Химическое оружие — одна из самых разрушительных форм конфликта
Химическая война использует токсичные химические вещества, чтобы вывести из строя, навредить или убить без физического противостояния. В различных конфликтах это привело к десяткам тысяч смертей и затронуло более миллиона человек из-за травм и долгосрочных последствий для здоровья.
Иприт — класс химических веществ
Иприт — это класс химических веществ, которые при комнатной температуре представляют собой не газ, а жёлто-коричневую маслянистую жидкость, которая может испаряться в токсичный туман. Виктор Мейер усовершенствовал синтез иприта в более стабильную форму. Иприт получил международную известность во время Первой мировой войны и неоднократно использовался в качестве оружия.
Необходимость разработки простого способа обнаружения иприта
Практически невозможно гарантировать, что иприт никогда не будет использован в будущем, поэтому лучший способ подготовиться к такой возможности — разработать очень простой способ его обнаружения на местах.
Мои коллеги и я, химики и исследователи в области материаловедения, заинтересованы в разработке быстрого, простого и надёжного способа обнаружения токсичных химических веществ в окружающей среде. Но для этого необходимо преодолеть ряд технологических проблем.
Воздействие иприта на организм
Иприт повреждает организм на клеточном уровне. При контакте с кожей, глазами или при вдыхании он легко растворяется в жирах и тканях и быстро проникает в организм. Внутри тела он превращается в высокореактивную форму, которая повреждает ДНК, белки и другие важные части клеток.
Последствия воздействия иприта
Воздействие иприта может вызвать образование крупных волдырей на коже, заполненных жидкостью. Он также может серьёзно раздражать глаза, вызывая покраснение, отёчность и даже необратимую слепоту. При вдыхании он обжигает слизистую дыхательных путей, что приводит к кашлю, затруднению дыхания и долгосрочному повреждению лёгких.
Даже небольшое воздействие может вызвать серьёзные проблемы со здоровьем. Со временем иприт может ослабить иммунную систему и повысить риск развития рака из-за его воздействия на ДНК.
Влияние на будущие поколения
Эффект от однократного воздействия иприта передаётся следующему поколению. Например, исследования показали физические аномалии и расстройства у детей мужчин, подвергшихся воздействию иприта, а некоторые из мужчин стали бесплодными.
Лучший способ предотвратить серьёзные проблемы со здоровьем — это раннее обнаружение иприта и предотвращение контакта с ним людей.
Существующие методы обнаружения иприта
Текущие методы обнаружения иприта основаны на сложных химических методах. Они требуют дорогостоящих и деликатных приборов, которые трудно доставить на фронт и которые слишком хрупкие, чтобы их можно было использовать в полевых условиях в качестве инструмента для обнаружения токсичных химических веществ.
Многие исследователи пытались усовершенствовать методы обнаружения. Хотя каждый из них предлагает проблеск надежды, они также сталкиваются с трудностями.
Учёные работают над созданием носимого электрохимического биосенсора, который мог бы обнаруживать иприт как в жидкой, так и в парообразной форме. Им удалось разработать крошечные устройства, которые обеспечивают оповещения в режиме реального времени. Но здесь стабильность стала проблемой. Ферменты разрушаются, а фоновый шум может затуманивать сигнал. Из-за этой проблемы эти полоски не использовались успешно в полевых условиях.
Для упрощения обнаружения другие учёные разработали молекулярно-импринтированные полимерные тест-полоски, нацеленные на тиодигликоль, продукт распада иприта. Эти полоски меняют цвет при контакте с газом, они дешёвые, портативные и простые в использовании в полевых условиях. Основная проблема заключается в том, что они обнаруживают химическое вещество, присутствующее после применения иприта, а не сам агент, что не так эффективно.
Один из самых перспективных прорывов произошёл в 2023 году в виде флуоресцентных зондов, которые меняют цвет при обнаружении химического вещества. Этот зонд представляет собой крошечный инструмент-детектив, который обнаруживает или измеряет целевое химическое вещество и генерирует сигнал. Но эти зонды остаются уязвимыми к воздействию окружающей среды, такому как влажность и температура, что означает, что они менее надёжны в суровых полевых условиях.
Некоторые другие примеры, находящиеся в стадии разработки, включают химическое сенсорное устройство, которое семьи могли бы иметь дома, или даже носимое устройство.
Носимые устройства сложны, поскольку они должны быть маленькими. Исследователи пытаются интегрировать крошечные наноматериалы в датчики. Другие команды изучают, как можно внедрить искусственный интеллект. Искусственный интеллект может помочь устройству быстрее интерпретировать данные и реагировать.
Сейчас в Вашингтонском университете в Сент-Луисе Макензи Уок и я являемся частью команды исследователей, работающих над обнаружением этих химических веществ под руководством Дженнифер Химстра и М. Г. Финна. Другой член команды — Сет Тейлор, постдокторский исследователь в Технологическом институте Джорджии.
Наша команда исследователей надеется использовать уроки, извлечённые из предыдущих датчиков, для разработки простого и надёжного способа быстрого обнаружения этих химических веществ на местах. Наш подход будет включать тестирование различных конструкций молекулярных датчиков на соединениях, смоделированных по образцу конкретных химических оружий. Датчики запускают каскад реакций, которые генерируют яркий, красочный флуоресцентный сигнал в лаборатории.
Мы выясняем, с какими соединениями эти химические вещества реагируют лучше всего и какие из них могут стать хорошими кандидатами для использования в детекторе. Эти тесты позволяют нам определить, сколько химического вещества должно быть в воздухе, чтобы вызвать реакцию, которую мы можем обнаружить, а также как долго оно должно находиться в воздухе, прежде чем мы сможем его обнаружить.
Кроме того, мы изучаем, как структура химических веществ, с которыми мы работаем, влияет на их реакцию. Некоторые реагируют быстрее, чем другие, и понимание их поведения поможет нам выбрать правильные соединения для нашего детектора. Мы хотим, чтобы они были достаточно чувствительными, чтобы быстро обнаруживать даже небольшие количества иприта, но не настолько чувствительными, чтобы часто выдавать ложноположительные результаты.