Phương pháp phát hiện nhanh chất độc sulfur mustard trong môi trường nước sử dụng thuốc thử 4 - (4 - nitrobenzyl)pyridine

Bài viết Phương pháp phát hiện nhanh chất độc sulfur mustard trong môi trường nước sử dụng thuốc thử 4 - (4 - nitrobenzyl)pyridine trình bày phương pháp mới để phát hiện SM trong môi trường nước. Ở điều kiện tối ưu đã thiết lập, SM được phát hiện với giới hạn phát hiện (LOD) thấp, ở khoảng 150 ppb.

Nghiên cứu khoa học công nghệ Phương pháp phát nhanh chất độc sulfur mustard môi trường nước sử dụng thuốc thử - (4 - nitrobenzyl)pyridine Nguyễn Minh Trí1*, Vũ Ngọc Tốn1, Lê Hồng Minh1, Lê Ngọc Hoan2, Nguyễn Y Phụng2 Viện Công nghệ mới, Viện Khoa học Cơng nghệ qn sự; Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội * Email: nguyenminhtri.hkt@gmail.com Nhận bài: 20/8/2022; Hoàn thiện: 08/11/2022; Chấp nhận đăng: 28/11/2022; Xuất bản: 20/12/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.FEE.2022.207-212 TÓM TẮT Sulfur mustard (SM) tác nhân chiến tranh hóa học gây loét da Nó hợp chất gây độc tế bào thuộc nhóm tác nhân alkyl hóa Các phương pháp truyền thống để phát chất độc SM dựa phản ứng màu thường tốn thời gian độ nhạy thấp Bài báo trình phương pháp để phát SM môi trường nước Ở điều kiện tối ưu thiết lập, SM phát với giới hạn phát (LOD) thấp, khoảng 150 ppb Kết định lượng với trợ giúp thiết bị UV - VIS cho thấy, tuyến tính diễn dải nồng độ 150 ppb đến 5000 ppb với hệ số tương quan tốt (R2 = 0,9994) Phương pháp phát triển để chế tạo kít ứng dụng phát nhanh chất độc loét da quân trường Từ khóa: Mustard lưu huỳnh; Tác nhân hóa học loại loét da; Alkyl hóa; SN2 MỞ ĐẦU Sulfur mustard (SM) chất điển hình thuộc nhóm chất độc loét da [1] sử dụng quy mô lớn Chiến tranh giới thứ xung đột Iraq - Iran năm 1983 - 1988 [2] Chất độc SM có độc tính cao, với liều 0,15 mg/L gây tử vong 10 phút sau phơi nhiễm với liều 0,07 mg/L 30 phút, nói chung liều 0,07 mg/L gây tử vong cho người 30 phút, đó, SM độc lần so với phosgene 10 lần chlorine [3] Chất độc gây nhiễm độc thực phẩm, nước uống nguồn cung cấp khác khó để xử lý Đã có số kit phát chất độc SM nước kit M272 Water phát chất độc nước với độ nhạy 2,0 ppm [4]; kit Alison B cộng sử dụng tác nhân - (4 - nitrobenzyl)pyridine (NBP) số hợp chất thủy ngân cyanide, kim loại nhóm I II dạng perchlorate, có khả phát chất độc với giới hạn phát tối ưu đạt cỡ ppm [5] Tuy nhiên, theo quy định quân đội nước giới, lượng nước uống sử dụng trung bình người lính chiến trường 2L/ngày nồng độ tối đa cho phép SM 350 ppb [6], đó, kit chế tạo có độ nhạy không đảm bảo để phát nguồn nước nghi nhiễm Mặt khác, kit cho sản phẩm màu sắc ổn định, nhanh chóng bị màu chịu ảnh hưởng lớn nồng độ base Bài báo trình phương pháp phát SM nước sử dụng thuốc thử NBP kali carbonate base, làm giàu sản phẩm mang màu dung môi toluene LODs phản ứng đạt 150 ppb (quan sát mắt thường) THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất, thiết bị Hóa chất: - (4 - nitrobenzyl)pyridine (NBP) (98%, Acros), acetone (99,5%, Sigma); acetonitrile (99,9%, Merck); SM (1000 ppm, Việt Nam); DMSO (99,7%, Sigma); DMF (99,8%, Fischer); NaOH (99 - 100%, Merck); toluene (99,9%, Merck); triethylamine (TEA) (99,5%, Sigma); 1,4 - diazabicyclo[2,2,2]octane (DABCO) (99,0%, Sigma); kali carbonate (99,0%, Sigma); natri chloride (99,5%, Merck); nước cất lần (VN) Thiết bị: Cân phân tích điện tử Mettler hãng Toledo (Thụy Sỹ), độ xác  0,1 mg; Máy Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 207 Hóa học – Sinh học – Mơi trường quang phổ tử ngoại khả kiến UV - VIS Agilent - 8453, dải đo 190 - 900 nm (Mỹ); Bể rửa siêu âm Elma S100H (Đức); Tủ sấy, HN101 - 2, độ xác ±1 oC (Trung Quốc) 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp chuẩn bị mẫu thử thuốc thử Phương pháp chuẩn bị thuốc thử NBP acetone/DMSO/DMF/acetonitrile: Cân xác lượng thuốc thử NBP cần thiết chuyển vào bình định mức 100 mL, thêm acetone/DMSO/DMF/acetonitrile lắc để hòa tan chất rắn Thêm dung mơi đến vạch mức thu dung dịch NBP có nồng độ thích hợp để thử nghiệm Chuẩn bị dung dịch mustard lưu huỳnh: Dung dịch gốc 1000 ppm acetone pha tiếp thành dung dịch có nồng độ 100 ppm sau pha thành dãy dung dịch có nồng độ thấp hơn, sau xác định giới hạn phát hiện, pha dãy nồng độ để xây dựng đường chuẩn 2.2.2 Phương pháp phát chất độc SM Mơ hình thử nghiệm phát chất độc SM nước thể bảng Bảng Thiết kế mơ hình thử nghiệm phát chất độc SM nước TT Dung môi Acetone DMSO DMF Acetonitrile Base Nhiệt độ (oC) Thời gian (phút) Dải nồng độ thử nghiệm TEA 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) DABCO 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) K2CO3 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) NaOH 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) TEA 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) DABCO 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) K2CO3 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) NaOH 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) TEA 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) DABCO 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) K2CO3 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) NaOH 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) TEA 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) DABCO 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) K2CO3 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) NaOH 25 80(*) 20(**) 150 ppb - ppm(***) Nhiệt kế cắm phần nước cách thủy bên ngồi bình phản ứng Thời gian phản ứng, khơng tính thời gian bổ sung base *** Dải nồng độ thử nghiệm để tìm LODs * Ghi ** KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Cơ sở phương pháp: Thuốc thử NBP chứa nguyên tử nito đóng vai trị nucleophile, tương tác với tác nhân SM phản ứng xảy theo chế S N2 Sau xử lý với base hình thành dạng tautomer hóa cuối tạo thành hợp chất có màu để quan sát mắt thường Cơ chế phản ứng màu diễn sau: 208 N M Trí, …, N Y Phụng, “Phương pháp phát nhanh … - (4 - nitrobenzyl)pyridine.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Cơ chế phản ứng tạo màu thuốc thử NBP Trên sở tham khảo tài liệu, có hai điều kiện nhiệt độ thử nghiệm 25 oC o 80 C thời gian 20 phút, sử dụng thuốc thử NBP pha số dung môi bảng 3.1 Phương pháp phát sử dụng thuốc thử NBP pha dung môi acetone Ở nhiệt độ 80 oC, NBP 5% pha dung môi acetone chuyển vào bình cầu cổ dung tích 100 mL có sinh hàn, nhiệt kế rượu - 100 oC Bổ sung thêm mL dung dịch chứa chất phân tích SM với nồng độ 20 ppm Gia nhiệt kết hợp với khuấy hỗn hợp 80 oC 20 phút Kết thúc phản ứng, làm mát nhiệt độ phòng, bổ sung thêm base (TEA, DABCO, K 2CO3, NaOH) với 150 µL dung mơi toluene Dung dịch đối chứng chuẩn bị theo quy trình thay tồn thể tích dung dịch chứa chất phân tích nước cất Theo dõi màu sắc, kết cho thấy thu sau: - Với phản ứng sử dụng TEA, mẫu blank có màu vàng nhạt, mẫu thử có màu vàng đậm Tuy nhiên, tiếp tục thử nghiệm với nồng độ thấp (350 ppb) cho thấy, khơng có khác biệt mẫu blank với mẫu thử Các thử nghiệm nồng độ cao lại cho màu sắc thay đổi (22 ppm, màu hồng nhạt; 28 ppm, màu hồng đỏ) Do đó, phương pháp khơng thích hợp - Sử dụng base NaOH cho mẫu blank có màu vàng nhạt, mẫu thử nồng độ 20 ppm cho màu nâu Nồng độ thấp (350 ppb) không khác biệt mẫu blank - Sử dụng DABCO, khơng có khác biệt blank mẫu thử - Sử dụng K2CO3, mẫu blank có màu vàng nhạt, mẫu thử có thay đổi màu sắc không rõ ràng Thử nghiệm nồng độ cao (50 ppm) cho màu sắc đậm không đáng kể Việc tăng nồng độ NBP lên 10% khơng thay đổi màu sắc mẫu thử, vậy, với mẫu tiến hành dung môi acetone, sử dụng base TEA, NaOH, DABCO K 2CO3 cho kết không khả thi Tiến hành tương tự nhiệt độ 25 oC cho kết tương tự 3.2 Phương pháp phát sử dụng thuốc thử NBP pha dung môi DMF DMSO Các điều kiện thử nghiệm tiến hành tương tự dung môi acetone Các kết thể bảng Bảng Kết nghiên cứu dung môi DMSO DMF Nhiệt độ Thời gian Nồng độ Dung môi Base Kết (oC) (Phút) thử nghiệm Không phân biệt màu TEA 80 20 1,0 ppm sắc mẫu blank mẫu thử Không phân biệt màu DMSO DABCO 80 20 1,0 ppm sắc mẫu blank mẫu thử Không phân biệt màu K2CO3 80 20 1,0 ppm sắc mẫu blank mẫu thử Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 209 Hóa học – Sinh học – Mơi trường Mẫu blank màu hồng tím, mẫu thử màu tím đen (tiếp NaOH 80 20 1,0 ppm tục thử nghiệm dải nồng độ cho thấy, không tuyến tính) Khơng phân biệt màu TEA 80 20 1,0 ppm sắc mẫu blank mẫu thử Không phân biệt màu DABCO 80 20 1,0 ppm sắc mẫu blank mẫu thử Không phân biệt màu DMF K2CO3 80 20 1,0 ppm sắc mẫu blank mẫu thử Mẫu blank màu hồng tím, mẫu thử màu tím đen (tiếp NaOH 80 20 1,0 ppm tục thử nghiệm dải nồng độ cho thấy, khơng tuyến tính) Kết bảng cho thấy, phương pháp phát SM dung môi DMF DMSO cho kết không đáp ứng u cầu 3.3 Phân tích sử dụng dung mơi acetonitrile Trên sở tài liệu tham khảo thu thập kết nghiên cứu khảo sát trên, nhận thấy, việc tiến hành phản ứng 80 oC cho màu sắc thử nghiệm 25 oC cho màu sắc tương tự, nghĩa nhiệt độ thử nghiệm thực tế chịu ảnh hưởng nhiệt độ, đó, tiến hành thử nghiệm nhiệt độ 25 oC Đối với base TEA, màu sắc mẫu blank vàng nhạt, mẫu thử có màu hồng tím nhiên tuyến tính vùng 20 - 28 ppm không màu vùng nồng độ thấp cỡ vài trăm ppb Đối với trường hợp sử dụng K2CO3, mẫu blank khơng màu, mẫu thử có thay đổi màu sắc (màu tím hồng) tuyến tính dải 150 ppb đến 50 ppm Đây phương pháp nhóm đề tài lựa chọn để chế tạo test phát Quy trình chuẩn bị cụ thể sau: - Chuẩn bị ống nghiệm thủy tinh có kích thước (12 × 100) mm Ống nghiệm thứ bổ sung mL dung dịch NBP mg/mL, thêm mL mẫu chứa chất phân tích, lắc để yên 20 phút phản ứng Ống nghiệm thứ hai bổ sung K2CO3, NaCl 150 µL dung mơi toluene - Sau 20 phút, ống nghiệm thứ chuyển vào ống thứ hai, lắc mạnh đến phân lớp Thực tương tự với mẫu blank mẫu chất phân tích thay nước cất Kết cho thấy, màu sắc xuất lập tức, bền màu tuyến tính Tiến hành tiếp tục với mẫu mô mustard lưu huỳnh mẫu mustard lưu huỳnh cho kết tương tự Như vậy, phương pháp sử dụng dung môi acetonitrile, base K2CO3, làm giàu mẫu toluene cho kết tốt Việc sử dụng NBP với nồng độ lớn không giúp cho màu sắc đậm rõ rệt Dưới hình ảnh thử nghiệm: Hình Màu sắc mẫu blank mẫu chất phân tích nồng độ 150 ppb 210 Hình Màu sắc mẫu chứa chất phân tích dải nồng độ 150 ppb, 350 ppb, ppm, ppm, 10 ppm, 20 ppm 50 ppm N M Trí, …, N Y Phụng, “Phương pháp phát nhanh … - (4 - nitrobenzyl)pyridine.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Hình ảnh mẫu blank mẫu thử 150 ppb chuyển vào cuvette thủy tinh Hình Hình ảnh mẫu blank mẫu thử dải nồng độ 150 ppb, 350 ppb, 750 ppb, ppm, ppm, ppm Khi sử dụng base DABCO, màu sắc xuất tương tự K2CO3, nhiên, màu sắc không rõ ràng sử dụng K2CO3 Từ kết thu dung môi acetonitrile, base K 2CO3, tiến hành xây dựng đường chuẩn sử dụng thiết bị UV - Vis Agilent - 8453, dải đo 190 - 900 nm Các mẫu chuẩn bị với dải nồng độ 150 ppb, 350 ppb, 750 ppb, ppm, ppm ppm Lớp toluene phía chuyển cuvette thủy tinh có chiều dài quang 10 mm để đo UV bước sóng 560 nm Kết xây dựng đường chuẩn thể hình ĐỘ HẤP THỤ QUANG Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ tới độ hấp thụ quang 0.7 y = 0.0001x + 0.0459 R² = 0.9994 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1000 2000 3000 4000 NỒNG ĐỘ (PPB) 5000 6000 Hình Kết xây dựng đường chuẩn xác định mustard lưu huỳnh KẾT LUẬN SM nước phát phương pháp sử dụng thuốc thử NBP mg/mL (acetonitrile) base K2CO3 Màu sắc dung dịch quan sát dễ dàng cách chiết lên lớp toluene Giới hạn phát phản ứng 150 ppb Đường chuẩn xác định y = 0,0001x + 0,0459 với R2 = 0,9994 Màu sắc lớp dung môi chứa chất nghi nhiễm bền màu tối thiểu 30 phút (mẫu nồng độ < ppm) khoảng với mẫu > ppm Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn tài trợ kinh phí đề tài cấp Viện KH - CN quân “Nghiên cứu cải tiến phương tiện phân tích ” năm 2022 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F R Sidell et al., “Medical aspects of chemical and biological warfare”, The Surgeon General at TMM Publications, Borden Institute, 721 pages, (1997) [2] M Balali - Mood, B Balali - Mood, M Moshiri, “Sulfur mustard”, Encyclopedia of Toxicology (Third Edition), pp 427 – 431, (2014) [3] A M Prentiss, “Chemicals in war”, New York, NY, USA, McGraw - Hill Book company Inc, (1937) [4] Bộ phương tiện phân tích K - 54, Hướng dẫn sử dụng, NXB Cục Kỹ thuật, (1993) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 211 Hóa học – Sinh học – Mơi trường [5] A Bussey, A Clarke, J Lambert, “Method for detection mustard”, WO patent 2004081561A1, (2004) [6] M Weber et al., “Determination of warfate agents (nerve agents, blisters agents, saxitoxin and ricin) in food, water and on materials and articles”, Toxichem Krimtech., Vol 80, 284, (2013) ABSTRACT Method of rapid detection sulfur mustard in water using - (4 - nitrobenzyl)pyridine as reagent Sulfur mustard (SM) is a vesicant chemical warfare agent It is a cytotoxic and alkylating compound Conventional methods of detection of chemical weapons based on chromogenic reactions are waste of time and low sensitivity This paper presents new method to detect SM in aqueous environment In the optimal conditions, SM was detected with low limit of detection (LOD), at about 150 ppb Quantitative results with the help of UV - VIS equipment show that the linear response in the ranges of 150 - 5000 ppb with R2 = 0,9994 This method can be used to develop tests for detection of vesicant agent in the field Keywords: Sulfur mustard; Vesicant chemical warfare agent; Alkylating; SN2 212 N M Trí, …, N Y Phụng, “Phương pháp phát nhanh … - (4 - nitrobenzyl)pyridine.” ... hạn phát hiện, pha dãy nồng độ để xây dựng đường chuẩn 2.2.2 Phương pháp phát chất độc SM Mô hình thử nghiệm phát chất độc SM nước thể bảng Bảng Thiết kế mơ hình thử nghiệm phát chất độc SM nước. .. màu thuốc thử NBP Trên sở tham khảo tài liệu, có hai điều kiện nhiệt độ thử nghiệm 25 oC o 80 C thời gian 20 phút, sử dụng thuốc thử NBP pha số dung môi bảng 3.1 Phương pháp phát sử dụng thuốc thử. .. 0. 045 9 R² = 0.99 94 0.6 0.5 0 .4 0.3 0.2 0.1 0 1000 2000 3000 40 00 NỒNG ĐỘ (PPB) 5000 6000 Hình Kết xây dựng đường chuẩn xác định mustard lưu huỳnh KẾT LUẬN SM nước phát phương pháp sử dụng thuốc