Katalysator gør nervestoffer harmløse

Et team af videnskabsmænd, herunder forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory, har undersøgt en katalysator, der nedbryder nervestoffer, eliminere deres skadelige og dødelige virkninger. Undersøgelsen blev offentliggjort fredag ​​d. 19. april, i Journal of Physical Chemistry Letters .

"Vores arbejde er en del af en igangværende, indsats fra flere agenturer for at beskytte soldater og civile mod kemiske krigsførende stoffer (CWA'er), " sagde Anatoly Frenkel, en fysiker med en fælles ansættelse ved Brookhaven Lab og Stony Brook University og hovedforfatteren på papiret. "Forskning kræver, at vi forstår molekylære interaktioner i meget lille skala, og at udvikle særlige karakteriseringsmetoder, der er i stand til at observere disse interaktioner. Det er et meget komplekst sæt af problemer, som også har en meget umiddelbar samfundsmæssig påvirkning.«

At finde den bedste dekontamineringsmetode

Siden CWA'er først blev brugt i Første Verdenskrig, videnskabsmænd har afprøvet flere metoder til at afbøde deres toksiske virkninger. En af de mest almindelige metoder er filtrering - ved hjælp af et absorberende materiale, som en svamp, der ville forhindre kemikalierne i at sprede sig.

"Anvendeligheden af ​​filtreringsmetoden er begrænset, fordi når et filter når sin kapacitet, det skal regenereres, fjernet, eller udskiftet, " sagde Frenkel. "Vi mener, at en bedre tilgang ville være at nedbryde CWA med en katalysator, at gøre kemikaliet uskadeligt, mens du genbruger katalysatoren bagefter."

For at dykke dybere ned i denne tilgang, forskerholdet fokuserede på dekontaminering af sarin, et nervemiddel, der forhindrer muskler i at trække sig sammen og slappe af. Sarin hæmmer et vigtigt enzym i kroppen, der spiller en afgørende rolle i overførsel af neuronale signaler til musklerne. Hvis disse signaler kompromitteres, muskler forbliver i den sammentrukne form, som bliver dødelig som nøglemuskler, såsom hjertet, er ude af stand til at bevæge sig.

"Vores fokus er at udvikle smarte luftfiltre, der ødelægger sarin, før molekylerne overhovedet når frem til en person, " sagde Virginia Tech videnskabsmand John Morris, som samlede forskerholdet. "Nye katalysatorer, der aktivt nedbryder toksiner i luften, vil blive brugt til at beskytte både soldater og civile mod de ødelæggende virkninger af kemisk krigsførelse."

For at gøre nedbrydningsmetoden effektiv, forskerne havde brug for at identificere en katalysator, der kunne nedbryde sarin effektivt, men også en, der har lang levetid - en katalysator, der ikke ville blive hæmmet for hurtigt eller skabe et reaktionsprodukt, der ville blokere aktive steder og gøre katalysatoren ineffektiv.

I tidligere undersøgelser, kemikere identificerede en gruppe materialer kaldet polyoxometalater (POM'er) som en god kandidat til at nedbryde nervestoffer. Nu, Frenkel og hans team har testet et unikt materiale, udarbejdet af teammedlemmer fra Emory University, der har zirconiumatomer, der forbinder to POM-molekyler sammen.

"For at identificere, hvorfor en katalysator virker, du skal finde dens aktive side, " sagde Frenkel. "Vi antog, at de isolerede zirconiumatomer var de aktive steder for denne katalysator. For at teste den teori, vi analyserede materialet ikke kun ved en metode, men ved hjælp af mange karakteriseringsteknikker - en multimodal tilgang, der gjorde det muligt for os at isolere de aktive molekyler fra dem, der ikke ændrer sig under reaktionen."

Derudover deres eksperimenter blev udført under de virkelige forhold, hvori sarin ville blive fundet - gasfasen. Tidligere forskning i POM-katalysatorer til CWA-dekontaminering var kun blevet udført i væskefasen.

Alle eksperimenter blev udført med en harmløs sarin-gassimulator. "Det er vigtigt at erkende, at farlige materialer som nervegasser ikke let kan studeres i konventionelle forskningsfaciliteter, såsom Brookhaven Lab, " sagde Frenkel. "Så, inden for CWA-dekontamineringsforskning, Forskere arbejder ikke med rigtige nervegifte, men med simulanter, der efterligner deres aktivitet uden at forårsage skade."

For at bekræfte, at deres simulant opførte sig på samme måde som sarin, forskerholdets eksperimenter blev gentaget med faktisk sarin af den amerikanske hærs CCDC Chemical Biological Center (CBC) ved Aberdeen Proving Ground.

"Ved at koble vores målinger med evnen til at udføre agenttest under identiske miljøforhold, gjorde vi det muligt for os at validere simulantarbejdet og fuldt ud forstå, hvordan POM'en adsorberer og reagerer med kemiske krigsførelsesmidler, " sagde Wesley Gordon, medforfatter til papiret.

At studere katalysatoren ud fra en multimodal tilgang

Til det første studie i Brookhaven, forskerne udførte røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) - en forskningsteknik, der bruger ultralyse røntgenstråler til at måle grundstofsammensætningen af ​​en prøve.

"XPS er en teknik, der er følsom over for den kinetiske energi af en fotoelektron, der udstødes fra et materiale, når den rammes af de ultralyse røntgenstråler, " sagde Frenkel. "Ved at bruge denne teknik, vi observerede en ændring i ladningstilstanden for zirconiumatomet i molekylet, som fortæller os, at det er zirconium i katalysatoren, der reagerer med nervegiften."

Derfra, holdet sammenlignede data fra flere yderligere teknikker, som blev afsluttet ved Brookhavens National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) og SLAC National Accelerator Laboratory's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) - to DOE Office of Science User Facilities.

"På NSLS-II, vi brugte en teknik kaldet in situ røntgendiffraktion til at afsløre lang rækkefølge eller uorden i de atomare strukturer, " sagde Sanjit Ghose, beamline videnskabsmand ved NSLS-II's X-ray Powder Diffraction (XPD) beamline, hvor undersøgelsen blev udført. "Sammenligning af diffraktionsmønstrene viste tydeligt forstyrrelsen af ​​zirconium-POM krystalgitteret med adsorptionen af ​​de simulerende molekyler."

Hos SSRL, en teknik kaldet røntgenabsorptionsfinstrukturspektroskopi blev brugt til at identificere ændringer i det lokale atommiljø omkring zirconium på forskellige stadier af den kemiske reaktion.

Teori fuldender puslespillet

Efter at have korreleret resultater fra deres suite af eksperimentelle teknikker, forskerne opdagede noget overraskende.

"Som regel, en katalysator er en stiv struktur, der forbliver stabil, " sagde Frenkel. "I første omgang, denne katalysator var en dimer - to store molekyler forbundet med to broforbindelser. Det lignede en cykel med to hjul og en ramme, der forbinder dem. Det, vi forstod efter at have set på katalysatoren med alle disse teknikker, er, at cyklen brød i to 'hjul', og 'rammen' blev skåret over."

Ved hjælp af computermodeller af katalysatoren, holdets beregningskemikere ved Virginia Tech og Emory University fastslog, at de strukturelle ændringer udsatte zirconiumatomer for sarin, og sarin-zirconium-interaktionerne viste sig at være ansvarlige for nedbrydningen af ​​nervegiften.

"Processen med at bryde dimeren svarede til aktivering af katalysatoren, " sagde Frenkel.

På næste fase af forskningen, holdet vil bygge videre på deres resultater for at designe og optimere katalysatorer med isolerede zirkoniumsteder, baseret på andre porøse materialer, der har øget aktivitet til nedbrydning af CWA'er.