ANALÝZA ORGANOFOSFOREČNÝCH OTRAVNÝCH LÁTEK (OL), JEJICH PREKURZORŮ A DEGRADAČNÍCH PRODUKTŮ

Význam tématu

Organofosforečné bojové látky (nervově paralytické látky) představují velké riziko pro bezpečnost i životní prostředí. Jejich vysoce toxické účinky vycházejí z inhibice cholinesteráz, což vede k akumulaci acetylcholinu a poruchám nervové signalizace. Důkladná analýza těchto látek, jejich prekurzorů a především degradačních produktů je klíčová pro monitorování dodržování Úmluvy o zákazu chemických zbraní a pro identifikaci zdrojů a doby kontaminace v různých matricích (voda, půda, vzduch).

Cíle a přehled studie

Studie shrnuje výsledky a zkušenosti Výzkumného ústavu organických syntéz (VÚOS) v Pardubicích v oblasti detekce, izolace a analýzy organofosforečných bojových látek a jejich degradačních produktů. Hlavními cíli byly:

• prozkoumat možnosti superkritické fluidní extrakce (SFE) pro izolaci degradátů z půdních matric;
• ověřit retenční indexy řady analogů látky Sarin a jejich methylovaných degradačních produktů;
• zoptimalizovat postupy předúpravy vodných i pevných vzorků (odstranění iontů, derivatizace) pro různé analytické techniky;
• zajistit spolehlivou identifikaci a kvantifikaci v rámci mezinárodních okružních testů Organizace pro zákaz chemických zbraní.

Použitá instrumentace

Pro separaci a detekci původních bojových látek a jejich degradátů bylo využito následujících metod:

• plynová chromatografie s detekcí GC–MS (EI, CI, MS/MS), GC–FTIR, GC–FPD, GC–NPD, GC–AED, GC–FID;
• kapalinová chromatografie spojena s hmotnostní spektrometrií LC–ESI–MS, LC–ESI–MS/MS, LC–APCI–MS, LC–APCI–MS/MS;
• kapilární elektroforéza (CE) s UV detekcí a kombinací CE–ionspray–MS;
• jaderná magnetická rezonance (1H, 31P, 19F NMR) pro charakterizaci preparátů degradátů;
• mikrokolonová kapalinová chromatografie s plameno-fotometrickou detekcí (micro-LC–FPD) a laserem indukovanou fluorescencí.

Použitá metodika

Vzorky vody i půdy byly zpracovány postupem založeným na třístupňové extrakci:

1. rozpouštědlová extrakce neutrálních složek (dichlormethan, Soxhlet nebo ultrazvuk);
2. vodná extrakce polárních kyselých degradačních produktů (pH 1–2 a pH 10–11), následná iontová výměna;
3. bazická extrakce báze s polárními degradačními produkty.

Derivatizace pro GC analýzu prováděna diazomethanem (methylace) a silylačními činidly (BSTFA, MTBSTFA). Použití kvartérních amoniových solí umožnilo „flash alkylaci“ i fázový transfer pro iontové deriváty. Superkritická fluidní extrakce (CO2 + modifikátor methanol) byla optimalizována pro izolaci neutrálních i polárních esterů organofosfonových kyselin.

Hlavní výsledky a diskuse

S optimální přípravou vzorku bylo dosaženo:

• výtěže O-alkyl methylfosfonátů z vodných matrix > 70 % (diazomethan) a ~60 % (silylace);
• izolace polárních degradátů z vodných vzorků s výtěžky 40–85 %;
• superkritická extrakce z půdní matrice: neutrální látky > 90 %, polární degradáty 20–70 % v závislosti na složení půdy;
• validace a tvorba databáze retenčních indexů 1A1 analogů Sarinu a jejich esterů s přesností 0,1–0,6 RI;
• úspěšná účast a přední pozice laboratoře VÚOS ve třetím a čtvrtém mezinárodním oficiálním okružním testu (MOOT) OPCW.

Přínosy a praktické využití

Optimalizované postupy umožňují spolehlivou detekci a kvantifikaci nervově paralytických látek a jejich rozkladných produktů v široké škále matric. Výsledky přispívají k posílení kapacit verificích laboratoří, poskytují standardizovanou metodiku pro kontrolu plnění Úmluvy a podporují rychlou odezvu v případě podezření na nasazení bojových látek.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj je zaměřen na:

• rozšíření superkritické fluidní extrakce o kontinuální modifikátorovou pumpu a vyšší teplotní rozsah;
• aplikaci vysokorozlišovací hmotnostní spektrometrie pro detekci ultrastopových koncentrací;
• automatizaci předúpravy vzorků pomocí pevných fází (SPE) a mikrofluidních technologií;
• vývoj on-line spojení SFE–GC–MS a CE–MS pro rychlou terénní analýzu;
• vytváření otevřených databází retenčních indexů a spekter pro širokou veřejnost.

Závěr

Komplexní analytický přístup zahrnující optimalizovanou přípravu vzorků, derivatizaci, selektivní extrakce a kombinaci chromatografických a spektrometrických metod umožňuje spolehlivou identifikaci a stanovení organofosforečných bojových látek i jejich degradačních produktů v různých matricích. Rozšíření metod o superkritickou fluidní extrakci a tvorba retenčních databází významně posiluje kapacitu ověřovacích laboratoří a přispívá k implementaci Úmluvy o zákazu chemických zbraní.

Reference

1. Lisy V.: Chem. Prum. 3, 10 (1997).
2. Soderstrom M. T., Ketola R. A.: Fresenius Z. Anal. Chem. 350, 162 (1994).
3. Kientz Ch. E., Verweij A., de Jong G. J., Brinkman U. A. T.: J. Microcol. Sep. 4, M1 (1992).
4. Franke S.: Lehrbuch der Militärchemie. Band I. Militärverlag der DDR, Berlin 1997.
5. Yang Y., Szafraniec L. L., Beaudry W. T., Rohrbaugh D. K.: J. Am. Chem. Soc. 112, 6621 (1990).
6. Preliminary Evaluation of Results, Third Official Proficiency Test, OPCW Haag 1997.
7. Witkiewicz Z., Mazurek M., Szulc J.: J. Chromatogr. 503, 293 (1990).
8. Tornes J. A., Opstad A. M., Johnsen B. A.: Inter. J. Environ. Anal. Chem. 44, 227 (1991).
9. Rautio M.: Recommended Operating Procedures for Sampling and Analysis in the Verification of Chemical Disarmament. Ministry for Foreign Affairs of Finland, Helsinki 1993.
10. Verweij A., Degenhardt C. E. A. M., Boter H. L.: Chemosphere 3, 115 (1979).
11. Verweij A., Boter H. L., Degenhardt C. E. A. M.: Science 204, 616 (1979).
12. Harvey D. J., Horning M. G.: J. Chromatogr. 79, 65 (1973).
13. Field J. A.: Nati. Meet. Amer. Chem. Soc. 33, 300 (1993).
14. Tornes J. A., Johnsen B. A.: J. Chromatogr. 467, 129 (1989).
15. Lisi A. M., Trout G. J., Kazlauskas R.: J. Chromatogr. 563, 257 (1991).
16. Lisi A. M., Kazlauskas R., Trout G. J.: J. Chromatogr. 557, 57 (1992).
17. Nicholson J. D.: Analyst 103, 1 (1978).
18. Tornes J. A., Opstad A. M., Johnsen B. A.: Inter. J. Environ. Anal. Chem. 44, 209 (1991).
19. Bossle P. C., Martin J. J., Sarver E. W., Sommer H. Z.: J. Chromatogr. 267, 209 (1983).
20. Sipponen K. B.: J. Chromatogr. 389, 87 (1987).
21. Kientz Ch. E., Verweij A., Boter H. L., Poppema A., Frei R. W., de Jong G. J., Brinkman U. A. T.: J. Chromatogr. 467, 385 (1989).
22. Kientz Ch. E., Verweij A., de Jong G. J., Brinkman U. A. T.: J. Microcol. Sep. 4, 465 (1992).
23. Roach M. C., Ungar L. W., Zare R. N., Reimer L. M., Pompliano D. L., Frost J. W.: Anal. Chem. 59, 1056 (1987).
24. Bossle P. C., Reutter D. J., Sarver E. W.: J. Chromatogr. 407, 399 (1987).
25. Wils K. R. J., Hulst A. G.: J. Chromatogr. 454, 261 (1988).
26. Wils K. R. J., Hulst A. G.: J. Chromatogr. 525, 151 (1990).
27. Wils K. R. J., Hulst A. G.: Fresenius Z. Anal. Chem. 321, A1 (1985).
28. Bruins A. P., Covey T. R., Henion J. D.: Anal. Chem. 59, 2642 (1987).
29. Kingery A. F., Allen H. E.: Anal. Chem. 66, 155 (1994).
30. Pianetti G. A., Taverna M., Baillet A., Mahuzier G., Baylocq-Ferrier D.: J. Chromatogr. 630, 371 (1993).
31. Kostiainen R., Bruins A. P., Hakkinen V. M. A.: J. Chromatogr. 634, 113 (1993).
32. Black O. R. M., Clarke R. J., Cooper D. B., Read R. W., Utley D.: J. Chromatogr. 637, 71 (1993).
33. Black R. M., Clarke R. J., Read R. W., Reid M. T. J.: J. Chromatogr. 662, 301 (1994).
34. Creasy W. R., Rodriguez A. A., Stuff J. R., Warren R. W.: J. Chromatogr. A 709, 333 (1995).
35. Hawthorne S. B.: Anal. Chem. 62, 633A (1990).
36. Chester T. L., Pinkston J. D., Raynie D. E.: Anal. Chem. 64, 153R (1992).
37. Chester L., Pinkston J. D., Raynie D. E.: Anal. Chem. 66, 106R (1994).
38. McNally M. E. P.: Anal. Chem. 67, 308A (1995).
39. King J. W.: J. Chromatogr. Sci. 27, 355 (1989).
40. Pawliszyn J.: J. Chromatogr. Sci. 31, 31 (1993).
41. Langenfeld J. J., Hawthorne S. B., Miller D. J., Pawliszyn J.: Anal. Chem. 67, 1727 (1995).
42. Yang Y., Gharabeh A., Hawthorne S. B., Miller D. J.: Anal. Chem. 67, 641 (1995).
43. Lee H. B., Peart T. E.: J. Chromatogr. 594, 303 (1992).
44. Rochette E. A., Harsch J. B., Hill H. H., Jr.: Talanta 40, 147 (1993).
45. Hawthorne S. B., Miller D. J., Nivens D. E., White D. C.: Anal. Chem. 64, 405 (1992).
46. Field J. A., Miller D. J., Field T. M., Hawthorne S. B., Giger W.: Anal. Chem. 64, 3161 (1992).
47. Field J. A.: Nati. Meet. Amer. Chem. Soc., Div. Envir. Chem. 33, 320 (1993).
48. Lopez-Avila V., Benedicto J.: Nati. Meet. Amer. Chem. Soc., Div. Envir. Chem. 33, 320 (1993).
49. Ashraf-Khorassani M., Taylor L. T., Zimmerman P.: Anal. Chem. 62, 1177 (1990).
50. Oostdyk T. S., Grob R. L., Snyder J. L., McNally M. E.: Anal. Chem. 65, 596 (1993).
51. Fernandez P., Alder A. C., Giger W.: Nati. Meet. Amer. Chem. Soc., Div. Envir. Chem. 33, 303 (1993).
52. Hills J. W., Hill H. H., Jr., Maeda T.: Anal. Chem. 63, 2152 (1991).
53. Croft M. Y., Murby E. J., Wells R. J.: Anal. Chem. 66, 4459 (1994).
54. Chatfield S. N., Croft M. Y., Dang T., Murby E. J., Yu G. Y. R., Wells R. J.: Anal. Chem. 67, 945 (1995).
55. Lee H. B., Peart T. E., Hong-You R. L.: J. Chromatogr. 605, 109 (1992).
56. Kuitunen M. L., Hartonen K., Riekkola M. L.: J. Microcol. Sep. 3, 505 (1991).
57. Griest W. H., Ramsey R. S., Ho S. H., Caldwell W. M.: J. Chromatogr. 600, 273 (1992).
58. Finnish Retention Index Libraries, Finland, Non Paper, 17. April 96.