LC-SPE-NMR -spektroskopian soveltaminen hermokaasujen hajoamistuotteiden seosnäyteanalytiikassa

Abstract

Tämä tutkimus tehtiin Kemiallisen aseen kieltosopimuksen valvontalaitoksen (VERIFIN) NMR-laboratoriossa. Tutkimuksessa selvitettiin LC-SPE -menetelmän soveltuvuutta NMR-spektrometristen menetelmien kehitykseen taisteluaineanalytiikassa. Tutkimuksen tavoitteena oli helpottaa NMR-spektrometristä seosnäytteiden analysointia nestekromatografisella erotuksella ja parantaa menetelmän herkkyyttä kiinteäfaasiuutolla. Tutkimuksen mallikemikaaleina käytettiin metyyli-, etyylimetyyli- ja pinakolyylimetyylifosfonihappoa sekä dimetyylifosfonaattia. Käytetyt kemikaalit ovat myrkyttömiä hermokaasujen hajoamistuotteita.

Tutkimus toteutettiin vaiheittain. Ensin optimoitiin mallikemikaalien nestekromatografinen erotus ja kiinteäfaasiuutto. LC-SPE -menetelmän testausta varten määritettiin yhdisteiden piikin poiminta-ajat käyttäen LC-NMR -menetelmiä. Osittain automatisoitu kiinteäfaasiuutto toteutettiin pienellä patruunaformaatilla (Prospekt) mahdollisimman hyvän rikastuksen aikaansaamiseksi. Lopuksi yhdistelmätekniikan LC-SPE toimivuus testattiin saantokokeiden avulla optimoiduissa olosuhteissa käyttäen NMR-spektrometriä ja 1D 1H-31P HSQC -tekniikkaa yhdisteiden pitoisuusmäärityksissä.

Testit osoittivat LC-SPE-NMR -menetelmän teknisen toimivuuden mallikemikaaleina käytettyjen fosfonihappojen osalta. Fosfonihappojen takaisinsaantokokeissa päästiin keskimäärin 50%:in. Saannot jäivät suhteellisen alhaisiksi johtuen yhdisteiden huonosta kromatografisesta erottumisesta, mikä ilmeni voimakkaana piikkien levenemisenä. Fosfonihapot saatiin kuitenkin erotettua toisistaan ja niiden rikastus kiinteäfaasiuutolla onnistui hyvin. Lisäksi nestekromatografinen erotus helpotti olennaisesti NMR-spektrometristä analyyttien tunnistusta.

LC-SPE-NMR -menetelmän käyttömahdollisuuksien tutkimus oli alustava selvitys ja sen tulokset suuntaa-antavia. Tutkimuksessa käytettyjä olosuhteita ei siksi voida suoraan soveltaa muille yhdisteille, vaan menetelmän käyttö analyyttisenä menetelmänä edellyttää tutkimustyötä ja validointia kullekin analysoitavalle yhdisteelle erikseen.

This research was carried out at the NMR laboratory of Finnish Institute for Verification of the Chemical Weapons Convention (VERIFIN). The aim of this study was the development of NMR-spectroscopic analyses of mixtures containing treaty-related organophosphorus compounds. Although being a powerful technique in identification and quantification, NMR sets some limitations when working at trace level and with mixtures. The idea of this study was to separate compounds by liquid chromatography (LC) in order to facilitate NMR-spectrometric analyses of mixtures. Solid phase extraction (SPE) was used to improve the sensitivity of the NMR spectroscopic methods. Methylphosphonic acid, ethylmethylphosphonic acid, dimethylmethylphosphonate and pinacolylmethylphosphonic acid were used as test chemicals.

This research was executed in phases. First, chromatographic separation and solid phase extraction of the test chemicals were optimized. For LC-SPE-tests, the peak picking times of the analytes were determined using LC-NMR techniques. Partly automated solid phase extraction was carried out using small cartridges (Prospekt) to gain the most effective concentration of analytes. Finally, the functionality of the hyphenated technique LC-SPE was tested using an NMR-spectrometer and 1D 1H-31P HSQC technique for quantification of analyte recoveries.

The technical functionality of the LC-SPE technique was established in this evaluation. Analyte recoveries gained in LC-SPE-NMR-tests were about 50% for phosphonic acids. The recoveries were rather low due to line broadening during chromatographic separation. Regardless of the low recoveries, the concentration of phosphonic acids was successful. In addition, chromatographic separation of the test chemicals facilitated the NMR-spectroscopic analyses in identification.

This research was a preliminary evaluation and the methods introduced in this paper may not be applied to analyses of other compounds. Therefore further use of LC-SPE-NMR technique requires research and method validation for the compounds investigated.