《Sensors and Actuators B: Chemical》：Improved SERS-based detection of nerve agents using a highly selective custom Raman probe molecule
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神经毒剂检测中，表面增强拉曼光谱（SERS）结合新型探针分子4- Thiophene Pyridine Amido Oxime（TPAO）实现了更低检测限（GF至1 ppm）及复杂基质中特异性识别不同神经毒剂的能力。
Rasmus ?berg|Nora Molander|Damir Asoli|Magnus Engqvist|Magnus Andersson|Tomas Rindzevicius|Anja Boisen|Andreas Larsson|Per Ola Andersson
瑞典国防研究机构（FOI），Cementv?gen 20号，乌梅?，90621，韦斯特博滕省，瑞典
摘要
神经毒剂如VX、塔布恩（GA）和环沙林（GF）即使在微量下也具有致命性。由于其高毒性且难以检测，神经毒剂成为全球安全领域的重要问题。为了解决这一问题，表面增强拉曼光谱（SERS）近年来被证明是一种快速、无损的现场检测各种有害物质的有效技术。然而，由于神经毒剂本身的拉曼散射截面较小，SERS在检测这些毒剂时面临挑战，尤其是环沙林（GF）。在这项研究中，我们开发了一种新型的定制拉曼探针分子——4-噻吩吡啶氨基肟（TPAO），它能够在液体介质中选择性地检测和区分微量神经毒剂，即使使用光谱分辨率有限的便携式拉曼仪器也是如此。我们报告的GF检测限低至1 ppm，远低于以往的研究结果。此外，TPAO还能在1.1 ppm和2.1 ppm的浓度下检测到VX和GA，与之前的基准结果相当或略有提升。为了证明TPAO在区分神经毒剂方面的特异性，我们利用主成分分析量化了神经毒剂与其模拟物之间的光谱差异。最后，我们展示了TPAO在复杂背景及清洗后的检测稳定性。总体而言，这项工作为使用SERS实现快速、选择性地检测神经毒剂迈出了重要一步。
引言
神经毒剂是一类高毒性的化学战剂。它们由简单的有机磷分子组成，能阻止重要神经递质乙酰胆碱的分解，从而抑制神经系统的正常功能[1][2]。根据《化学武器公约》（CWC），禁止使用和扩散神经毒剂，任何未经授权储存的神经毒剂都必须进行化学销毁[3]。尽管有这些规定，神经毒剂仍被用于大规模恐怖活动和针对个人的袭击[4][5]。为了最小化这类事件的影响，迅速对受害者进行医疗救治至关重要，这就需要快速有效的神经毒剂检测和鉴定方法。对于高挥发性的神经毒剂（如沙林（GB）和梭曼（GD），已有多种可在实验室和现场使用的快速气相检测方法，如离子迁移谱法和火焰光度法[6]，但这些方法的特异性通常较低。然而，对于低挥发性的神经毒剂（如塔布恩（GA）、环沙林（GF）和VX），往往需要能够在液体环境中进行检测的技术。本文介绍的TPAO探针分子能够在微量浓度下选择性地检测这些毒剂。我们报告的GF检测限低至1 ppm，远低于以往的研究结果；TPAO还能在1.1 ppm和2.1 ppm的浓度下检测到VX和GA，达到或略高于之前的基准水平。通过主成分分析，我们验证了TPAO在区分神经毒剂方面的特异性。最后，我们展示了TPAO在复杂背景及清洗后的检测稳定性。总之，这项工作为利用SERS实现快速、选择性的神经毒剂检测奠定了重要基础。
介绍
神经毒剂是一类高毒性的化学战剂。它们由简单的有机磷分子构成，能够阻止重要神经递质乙酰胆碱的分解，从而干扰神经系统的正常功能[1][2]。根据《化学武器公约》（CWC），禁止使用和扩散神经毒剂，任何未经授权储存的神经毒剂都必须进行化学销毁[3]。尽管如此，神经毒剂仍被用于大规模恐怖活动和针对个人的袭击[4][5]。为了减少这类事件的影响，迅速对受害者进行医疗救治至关重要，这就需要快速有效的神经毒剂检测和鉴定方法。对于高挥发性的神经毒剂（如沙林（GB）和梭曼（GD），已有多种快速气相检测方法，但这些方法的特异性通常较低。然而，对于低挥发性的神经毒剂（如塔布恩（GA）、环沙林（GF）和VX），通常需要能够在液体环境中进行检测的技术。光学光谱方法是快速检测溶液中微量神经毒剂的常用方法，例如荧光法和比色法，这些方法具有较高的灵敏度和选择性[8][9][10]。与这些传统方法相比，拉曼光谱提供了更丰富的光谱特征，有助于区分化学性质相似的神经毒剂和其他有机磷化合物。然而，拉曼散射现象非常微弱，只有少数光子与分子相互作用产生拉曼信号。因此，现代拉曼检测通常采用表面增强拉曼光谱（SERS），通过金属纳米结构附近的强电磁场增强拉曼信号。这种强场通过局域表面等离子体共振产生，即光（如激光）在金属纳米结构中的电子中引发共振振荡，从而局部放大电场强度。这种放大效果与电场强度的四次方成正比，使得使用SERS时拉曼信号得到显著增强。近年来，SERS得到了广泛应用，例如在医学[11][12]、法医学[13][14]和国防[15][16][17][18]等领域。便携式和手持式拉曼仪器的快速发展，以及SERS的快速检测特性（测量时间在几秒到几分钟之间），为现场检测微量神经毒剂提供了可能。
实现微量神经毒剂检测的两个主要障碍是：（1）有机磷分子的拉曼散射截面小；（2）它们与SERS活性元素（如金或银）的亲和力低[20]。一种解决方法是在SERS基底上功能化一个拉曼活性探针分子。最近的研究表明，在非功能化基底上，VX的检测限约为10 ppm；而在功能化基底上，检测限可低至1 ppm[21][22][23]。此外，非功能化的SERS基底在复杂介质中往往无法可靠地检测特定物质，而功能化处理后则可以在复杂溶液中选择性地检测特定分子[24][25]。Juhlin等人合成并展示了一种基于肟的拉曼探针分子4-PAO[22]，该分子利用其与神经毒剂中有机磷基团的亲和力，将VX和GA的检测限分别降低至约1 ppm和30 ppm。然而，该探针在低浓度下难以检测环沙林（GF），这可能是由于GF的SERS响应较弱、对4-PAO振动带能量的影响较小以及与肟探针的亲和力较低所致。改进这些因素对于开发通用型神经毒剂检测方法至关重要，不仅适用于GF，也适用于其他难以检测的神经毒剂（如沙林和梭曼）。此外，4-PAO不易附着在SERS基底上，清洗时容易丢失，从而限制了其在现场检测中的应用。除了4-PAO，还有其他利用神经毒剂模拟物代替真实神经毒剂的研究[26]。在本研究中，我们开发了一种新的SERS检测方法，使用一种名为4-噻吩吡啶氨基肟（TPAO）的探针分子（图1A显示了其完整化学结构）。TPAO与4-PAO类似，由一个肟基团连接到一个吡啶基团上，并添加了一个噻吩基团以改善分子的振动和结合性能。噻吩基团增强了TPAO与贵金属的结合能力，便于清洗掉基底上的杂质，从而提高了在实际样品中检测神经毒剂的效果。此外，扩展的基底-噻吩-吡啶-肟结构使神经毒剂能够更显著地影响相关振动带，提高了检测效果，尤其是对于那些本身拉曼活性较低的神经毒剂（如环沙林）。
为了验证TPAO的效果，我们对其进行了测试，对象是三种低挥发性的神经毒剂：VX、GA和GF。使用真实神经毒剂进行测试非常重要，因为之前的研究表明，神经毒剂模拟物往往无法准确反映真实神经毒剂的化学特性[26]。我们用TPAO功能化金涂层纳米柱SERS基底，通过简单的滴加方法沉积神经毒剂，并使用便携式拉曼仪器捕获SERS信号（图1B–D）。我们分析了神经毒剂沉积对TPAO光谱波数和强度的影响，从而估算了它们的检测限。我们还研究了简单水洗对TPAO和TPAO-神经毒剂复合物的影响。为了量化神经毒剂之间的光谱差异并评估TPAO的区分能力，我们进行了主成分分析（PCA）。为了验证该方法的实际应用性，我们在不纯溶剂和其他有机污染物中测试了TPAO。最后，我们讨论了其他问题，如TPAO是否适用于检测气态神经毒剂、使用替代溶剂的可能影响以及未来的发展前景。总体而言，结果表明TPAO不仅可以用于检测微量神经毒剂，还能区分不同的真实神经毒剂，并在复杂和不纯介质中实现这一目标；据我们所知，这是在选择性、稳定性和应用范围方面对以往神经毒剂检测方法的重大改进。
神经毒剂和参考化学品的纯度
我们的参考有机磷化合物二甲基甲基膦酸酯（DMMP，CAS 756-79-6，Sigma Aldrich）的纯度为98%。我们的污染模拟物苯甲酸（BA，CAS No. 76-93-7，Sigma-Aldrich）的纯度为99%。本文使用的神经毒剂VX、GA和GF均为自制，纯度为90%，通过1H和13C核磁共振确认。神经毒剂即使在低浓度下也具有高毒性，因此处理真实神经毒剂时应格外小心。
TPAO的物理化学和SERS特性
为了评估TPAO检测神经毒剂的效果，我们首先需要对其分子进行表征。TPAO基于一个肟捕获基团，该基团连接到一个吡啶环上，再连接到噻吩环上。对100 ppm的TPAO进行SERS测量后获得了丰富的光谱特征（图1A）。这一光谱特征与TPAO的正常拉曼光谱相似（图S6），但峰形略有宽化，可能是由于
结论
由于低挥发性神经毒剂（如VX、GA和GF）的拉曼信号较弱，使用拉曼光谱和SERS难以检测其微量存在。在本研究中，我们开发了TPAO这种探针分子，能够在低浓度下选择性地检测真实神经毒剂。实验表明，使用TPAO可以在个位数浓度下检测到传统上难以检测的环沙林（GF）。
CRediT作者贡献声明
Rasmus ?berg：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学、实验设计、数据分析、概念化。Nora Molander：撰写 – 审稿与编辑、方法学、实验设计。Damir Asoli：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、方法学。Magnus Engqvist：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、方法学。Magnus Andersson：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源准备。Tomas Rindzevicius：撰写 –
利益冲突声明
作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系/个人关系：Damir Asoli表示Silmeco ApS提供了财务支持、设备、药物或试剂；Tomas Rindzevicius表示Silmeco ApS提供了财务支持、设备、药物或试剂；Anja Boisen表示Silmeco ApS提供了设备、药物或试剂；Andreas Larsson持有瑞典国防研究机构的专利申请。
致谢
本工作得到了SERSing EU Horizon 2020研究与创新计划（项目编号：883390）、乌梅?大学工业博士项目以及瑞典国防部的支持（项目编号：470-A400824）。作者还感谢乌梅?大学化学生物中心（KBC）的电子显微镜核心设施（UCEM）提供的设施和技术支持，该设施属于国家显微镜基础设施（VR-RFI 2019-00217）的一部分。
Rasmus ?berg拥有乌梅?大学的工程物理学硕士学位，目前在该校攻读博士学位。他与瑞典国防研究机构（FOI）合作，致力于开发用于检测有害化学和生物物质的光谱方法。
