包括美國能源部(DOE)布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室研究人員在內(nèi)的一組科學(xué)家研究了一種分解神經(jīng)毒劑，消除其有害和致命影響的催化劑。該研究于4月19日星期五在Journal of Physical Chemistry Letters上發(fā)表。

“我們的工作是保護(hù)士兵和平民不受化學(xué)戰(zhàn)劑(CWAs)影響的持續(xù)多部門努力的一部分，”在布魯克海文實(shí)驗(yàn)室和石溪大學(xué)聯(lián)合任命的物理學(xué)家阿納托利·弗倫克爾說道，他是該報(bào)的第一作者。“這項(xiàng)研究要求我們在很小的范圍內(nèi)理解分子相互作用，并開發(fā)能夠觀察這些相互作用的特殊表征方法。這是一組非常復(fù)雜的問題，也會產(chǎn)生非常直接的社會影響?！?/p>

尋找最佳的去污方法

自第一次世界大戰(zhàn)首次使用CWA以來，科學(xué)家們一直在測試多種減輕其毒性作用的方法。最常見的方法之一是過濾 – 使用吸收性材料，如海綿，可以防止化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散。

“過濾方法的有用性是有限的，因?yàn)橐坏┻^濾器達(dá)到其容量，就需要進(jìn)行再生，去除或更換，”Frenkel說?！拔覀冋J(rèn)為更好的方法是用催化劑分解CWA，使化學(xué)品無害，同時重新使用催化劑。”

為了更深入地研究這種方法，研究團(tuán)隊(duì)專注于沙林的去污，沙林是一種阻止肌肉收縮和放松的神經(jīng)毒劑。沙林抑制體內(nèi)一種重要的酶，它在向肌肉傳遞神經(jīng)元信號中起著關(guān)鍵作用。如果這些信號受到損害，肌肉就會保持收縮狀態(tài)，因?yàn)殛P(guān)鍵肌肉(如心臟)無法移動，因此會變得致命。

“我們的重點(diǎn)是開發(fā)智能空氣過濾器，在分子甚至到達(dá)個體之前消滅沙林，”弗吉尼亞理工大學(xué)科學(xué)家約翰莫里斯說，他組建了研究團(tuán)隊(duì)?！胺e極分解空氣中毒素的新催化劑將用于保護(hù)士兵和平民免受化學(xué)戰(zhàn)的破壞性影響?！?/p>

為了使分解方法有效，研究人員需要確定一種能夠有效分解沙林的催化劑，還需要能夠長壽的催化劑 – 一種不會過快抑制或產(chǎn)生阻礙活性位點(diǎn)和反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物的催化劑。催化劑無效。

在之前的研究中，化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一組叫做多金屬氧酸鹽(POMs)的物質(zhì)，可以作為分解神經(jīng)毒劑的良好候選物。現(xiàn)在，F(xiàn)renkel和他的團(tuán)隊(duì)測試了一種由埃默里大學(xué)的團(tuán)隊(duì)成員準(zhǔn)備的獨(dú)特材料，該材料具有將兩個POM分子連接在一起的鋯原子。

“為了確定催化劑的工作原理，你必須找到它的活性位點(diǎn)，”Frenkel說。“我們假設(shè)孤立的鋯原子是這種催化劑的活性位點(diǎn)。為了測試這種理論，我們不僅通過一種方法分析了這種材料，而且通過許多表征技術(shù) – 一種多模式方法，使我們能夠從中分離出活性分子。那些在反應(yīng)中沒有變化的東西?！?/p>

此外，他們的實(shí)驗(yàn)是在發(fā)現(xiàn)沙林的現(xiàn)實(shí)條件下進(jìn)行的 – 氣相。先前對用于CWA凈化的POM催化劑的研究僅在液相中進(jìn)行。

所有實(shí)驗(yàn)均使用無害沙林氣體模擬物進(jìn)行?！爸匾氖且J(rèn)識到神經(jīng)毒氣等有害物質(zhì)在傳統(tǒng)的研究設(shè)施中不易研究，例如布魯克海文實(shí)驗(yàn)室，”弗倫克爾說。“因此，在CWA凈化研究領(lǐng)域，科學(xué)家們不會使用真正的神經(jīng)毒劑，而是使用能模擬其活動而不會造成傷害的模擬物?！?/p>

為證實(shí)他們的模擬物的表現(xiàn)方式與沙林相同，研究小組的實(shí)驗(yàn)在美國陸軍的CCDC化學(xué)生物中心(CBC)在阿伯丁試驗(yàn)場用實(shí)際的沙林重復(fù)進(jìn)行。

“將我們的測量結(jié)果與在相同環(huán)境條件下進(jìn)行藥劑測試的能力相結(jié)合，使我們能夠驗(yàn)證模擬工作，并充分了解POM如何吸附化學(xué)戰(zhàn)劑并與其作出反應(yīng)，”該論文的共同作者Wesley Gordon說。

從多模態(tài)方法研究催化劑

對于布魯克海文的第一項(xiàng)研究，研究人員進(jìn)行了X射線光電子能譜(XPS) – 一種利用超亮X射線測量樣品元素組成的研究技術(shù)。

“XPS是一種對光電子的動能敏感的技術(shù)，當(dāng)光子被超亮X射線照射時會從材料中排出，”Frenkel說?！袄眠@種技術(shù)，我們觀察到分子中鋯原子的電荷狀態(tài)發(fā)生了變化，這告訴我們催化劑中的鋯與神經(jīng)毒劑發(fā)生反應(yīng)?！?/p>

從那里開始，該團(tuán)隊(duì)比較了其他幾種技術(shù)的數(shù)據(jù)，這些技術(shù)在Brookhaven的國家同步加速器光源II(NSLS-II)和SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的斯坦福同步輻射光源(SSRL) – 兩個DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室完成。

“在NSLS-II中，我們使用一種稱為原位X射線衍射的技術(shù)來揭示原子結(jié)構(gòu)中的長程有序或無序，”NSLS-II X射線粉末衍射(XPD)光束線的光束線科學(xué)家Sanjit Ghose說。 ，進(jìn)行研究的地方。“比較衍射圖清楚地顯示了鋯-POM晶格的無序化與模擬分子的吸附?！?/p>

在SSRL，使用稱為X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜的技術(shù)來識別在化學(xué)反應(yīng)的不同階段的鋯周圍的局部原子環(huán)境的變化。

理論完成了這個難題

在將他們的實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)果相關(guān)聯(lián)之后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的事情?！巴ǔ?，催化劑是一種保持穩(wěn)定的剛性結(jié)構(gòu)，”Frenkel說?！白畛?，這種催化劑是一種二聚體 – 兩個由兩個橋接鍵連接起來的大分子。它看起來像一個有兩個輪子的自行車和一個連接它們的框架。我們通過所有這些技術(shù)觀察催化劑后所了解的是自行車破了進(jìn)入兩個“輪子”，“框架”被切斷?！?/p>

使用該催化劑的計(jì)算機(jī)模型，該團(tuán)隊(duì)在弗吉尼亞理工大學(xué)和埃默里大學(xué)的計(jì)算化學(xué)家確定結(jié)構(gòu)變化將鋯原子暴露于沙林，并且發(fā)現(xiàn)沙林 – 鋯相互作用是造成神經(jīng)毒劑分解的原因。

“打破二聚體的過程相當(dāng)于激活催化劑，”Frenkel說。在下一階段的研究中，該團(tuán)隊(duì)將利用其結(jié)果來設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有隔離鋯位點(diǎn)的催化劑，基于其他多孔材料，這些材料具有增強(qiáng)的分解CWA活性。

這項(xiàng)研究得到了美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室，美國陸軍研究辦公室，國防威脅降低機(jī)構(gòu)和國家科學(xué)基金會的支持。NSLS-II和SSRL的運(yùn)營得到美國能源部科學(xué)辦公室的支持。Brookhaven的實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究和開發(fā)計(jì)劃提供了額外的支持。