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Analytik

Reaktionsverfolgung mittels 1H-31P HSQC NMR-Spektroskopie

HSQC-Spektren des Abbaus von Cyclosarin1D 1H-31P HSQC-Spektren des Abbaus von Cyclosarin

Eine neue Veröffentlichung in der Zeitschrift Analytical and Bioanalytical Chemistry beschreibt die Anwendung von 1H-31P HSQC NMR-Spektroskopie zur Verfolgung des Abbaus von hochtoxischen Organophosphorverbindungen durch das Enzym DFPase. Die Methode eignet sich für Methylphosphonate zu denen die Nerkenkampfstoffe Sarin (GB), Soman (GD), Cyclosarin (GF) aber auch VX gehören. Die Bestimmungsgrenze der Methode liegt bei ca. 100 μM bei Verwendung eines 400 MHz NMR-Spektrometers. Die Arbeit beruht auf vorgegangenen Arbeiten von Koskela et al. (Koskela et al., Anal. Chem. 2007; 79:9098-9106), die die Methode zum Nachweis von Kampfstoffen und Hydrolyseprodukten in komplexen Dekontaminationslösungen verwendet haben. Wir konnten nun zeigen, dass das Verfahren nicht nur für den statischen Fall, sondern auch für die dynamische Reaktionsverfolgung geeignet ist.

Von besonderem Interesse ist die Methode für die Reaktionsverfolgung in komplexen Medien. So konnte am Beispiel in bi-kontinuierlichen Mikroemulsion auf der Basis von Biodiesel gezeigt werden, dass auch in mehrphasigen Systemen eine Verfolgung der Reaktion möglich ist. Andere Verfahren wie z.B. die pH-stat Titration oder fluoridsensititive Elektroden versagen hier gewöhnlich.

Monitoring the hydrolysis of toxic organophosphonate nerve agents in aqueous buffer and in bicontinuous microemulsions by use of disopropyl fluorophosphatase (DFPase) with 1H-31P HSQC NMR spectroscopy.
Gäb J, Melzer M, Kehe K, Wellert S, Hellweg T, Blum MM.
Anal. Bioanal. Chem. 2009;396(3):1213-1221.
http://dx.doi.org/10.1007/s00216-009-3299-2

Abstract:
The enzyme diisopropyl fluorophosphatase (DFPase, EC 3.1.8.2) from the squid Loligo vulgaris effectively catalyzes the hydrolysis of diisopropyl fluorophosphate (DFP) and a number of organophosphorus nerve agents, including sarin, soman, cyclosarin, and tabun. Until now, determination of kinetic data has been achieved by use of techniques such as pH-stat titration, ion-selective electrodes, and a recently introduced method based on in situ Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy. We report the use of 1D 1H-31P HSQC NMR spectroscopy as a new method for real-time quantification of the hydrolysis of toxic organophosphonates by DFPase. The method is demonstrated for the agents sarin (GB), soman (GD), and cyclosarin (GD) but can also be used for V-type nerve agents, for example VX. Besides buffered aqueous solutions the method was used to determine enzymatic activities in a biodiesel-based bicontinuous microemulsion that serves as an example of complex decontamination media, for which other established techniques often fail. The method is non-invasive and requires only limited manual handling of small volumes of liquid (700 μl), which adds to work safety when handling highly toxic organophosphorus compounds. Limits of detection are slightly below 100 μM on a 400 MHz spectrometer with 16 FIDs added for a single time frame. The method is not restricted to DFPase but can be used with other phosphotriesterases, for example paraxonase (PON), and even reactive chemicals, for example oximes and other nucleophiles, as long as the reaction components are compatible with the NMR experiment.

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