STUDY ON GC SEPARATION AND MASS SPECTRAL DETECTION ... · 2Sofia University, Faculty of Chemistry,...

10
Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 44, 4, 2009, 379-388 STUDY ON GC SEPARATION AND MASS SPECTRAL DETECTION/FRAGMENTATION OF DIALKYLPHOSPHATES AS THEIR PENTAFLUOROBENZYL DERIVATIVES V . Bardarov 1 , V. Atanasov 2 1 Military Medical Academy, Toxicochemical Laboratory 1606 Sofia, 3 Georgi Sofiisky boul., Bulgaria E-mail: [email protected] 2 Sofia University, Faculty of Chemistry, Department of Analytical Chemistry, Laboratory of Biocoordination and Bioanalytical Chemistry, Sofia, Bulgaria ABSTRACT Dialkylphosphates (DAPs) the hydrolytic metabolites of organophosphates- are measured in urin as biomarkers of phosphoric esters and their presence shows the exposition to phosphoric pesticides. One of the most often used technique for their analysis is GC after derivatization (pentafluorobenzylation). Providing a higher velue of reliability, mass detection is preferable. A comparison of three convenient GC columns for separation of pentafluorobenzyl deriva- tives of DAPs (5% phenyl-, 17% cianopropyl-phenyl- and 35% phenyl-polidimethylsiloxane), is demonstrated in the present work, showing a better separation with the last one. The mass spectral positive and negative ion fragmentation and the influence of ionization energy on fragmentation is studied as well. Semi high resolution mass spectra of 6 DAPs are obtained for confirmation of the suggested structures of fragments ion s. A table with fragment ions in the mass spectra of DAPs derivatives allows to choose the most convenient fragment ions for selective mass detection and is a base for identification in the course of GC/MS dialkylphosphates analysis. Keywords: Dialkylphosphates, Pentafluorobenzyl derivatives, Mass spectral fragmentation, GC/MS Received 05 May 2009 Accepted 12 October 2009 INTRODUCTION Organophosphates (OPs) are compounds of a wide practical interest and usage. They have been used as plasticizers which are already limited. They are widely used as very effective insecticides, and some of them are known as one of the most dangerous warfare chemi- cals. The high acute toxicity of OPs and the data about their delayed health effects (organophosphate induced delay neuropathy, OPIDN [1-3]), require their moni- toring in workfield, in the environment and mainly of the exposure of workers occupied in their production/ application, and of the population as well. However, the monitoring of exposure to OPs via determination of unchanged compounds leads to complications, due to their variety, fast degradation/biotransformation and irreversible binding to biomolecules. A convenient way for exposure to OPs monitoring is determination of their hydrolytic metabolites - dialkylphosphates (DAPs), which are assumed as biomarkers for most of organophosphorous pesticides in use [4-7]. Their simul- taneous determination in urine is an attractive possibil- ity as an universal method for measurement of expo- sure to any of wide range of phosphorous insecticides

Transcript of STUDY ON GC SEPARATION AND MASS SPECTRAL DETECTION ... · 2Sofia University, Faculty of Chemistry,...

Page 1: STUDY ON GC SEPARATION AND MASS SPECTRAL DETECTION ... · 2Sofia University, Faculty of Chemistry, Department of Analytical Chemistry, Laboratory of Biocoordination and Bioanalytical

V. Bardarov, V. Atanasov

379

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 44, 4, 2009, 379-388

STUDY ON GC SEPARATION AND MASS SPECTRALDETECTION/FRAGMENTATION OF DIALKYLPHOSPHATES

AS THEIR PENTAFLUOROBENZYL DERIVATIVES

V. Bardarov1, V. Atanasov2

1Military Medical Academy, Toxicochemical Laboratory

1606 Sofia, 3 Georgi Sofiisky boul., Bulgaria

E-mail: [email protected]

2Sofia University, Faculty of Chemistry,

Department of Analytical Chemistry,

Laboratory of Biocoordination

and Bioanalytical Chemistry,

Sofia, Bulgaria

ABSTRACT

�������������� ����� � ��� ��������� ��������� � ������������ ��� ������� �� ���� � ��������

� ������� ���� ��� ����� ������� �� ��� ������� � ������� ��������� �� � ��� �� ���� ���

������!�� �� ����� ������ � "# ����� ����$���%���� �������������%�������� ��$����� � ������ $���� � �����������&

�� �������� � ����������� � ������� � ����� ��$������ "# ����� �� �������� � ������������%�� ����$��

��$� � ��� �'( �������& )*( ����������������� ��� +'( �������������������������& � ���������� �� ���

������ ���& ����� � ������ �������� ���� ��� ��� ��� ,�� �� ������� ����$� ��� ������$� �� ������������ ���

��� ��������� � ���%���� ������ � ������������ � ������ � ����� -��� ���� ������� �� ������ � . ��� ���

������� �� ���������� � ��� ������� �������� � �������� �� � � ����� ���� �������� �� �� ��� �� ������ �

���/ ����$���$� ���� � ��� ��� �� ��$������ �������� �� �� ������$� �� �������� ��� � � ��� ��

������������� �� ��� ���� � "#01- �������������� �������

2�����3 ��������������& ������������%�� ����$���$�& 1� ������� ������������& "#01-

Received 05 May 2009

Accepted 12 October 2009

INTRODUCTION

�������������� ���� ���� ������������ �

������������������������������������������������

�����������������������������������������������������

�������������������� �������������������������

�����������������������������������������������

��������������������!��������������������������

������������������������� ���������������������

�������������������"#$�%& '(�����)��������������

��������������������������������������������������

����!������������������������������������������*

������������������� ���������������������+�������

�����������������!��������������������������

����������������������������������������������

����������������������������*������������������

�����������������������������������,��������������

�����!������������������������������������������

������������������� � ��������������� #,���

������ ���� ������ �� ���������� ���� ��� ��

������������������������������%- .(������������

����������������������������������������������

�����������������������������������������!��

����������������������������������������������

Page 2: STUDY ON GC SEPARATION AND MASS SPECTRAL DETECTION ... · 2Sofia University, Faculty of Chemistry, Department of Analytical Chemistry, Laboratory of Biocoordination and Bioanalytical

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 44, 4, 2009

380

%/ &'(��������������������������#,�������������

�������������&01/�%&-(������������������������

���� ���� ��������������������������������� ����

���������������������������������������������������

���������������������������������������� %/

&&�&1(��"����������������������������������#,�

������������������������������������� �23��������

�������������������������������� ��������45����

���� %1 .�0 &&(�� 6����������������� ���76 ����

����������������������������������������������������!

����� ���� �������� �� ��������� �������� ����������

%1�.�&8�&1�&9(��+������������������ ������� �����

����������23 ��������������#,����������������

������"������������������������������������45

�������������23 ��������������������������������

���������������������������������������������9

�23��������������#,��������������������������

�����������������

������������� �������

#������������������������������������

���������������������:�,;

����������������� ����������� �������� ����

,�������;

,��������������������������������!�� &/

����� 9��������������������������������������

�����7����;

#�������������������������������� #7�

�23����������������������������������� #:� �23��

�������� ����������������� ����������� #7��

�23��� �������� ����������������� �������������

#7#�� �23��� ������� ����������������

������������ #:�� �23�� ���� ������

����������������� �������������� #:#�� �23��

���������������������������������������������

���� ����������������� �������� ��� ������� ��

����������������������������������������������

���� �������!�� &/ ����� 9� �� ����� ������������� ��

��������������+�<5����������� ��� ���������� ��

������� ��� %&1(;

��������� �'=���!�=�81����"#�!�=�81�>������

�������1�?������� 01�?���������������!���� @2

176���������������������������������@������

��������A�1=���!�=�81����"#�=�81�B������

�������&.�?������������� �/'�?���������������!���

����� &.=&���������������������������������7������

$���������

�������� �'=���!�=�81����=�81�B�����������

�������������'1�?��������91�?���������������!���

+� '176���������������������������������,������

�������������������������������������������������

���������������������������������������������

�����;

��������� �'=���!�=�'8����"#��=�81�B������

�������1�?�������� �01�?���������������!���� #3 1�

�������������������������� �����C������������ ��

�������������������������������������������

������������������������45����������������������

�����������������������������

��� ����������������������

,��������45��������� �������2������������

��� ����������� 66"�������������������������������

��������#6D� �������2���������������)�����������

������������������ �����������������������������

�����������������������45����������������������

���������������������������������1= -==��*��

,��,������9/0= ����45�������������66"

��������������������������������7,���01�E�� ������

2������������������������������������������

������������ ��� �������� ������������ ��������

������������������������������&'= '.=��*�����

�����������������������������������������

RESULTS AND DISCUSSION

������ � ����

�����!���������������������� :"5�����*�

&/&� ������ �������� �������� ����� ��� ������ ����

����������&�B����!������������������������������

������ �23��������������#,���������������������

& 8�B�*�����������������66"�����������������������

����������2����&����������������������F������������

���������� �������������� ������ ���������������

#7#�� �23��!�������������������������������

������������������������������#7#�� �23����

��� ������� ����� ����� �� �� ���� ���� ���������� ��

������F����������������������������������������

��������������������#7� �23�����������������

�����������������������������������������������

�������������������������������������&�

Page 3: STUDY ON GC SEPARATION AND MASS SPECTRAL DETECTION ... · 2Sofia University, Faculty of Chemistry, Department of Analytical Chemistry, Laboratory of Biocoordination and Bioanalytical

V. Bardarov, V. Atanasov

381

�������

���

����������

���������

����

�����������

������

����

������

������������

���

��������

������������ ����

����������������

������!��������

������������������

"� #$����������!���������%���� ��&#'#()� "*+)� '*,'�

(� ")$������������������

����!���������%����

����(""--+&� "*'(� "*#&�

+� +#$����������!���������%���� ����"+-"#&'� "*'-� .*''�

������&��5��������������������������23��������������#,�����'��������

Fig. 1. Chromatograms of 1 µl hexane solution of PFB-derivatives of DAPs in concentration of 1÷2 µl each component,obtained with column 1 (c), with column 2 (b) and with column 3 (a) after splitless introduction and temperature programmedseparation starting from 60oC up to 290oC

Page 4: STUDY ON GC SEPARATION AND MASS SPECTRAL DETECTION ... · 2Sofia University, Faculty of Chemistry, Department of Analytical Chemistry, Laboratory of Biocoordination and Bioanalytical

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 44, 4, 2009

382

�������� �������� ���� ������� ����������� ���

�������8������������'� �����������������)����������F

�������������� �� ����� ���� ��� ���� �������&�����

������������ �����������8������������'� ������

���� ��� ��� �������&� �������� ��� ��� �����������

�������'� ������������ ����������� ����������� �

����������������������������������������������

��������������������������23��������������#,��

� ��������� ������������� �������������� ��

� ������������� ����

������������������������������������������

������������������������������������������

�����������������������������.=��@������45������

��������������������������8���������������������

��������������&'=��*�����������������������������

���������������������������������G=�'��*������

�������������������������������*��H&'=��������

�������������������������������������������

������������G�=�=1��*�������,������������������

�������� ������� ��� ����� 1?� ������� ���� ����

�����������������������������������������������

�����������������������������������������������

��������������������������������������������������

������������������������������������������������

�������������������-�

������������ �������� ������� ��� ���������

������������������������������������������������

������������������������������������������

�����������������������������'�

������� �������������� ���� �����������

���������������������������������23 ��������������

����������������� ���� ��������������� ���������

��������������������������������������23������

�������������������5 ������������5 6�����������

�������������������������������������������������

�������������������������������� ��������������

���� 8=� ��������� 8�� �� ��� �������� ���� ��� �����

����������������������������������������������

��������������������+2��������������������������

������������������88�����������8���,����������

�������������������23����������������������I�����

�������J����������������������������������������

������6 �������������������������������������

&9�����&.� �����#7� �23�����#:� �23������&-����

&1� �����#:�� �23�������������������,����������

�����������������������������#7� �23����������

������������������������������&&��"����������

����#7� �23�������������������

���������������������������������������'�

����I����������������J���������23���������������

����������������������������������������������

��������������������������76����������������

6�������������������������������������23

�������#,������������������C������������������

������F�������������������8���������K

#456 #4

5 ����������3

-�A�/�A�0� ����#:�������8�A�9�� ����#:���;

4 � ��������3

������������������� $��-.��������������

�������#7� �23������������������+ �����������

�������������������������� $��.���������������"�

���������������������������������������������#7�

�23��������������������������������������������

76������������#7� �23�

#4+� ��������3

����������������������&'� �����#7�� �23�

����&.� �����#7� �23�����#:� ��23�� ����������

�������5+'� ����������"�����������������������

����&=� ������������#:�� �23���&8� ������������#:�

�23�������88�� �������������������I�������������J

�������

�� � & �� �- ��� ��-�- �����%����K

"�� ��� ������ ��� � ��������� ��� ����5 �� ���

�������5 6��������������������������������������

������� ������������������ ��������� ��� �������

������� '1�� 89�� 8/�� 8&�� 8'�� 8-� ���� &0� ����������

�����#7� �23��#:� �23��#7�� �23��#:� �23�

#:����#7#�� �23�����#:#�� �23����������������

���� ���� 8&� ����&0� ���� �������� ����#:�� �23����

#:#�� �23�������������������������������������

�������������������������������������������

���������8������������������������������

CONCLUSIONS

���� ������������� ����� �� ������� ������

������������45��������������23 �������������#,��

����������� �������� ������� �� ����������� ������

��������������!���� ��������� ����� '1?�������

��������������!��������������������������������

�����������������������������������������������

Page 5: STUDY ON GC SEPARATION AND MASS SPECTRAL DETECTION ... · 2Sofia University, Faculty of Chemistry, Department of Analytical Chemistry, Laboratory of Biocoordination and Bioanalytical

V. Bardarov, V. Atanasov

383

������8���:!�����������������������������������23��������������#,�����������.=��@��������

�������������������������������������������������������

Mother compound

Mass number measured

[m/z] and relative intensity

Mass number calculated

[m/z]

Supposed structure of positive fragment ions

[m/z]

Ion structure number

1 2 3 7 * 8

DEDTP 365.984 (25%) 365.994 � � �

����

����

1

DETP 350.011 (18%) 350.016 � � � �

�����

����� 2

DMDTP 337,957 (21%) 337.962 � � �

� ��

���

3

DEP 334.028 (5%) 334.039 � � �

�����

�����

4

DMTP 321.987 (5%) 321.985

� � �

���

���

5

DETP 321.987 (5%) 321.985

� � �

����

��

6

DMP 306.038 (25%) 306.008

� � �

���

���

7

DEP

306.010 (5%) 306.008

� � �

�����

��

8

DEP 277.979 (7%)

277.977 � � �

��

��

9

DETP 273.962 (6%) 273.948

� � �

� �

� �

10

DMP 266.003 (5%) 265.996

11

DEP

257.975 (26%) 257.971

��

� � �

��

�� 12

DMTP

228.022 (18%) 228.003

� � ��

13

DETP

213.003

(12%)

212.980

��

��

14

Page 6: STUDY ON GC SEPARATION AND MASS SPECTRAL DETECTION ... · 2Sofia University, Faculty of Chemistry, Department of Analytical Chemistry, Laboratory of Biocoordination and Bioanalytical

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 44, 4, 2009

384

��

�� �� ����

��

������� ��

��������� ��� ��

��

���

����

���

� �� ��

������

� �� ��

������

� ����������

��

���

����

���

� ������

������

� ������

������

� ������

��

���

���

���

����

�������

� ���

�������� ���

��

�������

��������

�������

��

����

�������� ��

������

���� ��

��

�����

�����

��

�����

����� �

� �

����

���

����

���

�����

����

���� ��

�������

���� ��

�������

���� �

�������

��������

�������

��������

�������

��������

�������

���������

���

��

���

����� �����

�������� ��� � �

�����

�����

��

�����

�����

��

�����

����� �

���

����

���

����

���

�����

����

��������

������

��������

�����

��������

�����

��������

������

��������

����

��������

�����

��

���������

��

���

���

���� ��

������

���� �������

���

�����

���

����

����

�������

���������� ��� �

��

�����

����

�����

����

����

����

������������

������

��������

�������

�����

��

����

�����������

��������������

������

������� �

���

������������

�������������� ��

�����

����� ����

�������� ��

���������� ���

����

���� ���

DMDTP

Page 7: STUDY ON GC SEPARATION AND MASS SPECTRAL DETECTION ... · 2Sofia University, Faculty of Chemistry, Department of Analytical Chemistry, Laboratory of Biocoordination and Bioanalytical

V. Bardarov, V. Atanasov

385

��

�� �� ����

��

�����������

���������� ��� �

�����

��

� �� �

�������� ��

���������� ��� � �����

�� ����

�����������

�������������� �

�����

�����

��

����

�������� �

���������� ��� ����

����

��

���

���

���

����

�������� �

�� ������� ��� �

��� ����

������� �

���������� ��� �

���� �

���

����������

����������� ��� �

����

����

���������

�������������� �

��

�����

��

�����

���

�����

�� ����

����������

��������� ��� �

���

���

����

�������

������

���� �����������

� �������

�����/�(0#� �

���

��������� �

���������� ��� �

���

���� �

���

����

�� �

�����������

���������� ��� �

���

����� ����

�����������

�������������� ������ ����� � ���

��������� �

��������� ��� �

��

���

��

��

���

��

��

���

����

��������� �

�� ������� ��� �

�����

��

����

����

����

����

������

�����

���� �

������

���� ���

�����

��

� ����

��������� �

���������� ��� �

� �

��

� �

��

� �

����

����

����

������

�����

������

������

���� ����

���

� ���

����

����������

���������������

����

���

��

����

�������� �

�� ����������� �

�����

�����

���

�������� �

�������� �����

����

���

�� �

���

���

���� �

�����

���� �

������

�� �����

���������

����

������� �

���������� ��� ��� ����� �

���

Page 8: STUDY ON GC SEPARATION AND MASS SPECTRAL DETECTION ... · 2Sofia University, Faculty of Chemistry, Department of Analytical Chemistry, Laboratory of Biocoordination and Bioanalytical

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 44, 4, 2009

386

��

��� �� ��

����

����

���

�� �

�����

�� �

������

�� ���

��

��� ��

�� ����

�����

�����

�� �

������

�� �

������

�� �����

����

��

����

�����

��

����

����

���� �� �

�� ���� �� �� �

���

�� ��

���

��

����

���

���

����

�� �

������

�� �

������

����

������

������

��� ����� ��

���

��� ����

������� �� ��

� ������

����

���

���

��� �

������

��� �

������

�� �����

����� �

���

���

�����

��� �

�� ���

��� �

�����

��� ��� ��� �� � ���� �

���

����

���

��� �

�����

��� �

������

��� ���

��

���� �

� �

����� � �

�������� � ���

� ��

� �

���

����

����

��� �

������

�����

�� ���

��� � � ���

���

���

��

���

����������

��������� �� � ����� �

���

���

����

�����

������

�����

������

��� � � � ���� ��

���

���

* R =

���

Page 9: STUDY ON GC SEPARATION AND MASS SPECTRAL DETECTION ... · 2Sofia University, Faculty of Chemistry, Department of Analytical Chemistry, Laboratory of Biocoordination and Bioanalytical

V. Bardarov, V. Atanasov

387

������'��:!�����������������������������������23��������������#,�����������.=��@

����������������������������������������������������������������

��������� � ������

2��3�45�

�67�+'&�3$5�

�67�","�3$5�

�67�""'�3$5�

2��3�45�

�67�++.�3$5�

�67�","�3$5�

�67�(#,�3$5�

('� '� (� "''� ('� .� ")� +&�

.'� "&� &+� "''� .'� .� "''� ()�

)'� (#� #+� "''� )'� .� "''� (&�

-'� (#� ),� "''� -'� .� "''� (.�

� �

��������� � �������

2��3�45�

�67�+((�3$5�

�67�","�3$5�

�67�((,�3$5�

2��3�45�

�67�+#'�35$5�

�67�","�3$5�

�67�"+,�3$5�

('� ""� #+� "''� ('� +,� &� "''�

.'� +� "''� ('� .'� ('� "''� #&�

)'� +� "''� ",� )'� ")� "''� .&�

-'� +� "''� "-� -'� ('� "''� +.�

���������� � ��������

2��3�45�

�67�++,�3$5�

�67�","�3$5�

�67�"(&�$�

2��3�45�

�67�+&&�3$5�

�67�","�3$5�

�67�",#�3$5�

('� #)� ('� "''� ('� .'� (� "''�

.'� "-� "''� .-� .'� (.� "''� )'�

)'� ("� "''� .'� )'� (#� "''� )'�

-'� ('� "''� +.� -'� (#� "''� &)�

������-��"������������������������������������ :"����������������������� �������������

�������������������������������������������������23��������������#,�

Mother compound

Mass number masured

[m/z] (relative intensity)

Mass number calculated

[m/z]

Supposed structure of negative fragment ions

[m/z]

Ion

structure number

DMF 125.0

(100%) 125.000 � � �

���

���

64

DEF 153.0

(100%) 153.032 � � �

�����

����

65

DMTF 140.9

(100%) 140.978

� �

� ��

� ��

66

DETF 168.9

(100%) 169.009

� �

�� �� �

�� �� �

67

DMDTF 156.9

(100%) 156,955 � �

���

���

68

DEDTF 184.9

(100%) 184.986 � �

�� ���

�� ���

79

Page 10: STUDY ON GC SEPARATION AND MASS SPECTRAL DETECTION ... · 2Sofia University, Faculty of Chemistry, Department of Analytical Chemistry, Laboratory of Biocoordination and Bioanalytical

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 44, 4, 2009

388

9���5��,������7��6�������7�����$��������<��<��������

$��3������:��������+���������������!"#�9��8===�

18& 181�

.��#��3��3�����C��3������4��L�����������<��7��5���������

C��#�L����������M����,�����������6�����5��������6�

:��6��������M��<����������:��M��6�������C��M��M������

<��<��$��������:��������+������������������8�

8==-�� &/9 8==�

/��7�����6�������+��2��:����M��,������2����5�������$��9�

&090�� &&/9�

0��6��M��C�����C�C��L���M��,�������!�������%��&0/&�

&89 &'8�

&=��@��3���������7��7������M��5������������&��&0/0�

8'' 8-&�

&&���5��,������4��6������������6����������:��#��������C�

,�����:��6���������� "���,�������������:�������

+������&&��1��&00-��''' ''/�

&8��C��3������L�M��#��������C�#�M���L���������<�<�

$��������#�3��3����� M��,�������!�������&�� 8==8�

8-1 818�

&'��2�L���������M��:��5������,�����5������!��&01/�

&988�

&-��@��3�������������#��������7�������7�������,���

�����6������8==0�

&1��M��N�������"��6�����7��O���P��������$���P�����7�

4��������6�������:��6����������O������O���������

O��7�������� M�� ��������� M��5���������� 3�

,���������������<����6�����"��&��8==9��1/ 99�

����������������������������45�������������

���������������������������������������������

�������������������������������������������������

�������������������������������������������

������������������������������������������������

��������23��������#,���������������������76���

�������������������������������������������������

������������������������23�������������������45

�������������76������������������������������

�����������������������������!���������������

�������������������������������������

REFERENCES

&��7��O��M�������������������������������������

�������������������� ���K�7�����������

�����������5����C������!����������&0.1��8/0 '&9�

8��C��M��C����������$�����!���������������"��:���

��������������!���������L�!���������:����6���#�����

,���������������&00/��'/1 '/0�

'��4��7���������@��7�����������������������������

#�������$�����!������,��7������5��#��������:��

7��������������������������������������� �����

����������������������������������6������N����

���6���������3���������8==1��8.& '=8�

-��<��:��6��M����M����#��M��<�����M��,�����2����5����

�&��&��&09/��-/�

1��M��+������M��,��������M��,�������!����������/��8===�

9./ 9/-�