Thermal Desorption Gas Chromatography - Mass Spectrometry Methods and Strategy for Screening of Chemical Warfare Agents, Their Precursors and

Transcriptie

1 Thermal Desorption Gas Chromatography - Mass Spectrometry Methods and Strategy for Screening of Chemical Warfare Agents, Their Precursors and Degradation Products in Environmental, Industrial and Waste Samples O. Terzic

2 Samenvatting De Organisatie voor Uitbanning van Chemische Wapens (OPCW) werd opgericht in 1997 om toezicht te houden op de in- en uitvoering van het Verdrag op Chemische Wapens (CWC). De Organisatie heeft een aantal nauw omschreven verificatieprocedures ingevoerd. Het vermogen om op locatie te kunnen bemonsteren en analyseren speelt bij deze verificatieprocedures een essentiële rol (Hoofdstuk 1). De OPCW inspectie teams gebruiken als voornaamste hulpmiddel hiervoor een vervoerbaar analytisch laboratorium voorzien van een gaschromatograaf met gekoppelde massaspectrometer. Bij de samenstelling van het veldlaboratorium is veel aandacht besteed aan keuze van apparatuur en de ontwikkeling en validatie van de testprocedures. Het was vanuit analytisch chemisch oogpunt, een zeer moeilijke opgave om de afwezigheid aan te kunnen tonen, vanwege het grote aantal chemische verbindingen die in het kader van het CWC verdrag van belang zijn, en dit ook nog in bijna elke denkbare monster-matrixomgeving. Het voldoen aan alle gestelde eisen van dit mobiele -laboratorium is regelmatig getest door middel van scenario oefeningen in het veld. Het kunnen nemen van monsters en ter plekke analyseren is sinds 2006 regelmatig ingezet bij inspecties van industriële productielocaties die te maken hebben met chemicaliën die onder de CWC vallen. De ervaring met het nemen van monsters en die ter plekke te analyseren is doorlopend geëvalueerd om dit verificatie-instrument instrument zo nuttig mogelijk te maken. Naarmate er meer ervaring in het veld werd opgedaan, bleek dat de inzetbaarheid van het veld laboratorium op één punt behoorlijk tekort schoot. Daarnaast kwamen er ook aan aantal zwakke punten aan het licht bij de monstervoorbereiding in het veld. Het laboratorium beschikte niet over een manier om lucht/damp monsters te kunnen nemen en die vervolgens te analyseren. De monstervoorbereidingsmethodes kenden een te lage doorloopsnelheid, ze waren te bewerkelijk, de apparatuur was nogal volumineus, en er moest met grote hoeveelheden gevaarlijke oplosmiddelen gewerkt worden waardoor er telkens naar verhouding grote hoeveelheden chemisch afval werden gegenereerd. Hierbij stuitte men bovendien op problemen met de bereiding van monsters met meer - fasen systemen zoals emulsies. Gezien het grote belang van het OPCW veldlaboratorium, is het hier beschreven onderzoek opgezet met de volgende doelstellingen: Het ontwikkelen van analyse methodes om in lucht/damp monsters chemische strijdmiddelen en componenten daarvan door middel van Gaschromatografie met gekoppelde massaspectrometrie (GC-MS) aan te kunnen tonen, met voldoende gevoeligheid over het hele spectrum; Het evalueren in hoeverre de hedendaagse oplosmiddelarme monstervoorbereidingsmethodes geschikt zijn voor toepassing in de GC-MS analyse in het veld van de voor het CWC relevante chemische verbindingen; Het ontwikkelen van een breed inzetbare analytische methode om met GC-MS over de volle scanbreedte, verbindingen die relevant zijn voor het CWC aan te kunnen tonen, in zowel

3 waterige en meer-fase monstermatrices. Daarbij zijn de voornaamste variabelen: vermindering van de totale analysetijd en monstervolume, oplosmiddelen, reagentia, het resulterend afval, en ook de te gebruiken apparatuur en hulpmiddelen. Het vervolgens vinden van nieuwe analysestrategieën voor het mobiele OPCW laboratorium en het demonstreren van hun bruikbaarheid voor een ondubbelzinnige verificatie van chemische strijdmiddelen door middel van chemische analyse van monsters uit het veld. Eerst worden de voornaamste agentia in chemische strijdmiddelen besproken aan de hand van bruikbaarheid en inzet in het verleden als wapen voor militaire doeleinden dan wel in handen van terroristen (Hoofdstuk 2). Het verloop, gedrag, degradatiesappen en de vervalreacties in het veld werden bestudeerd met behulp van de openbare literatuur en beschikbare gegevens. De meeste agentia in chemische strijdmiddelen (CWA) zijn in het veld niet stabiel en de vrijkomende vervalproducten hebben een verschillende vluchtigheid, polariteit en reactiviteit. De voornaamste vervalreacties zijn hydrolyse, oxidatie, dehydratatie en fotolyse. Er is daarom een inventarisatie gemaakt van een selectie aan fysische en chemische eigenschappen van CWA en hun voornaamste vervalproducten, omdat dit de eigenschappen zijn die bij het bemonsteren en de analyses van invloed zijn, en daarmee dus van belang zijn voor de analyse strategieën. Sommige gegevens zijn door berekening verkregen door gebruik te maken van het Estimation Program Interface (EPI), een suite van rekenprogramma s van de US Environmental Protection Agency. Er is van een aantal CWA vervalproducten bekend dat ze in het veld naar verhouding persistent zijn en dusdanig weinig voorkomen, dat het aantonen ervan alleen al een goede indicatie is voor het gebruik van een CWA. Een bekend voorbeeld is het evenwichtsmengsel van 2-chlorovinylarseenzuur/2- chlorovinylarseenoxide als vervalproduct van de hydrolyse van Lewisiet-1. Andere indicatoren zoals Thiodiglycol (ontleding van Zwavelmosterdgas, HD) en methylfosfonzuur (hydrolyse afbraakproduct van G- en V- agentia) zijn weliswaar naar verhouding ook persistent in het veld maar ze kunnen ook ontstaan zijn bij een legitiem gebruik van chemicaliën. Het merendeel van de agentia in chemische wapen is relatief vluchtig. Om die reden kan het bemonsteren en terplekke analyseren van lucht/damp monsters tijdens een OPCW inspectie zowel belangrijke informatie voor het verificatie proces, als informatie nodig voor de veiligheid opleveren. Er is eerder aangetoond dat gebruik van Tenax absorptiemiddel in combinatie met thermische desorptie GC- MS (TD-GC-MS) tot goede analyse resultaten leidt voor CWA zowel in een installatie voor opslag en vernietiging als in de omgeving van een onderzoekslaboratorium. In dit proefschrift lag de nadruk op het verder ontwikkelen van de analysegevoeligheid van de Tenax TD-GC-MS methode en daarbij tegelijkertijd gebruik te maken van MSD scans over de volle breedte. Het gebruik maken van een full scan MSD analyse is een randvoorwaarde voor het bereiken van een ondubbelzinnige verificatie screening die gericht is op het kunnen aantonen van een zeer groot aantal chemische verbindingen.

4 Normaal worden GC-MS gegevens verwerkt door het Automated Mass Spectral Deconvolution and Identification System (AMDIS). Hierbij wordt de identiteit van de gezochte verbindingen aangetoond door de retentie index en het massa spectrum over de volledige bandbreedte te vergelijken met de databibliotheek in de OPCW Central Analytical Database (OCAD). Bij dit onderzoek moest het gebruik van zwaar en moeilijk te hanteren apparatuur zoveel mogelijk worden vermeden om de logistieke belasting op het OPCW veldlaboratorium zo laag mogelijk te houden (Hoofdstuk 3). De technische oplossing die gevonden werd is het gebruik van programmeerbare temperatuur verdamping (PTV) voor thermische desorptie aan de ingangszijde van de GC, in combinatie met een Peltier element voor de snelle afkoeling. Er werd een lucht/damp bemonsteringsbuisje geimproviseerd door een GC buis te vullen met een afgemeten hoeveelheid fijn (60/80 mesh zeeffractie) Tenax TA granulaat. De aldus geconstrueerde thermische desorptiebuis werd zo aangebracht dat desorptie al binnenin de GC- inlaat plaats kon vinden. Door het op deze manier overslaan van de secundaire focus stap die normaal bij TD buizen wordt toegepast en door de transfer tijd te verlagen (afstand ) en het dode volume te verminderen, bleek dat dat de gevoeligheid werd verhoogd. Bovendien bleek het niet meer nodig te zijn om een extern koelmiddel te gebruiken. Er werd gekozen voor een robuust maar toch draagbaare luchtbemonsteringsapparaat voor het nemen van monsters. Normaal is voor het bemonsteren van een Lewisiet 1 en 2 een voor afgaande derivatiseringsstap nodig bij een GC/MS analyse, vanwege de sterke reactiviteit en hoge corrosiviteit van deze verbindingen. Er werd een simpele en snelle derivatiseringsstap voor binnenin de buis ontwikkeld op basis van n-butaanthiol. Hiermee konden ook deze twee verbindingen in een mengsel van verschillende CW agentia opgevangen worden met een TD buisje. De methodes werden verder geoptimaliseerd door gebruik van een vloeibaar sleepmiddel. De gemeten detectie grenzen bevonden zich tussen 0,8 nanogram voor GB tot 2,9 nanogram voor VX, netto monstergewicht per TD buisje. Deze methodes werden vervolgens uitvoerig gevalideerd in veldproeven uitgevoerd met de echte CW agentia. De normale standaard monstervoorbereidingsmethode van het OPCW veld laboratorium voor vaste- en vloeistofmonsters alsook voor, veegmonsters gebruikt een nogal bewerkelijke vorm van opwerking op basis van vast-vloeistof en vloeistof-vloeistof extractie, zonodig gevolgd door een derivatiseringsstap. Voor toepassing in het veld heeft deze aanpak echter een aantal impliciete nadelen die eerder vermeld zijn aan het begin van dit hoofdstuk. Op zoek naar een beschikbare alternatieve werkwijze werd ook gezocht in de literatuur over hedendaagse micro-monstername technieken voor GC-MS (Hoofdstuk 4). Verschillende varianten van zowel vaste fase als vloeistof fase micro-extractie technieken werden beoordeeld. De selectie van meest belovende werden vervolgens uitgeprobeerd hetzij door de door OPCW geaccrediteerde Off-site laboratoria voor analyse van CW, hetzij in het eigen accreditatie Laboratorium van de OPCW. Vooral bij de meer complexe en de meer-fasen-monsters bleek echter dat geen van de tot dan toe bekende methodes robuust, of breed toepasselijk genoeg was.

5 Voor dit onderzoek werd daarom naar een nieuwe aanpak van monstervoorbereiding en -opwerking gezocht (Hoofdstuk 5). De PTV GC binnenbuis, gevuld met Tenax TA die in de voorgaande experimenten als lucht-/dampmonsternamebuis was gebruikt werd voorzien van een propje glaswol dat nu als het injectiepunt dienst deed voor vloeistof-monsters of de daarmee bereide monsterextracten. Hierdoor bleek het mogelijk om met injectie volumes tot 10 microliter per monster te werken De vloeistofmonsters werden direct in de buis geïnjecteerd. Er werd voorzichtig verhit onder een stroom van helium om water (oplosmiddel) te verwijderen en om de derivatiseringsreactie op gang te helpen. Het Tenax materiaal deed hierbij dienst als val voor de meer vluchtige/minder polaire te analyseren verbindingen; als een verzamelplaats voor de meer polaire/minder vluchtige verbindingen en als een vaste drager voor het derivatiseren van de laatstgenoemde stoffen. Deze aanpak bleek verschillende voordelen te hebben. De voornaamste waren het toekunnen met een significant kleiner monstervolume; een aanzienlijk kortere bereidingstijd van slechts minuten voor de gehele procedure; een meer robuuste bereidingsmethode voor meerfasen-matrix monsters; het kunnen blijven werken met de standaard OPCW derivatiserings reagentia en reeds gevalideerde MS spectra die al in de OPCW databank aanwezig waren; een hogere gevoeligheid; een aanzienlijke vermindering van de gegenereerde hoeveelheid gevaarlijk chemisch afval en het desalniettemin toch voldoen aan de gestelde logistieke eisen van het OPCW veldlaboratorium. Alle voordelen van de nieuwe monstervoorbereidingsmethoden werden geïntegreerd in een aantal strategieën die zijn geoptimaliseerd voor de verschillende monstertypes, inclusief lucht-/dampmonsters (Hoofdstuk 6). De methodes en strategieën werden met succes uitgeprobeerd op een aantal monsters die zorgvuldig waren gekozen om een aantal situaties te weerspiegelen die OPCW inspecteurs tijdens missies in het veld kunnen aantreffen. Het onderzoek in dit proefschrift heeft geleid tot een aantal analytische methodes en strategieën die bewezen hebben de reikwijdte en de efficiëntie van het mobiele OPCW veldlaboratorium in het veld te vergroten. De gebruikte manier van aanpak in dit onderzoek is niet alleen beperkt tot het veld van chemische wapens, maar is ook toe te passen op het type werk dat in veldlaboratoria voor forensisch- en milieuonderzoek wordt gebruikt. In Hoofdstuk 7 werden verder ontwikkelingen van de methoden en instrumentatie besproken. Ook werden er een aantal voorstellen gedaan voor concrete toepassing buiten het CWC onderszoeksbereik gedaan. De voortuitgang op het gebied van analytisch chemische instrumenten is dankzij snelle ontwikkeling van elektronica en rekenkracht, vooral gericht op miniaturisatie. Alhoewel er enkele veelbelovende ontwikkelingen zijn op het gebied van monstervoorbereiding en introductie is de verwachting dat GC-MS toch voorlopig de gouden standaard voor veld onderzoek zal blijven.