Een methode voor het soort identificatie van botanische materiaal door directe analyse in real time-hoge resolutie massaspectrometrie en multivariate statistische analyse wordt gepresenteerd.
We laten zien dat directe analyse realtime-hoge resolutie massaspectrometrie kan worden gebruikt om massaspectrale profielen van botanische materiaal te produceren en dat deze chemische vingerafdrukken worden gebruikt voor plantensoorten identificatie. De massaspectrale gegevens kunnen snel en op een high throughput wijze worden verkregen zonder de noodzaak voor monstername, derivatisering of pH aanpassingsstappen. Het gebruik van deze techniek omzeilt uitdagingen van meer conventionele technieken, waaronder lange chromatografie analyse tijden en resource-intensieve methoden. De high throughput capaciteit van de directe analyse van real time-hoge resolutie massaspectrometrie protocol, gekoppeld aan multivariate statistische analyse verwerking van de gegevens, bieden niet alleen klasse karakterisering van planten, maar ook soorten en variëteiten informatie opleveren. Hier wordt de techniek gedemonstreerd met twee psychoactieve plantaardige producten, Mitragyna speciosa (kratom) en Datura(Jimsonweed), die werden onderworpen aan directe analyse realtime-hoge resolutie massaspectrometrie gevolgd door statistische analyse verwerking van de massaspectrale gegevens. De toepassing van deze instrumenten in tandem kon de plantenmaterialen snel worden geïdentificeerd op het niveau van variatie en soorten.
Voor millennia, hebben psychoactieve natuurlijke producten gebruikt in sjamanistische rituelen, misbruikt voor hun geestverruimende attributen en verbruikt voor hun geneeskrachtige eigenschappen. De inname van deze planten en verwante plantaardige stoffen kunnen significant in gebieden waar zij endemisch zijn, en ze hebben sociale en economische belang. Onlangs is er echter een dramatische toename van het gebruik van deze "natuurlijke" middelen als gevolg van het gemak van bereikbaarheid via het internet handel. De perceptie dat deze stoffen veilig te gebruiken, in combinatie met een verhoogde hardhandig optreden tegen het bezit en het gebruik van meer traditionele drugs en synthetische stoffen, hebben bijgedragen aan de piek in de misbruik van plantaardige drugs. Het is algemeen moeilijk door visualisatie onderscheid tussen deze produkten en onschadelijk plantmateriaal, en daarom is er belangstelling voor de ontwikkeling methoden die kunnen worden gebruikt wijzen op dergelijke producten. Echter, conventionele analysemethoden voor de plantaardigesoortidentificatie zijn tijdrovend en onpraktisch om te presteren. Bovendien zijn de methoden ontwikkelingsproces is tijd en arbeidsintensief. Deze factoren hebben het vervaardigen van de wetgeving aan te beteugelen van het gebruik van deze stoffen ver achter het tempo van de escalatie in hun misbruik gemaakt. Zo zijn er weinig wetten die reguleren van de productie, vervaardiging, verkoop en consumptie van veel van deze natuurlijke psychoactieve en als zodanig, zijn er honderden planten van mishandeling beschikbaar voor gebruikers in duizenden verschillende vormen. 1,2
Twee van dergelijke plantaardige drugs zijn Mitragyna speciosa, algemeen bekend als Kratom en planten uit het geslacht Datura, namelijk D. stramonium, D. Ferox en D. inoxia. Kratom en Datura zijn ongepland in de Verenigde Staten, maar de Drug Enforcement Administration heeft zowel beursgenoteerde als drugs van zorg. 3,4 Kratom wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van de psychoactieve verbindingen mitragynine eennd 7-HydroHydroxyMitragynine, evenals andere niet-psychoactieve alkaloïden waaronder mitraphylline, paynantheine, corynoxeine en rhynchophylline. 08/04 De psychoactieve eigenschappen van Datura spp. worden toegeschreven aan atropine en scopolamine, maar een verscheidenheid aan andere tropane alkaloïden zijn geïdentificeerd in planten. 9-12 zijn zowel Kratom en Datura betrokken bij vergiftigingen en sterfgevallen en de identificatie in zowel forensische en toxicologische contexten meer noodzakelijk, zoals het misbruik van deze producten zit in de lift. 13-16
In grote lijnen, de traditionele methoden die worden gebruikt voor de analyse van de forensische drug materiaal, zoals kleur proeven, microscopie en Raman en infrarood spectroscopie, worden gebruikt in de regel-in / regel-out vermoedelijke capaciteit. Gekoppelde technieken als GC-MS en vloeistofchromatografie-massaspectrometrie (LC-MS), zijn bevestigende analyse methoden op basis van vergelijking van de profielen van gedetecteerde analytennaar Wetenschappelijke Werkgroep Analyse van de in beslag genomen drugs (SWGDRUG) bibliotheek normen. 17 Het monster behandeling stappen die worden uitgevoerd voorafgaand aan analyse, met inbegrip verpulvering, extractie, derivatisering en verdamping, kan uren toe te voegen aan de run tijd en vervalsen van het monster, 9,11 , 18,19 making analyse van botanische drugs minder dan eenvoudig in vergelijking met die van andere traditionele drugs zoals cocaïne of heroïne. Bovendien moeten de individuele chromatografische programma's worden ontwikkeld voor elk product van belang, dat de uitvoering van de standaard operationele protocollen voor elke soort of variëteit van plantaardige drug zeer onpraktisch voor routinematige behandeling van zaken maakt.
Directe analyse realtime-hoge resolutie massaspectrometrie is een ambient ionisatie massaspectrometrische techniek die enkele van de problemen van conventionele analytische methoden omzeilt. Gassen, vloeistoffen, vaste stoffen, poeders, DLC-platen en planten material zijn rechtstreeks geanalyseerd onder toepassing van rechtstreekse analyse realtime-hoge resolutie massaspectrometrie en zowel polaire en niet-polaire verbindingen kunnen gemakkelijk worden opgespoord in complexe matrices. 20-22 Verder hebben aangetoond dat psychoactieve verbindingen snel kunnen worden geïdentificeerd plantmateriaal door directe analyse in real time-hoge resolutie massaspectrometrie en species-specifieke informatie kan worden afgeleid uit de statistische verwerking van de massa spectrale gegevens. 22-26
Hier tonen we aan dat directe analyse realtime-hoge resolutie massaspectrometrie kan worden gebruikt om snel beoordelen diverse plantaardige materialen (bijvoorbeeld planten, poeders, extracten en zaden) voor hun psychoactieve componenten, en de soorten en variëteiten van de plant- afgeleide producten kan worden bepaald op een snelle en zeer snelle wijze. De analyse van forensisch relevante botanische materiaal zonder de noodzaak voor monstervoorbereiding stappen of lange chromatografischeanalyse looptijden, in aanvulling op de plantensoorten identificatie wordt gerapporteerd.
De mogelijkheid om op basis van planten drugs van misbruik te identificeren is van de toenemende noodzaak als gevolg van de dramatische stijging van de marketing, verkoop en consumptie van ongeplande psychoactieve stoffen. 2 Traditionele methoden voor de identificatie van de botanische materiaal meestal sprake karakterisatie van fysische eigenschappen in combinatie met een analyse van de chemische bestanddelen door een koppelteken chromatografische-massaspectrometrische methoden. Echter, beide van deze benaderingen vormen uitdagingen voor de gestroomlijnde analyse. Fysieke eigenschappen van de planten vaak vernietigd wanneer de planten zijn gedroogd, verpulverd of onttrokken tijdens het productieproces en als zodanig, is het vaak moeilijk om een bepaald plantaardig psychotrope product van elkaar onderscheiden op basis van louter fysische eigenschappen. 23 Analyse door chromatografische-massaspectrometrische methoden kan de identificatie van de psychoactieve verbindingen in plantaardige matrices mogelijk te maken, maar de monstervoorbereiding en methode ontwikkeling is tijd eennd arbeidsintensief, en de creatie van nieuwe protocollen voor elke klasse of soort van plantaardige drug is onpraktisch in vele forensische chemie labs.
Directe analyse realtime-hoge resolutie massaspectrometrie omzeilt sommige van deze problemen, zoals complexe matrices zoals bladeren, poeders, extracten en zaden kunnen worden geanalyseerd met weinig monstervoorbereiding. Ondanks de complexe matrices van materialen hier bemonsterd, de psychoactieve bestanddelen waren gemakkelijk te identificeren, zelfs in nanogram concentraties, 21 vanwege de hoge gevoeligheid van de massaspectrometer. Zaden, bladeren en poeders werden aangetoond gemakkelijk worden geanalyseerd door directe analyse realtime-hoge resolutie massaspectrometrie en diverse andere soorten materialen kunnen worden bemonsterd op dezelfde wijze, zoals TLC-platen, munt, tabletten, bloemen, vaste fase micro-extractie (SPME) vezels en zelfs insecten puparial darmen. 21-22 door middel van nauwkeurige massa-analysis, elementaire samenstelling bepalen en isotoop matching, biomarkers en verbindingen van belang kan worden geïdentificeerd, ongeacht of de verbindingen in een blad, gespot op een TLC-plaat of gecoat op een capillaire buis.
Directe analyse realtime-hoge resolutie massaspectrometrie methodologie kan worden gebruikt voor gestroomlijnde analyse omdat er zeer weinig parameters die moeten worden aangepast van experiment tot experiment. Analyse kan worden uitgevoerd in positief-ion of negatieve-ion modus en moleculen tot 3000 amu kan in beide gevallen worden gedetecteerd. Ionisatie in positieve-ion modus gebeurt door proton transfer van geactiveerd water clusters 21 en elke verbinding met een proton affiniteit hoger dan die van water wordt geïoniseerd. Hier werd positief-ion-modus gebruikt vanwege de hoge affiniteit van proton alkaloïden, waardoor ze gemakkelijk worden geïoniseerd door protonering. Analyse negatieve-ion modus kan worden gebruikt voor de succesvolle detectie van Hydrocarbuitbreidingen (zoals O 2 adducten) 21, explosieven 27 en organische zuren zoals artesunaat in malaria medicijnen. 28 Door de ionisatiemethode van proton-overdracht en het onvermogen om meervoudig geladen ionen, directe analyse in realtime hoge resolutie massaproductie spectrometrie is voornamelijk bedoeld voor de analyse van kleine moleculen tot 3000 amu.
Anders dan ionisatie modus, de temperatuur van de ionenbron is een belangrijke parameter en de geschikte temperatuur hangt grotendeels af van het monster dat wordt geanalyseerd. Zo is het belangrijk lagere temperatuur (~ 250 ° C) gebruikt voor SPME vezelanalyse vernietiging van het bekledingsmateriaal op de vezel te voorkomen, terwijl hogere temperaturen (-500 ° C) worden gebruikt voor aminozuuranalyse voor desorptie en verdere ionisatie. Hier werden plantenmateriaal analyses uitgevoerd bij 350 ° C, aangezien dit zorgt voor ionisatie alkaloïden en andere van belang zijnde verbindingen metuit het veroorzaken van pyrolyse van verbindingen in de plant matrix.
Directe analyse realtime-hoge resolutie massaspectrometrie analyse stelt niet alleen de identificatie van de psychoactieve bestanddelen van het plantenmateriaal op basis van nauwkeurige massa, elementaire samenstelling bepalen en isotoop matching, maar levert ook unieke chemische vingerafdrukken kunnen worden benut soortenidentificatie gebruik multivariate statistische analyse met zeer reproduceerbare resultaten, zelfs met kleinere datasets. Multivariate statistische analyse is toegepast op een breed scala van directe analyse in real-time-high massaspectrometrie data resolutie, met inbegrip van die afkomstig is van hout, puparial kozijnen, zaden, bladmateriaal en biodiesel fuelstocks, presentatie van de veelzijdigheid en de reproduceerbaarheid van de methode. 22-26 de high-throughput mogelijkheden van directe analyse in real time-hoge resolutie massaspectrometrie in staat de overname van grote hoeveelheden massa spectral data in een korte tijdsperiode, en het grote aantal herhalingen nodig zijn voor statistische analyse worden gemakkelijk verkregen met deze methode. De directe analyse in real time-hoge resolutie massaspectrometrie massaspectrale dataset van Datura en Kratom bestond uit meer dan 100 individuele spectra die werden verzameld met minder dan een uur van de totale tijdsinvestering. Om hetzelfde aantal spectra middels GC-MS met een oven temperatuurprogramma van 30 minuten zou ongeveer 50 uur te verkrijgen, zonder beschouwing van de extra tijd voor opzuivering, zoals extractie en derivatisering.
Hoofdcomponentenanalyse kan worden gebruikt om verschillen tussen groepen plantenstoffen gebaseerd op de aanwezigheid en de intensiteit van de geselecteerde functie massa markeren. De statistische analyse verwerking verschaft identificatie van soorten, rassen en informatie. Andere werkwijzen voor statistische analyse, zoals hiërarchische clustering analyse (HCA), kan ooktoegepast zonder de a priori selectie van functie massa. De resultaten van HCA van uitgebreide chemische vingerafdrukken laten zien dat zonder toezicht statistische analyse met succes kan worden toegepast voor de identificatie van soorten van plantaardige drugs van misbruik. 25
De soort discriminatie van forensisch botanische materiaal door directe analyse in real time-hoge resolutie massaspectrometrie werd aangetoond met behulp van de identificatie van psychotrope stoffen en andere biomarkers in de soft-ionisatie massaspectra, en de toepassing van multivariate statistische analyse. De toepassing van twee soorten statistische analyses bleek niet alleen dat de klasse van een plantaardig drug kan worden geïdentificeerd, maar dat de variatie en speciës van het geneesmiddel kan worden bepaald op basis van de unieke chemische vingerafdrukken waargenomen door directe analyse real time-hoge resolutie massaspectrometrie. De hier gepresenteerde methode maakt de snelle, snelle identificatie van mind-veranderende substanties op een wijze die uitdagingen in gebruikelijke analytische methoden omzeilt en biedt forensische laboratoria een middel voor het karakteriseren en identificeren van psychoactieve plantmateriaal zonder tijd en arbeidsintensief ontwikkelingsmethode. Dit protocol kan worden uitgebreid tot soorten differentiatie van een verscheidenheid van andere plantaardige materialen. 22-26
The authors have nothing to disclose.
De auteurs dankbaar erkennen een Universiteit van Albany-SUNY Presidentiële Initiatieven Fonds voor onderzoek en Scholarship in Forensic Science en Cybersecurity subsidie, een National Science Foundation subsidie (Grant # 1310350) en een National Institute of Justice subsidie (Grant # 2015-DN-BX- K057) naar RAM. We erkennen ook Justine E. Giffen voor het nemen van de foto's van de plantaardige materialen.
AccuTOF Mass Spectrometer | JEOL USA, Inc. | ||
DART-SVP Ion Source | IonSense, Inc. | DART-SVP | |
Linear Rail System | IonSense, Inc. | HW-10029 | |
Hole puncher (6 mm) | Swingline | A7074005 | |
One-Pint Compact Ultrasonic Cleaner | Cole-Palmer | EQ-08849-00 | |
1.5 mL Eppendorf Microcentrifuge tubes | Fisher Scientific | 02-682-550 | |
AccuSpin Micro 17R Centrifuge | Fisher Scientific | 13-100676 | |
#9 Stainless Steel Razor blade | Stanley | 11-515 | |
Dip-it Tip Holder | IonSense, Inc. | SCT-70003 | |
Dip-it Tips | IonSense, Inc. | DPT-110 | |
Melting Point Capillary | Krackeler Scientific | 1-9530-3 | |
Polyethylene glycol (600) | Sigma Aldrich | 81180 | |
Rifat Kratom Live Plant | World Seed Supply Kratom Collection | LIVEKRATOMPLANT | |
Bali Kratom Dried Leaf | The Kratom King | OZKRAPCOM | |
Bali Kratom Powder | The Kratom King | OZKRAPCOMPOW | |
Datura stramonium seeds | Horizon Herbs LLC | PDATUJ | |
Datura inoxia seeds | Horizon Herbs LLC | PDATUM | |
Datura ferox seeds | Georgia Vines | 255/737 | |
Ethanol, anhydrous | Krackeler Scientific | 1328-E402-4L | |
Mass Mountaineer Spectral Analysis Software | mass-spec-software.com | MM-20030-PCA-DVD | |
TSSPro3 Data Processing/Data Reduction Software | Shrader Labs | ||
Cluster 3.0 | http://bonsai.hgc.jp/~mdehoon/software/cluster/software.htm | Open Source Software | |
Java Treeview | http://jtreeview.sourceforge.net/ | Open Source Software |