核与化学损伤/神经性毒剂

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核武器与化学武器损伤

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神经性毒剂属有机磷或有机磷酸酯类化合物(organophosphorus compounds,organoposphates)。这类毒剂特别对脑、膈肌和血液乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase,AchE)活性有强烈的抑制作用,致使乙酰胆碱(acetylcholine,Ach)在体内过量蓄积,从而引起中枢和外周胆碱能神经系统功能严重紊乱。因其毒性强、作用快,能通过皮肤、粘膜、胃肠道及肺等途径吸收引起全身中毒,加之性质稳定、生产容易、使用性能良好,因此成为外军装备的主要化学战剂。

最具代表性的四个神经性毒剂是塔崩(tabun)、沙林(sarin)、梭曼(soman)和维埃克斯(VX)。它们的通式和分子结构见表12-1。美军将含有P-CN健和P-F健的前三者称为G类毒剂。代号分别为GA、GB和GD,将含有P-SCH2CH2N(R)2键的化合物称为V类毒剂,如VX、VE、VG、VS及VR等。美军装备的V类毒剂是VX(表12-1)。

表12-1 神经性毒剂主要代表及其分子结构

Glwhn6yh.jpg

一、理化性质

(一)物理性质

G类毒剂纯品为无色水样液体,工业品呈淡黄或黄棕色,味微香;VX为无色、无味、油状液体,工业品呈微黄至棕黄色,有疏醇味。有关物理常数见表12-2。

表12-2 神经性毒剂主要物理性质

毒剂名称 沸点
(℃)
凝固点
(℃)
比重(d204 蒸气比重
(空气比重=1)
挥发度(mg/L,20℃) 脂溶性 水溶性
塔崩

220


-48


1.082


5.63


0.321


易溶


约10%(15℃)


沙林

151.5


-54


1.096


4.83


13.2


与水及多种溶剂互溶


梭曼

167.7


-70


1.044


6.33


2.647


易溶


约1%(0℃)


VX

300以上分解


-39


1.015


9.20


0.01


易溶


1%~5%(25℃)


由表可见,四种毒剂蒸气分别比空气重5~9倍;挥发度以沙林最大,VX最小。前者很易造成战斗浓度,后者在野战条件下靠自然蒸发不易达到伤害浓度。四种毒剂凝固点均较低,冬季施放不会影响使用效果。除沙林可与水任意互溶外,其余三种因水溶性差,比重>1,落入水中多沉入水底,能使水源长期染毒。

(二)化学性质

毒剂纯品在常温下均较稳定,工业品因含杂质,稳定性受到一影响,塔崩、沙林和梭曼在150℃以上会明显分解(沙林弹在爆炸时瞬间分解可达30%);VX性稳定,在干燥并隔绝空气(或充氮)条件下,长期贮存也不易变质。爆炸时有少量分解。

G类毒剂中的酰卤结构(Glwhna6c.jpg ),性质相对活泼,塔崩中的P-CN和VX中的P-S键类似酰卤,化学反应首先在这里进行。但V类毒剂中的P-S键不及G类毒剂中的酰卤键活泼,故较稳定。其次,连接在氧上的烷基有时可以脱落。

1.水解反应:G或V类毒剂在水中均可缓慢水解,水解产物无毒。反应如下:

Glwhn81p.jpg

如反应物为沙林,水解产物则为甲膦酸异丙酯和HF。VX的水解产物是甲膦酸乙酯和二异丙胺基乙硫醇:

Glwhn93y.jpg

水解再度依次为GA>GB>GD>VX。例如温度20℃时,浓度为2.2g/L的GA水溶液,经24~25小时则完全水解;GB(0.1g/L)72小时水解39.2%;GD(0.1g/L)温度16-18℃时完全水解需76天。VX最慢,25℃水解速度仅及GB的1/5000。

加热或加碱可加速毒剂水解。如单纯用煮沸法即可消除G类毒剂:如沙林水溶液(10g/L),加热至50℃,经1.6小时可完全水解。加热V类毒剂虽可使水解加速,但不完全。故对VX染毒的服装或其它物品采用煮沸法消毒时可加碱促使VX水解完全。

酸也加速G类毒剂水解。VX为碱性物质,加酸成盐后水解则更难。

2.与碱反应:G类毒剂与碱作用,反应迅速。如20℃、浓度为16g/L的沙林水溶液加足量NaOH,3~5分钟反应即可完成。

Glwhncag.jpg

空气中的G类毒剂可用氨水进行喷洒消毒。

碱也可以破坏V类毒剂,但作用较慢,常温下需数小时。

3.与氧化氯化剂反应:VX能被二氯胺、次氯酸盐、三合二、二氯三聚异氰酸钠等氧化氯化剂氧化,生成无毒的甲膦酸乙酯和二异丙胺基乙磺酸

Glwhn5oa.jpg

二、毒性

神经性毒剂是目前外军装备毒剂中毒性最强的一类毒剂。它的吸入毒性(LCt50)分别比HCN大数倍乃至二十倍(HCN LCt50以700mg.min/m3计)。VX毒性最大,依次是GD>GB>GA(表12-3)。

表12-3 神经性毒剂对人的毒性

毒剂种类 呼吸道吸入 皮肤吸收 经口中毒
LCt50 LCt90 蒸气或气溶胶
LCt50(g.min/m3)
液滴
LD50(mg/人)
LD50
(mg/人)
(mg.min/m3)
塔崩

100(1~10)


400(10~25)


40(10~15)


1000(60)


40


沙林

55(1~10)


100(2~15)


12(2~15)


1700


10


梭曼

25(1~1)


70(1~15)


10(1~6)


100(30~60)


10


VX

5(1~10)


36(4~10)


1(4~10)


6~15(30~60)


5


注:括号内数据为毒剂引起失能或死亡生效时间(min)

从表中所列数剧可知,吸入致死量毒剂数分钟之内即可引起人员死亡。在低浓度下(沙林0.0005mg/L;梭曼0.0001mg/L)暴露2min会引起缩瞳和胸闷。皮肤染毒经一定潜伏期后始出现全身中毒症状。VX的皮肤毒性极强,染毒6mg,如不及时消毒即可致死。因此要特别警惕敌人使用V类毒剂。   

野战情况下经口吸收的可能性不大。但如误服染毒食物、水时,同样能引起人员中毒。

三、体内代谢

毒物通过吸收进入体内,或分布全身。或选择性地蓄积于某些器官,在机体的作用下发生转化、消除等一系列过程。

神经性毒剂体内代谢的研究多数是在实验动物身上进行的。不同动物研究表明神经性毒剂在体内的分布是不均匀的。猫或家兔静脉注射沙林、在肺、肾分布较多,肝、血次之;小鼠皮下注射沙林,以血、肺、脑、膈依次降低注射梭曼,以血、肺、膈、脑次序降低;小鼠腹腔注射VX,32P放射性强度依次为肺>血>脑。

毒剂进入体内后,一方面与特异性蛋白质结合产生毒性作用,另一方面与非特异性蛋白质结合起解毒作用。如图12-1所示。

Glwhnb7p.jpg

图12-1 G类神经毒在体内的转化

1.毒剂与特异性蛋白质—乙酰胆碱酯酶(AchE,EC3.1.1.7)进行不可逆性结合,使AchE失去水解乙酰胆碱(Ach)的能力。

2.与胆碱受体蛋白质(AchR)结合,即毒剂直接作用于受体,此种结合方式在毒剂较大剂量时才能发生作用。神经性毒剂中毒是由上述两种作用引起的,前者更为重要。

3.G类毒剂除少部分能自发水解外,在G类毒剂水解酶(EC3.1.8.2)作用下P-X键断裂,生成无毒的膦酸酯。G类毒剂水解酶或DFP水解酶(DFPase),哺乳动物血浆、肝、肾中均有存在,包括多种微生物细菌以及小麦等酶含量均很高。海洋生物鱿鱼神经节也含有丰富的DFPase。该酶需金属离子Co2+Mg2+、Mn2+做为辅助因子,因其能水解塔崩、沙林和梭曼,故可分别称为塔崩水解酶(tabunase),沙林水解酶(sarinase)和梭曼水解酶(somanase)。可见,该酶的底物选择性不专一。而且,酶原不同,其活性及酶蛋白组分也有差异。如鱿鱼神经节DFP水解酶(鱿鱼型)不同于哺乳动物中DFP水解酶(mazur型)。前者水解DFP比梭曼快若干倍,不被Mn2+激活;后者水解梭曼比DFP快几倍,可被Mn2+激活。G类毒剂水解酶血清中主要与高密度脂蛋白载脂蛋白A1紧密连接,可被疏基试剂抑制,并可被半胱氨酸谷胱甘肽所逆转,其活性中心是疏基而区别于B类酯酶

4.脂族酯酶(aliesterase,EC3.1.1.1)或羧酸酯酶(carboxylesterase,CaE)属B类酯酶,主要分布在血浆、肝、肺、红细胞和脑组织中。近来人们认识到CaE在有机磷毒剂防护上的重要性。例如沙林能与血浆内脂族酯酶结合,从而减少进入脑内的毒剂量;应用CaE特异性抑制剂CBDP(磷酸三邻甲苯酯代谢产物)能使小鼠梭曼毒性(LD50)提高近20倍;应用酶诱导剂提高酶活性可使梭曼毒性降低。作为有机磷毒剂清除剂(scavenger)或梭曼的“贮存库”,它可减少或防止毒剂对AchE作用。与CaE结合的毒剂在体内慢慢释放,再经毒剂水解酶水解失去毒性作用。

人体内没有V类毒剂水解酶,但在肝脏中含有V类毒剂氧化酶,在它的作用下,氧化生成甲膦酸乙酯和二异丙胺基乙磺酸。该酶含量少、活性低,解毒能力有限。

塔崩、沙林和梭曼在体内被水解破坏的主要代谢产物二甲胺基膦酸乙酯、甲膦酸异丙酯和甲膦酸特已酯,包括VX代谢产物主要从尿中排出,少量从粪便中排出。

参看

32 化学袭击条件下中毒伤员的救治 | 神经性毒剂的中毒机理 32
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