Büro für Altlastenerkundung und Umweltforschung

Dr. Rainer Haas

Stadtwaldstr. 45a, D-35037 Marburg, Tel.: 06421/93084, Fax: 06421/93073

email: haasr@gmx.net

Райнер Хаас¹, Торстен С. Шмидт², Клаус Штайнбах³, Еберхард фон Лоев²

1. BFAU, Штадтвальдштрассе 45а, В-35037 Марбург, ФРГ
2. Медицинский центр гигиены, Институт гигиены и иммунологии, Филиппс Университет, Пилгримштайн 2, D-35037, Марбург, ФРГ
3. Факультет химии, Филиппс Университет, Ханс-Меервайн-Штрассе,

D-35032, Марбург, ФРГ.

Оригинальная статья опубликована в "Fresenius J. Anal Chem" (1998)

В статье описаны газ-хроматографические (GC) методы и методы жидкостной хроматографии для исследования фениларсинов. При газовой хроматографии используется электрон- улавливающий детектор (ECD), и могут быть определены такие химические взрывчатые вещества как: PFIFFIKUS, CLARK I и CLARK II. После процесса дериватизации с меркаптанами и димеркаптанами образуется общее число дифениларсинов, соответственно фениларсины и фениларсоны могут быть определены так же, как меркапто-производные относительно димеркапто- производных.

Анализы жидкостной хроматографией (HPLC) могут быть использованы для определения трифениларсинов и адамсита.

1. Введение

Фениларсины, как химические взрывчатые вещества производились в огромных количествах в течение I и II Мировой Войны. После II Мировой войны заводы по производству и хранению таких веществ были уничтожены и химические взрывчатые вещества оказались в Северном и Балтийском морях, а так же осели в почве в местах их захоронения [1]. Эти вещества присутствуют в окружающей среде по сегодняшний день, продолжая заражать почву и воду.

• дифениларсин хлорид (Ph₂AsCl), известный как CLARK I
• дифениларсин цианид (Ph₂AsCN), известный как CLARK II
• фенарсазин хлорид (Ph₂As(NH₂)Cl), известный как ADAMSITE
• фениларсин дихлорид (PhAsCl₂), известный как PFIFFIKUS и
• арсиновое масло, техническая смесь хлорида мышьяка (III), фениларсин дихлорида, дифениларсин хлорида и трифениларсина [2].

CLARK I, CLARK II и ADAMSITE являются сильными раздражителями, токсический эффект этих веществ проявляется при концентрации их воздухе приблизительно 0.1 мг/м³, а PFIFFIKUS крайне токсичен при контакте с кожными покровами [2].

В воде и почве фениларсины метаболизируются процессами гидролиза и окисления [2,3].

Хроматографическое определение некоторых фениларсинов было проведено, главным образом, с использованием GC и HPLS со специфическими элементами-детекторами, такими как AAS, ICP, AES, [5-8], MS [9-11]. Для фениларсониковой кислоты дополнительно были описаны методы ионной хроматографии [12-13] и капиллярного электрофореза (CE) [14].Основное ислледование проводилось с речной водой [13], взвешенными веществами (осадками) [11] и природными веществами, оставшимися после сжигания [6], а так же морскими организмами. Однако, крайне небольшое число хроматографических методов описано для разделения фениларсинови их возможных метаболитов. Даже в полном ревю хроматографических анализов химических взрывчатых веществ [16] полное описание имелось для адамсита. Применительно к окружающей среде некоторый материал может быть найден в [17]. Что касается адамсита, он изучался в образцах снега вместе с нервно-паралитическими агентами. Другие опубликованные методы базировались на TLC [18] или газовой хроматографии без [19,20] или после процесса дериватизации [21-23]. К примеру, TGM использовался как дериватизационный агент для некоторых дифениларсинов и фениларсинов [21,22]. Адамсит возможно определить методом GC/ECD после дериватизации бромированием ароматического кольца [23].

Целью данной работы был поиск хроматографических методов для разделения фениларсинов. Определенный интерес представляла возможность дериватизации фениларсиновых компонентов с меркаптанами и получение производных, которые затем могли быть определены GC-ECD методом. В то же время, уже была описанной реакция разделения меркаптанов после процесса дериватизации с фениларсин оксидом.

1. Экспериментальная часть.
1. Химические вещества.

Были использованы следующие химические вещества: метанол (Merck, Darmstadt, Germany); ацетон (Merck); t-бутил метиловый эфир, 99.8% (Aldrich, deisenhofen, Germany); дифениларсин хлорид [CAS #: 712-48-1] (97%, с 3% дифениларсин цианида и 0.1% трифениларсина); дифениларсин цианид [ CAS #: 23525-22-6]; фенарсазин хлорид [ CAS #: 578-94-9]; фениларсин дихлорид [ CAS #: 696-28-6]; фениларсин оксид [ CAS #: 637-03-6] (Aldrich); фениларсониковая кислота [ CAS #: 98-05-5] 97% (Aldrich); трифениларсин [ CAS #: 603-32-7] >98% (Aldrich); трифениларсин оксид [ CAS #: 1153-05-5] 97% (Aldrich), тиогликолевой кислоты метиловый эфир 95% (Aldrich); тиогликолевой кислоты этиловый эфир 97% (Aldrich); 1-этантиол 97% (Aldrich); 1-пропантиол 99% (Aldrich); 1,2-этандитиол 90% (Aldrich); 1,3-пропандитиол 99% (Aldrich).

Дифениларсин оксид [UPAC: тетрафенил диарзоксан, CAS #: 2215-16-9] и дифенил арсониковая кислота [UPAC: дифенил арсиновая кислота, CAS #: 4656-80-8] не имелись в наличии.

Основные растворы фениларсинов были приготовлены в t-бутил метиловом эфире с концентрацией 0.5 мг/мл к 4.4 мг/мл. Растворы меркаптанов в ацетоне готовились с концентрацией 10.0 мг/мл.

2. Процесс дериватизации и основные параметры газовой хроматографии.

Все полученные нами производные находились при температуре 20*С в ацетоновом растворе, в химической посуде, емкостью 1.2 мл, в которых смешивали 0.5мл ацетона и по 20 мкл каждого, из фениларсинов (сток -растворы) и 20 мкл меркаптана (сток- растворы). Реакции были завершены в течение 15 минут.

Для разделения производных бал использован газовых хроматограф HP 5890, серии II+ (Hewlett Packard, Waldbronn, Germany) с автоземплером HP7673 и электрон- улавливающим детектором (ECD). Температура блоков инжектора и детектора была 250*С и 300*С, соответственно. Инжекционный объем составлял 1 мкл. Длина колонки была равна 30 м, 0.25 мм i.d., 0.25 мм d_f (DB-5, J&W, Koeln, Germany); давление газа (азота) - 100 кПа; температура колонки - 230*С; база данных - Gynkosoft, v.5.32 (Gynkotek, Germering, Germany).

Для идентификации производных использовалась GC/MS-система, VG Trio 2/EI mode (70 eV). Инжекционный объем составлял 1 мкл. Длина колонки была равна 30 м, 0.25 мм i.d., 0.25 мм d_f (DB-5, J&W, Koeln, Germany); проходящий газ - гелий. Начальная температура колонки равнялась 40*С, а затем была увеличена до 250*С, 10*С/мин.

3. Метод жидкостной хроматографии (HPLC).

HPLC включает в себя градиент-помпу (М-480), Gt-103, автоземплер GINA 50 и диод-матричный детектор UVD 340-S. База данных - Gynkosoft, v.5.32 (Gynkotek, Germering, Germany). Инъекционный объем был установлен на уровне 20 мкл. Для разделения органических мышьяк содержащих веществ были выбраны две системы. Первая состояла из колонки RP-18 (250 х 3 мм, NUCLEOSIL 120-5) со следующим линейным градиентом: ацетонитрил/вода 50/50 (v/v) к ацетонитрил 95/5 (v/v) 22.5 мин, с последующей реэквилибрацией 15 мин. Вторая включала в себя цианопропил-колонку (250 х 3 мм, NUCLEOSIL CN 100-5) с градиентом ацетонитрил/вода 10/90 (v/v) к ацетонитрил/вода 70/30 (v/v) - 30 мин, и соответственно, 15 мин.

 

2. Результаты и их обсуждение

Основываясь на результатах определения фениларсинов газ- хроматографическим методом, можно сделать вывод о том, что с помощью ECD без процесса дериватизации могут быть определены следующие вещества: фениларсин дихлорид, дифениларсин хлорид и дифениларсин цианид, а в высоких концентрациях (более, чем 200 нг/мкл) - трифениларсин.

Если процесс дериватизации происходил с более чем одним меркаптаном или димеркаптаном, количество вещества результирующего дифениларсин тиоэфира было пропорционально молярному коэффициенту (соотношению) использованных меркаптанов. Газ-хроматографическое разделение шести дифениларсиновых производных производилось при 230*С.

Таблица 1. Время ретенции (T_R) и наименьшая концентрация определения (LOD) фениларсин- и дифениларсин- производных.

Фениларсин оксид и фениларсин дихлорид в реакции с меркаптанами образуют фениларсин тиоэфир. Эти вещества не стабильны в ацетоновом растворе. В связи с этим меркаптаны не могут быть использованы для аналитического определения фениларсинов.

1,2-этандитиол реагирует с фениларсин оксидом и фениларсин дихлоридом с образованием устойчивого 2-фенил-<1,3,2>дитиарсолан [CAS #: 4669-53-8, PhAsS₂Et], 1,3-пропандитиол вступает в реакцию с фениларсин оксидом и фениларсин дихлоридом с образованием устойчивого 2-фенил-<1,3,2>дитиарсинана [CAS #: 55883-62-0, PhAsS₂Pr]. Обе реакции являются количественными. Сумма фениларсиновых компонентов определяется после завершения процесса дериватизации. Производные были идентифицированы методом GC/MS. От момента начала реакции фениларсин оксида с 1:1 молярной смесью 1,2-этандитиола и 1,3-пропандитиола образуется 95% PhAsS₂Et и только 5 % PhAsS₂Pr. В табл. 1 приведено время ретенции и LOD исследованных , достаточно устойчивых фениларсиновых и дифениларсиновых компонентов.

2. HPLC-анализы

В таблице 2 приведено время ретенции и LOD для разделенных методом HPLC шести исследованных фениларсинов, при использовании двух различных систем разделения из-за различной полярности изучаемых соединений.

CLARK I и CLARK II реагируют с водой с образованием дифениларсин гидроксида (Ph₂AsOH) и образуют только один пик. Фениларсин оксид (PhAsO) и трифениларсин (PH₃As) были так же разделены при использовании обоих систем. Используя только колонку RP-18 не представлялся возможным анализ Ph₃AsO. Время ретенции пиков было заметно различным.

В работе с такими соединениями, как Ph₂AsOH и Ph₂As(NH₂)Cl была использована CN-колонка. Все попытки разделить пики, дублировавшие друг друга (в паре) в присутствие метанола не увенчались успехом. Взаимодействия дифениларсиновых компонентов с цианогруппой стационарной фазы возможно является причиной такого эффекта.

Таблица 2. Время ретенции (T_R) и наименьшая концентрация определения (LOD) с использованием обеих HPLC-систем (1: RP-18, 2: CN-колонка).

 

№	соединение	Пик, №	TR 1/мин	LOD 1/нг	TR 2/мин	LOD 2/нг
1 2 3 4 5 6	Ph2AsOH Ph2As(NH2)Cl Ph3As Ph3AsO PhAsO(OH)2 PhAsO	1 2 3 4 5 6	6.0 4.5 19.8 не образ. 1.8 2.9	7.5 8.5 6.6 - 34 7.3	13.3 15.2 25.9 16.5 1.9 4.5	52 140 11.2 4.6 - 25.4

 

3. Сравнение GC и HPLC-анализов

Преимущество использования GC/ECD для проведения анализов состоит в том, что LOD от 10 до 100 раз ниже, а время для проведения анализов требуется меньше. Кроме того, при использовании данного метода имеется больший выбор реакций дериватизации и возможность подтверждения результатов различными реагентами. При помощи GC-метода возможно разделение CLARK I и CLARK II. После процесса дериватизации как фениларсиновые компоненты, так и дифениларсины образуют только два производных, и следовательно, общая сумма этих соединений может быть определена.

Применение же HPLC-метода необходимо для анализов трифениларсинов и адамсита, которые не могут быть определены методом GC/ECD. Разделение As (III) и As(V) соединений, трифениларсина и трифениларсин оксида, фениларсин оксида и фениларсониковой кислоты возможно только методом HPLC.

1. Выводы

Для определения мышьяк содержащих химических взрывчатых веществ, а так же продуктов их гидролиза и окисления приемлемы достаточно простые хроматографические методы. Анализы могут быть проведены как с пробами воды, так и с почвенными образцами. Все стабильные меркапто - и димеркаптопроизводные могут быть использованы для определения исходных веществ GC-методом, установить наличие которых не представляется возможным без процесса дериватизации. В дальнейшей работе основное внимание будет сконцентрировано на HPLC-методе определения веществ (температурные градиенты, выбор колонок), включая исследование особенностей состояния фениларсинов на реверс - фазе хроматографических колонок. Кроме того, будет проведено изучение возможностей использования атомно-эмиссионного детектора при газовой хроматографии; отработанные методы и методики будут применены для исследования окружающей среды.

1. Office of the chief of chemical corps, headquarters European command (1947). The history of captured enemy toxic munitions in the American zone. European theater may 1945 to june 1947.
2. Jackson KE (1935) Chem. Rev. 17: 251-292
3. Haas R. (1996) Umweltmed Forsch. Prax 1:183-189
4. Howard AG, Hunt LE (1993) Anal Chem. 65:2995-2998
5. Gast CH, Kraak JC, Poppe H, Maessen FJMJ (1979) J. Chromatogr. 185:549-561
6. Spall WD, Lynn JG, Andersen JL, Valdez JG, Gurley LR (1986) Anal Chem. 58: 1340-1344
7. La Freniere KE, Fassel VA, Eckels DE (1987) Anal Chem. 59: 879-887
8. Roychowdhury SB, Koropchak JA (1990) Anal Chem.62: 484-489
9. Caroli S, La Torre F, Petrucci F, Violante N (1994) Environ Sci pollut Res Int 1: 205-208
10. Kumar UT, Vela NP, Caruso JA (1995) J. Chramatogr Sci 33 : 606-610
11. Pritzl G, Stuer-Lauridsen F, Carlsen L, Jensen AK, Thorsen TK (1996) Int J. Environ Anal Chem 62 : 147-159
12. Hirayama N, Kuwamoto T (1988) J. Chromatogr. 447 : 323-328
13. Hirayama N, Kuwamoto T (1988) J. Chromatogr. 457 : 415-420
14. Lopez-sanchez JF, Amram MB, Lakkis MD, Lagarde F, Rauret G, Leory MJF (1994), fresenius J Anal Chem. 348: 810-814
15. Fish RH, Brinckman FE, Jewett KL (1982) Environ Sci technol 16: 174-179
16. Witkiewicz W, Mazurek M, Szulc J (1990) J. Chromatogr 503: 293-357
17. Johnsen BA, Blanch JH (1984) Arch Belg Med Soc, Hyg, Med Trav Med Leg, Suppl: 22-30
18. Skolowski M, Rozylo JK (1993) J Planar Chromatogr - Mod TLC 6: 467-471
19. Paulig G, Gielsdorf W (1981) Arch Kriminol 167: 65-69
20. Zerba EN, Ruveda MA (1972) J Chromatogr 68: 245-247
21. Schoene K, Steinhanses J, Bruckert HJ, Koenig A (1992) J Chromatogr 605: 257-262
22. Schoene K, Steinhanses J, Bruckert HJ, Koenig A (1995) Analytik Kampfstoff-kontaminierter Ruestungsaltlasten. Erich-Schmidt-Verlag, Berlin
23. Schoene K, Bruckert HJ, Juerling H, Steinhanses J (1996) J Chromatogr A 719: 401-409
24. Hannestad U, Soerbo B (1980) J Chromatogr 200: 171-177

_____________________________________________________________________

1. BFAU, Stadtwaldstrasse 45а, D-35037 Мarburg, Germany

2. Environmental Hygiene and Immunology, Medical Centre of Hygiene, Philipps-University, Pilgrimstein 2, D-35037 Marburg, Germany

3. Department of Chemistry, Philipps-University, Hans-Meerwein-Strasse,

D-35032, Маrburg, Germany

Оriginal article is published in: "Fresenius J. Anal Chem" (1998) 361:313-318

Translation into russian: Olga Tsivunchyk, 2002.

Gas chromatographic (GC) and liquid chromatographic methods for the investigation phenylarsenic compounds are presented. With gas chromatography using an electron capture detector (ECD), the chemical warfare agents PFIFFICUS, CLARK I and CLARK II can be detected. After derivatization with mercaptans the sum of diphenilarsenic compounds resp. phenylarsenic and phenylarsonic compounds can be detected as the mercapto resp. dimercapto derivatives. High performance liquid chromatography (HPLC) analysis may be used for the detection of triphenylarsenic compounds and ADAMSITE.