以有機磷為基礎的神經(jīng)毒劑是人類已知的毒性最強的化學物質(zhì)之一。近日，細胞出版社（Cell Press）旗下期刊Chem Catalysis上在線發(fā)表了一項研究，美國西北大學的科學家開發(fā)出一種與鋯基金屬有機框架（MOFs）集成的水凝膠，可以快速降解化學戰(zhàn)中使用的有機磷類神經(jīng)毒劑。

與現(xiàn)有的粉狀MOF吸附材料不同，這種水凝膠材料不需要添加水，便于用在防護口罩或服裝上。西北大學化學教授、論文通訊作者Omar Farha說，“在最近的全球沖突中化學武器的使用，反映出急需個人防護裝備，以及大規(guī)模銷毀化學武器儲備的緊迫性。在這項工作中，我們將MOFs和含胺交聯(lián)水凝膠整合到布料中，以建立適當?shù)奈h(huán)境，進而促進神經(jīng)毒劑的快速降解，并提供實時保護。”

雖然MOFs之前已經(jīng)證明了其在實驗室中快速分解有機磷制劑和類似模擬物質(zhì)的能力，但事實證明，這些粉末吸附劑很難直接集成到防護布中。當神經(jīng)毒素與鋯6簇結(jié)合時，通常會使粉末和纖維復合催化劑失活。這一缺陷要求使用堿性溶液來再生MOFs的催化位點，這不會阻止MOFs被用于消除儲存的化學武器，但會阻礙它們在穿戴防護裝備中的使用。

為了克服這一挑戰(zhàn)，F(xiàn)arha及同事設計了一種基于MOF的織物復合系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用胺基水凝膠中的水來分解神經(jīng)毒劑。

這種材料的工作原理是將3個關(guān)鍵組分結(jié)合在一起，進行水解反應，從而去除有毒的有機磷劑。MOF的鋯節(jié)點提供了一個路易斯酸性位點，其能激活磷中心（神經(jīng)毒劑的活性部分），而水凝膠孔則捕獲必要的水，最后水凝膠主鏈上的堿性胺基生成羥基，促進對有機磷底物的攻擊，進而使水解產(chǎn)物在鋯中心上發(fā)生置換（即催化周轉(zhuǎn)）。

研究人員隨后將這種水凝膠復合材料與棉纖維結(jié)合，并用模擬或?qū)嶋H神經(jīng)毒劑（與美國陸軍實驗室合作進行測試）進行了測試。他們使用核磁共振波譜分析了產(chǎn)品和襯底。他們發(fā)現(xiàn)，復合材料在短短10分鐘內(nèi)化學轉(zhuǎn)化了99%的試劑，即使在密封瓶中保存了3個月，也能保持這種高水平的催化活性。

Farha說，“與之前開發(fā)的復合材料相比，新材料有了顯著改進。同樣重要的是，該材料在固態(tài)時的反應活性與在堿性水溶液中相當?！?/p>

對于將這種新型水凝膠復合材料用作防護服和面罩的反應層，研究人員指出，要將其集成到現(xiàn)有產(chǎn)品中，還需要進一步的工程和測試。然而，由于材料生產(chǎn)方法簡單且易于擴展，F(xiàn)arha認為大規(guī)模生產(chǎn)基于該材料的面罩和防護服在未來是可能的。

Farha說，“我們正在優(yōu)化復合材料以適應現(xiàn)實世界的需求。我們希望未來這些材料能夠商業(yè)化，用于保護人類生命?！?/p>