Analysis of new psychoactive substances using secondary calibrators

Visa fullständig post



Permalänk

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7393-5
Titel: Analysis of new psychoactive substances using secondary calibrators
Författare: Mesihää, Samuel
Medarbetare: Helsingfors universitet, medicinska fakulteten
Doktorandprogrammet i befolkningshälsan
Utgivare: Helsingin yliopisto
Datum: 2021-08-27
Språk: en
Permanenta länken (URI): http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7393-5
http://hdl.handle.net/10138/331662
Nivå: Doktorsavhandling (sammanläggning)
Abstrakt: Legal medicines and illegal drugs play a significant role in today’s society. The laboratory analysis of these substances is central not only in therapeutic monitoring but also in clinical and forensic toxicology, which aims to provide evidence-based information on the abuse and harmful effects of these substances. The rapid emergence of newly abused drugs known as new psychoactive substances (NPS) has challenged the conventional drug testing concept. On the European illicit drug market, approximately fifty new substances are identified each year, many of which are poorly characterized for their pharmacological effects or toxicity. Moreover, the lack of authentic primary reference standards (PRS) bottlenecks the development of analytical assays for NPS, which hinders both detection and toxicological evaluation of these drugs. High-resolution mass spectrometry (HRMS) has recently been applied to tentative identification of unknown compounds by targeting the precursor ions with high mass accuracy, resolution and speed. This capability has permitted a breakthrough in facile screening for suspected NPS, but until now, no practical method has been described for quantitative bioanalysis of NPS in the absence of PRS. In this thesis, a new analytical platform was developed and exploited for the simultaneous qualitative and quantitative analysis of NPS and metabolites without using PRS. In this platform, the gas chromatographic (GC) flow was divided between an atmospheric pressure chemical ionization - quadrupole time-of-flight mass spectrometer (APCI-QTOFMS) for tentative identification and a nitrogen chemiluminescence detector (NCD) for quantitative estimation based on the detector’s equimolar response to nitrogen-containing substances. Replacement of the ordinary electron ionization (EI) source with APCI was proven to be useful in substance identification by QTOFMS because it allowed the preservation of the precursor ion for tentative identification. The GC-APCI-QTOFMS tandem mass spectrometry (MS/MS) experiments using 29 NPS showed that all substances shared the same major fragments as in the commercial spectral library created by using liquid chromatography (LC) electrospray (ESI) MS/MS instrumentation. Consequently, these findings promote the usability of external soft-ionization compound libraries with the new GC-APCI-QTOFMS platform. The accuracy and precision of the N-equimolar quantification by GC-NCD were tested using several NPS in four separate studies using post-spiked sheep blood (n = 5), post-mortem blood (n = 38) and urine (n = 3), and in seized powdery material (n = 28). The combined results from these studies, excluding the post-spiked samples, showed that NPS could be quantified with a grand mean accuracy of 91.7% and with a grand mean imprecision (CV) of 9.5% in the absence of PRS for compensating sample preparation and analysis. In conclusion, the GC-NCD-APCI-QTOFMS platform proved feasible for analyzing suspected nitrogen-containing drugs, such as stimulant-type NPS and metabolites, in situations where appropriate reference standards are not readily accessible. Simultaneous tentative identification by HRMS and quantitative estimation by NCD has unparalleled potential for fast preliminary analysis until a certified PRS becomes available. The possibility for high-throughput retrospective identification and quantification is an additional advantage of this platform, providing a means for further research on emerging NPS.Uudet psykoaktiiviset aineet eli muuntohuumeet ovat yleistyneet 2000-luvun alkupuolelta lähtien, ja viime aikoina Euroopassa on vuosittain raportoitu noin viisikymmentä uutta huumausaineeksi luokittelematonta päihdyttävää ainetta. Muuntohuumeiden farmakologiset ominaisuudet ja toksisuus tunnetaan yleensä heikosti, minkä vuoksi niillä voi olla käyttäjälle arvaamattomia vaikutuksia. Oikeuslääketieteessä ja rikostutkinnassa muuntohuumeiden analytiikka on ollut haastavaa, sillä useimmille yhdisteille ei ole saatavilla sertifioituja vertailuaineita, jotka mahdollistaisivat näiden huumeiden havaitsemisen ja tutkimisen olemassa olevilla menetelmillä. Aiemmissa tutkimuksissa muuntohuumeiden pitoisuuksien määritys on perustunut lähes yksinomaan massaspektrometriseen vasteeseen, mikä on liian karkea lähestymistapa arvioitaessa yhdisteiden pitoisuutta ilman vertailuaineen käyttöä. Tähän mennessä tieteellisessä kirjallisuudessa ei ole esitetty käytännön laboratorioon soveltuvaa mittaustekniikkaa muuntohuumeiden pitoisuuksien määrittämiseksi veri- ja virtsanäytteistä ilman vertailuaineita. Tässä väitöstutkimuksessa muodostettiin aiemmin julkaisematon kaasukromatografiaan (GC), typen kemiluminesenssi-ilmaisimeen (NCD), ilmanpaineessa tapahtuvaan kemialliseen ionisaatioon (APCI) ja kvadrupolilentoaikamassaspektrometriaan (QTOFMS) perustuva laitteisto, jonka avulla tehtiin mahdolliseksi muuntohuumeiden kvantitatiivinen tutkiminen jo ennen kuin vertailuaine on käytettävissä. Tutkimusaineistona käytettiin uusia psykostimulantteja poliisin ja tullin jauhemaisista takavarikkonäytteistä sekä kuolemansyyn selvittämisen yhteydessä kerättyjä veri- ja virtsanäytteitä. GC-NCD-APCI-QTOFMS-tekniikassa yksittäiset aineet erotellaan kaasukromatografisesti toisistaan, minkä jälkeen kaasuvirtaus ohjataan jakoventtiilin avulla samanaikaisesti kahdelle eri ilmaisimelle. Aineiden tunnistus perustuu tarkan molekyylimassan mittaamiseen QTOFMS-tekniikalla käyttäen positiivista APCI-ionisaatiota, joka estää yhdisteiden liiallisen pilkkoutumisen ionisaation aikana. Pitoisuusmäärityksessä käytetty NCD-ilmaisin mahdollistaa ekvimolaarisen vasteensa ansiosta tuntemattomien typpeä sisältävien yhdisteiden pitoisuusmittauksen käyttämättä rakenteellisesti identtistä vertailuainetta. Väitöstutkimuksessa osoitettiin, että APCI-tekniikalla voitiin parantaa GC:n käytettävyyttä tarkan molekyylimassan mittauksessa, sillä kantayhdiste kyettiin aina havaitsemaan massaspektrometrisesti. Rakenteellisesti toisistaan eroavien muuntohuumeiden avulla tutkimuksessa osoitettiin edelleen, että kaupallisesti saatavia nestekromatografiaan ja sähkösumutusionisaatioon (LC-ESI) pohjautuvia tarkan molekyylimassan kirjastoja voidaan käyttää GC-NCD-APCI-QTOFMS-tekniikan yhteydessä, sillä GC-APCI- tekniikalla tehdyt tandemmassaspektrometriset (MS/MS) mittaukset tuottivat hyvin samankaltaisen MS/MS spektrin kuin LC-ESI-tekniikalla tehdyt mittaukset. NCD-pitoisuusmäärityksen oikeellisuutta ja toistotarkkuutta tutkittiin mittaamalla useita uusia psykostimulantteja neljässä osajulkaisussa käyttäen eri näytematriiseja ja koe-asetelmia, joilla pyrittiin peilaamaan käytännön laboratorioissa tehtäviä muuntohuumemäärityksiä. Näissä tutkimuksissa avainasemassa oli huolellinen ulkoisten kalibranttien valinta. Suoritettujen pitoisuusmittausten keskimääräinen tarkkuus oli 91,7% ja toistotarkkuuden variaatiokerroin (CV) oli 9,5 % sisältäen myös näytteenkäsittelyyn liittyvän virheen. Väitöskirjatutkimuksen soveltavassa osiossa GC-NCD-APCI-QTOFMS-tekniikkaa hyödynnettiin uutena analyyttisena työkaluna ilman vertailuaineiden tarvetta seuraavissa erityyppisissä forensisten tieteiden ongelmissa: 1) takavarikoitujen huumeiden puhtausmääritys, 2) uusien psykostimulanttien samanaikainen seulonta ja kvantitatiivinen analyysi post-mortem verestä, ja 3) muuntohuumeen aineenvaihdunnan tutkiminen virtsan metaboliittien analyysin perusteella. Mahdollisuus saada nopeasti kvantitatiivista tietoa ilman vertailuaineita voi avata ovia tuleville tutkimuksille paitsi forensisissa tieteissä, myös muiden alojen piirissä, kuten esimerkiksi metabolomiikassa, ympäristöanalytiikassa tai biomarkkereiden tutkimuksessa.
Subject: oikeuslääketiede
Licens: Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden.


Filer under denna titel

Totalt antal nerladdningar: Laddar...

Filer Storlek Format Granska
mesihää_samuel_dissertation_2021.pdf 3.798Mb PDF Granska/Öppna

Detta dokument registreras i samling:

Visa fullständig post