）；二氯甲烷、正己烷均为色谱纯（i国谱锐达公司）；氢氧化锆（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）；VX（纯度＞98%，VX 剧毒且危险，须由专业人员谨慎操作，陆军防化学院履约技术中心提供）。

1.2 实验方法

1.2.1 Zr（OH）4粉末的孔结构表征 采用自动吸附仪测定粉末的氮气（77 K）吸附－脱附等温线，吸附测试前，样品于60 ℃真空下脱气4 h。利用密度泛函理论（DFT）、Dubinin 微孔分析法和BET 比表面积法对吸附等温线数据进行处理，得到微孔容积、总孔容积、BET 比表面积和平均孔径大小（Mea）等结构参数。

1.2.2 标准溶液配制 准确称取磷酸三丁酯40 mg，置于10 mL 容量瓶中，用CH2Cl2定容，作为内标液。移取10 μL（准确称量为0.009 7 g）VX 置于25 mL 容量瓶中，用CH2Cl2定容配成质量浓度为388 μg/mL 的VX 标准溶液。分别吸取标准溶液25、100、250、500、1 000 μL，用CH2Cl2稀释至1.0 mL，得质量浓度分别为9.7、38.8、97.0、194.0、388.0 μg/mL的标准系列工作液。加入30 μL内标液，摇匀，供GC分析。

1.2.3 VX消毒率的测定方法 取20 μL VX在自制磨口容器底部均匀布毒，加入1.0 g Zr（OH）4粉末摇匀，使其铺展在VX液滴上，立即加入10 mL 0.05 mol/L硼砂水溶液终止，再加入50 mL CH2Cl2萃取，振荡20 s，静置10 min。取有机相加入无水Na2SO4离心干燥，取上层清液1 mL于EP管内，加入30 μL内标液混匀，用GC/FPD分析VX的消毒率。采用内标法，以保留时间定性，根据峰面积定量。消毒率的计算公式：D=（1－ct/c0）×100%，式中D为VX 的消毒率（%），Ct为VX 的残存浓度（mg/L），C0为VX 的初始浓度（mg/L）。

1.2.4 GC 条件 HP－5毛细管柱（30 m×32 mm×0.25 μm）；不分流进样；进样量：1 μL；进样口温度：250 ℃；FPD 检测温度：250 ℃；燃气：H2，90 mL/min；助燃气：空气，90 mL/min；尾吹气：N2，60 mL/min。柱温：起始温度60 ℃，保持1 min，以15 ℃/min 升至280 ℃，保持1 min；溶剂延迟时间3.5 min。

2 结果与讨论

2.1 萃取剂的影响

为了防止Zr（OH）4溶解在溶剂中继续与VX 发生反应，所以选用对其溶解度极低的正己烷和CH2Cl2作为溶剂进行萃取。为避免其他物质产生干扰，采用溶剂分离法直接从消毒样品中提取毒剂。结果发现，50 mL正己烷萃取的VX 回收率仅0.4%，相对标准偏差（RSD）为66.1%，而50 mL CH2Cl2萃取的VX回收率为14.5%，RSD 为7.6%，因此尽量选择毒剂分配比大的萃取剂，所以采用50 mL CH2Cl2萃取VX。

2.2 萃取方式的选择

超声波辐射压强会产生强烈的空化效应、扰动效应、机械振动、高加速度以及扩散、击碎和搅拌作用等多种效应，使得分子运动频率和速度、溶剂穿透力得以增加，可提高毒剂的回收率［22］。但对于反应较快的消毒体系，由于液固萃取分配比和界面效应，超声产生的能量可能促进消毒作用继续发生。因此，为使VX被充分提取，同时萃取方式不影响回收率，以CH2Cl2为萃取剂，分别考察了振荡萃取和超声萃取对萃取效率的影响。结果显示：振荡20 s 的回收率为14.2%，远大于超声5 min 的0.9%和超声15 min的0.1%。这是因为超声萃取导致仪器内水温上升，虽然有利于传质过程，但可能造成毒剂的降解和萃取剂的挥发，且超声产生的能量会促进消毒剂和毒剂继续反应，反而降低了VX 的回收率。因此，采用振荡20 s的方式萃取。

2.3 终止剂的选择

改变萃取剂和萃取方式仅得到14.2%的回收率，其原因可能是Zr（OH）4存在孔结构，而VX 的摩尔体积高达342.5 cm3，较易被吸附。消毒剂与毒剂结合牢固，在萃取过程中两者难以完全分离，所以回收率低。对Zr（OH）4粉末进行了孔结构表征，由表1 可知，Zr（OH）4粉末的比表面积高达582.7 m2/g，较高的比表面积可以暴露更多的吸附位点，有利于毒剂分子与活性位点的结合。由Dubinin 公式［23］计算得到微孔容积为0.18 cm3/g，会发生微孔充填。如图1 所示，77 K温度下Zr（OH）4粉末对N2的吸附等温线属于Ⅱ型等温线，在相对压力P/PS=0.2～1.0时，脱附曲线出现较小滞后环，说明存在一定含量的中孔结构且发生了毛细凝聚现象。中孔的存在使得Zr（OH）4的吸附能力增强，吸附容量增大。由于Zr（OH）4对VX 具有吸附作用，需外力干扰才能将未反应的VX 从吸附位点上脱离。而Zr（OH）4具有氧空位、碱性t-OH和酸性b-OH等多种活性中心，所以分别选择具有氢键作用或酸碱中和作用破坏吸附位点的终止剂进行终止。

图1 N2在氢氧化锆粉末上的吸/脱附等温线Fig.1 Adsorption/desorption isotherm of N2 on zirconium hydroxide powder

表1 氢氧化锆粉末的结构参数Table 1 Structural parameters of zirconium hydroxide powder

以水为终止剂时，水的—OH 与Zr（OH）4桥连氧原子上的—H（L 酸）会形成氢键，同时水的—H 与氧空位（B 酸）也会形成氢键，破坏了Zr（OH）4对VX 的化学吸附（反应机理如图2 中步骤（2）所示），再加入CH2Cl2萃取，VX在水相和有机相重新分配，回收率增至74.4%。

图2 终止剂对消毒反应的终止过程Fig.2 Process of terminating the degradation reaction of terminators

酸具有离子化作用，VX分子含有呈碱性的叔胺基团，两者反应成盐，会增加其在水中的溶解度，而通过萃取进入到有机相中的VX量可能很少。实验证明，酸对消毒体系的终止作用微弱，用0.06 mol/L HCl作终止剂的回收率为25.6%，相比未使用终止剂的回收率仅提高了11.4%。为进一步验证VX 在酸性条件下成盐导致回收率不高的推论，在该体系中加入10 mL 0.04 mol/L NaOH溶液，NaOH与HCl反应破坏了VX成盐，回收率增至81.1%，比单独使用0.04 mol/L NaOH终止的回收率高8.4%，可能是因为前者同时破坏了VX与Zr（OH）4的酸、碱羟基的结合，所以回收率更高。

Zr（OH）4的等电点（pI）为6.5，VX 的解离常数（pKa）为8.6，当碱性终止剂的pH 值超过VX 的pKa值时，就会与VX 产生竞争作用，使VX 脱离吸附位点。但强碱会与VX 发生消毒反应，0.04 mol/L NaOH 溶液在20 min即可消解5.1%的VX，而1 mol/L NaOH 的消毒率高达85.5%，因此，强碱类物质不宜作为终止剂。

选用pH值超过8.6的氨水和硼砂为终止剂，测定pH值为9.4～13.6（浓度为5.0×10－4～13.38 mol/L）氨水的终止效果。结果显示：pH 值为9.4 时氨水终止的回收率仅63.5%（RSD 为7.9%），pH 值增至11.2 时，VX 的回收率显著升高，达到89.8%，此时RSD 为4.2%，随着氨水的pH 值继续增大，回收率几乎不变。碱性终止剂是通过酸碱中和反应将未反应的VX 从氢氧化锆的吸附位点上脱离，所以OH－用量（即pH 值）至关重要，同时测定了终止剂在终止并萃取后所在水相的pH 值。结果发现与终止前相比，终止并萃取后水相的pH 值均有所下降，终止前pH 值越大，终止后pH 值下降越小，且氨水的pH 值从9.4 增至13.6，相应的pH 下降值从2.8 减至0.6，说明Zr（OH）4的酸性桥连羟基的确与其发生了酸碱中和反应，且VX 从Zr（OH）4的吸附位点上脱附所需OH－用量固定，pH 值增至一定程度后，多余OH－对体系几乎无影响，所以回收率保持不变。考虑氨水易挥发，因此考察了性质更稳定的硼砂缓冲溶液［24］的终止效果，采用饱和硼砂（0.05 mol/L）溶液时回收率达89.0%，与使用氨水的最佳回收率相当。而硼砂溶液的pH 值更稳定，RSD 不超过1.2%，所以最终选用0.05 mol/L 硼砂为终止剂。

2.4 静置时间的影响

考虑到外力会加速消毒反应的进行，只能轻轻振荡20 s 萃取，然后静置，依靠分子运动达到良好的萃取效果。结果显示：静置时间为3～10 min时，回收率从84.5%增至87.4%，且10 min时RSD 仅为0.01%。当静置时间超过10 min 后，回收率基本不变。静置时间太短没有达到平衡，会导致萃取不完全；时间过长，不够快捷，所以选择静置10 min。

最终确定的分析方法为：采用10 mL 0.05 mol/L 硼砂水溶液终止反应，50 mL CH2Cl2萃取，振荡20 s，静置10 min取样，再进行GC/FPD分析。

综上，在优化条件下，VX的回收率为87.8%～90.3%，RSD不高于1.2%。

2.5 标准曲线、检出限与定量下限

本方法以磷酸三丁酯为内标物（IS）内标法定量，以减少实验过程及仪器不稳定对样品测定的干扰。图3 为磷酸三丁酯和VX 的气相色谱图，保留时间分别是11.603 min和12.080 min。

图3 磷酸三丁酯和VX的气相色谱图Fig.3 Gas chromatogram of tributyl phosphate and VX

以VX 的质量浓度（x）为横坐标，以VX 与内标的色谱峰面积比值（Ai/As，y）为纵坐标，进行线性回归分析，在9.7 ～388.0 μg/mL 范围内得标准曲线y= 0.010 8x+0.106 9，相关系数（r2）为0.996 9。以3倍和10倍信噪比计算得到检出限（LOD）和定量下限（LOQ）［25］分别为0.05、0.15 μg/mL。

2.6 不同反应时间的消毒样品分析

在温度为（25 ± 1）℃，湿度为（12 ± 2）%条件下，Zr（OH）4粉末对VX 的消毒率随反应时间的变化关系如图4所示。由图可见：消毒率随反应时间的增加而增加，拟合得公式D= 10.231lnt+ 39.269，其中D为VX 消毒率（%），t为消毒反应时间（min）。VX 的降解呈先快后慢的趋势，初始反应速率很快，5 min 后消毒率即可达64.0%。60 min 后反应速率减慢，这是因为反应底物浓度的降低所致，9.6 h 消毒率已达99%以上。5～60 min时间段内其催化水解过程符合拟一级反应趋势，根据一级反应动力学方程：ln（Ct/C0）=kt+b，式中k为反应速率常数（min－1），b是常数，拟合得k为0.019 2 min－1，r2为0.986 7。由此可见，实验建立的检测方法有效测定了Zr（OH）4粉末对VX消毒的残留毒剂浓度，提高了定量分析的准确性。

图4 VX的消毒率随反应时间的变化关系Fig.4 Degradation rate of VX varing with reaction time

3 结 论

本文建立了氢氧化锆粉末对VX消毒率的测定方法。结果显示，采用10 mL 0.05 mol/L硼砂水溶液破坏氢氧化锆的酸性桥连羟基与VX的化学吸附作用从而终止反应，再用50 mL二氯甲烷萃取反应体系可得到较高的分配比，再振荡20 s萃取并静置10 min，得VX的回收率为87.8%～90.3%，RSD不高于1.2%。本方法操作简单、快速、定量分析准确，具有较好的应用价值。