基于2D和3D扩散排序核磁共振波谱技术的化学武器公约相关化合物法医鉴定新方法

为解决化学战剂(CWAs)及其前体和降解产物在法医鉴定中的技术难题，研究人员采用1H-13C HMQC和3D DOSY-HMQC NMR技术，成功实现了Novichok类似物前体及VX降解产物的非破坏性分析。该研究首次将3D DOSY-HMQC应用于CWA相关化合物分析，为化学武器溯源提供了重要技术支撑。

　　

在当今国际安全形势下，化学武器威胁依然存在。2018年英国索尔兹伯里Novichok毒剂袭击事件后，禁止化学武器组织(OPCW)新增了三类有机磷神经毒剂(OPNAs)到管制清单。然而，这些剧毒物质的检测面临巨大挑战：传统色谱方法需要破坏性前处理，对热不稳定的amidine类化合物分析困难，且难以应对复杂混合物。更棘手的是，A系列神经毒剂（如Novichok）具有结构多样的amidine侧链，给预测其行为和检测分析带来特殊困难。

针对这些技术瓶颈，CSIRO Manufacturing的研究团队创新性地将核磁共振(NMR)技术应用于化学武器法医鉴定领域。研究重点考察了两类关键物质：一类是Novichok类似物的前体化合物（如1,1,3,3-四甲基胍/TMG等amidine类物质），另一类是磷酸酯混合物和完全降解的VX样品。通过系统比较2D和3D NMR技术的分析效果，为化学武器取证建立了新的方法学标准。

研究采用了三项核心技术方法：1) 常规¹H、¹³C和³¹P NMR用于化合物结构确认；2) 扩散排序光谱(DOSY)实现混合物的"虚拟分离"；3) 创新的3D ¹H-¹³C DOSY-HMQC技术，将扩散系数与异核多量子相干相结合。所有实验在400 MHz Bruker核磁共振仪上完成，使用CDCl₃或DMSO-d₆作为溶剂，样品浓度控制在5-100 mg/mL。

<3.1. Heteronuclear 2D spectra of N-sidechains>

研究人员首先对TMG、DEPA、DPBA和BDA等Novichok相关化合物进行了详细的¹H-¹³C HMQC表征。这些amidine侧链化合物的精确结构解析为后续混合物分析奠定了基础。特别值得注意的是，这些极性大、热不稳定的化合物用GC-MS分析通常需要衍生化，而NMR技术则无需加热处理即可直接分析。

<3.2. ¹H DOSY analysis of mixtures>

在优化DOSY实验参数（扩散时间Δ=125 ms，梯度脉冲长度δ=1.5 ms）后，研究团队成功实现了两类混合物的分离：

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  侧链混合物（TMG/DEPA/DPBA/BDA）因分子量和形状差异显著而获得良好分离

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  磷酸酯混合物（DMMP/DIMP/DEOP/DBBP）中，仅相差4 g/mol的DEOP和DBBP也能通过扩散系数差异区分

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  降解VX样品中鉴定出乙基甲基膦酸和双-2-(二异丙氨基乙基)二硫化物等关键降解产物，这些化学特征标记(CAS)对溯源至关重要

<3.3. 3D ¹H-¹³C DOSY-HMQC on OPNA mixtures>

这项研究最具创新性的成果是开发了3D DOSY-HMQC方法：

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  仅用5小时采集时间（8次扫描）就获得高灵敏度数据

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  在磷酸酯混合物分析中，成功区分了2D谱中重叠的DEOP和DBBP信号

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  扩散系数与2D DOSY结果高度一致（除DMSO-d₆外）

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  虽然部分信号因耦合常数差异未能检出，但该方法展现了优异的分离能力

这项发表在《Forensic Science International》的研究具有多重重要意义。在方法学层面，首次将3D DOSY-HMQC应用于CWA分析，相比传统的¹H-³¹P HSQC-DOSY，该方法脉冲序列更简单、实施更方便。在实际应用方面，这种非破坏性技术能与GC-MS/LC-MS形成互补，特别适合分析热不稳定化合物和复杂混合物。研究还证实，即使原始毒剂已完全降解，通过鉴定特定降解产物仍可追溯毒剂来源和合成路径。

展望未来，研究人员建议将这种方法扩展至¹H-³¹P DOSY-HMQC，以更好地分析含磷化合物。该方法的应用范围还可拓展至假冒药品分析、农药检测和药物降解研究等领域。虽然3D NMR存在实验时间长、数据处理复杂等局限，但随着仪器进步和算法发展，这种高分辨、非破坏性的分析方法有望成为法医化学鉴定的重要工具。