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Verfahren zur Analyse von tozisohen Alkylpbosphaten
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von toxisohen Alkylphosphaten,
gemäß Oberbegriff.
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Einige Alkylpbospbate, die sogenannten Nervengase, stellen als potentielle
Kampfstoffe eine Gefahr dar; andere Vertretsr dieser Stoffklasse haben als Schädlingsbekämpfungsmittel
weite Verbreitung gefunden. Aus der Toxizität dieser Substanzen ergibt sich der
Bedarf naab einem hoohempfindliohen und selektiven Analysenverfahren.
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Die bisher verftigbaren Verfahren werden nicht allen Ansprüchen gerecht.
Der flammenphotometrisohe Detektor ist zwar sehr empfindlich, erfaßt Jedoch verhältnismäßig
ungiftige Alkylphosphate wie Trimethylphosphat in gleicher Weise wie hochgiftige
Substanzen z.3. vom Sarin-Typ. Verschiedene Varianten des enzymatisoben Verfahrens,
das auf der Inhibition des Enzyms Cholinesterase beruht, sind zwar befriedigend
selektiv und naohweisstark, erreichen die optimale Empfindlichkeit aber nur bei
relativ langer Reaktionszeit zwischen Enzym und Substrat; (z.B. 30 - 60 Min.) außerdem
sind die Eichkurven nur im mittleren prozentualen BereSoh der Inhibition annähernd
linear. Unter den im engeren Sinne chemischen Verfahren haben diejenigen erstrangige
Bedeutung, die auf der Sahönemannreaktion beruhen, d.i. der in alkalisohem Medium
ablaufenden Umsetzung des Alkylpbospbats mit Wasserstoffperoxid und einem geeigneten
Indikator.
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Je naoh Indikator werden versohiedene Meßeffekte ausgenutzte Absorption
im sichtbaren Bereich (Indikator z.B. o- Dianisidin), Fluoreszenz (Indikator Indol),
Chemilumineszenz (Indikator z.B. 3- Aminophtalsäurehydrazid). Die Fluoreszenzvariante
gilt
bisher als relativ empfindlichste; die Naohwesagrenze beträgt z.B. für Sarin 30
ng; demgegenüber wird für die bekannte Chemilumineszenzvarianten eine Naohweisgrenze
von 500 ng Sarin angegeben. In Anbetracht der hohen Toxizität vieler Alkylphosphate
kann aber auch die Fluoreszenzvariante noch keineswegs als ausreichend empfindlioh
angesehen werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Naohweisstärke des Chemilumineszenzverfahrens
um ungefähr drei Zehnerpotenzen zu verbessern.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch Anspruoh 1 gekennzeichnet.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen finden sioh in den Unteransprüchen.
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Diese Verbesserung wird im wesentlichen durch zwei Zusätze erreicht.
Die mit dem Alkylphospbat zur Reaktion zu bringende Lösung enthält neben dem bekannten
3-Aminophtalsäurehydrazid ("Luminol"), Trinatriumphosphat und Natriumperborat als
neue Bestandteile Natriumohlorid und Äthylendiamintetraacetat. Die durch das Alkylphosphat
hervorgerufene Chemilumineszenz wird duroh Chlorid gesteigert, und zwar ist dieser
Effekt um so ausgeprägter, desto höher die Chlorid-Konzentration ist. Das Äthylendiamintetraaoetat
erniedrigt sowohl die Untergrund-Chemilumineszenz als auoh den Blindwert. Unter
diesen Umständen verlaufen die Meßkurven sehr viel steiler als sonst, und das Maximum
wird in viel kürzerer Zeit erreicht, z.B. in weniger als 0,5 Min. (s. Fig. 1). Zur
quantitativen Auswertung kann man das maximale oder auoh das integrale Meßsignal
heranziehen; in beiden Fällen ergeben sioh streng lineare Eichkurven.
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Die Nachweisgrenzen dieses erfindungsgemäß verbesserten Chemilumineszenzverfahrens
liegen für die potentiellen Kampfstoffe im unteren Nanogrammbereioh oder sogar im
Subnanogrammbereioh: Soman, Sarin, DFP 0,5 ngt Tabun 1 ng; VX 10 ng
Die
Alkylphosphat-Insektizide verhalten sich unterschiedlich, je nachdem, ob es sioh
um oxo- oder thio"-Derivate handelt.
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Dies eröffent eine Mögliohkeit, in einfacher Weise zwischen diesen
beiden Substanzgruppen zu unterscheiden. Bei den oxo=Derivau ten wie z.B. Dipterex
bewirkt die Anwesenheit von Chlorid im Reaktionsgemisch ebenso wie bei de potentiellen
Kampfstoffen eine wesentliche Verbesserung der Nachweisgrenze, die dann i.a. zwischen
10 und 100 ng liegt. Bei thio-Derivaten wie z.B.
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Parathion ist hingegen die Anwesenheit von Chlorid ungünstig.
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Für den Nachweis von thio-Derivaten wird deshrllb kein Chlorid, wohl
aber erfindungsgemäß ÄthylendiaminSietraauetat in der Konzentration 2.10-4 4 molar
hinzugefügt. Man kann aber stattdessen auoh, wie dies bei der Anwendung des enzymatischen
Verfahrens vielfaoh empfohlen wird, die thio-Derivate, z.B. mit; Brom oxidieren.
Nach Reduktion des überschüssigen Broms mit Ameisensäure kann man dann wie bei den
oxo-Derivaten vorgehen.
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Ein wesentlioher Vorzug des Verfahrens besteht darin, daß nicht nur
eine quantitative, sondern auch eine qualitative Aussage getroffen werden kann,
da der zeitliche Verlauf der Ohemilumineso zenzmeßkurven für verschiedene Alkylphosphate
charakteristisoh verschieden ist. s. Fig. 2 Ein geeignetes qualitatives Kriterium
ist die Zeit bis zum Erreichen des Maximums; außerdem kommen die Halbwertszeit des
Signalanstiegs vor dem Maximum sowie die Halbwertszeit des Signalabfalls naoh dem
Maximum als Kriterien in Betracht. Diese drei Größen sind nur von der Art des Alkylphosphats,
nicht aber von dessen Menge abhängig.
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Ein weiterer wesentlicher Vorzug besteht darin, daß man das Analysenergebnis
bereits - je naoh Alkylphosphat - in einigen Sekunden bis Minuten erhält. Alle anderen
auf der Schönemannreaktion beruhenden Verfahren erfordern einen viel größeren Zeitaufwand.
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Ferner ist hervorzuheben, daß Alkylphosphate wie z.B. Tri-nbutylphcsphat,
die als Extraktionsmittel verwendet werden, von dem erfindungsgemäßen Verfahren
analytisoh nicht erfaßt werden.
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Diese verhältnismaßig ungiftigen Substanzen stören also nioht.
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Anorganisohe Phosphate, die s.B. als Bestandteile von Wasohmitteln
eine Rolle spielen, haben nur in extrem hoher Konzentration einen Einfluß.
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Störungen werden allerdings duroh Sohwermetallionen, von denen bekannt
ist, daß sie Wasserstoffperoxid zersetzen, verursacht; doch lassen sich diese Störungen
durch vorherige Abtrennung mittels eines Kationenaustauschers vermeiden.
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Zur Chemilumineszenzmessung ist prinzipiell jedes handelsübliche Fotometer
geeignet. Da hierfür jedoch keine äußere Lichtquelle erforderlich ist, genügt bereits
eine verhältnismäßig einfache Meßanordnung, bestehend aus einem Fotoverviel!tacher
oder einer Fotodiode als Detektor sowie einem Schreiber oder Digitalvoltmeter.
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Die Cbemilumineszenzreaktion wird zweckmäßig in einer Küvette durchgeführt,
welohe in einem liohtdiohten Gehäuse untergebracht ist; das Licht fällt durch einen
Kanal auf das Fenster des Fotovervielfachers bzw. eine Fotodiode. Die Lösung in
der Küvette kann mittels eines Magnetrührers fortwährend durchgemisoht werden; hierbei
ist darauf zu achten, daß der Fotovervielfacher duroh das Magnetfeld nicht gestört
wird; gegebenenfalls ist eine magnetische Abschirmung notwendig.
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Da der Verlauf der Meßkurven von der Temperatur abhängt, empfiehlt
sich eine Thermostatisierung, sofern mit größeren Temperaturschwankungen zu rechnen
ist. Allerdings wird praktisch nur das maximale, nicht aber das integrale Meßsignal
von der Temperatur beeinflußt: Die Fläche unter der Meßkurve ist über den weiten
Bereich von 15 - 400C temperaturunabhängig, so daß auf dieser Basis eine quantitative
Bestimmung erfolgen kann, ohne daß die Temperatur berücksichtigt werden muß.
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Ausführungsbeispiel: Mit deionisiertem Wasser werden folgende Lösungen
angesetzt: Lösung I: 0,005 m 3- Aminophtalsäurehydrazid; 0,025 m Trinatriumpbospbat;
5 m Natriumchlorid, 0,0002 m Äthylendiamintetraacetat.
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Lösung II: 0,1 m Natriumperborat.
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Lösung I ist monatelang haltbar, Lösung II muß etwa Jede Woche neu
angesetzt und im Kühlschrank aufbewahrt werden. Man gibt in eine 1 cm-Standard-küvette
2 ml von Lösung I sowie 100/ul von Lösung II und mißt das Untergrundsignal. Dann
fügt man 20 µl einer methanolisohen Lösung des Alkylphosphats zu und registriert
nun das entsprechend erhöhte Signal mindestens bis zum Maximum der Kurve. Die Auswertung
erfolgt wie oben beschrieben.
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Eine Variation des Verfahrens gestattet es, nicht nur Alk phosphatlösungen,sondern
auch Gasproben zu analysieren. Hierzu wurde ein spezieller, für Gasdurohfluß geeigneter
Küvettentyp entwickelt. Duroh den Stopfen dieser Küvette sind zwei Röhrchen für
Gaseinlaß und -auslaß geführt. Ersteres reicht bis zum Boden der Küvette, letzteres
endet über der Flüssigkeitsoberfläche. Das zu analysierende Gas wird in konstantem
Strom duroh die Lösung in der Küvette geschickt, und gleiohzeitig wird die Chemilumineszenz
gemessen. Bei dieser Variation handelt es sioh also um ein kontinuierliches Verfahren;
das Meßsignal erreicht ein Plateau, und die Plateauhöhe ist ein Maß für die Alkylphospaht-Konzentration.
Die beschriebene Anordnung eignet sich ganz allgemein für analytisohe Problemstellungen,
bei denen ein Gas mit einer Flüssigkeit zur Reaktion zu bringen ist und der Reaktionsablauf
optisch verfolgt werden soll.