Çevresel numunelerde kimyasal savaş ajanlarının belirlenmesine yönelik pratik ve çok yönlü GC-tabanlı bir yaklaşım

GİRİŞ ve AMAÇ: Minimal laboratuvar imkanlarıyla, çevresel bir numunede sinir ajanı tipi bir kimyasal savaş ajanı kullanımının doğrulanmasını sağlayacak basit ve sistematik bir analitik yaklaşım geliştirmek. Bu çalışma, tek bir gaz kromatografisi–kütle spektrometrisi (GC-MS) cihazında hem kütle spektrometrisi hem de alev fotometrik tespit işlevlerini kullanarak bir toprak numunesinde Sarin’e ilişkin bileşikleri belirlemeyi ve böylece sınırlı cihazla Kimyasal Silahların Yasaklanması Teşkilatı’nın (KSYT) kimyasal savaş ajanı doğrulama kriterlerini karşılamayı hedeflemiştir.
YÖNTEM ve GEREÇLER: Sarine ilişkin bileşikleri içeren toprak numunesine basit bir ekstraksiyon protokolü uygulanmıştır: polar olmayan bileşenler diklorometan ile, polar bileşenler ise su ile ekstrakte edilmiş ve asidik bozunma ürünlerini saptamak amacıyla türevlendirilmiştir. Analizler, elektron iyonizasyonu (EI) ve kimyasal iyonizasyon (CI) modlarında çalışan bir GC-MS cihazında gerçekleştirilmiş; aynı cihazın çift alev fotometrik dedektörü (dFPD) ile eşzamanlı tespit yapılmıştır. Sarin’in bozunma ürünleri, izopropil metilfosfonik asit (IMPA) ve metilfosfonik asit (MPA) ile bir öncül/safsızlık olan diizopropil metilfosfonat (DIMP), referans standartların alıkonma zamanları ve karakteristik kütle spektrumları karşılaştırılarak KSYT kriterlerine uygun şekilde tanımlanmıştır.
BULGULAR: IMPA, MPA ve DIMP, toprak örneğinde başarıyla tespit edilmiştir. Tüm hedef bileşikler, EI modundaki kütle spektrumlarıyla kimliklendirilmiş ve CI modunda karakteristik adüktler gözlemlenerek ve fosfor-seçici FPD kanalındaki belirgin piklerle doğrulanmıştır. Boş numune analizlerde hedef bileşiklere ait bir girişim gözlenmemiştir. Her bir bileşiğin EI spektrumuna ait kütüphane eşleşme skorları, OPCW’nin raporlama eşiğinin üzerinde bulunmuştur (> 900/999).
TARTIŞMA ve SONUÇ: Bu çalışma, tek bir GC-MS/dFPD cihazında birden fazla tespit prensibi kullanılarak kimyasal savaş ajanı kullanımının güvenilir biçimde doğrulanabileceğini göstermektedir. Maliyet ve kaynak açısından verimli bu yaklaşım, uluslararası doğrulama gerekliliklerini karşılamakta ve cihaz olanakları kısıtlı laboratuvarlarda kimyasal savaş ajanlarının analizini kolaylaştırabilmektedir. Yöntem, bağımsız doğrulamalarla kanıt güvenirliğini artırır ve çevresel numunelere geniş ölçekte uygulanabilir.

Anahtar Kelimeler: Kimyasal savaş ajanları, gaz kromatografisi–kütle spektrometrisi, çift alev fotometrik dedektör, sinir ajaları, toprak numuneleri

A practical and multi-modal GC-based strategy for the verification of chemical warfare agents in environmental samples

INTRODUCTION: To demonstrate a straightforward analytical approach for confirming the use of a nerve agent chemical warfare agent in an environmental sample using minimal laboratory resources. This study aimed to identify Sarin-related compounds in a soil sample using both mass spectrometry and flame photometric detection functions on a single gas chromatography–mass spectrometry (GC-MS) device, thereby meeting the Organization for the Prohibition of Chemical Weapons (OPCW) criteria for chemical warfare agent confirmation with limited instrumentation.
METHODS: A simple extraction protocol was applied to the soil sample containing compounds related to sarin: non-polar components were extracted with dichloromethane, while polar components were extracted with water and then derivatized to detect acidic degradation products. Analyses were performed on a GC-MS instrument operated in both electron ionization (EI) and chemical ionization (CI) modes, coupled to a dual flame photometric detector (dFPD) for simultaneous detection. The degradation products of sarin, isopropyl methylphosphonic acid (IMPA) and methylphosphonic acid (MPA), and a precursor/impurity, diisopropyl methylphosphonate (DIMP), were identified by comparing the retention times and characteristic mass spectra of reference standards, in accordance with OPCW criteria.
RESULTS: IMPA, MPA and DIMP were successfully detected in the soil sample. All target compounds were unambiguously identified by their EI mass spectra and further confirmed by CI (observing characteristic adducts) and by distinct peaks on the phosphorus-selective FPD channel. No interfering compounds were observed in blank samples. The library match scores for each compound’s EI spectrum exceeded OPCW’s reporting threshold (>900/999).
DISCUSSION AND CONCLUSION: This study demonstrates that evidence of chemical warfare agent use can be reliably confirmed using a single GC-MS/dFPD instrument by leveraging multiple detection principles on one platform. The resource-efficient approach met international verification requirements and can facilitate CWA analysis in laboratories with limited instrumentation. The method strengthens evidentiary confidence through independent confirmations and is broadly applicable to environmental samples.

Keywords: Chemical warfare agents, gas chromatography-mass spectrometry, dual-flame photometric detector, nerve agents, soil samples