Un metodo per l'identificazione delle specie di materiale botanico mediante l'analisi diretta nel settore della spettrometria di massa risoluzione tempo-alta e l'analisi statistica multivariata è presentato.
Abbiamo dimostrato che l'analisi diretta nel settore della spettrometria di massa risoluzione tempo-alta può essere utilizzata per la produzione di profili di massa spettrali del materiale botanico, e che queste impronte digitali chimiche possono essere utilizzati per l'identificazione delle specie vegetali. I dati spettrali di massa possono essere acquisiti rapidamente e in modo high throughput senza necessità di estrazione del campione, derivatizzazione o regolazione pH passi. L'uso di questa tecnica bypassa le sfide presentate da tecniche più convenzionali, tra cui tempi di analisi lunghi cromatografiche e metodi intensivi di risorse. Le capacità di throughput elevati dell'analisi diretta in tempo reale ad alta risoluzione protocollo spettrometria di massa, insieme con multivariata elaborazione dell'analisi statistica dei dati, forniscono non solo classe caratterizzazione delle piante, ma anche produrre le specie e le informazioni varietale. Qui, la tecnica è dimostrato con due prodotti psicoattivi vegetali, Mitragyna speciosa (kratom) e Datura(Jimsonweed), che sono stati sottoposti ad analisi diretta in real spettrometria di massa risoluzione temporale elevata seguita da trasformazione analisi statistica dei dati spettrali di massa. L'applicazione di questi strumenti in tandem abilitare i materiali vegetali la rapida identificazione a livello di varietà e specie.
Per millenni, i prodotti naturali psicoattive sono stati utilizzati nei rituali sciamanici, abusati per i loro attributi che alterano la mente, e consumato per le loro proprietà medicinali. L'ingestione di queste piante e le relative sostanze di origine vegetale può essere significativo nelle zone dove sono endemiche, e hanno importanza sociale ed economica. Recentemente, tuttavia, c'è stato un drammatico aumento l'uso di questi farmaci "naturali" a causa della facilità di accesso attraverso il commercio internet. La percezione che queste sostanze sono sicuri da usare, accoppiato con un aumento del giro di vite sul possesso e l'uso di droghe più tradizionali di abuso e sostanze sintetiche, hanno contribuito al picco di abuso di farmaci a base vegetale. È generalmente difficile da visualizzazione distinguere tra questi prodotti e materiale vegetale innocua, e quindi vi è interesse nello sviluppo di metodi che possono essere utilizzati identificare questi prodotti. Tuttavia, i metodi di analisi convenzionali per impiantil'identificazione delle specie sono molto tempo e poco pratico da eseguire. Inoltre, il processo di sviluppo metodi è tempo e risorse. Questi fattori hanno reso la lavorazione di una legislazione per limitare l'uso di queste sostanze molto indietro il tasso di escalation nella loro abuso. Quindi, ci sono poche leggi che regolano la produzione, la fabbricazione, la vendita e il consumo di molti di questi psicoattivi naturali e, come tale, ci sono centinaia di piante di abusi a disposizione degli utenti in migliaia di forme diverse. 1,2
Due di questi farmaci a base di piante di abuso sono Mitragyna speciosa, comunemente conosciuto come kratom, e le piante dal genere Datura, vale a dire D. stramonium, D. ferox e D. inoxia. kratom e Datura sono in programma negli Stati Uniti, ma la Drug Enforcement Administration ha elencato sia come farmaci di preoccupazione. 3,4 kratom è caratterizzato dalla presenza dei composti psicoattivi mitraginina unND 7-hydroxymitragynine, così come altri alcaloidi psicoattivi non compreso mitraphylline, paynantheine, corynoxeine, e rhynchophylline. 4-8 Le proprietà psicoattive di Datura spp. sono attribuiti a atropina e scopolamina, ma una varietà di altri alcaloidi tropanici sono state identificate nelle piante. 9-12 Sia kratom e Datura sono stati implicati in casi di avvelenamento e di decessi, e la loro identificazione è sempre più necessaria in entrambi i contesti forensi e tossicologiche, come l'abuso di questi prodotti è in aumento. 13-16
In generale, i metodi tradizionali utilizzati per l'analisi dei materiali di droga legale, come i test dei colori, la microscopia, e Raman e spettroscopia infrarossa, sono utilizzati in una regola-in / regola-out capacità presuntiva. tecniche combinate quali GC-MS e spettrometria di cromatografia-massa liquida (LC-MS), sono metodi di analisi di conferma basate sul confronto dei profili di analiti rilevatial gruppo di lavoro scientifico per l'analisi della droga sequestrata (SWGDRUG) standard di libreria. 17 Le fasi di trattamento del campione che vengono eseguite prima dell'analisi, tra cui la polverizzazione, l'estrazione, derivatizzazione e l'evaporazione, può aggiungere ore per il tempo di esecuzione e adulterate il campione, 9,11 , 18,19 rendere l'analisi dei prodotti erboristici meno semplice rispetto a quello di altri farmaci tradizionali di abuso come la cocaina o eroina. Inoltre, i singoli programmi cromatografici devono essere sviluppati per ogni prodotto di interesse, che rende l'implementazione di protocolli operativi standard per ogni specie o varietà di farmaci a base di piante di abuso altamente impraticabile per attività operative di routine.
Analisi diretta nel settore della spettrometria di massa risoluzione tempo-alta è una tecnica di spettrometria di massa a ionizzazione ambiente che aggira alcune delle sfide connesse con metodi analitici convenzionali. Gas, liquidi, solidi, polveri, piastre TLC ed impianti material possono tutti essere analizzati direttamente mediante analisi diretta in tempo reale ad alta risoluzione spettrometria di massa, e composti sia polari e non polari può essere facilmente individuata in matrici complesse. 20-22 Inoltre, studi hanno dimostrato che i composti psicoattivi possono identificare rapidamente materiale vegetale mediante l'analisi diretta nel settore della spettrometria di massa risoluzione tempo-alta, e le informazioni specifiche specie può essere raccolte da trattamento statistico dei dati spettrali di massa. 22-26
Qui, dimostriamo che l'analisi diretta nel settore della spettrometria di massa risoluzione tempo-alta può essere utilizzato per valutare rapidamente vari materiali vegetali (ad esempio, piante, polveri, estratti alimentari e semi) per i loro componenti psicoattivi, e che le specie e le varietà della pianta- prodotti derivati possono essere determinati in modo rapido e high-throughput. L'analisi del materiale botanico forense rilevanti, senza bisogno di fasi di preparazione del campione o lungo cromatograficatempi di esecuzione di analisi, oltre all'identificazione delle specie vegetali è riportato.
La capacità di identificare i farmaci a base vegetale di abuso è di aumentare la necessità a causa del drammatico aumento nella commercializzazione, vendita e consumo di sostanze psicoattive non programmate. 2 I metodi tradizionali per l'identificazione del materiale botanico di solito comportano la caratterizzazione di caratteristiche fisiche accoppiato con l'analisi del componenti chimici con metodi di spettrometria di massa cromatografici-trattino. Tuttavia, entrambi questi approcci sfide presenti per l'analisi semplificata. Caratteristiche fisiche delle piante sono spesso distrutte quando le piante vengono essiccati, polverizzata o estratti durante il processo di fabbricazione e, come tale, è spesso difficile distinguere un tipo di prodotto psicotropi vegetale da un altro basato sulle sole caratteristiche fisiche. 23 Analisi per metodi di spettrometria di massa cromatografici-possono consentire l'identificazione dei composti psicoattivi in matrici vegetali, ma la preparazione del campione e lo sviluppo del metodo è il tempo di unND molte risorse, e la creazione di nuovi protocolli per ogni classe o specie di farmaci a base di piante di abuso non è praticabile in molti laboratori di chimica forense.
Analisi diretta nel settore della spettrometria di massa risoluzione tempo-alta aggira alcune di queste sfide, come matrici complesse come foglie, polveri, estratti e semi possono essere analizzati con poca preparazione del campione. Nonostante le complesse matrici dei materiali campionati qui, i costituenti psicoattivi erano facilmente identificabili, anche a concentrazioni nanogrammi, 21 a causa della elevata sensibilità dello spettrometro di massa. Semi, foglie e polveri sono state dimostrate per essere facilmente analizzati mediante analisi diretta in real spettrometria di massa risoluzione tempo-alto, e una varietà di altri tipi di materiali possono anche essere campionati nello stesso modo, compresi TLC lastre, valuta, compresse, fiori, fase solida microestrazione (SPME) fibre e involucri puparial persino insetti. 21-22 Attraverso massa accurata analisi, elementale determinazione composizione e isotopica corrispondenza, biomarker e composti di interesse possono essere identificati, indipendentemente dal fatto che i composti sono contenute in un foglio, macchiato su una piastra TLC o spalmati su un tubo capillare.
Analisi diretta in tempo reale metodologia spettrometria di massa risoluzione tempo-alta può essere utilizzato per l'analisi semplificata in quanto vi sono pochi parametri che devono essere modificati da esperimento a esperimento. L'analisi può essere eseguita in modalità negativa ioni positivi-ionico o, e molecole di fino a 3.000 amu può essere rilevato in entrambi i casi. Ionizzazione in modalità positiva ioni avviene per trasferimento di protoni da cluster acqua attivati, 21 e qualsiasi composto con un'affinità protonica superiore a quella dell'acqua sarà ionizzato. Qui, modalità positiva ioni è stato utilizzato a causa della elevata affinità protonica di alcaloidi, che fa sì che vengano facilmente ionizzati dalla protonazione. Analisi in modalità di ioni negativi può essere utilizzato per l'individuazione di hydrocarbons (come O 2 addotti) 21, materiali esplosivi 27 e acidi organici come artesunato nei farmaci malariche. 28 a causa del metodo di ionizzazione del protone-trasferimento e l'incapacità di produrre ioni a carica multipla, l'analisi diretta della massa in tempo reale ad alta risoluzione spettrometria è limitata principalmente all'analisi di piccole molecole fino a 3.000 amu.
Oltre modalità di ionizzazione, la temperatura della sorgente di ioni è un parametro importante e la temperatura dipende in larga misura campione analizzato. Ad esempio, è importante usare temperature più basse (~ 250 ° C) per l'analisi della fibra SPME per prevenire la distruzione del materiale di rivestimento sulla fibra, mentre le temperature più elevate (~ 500 ° C) devono essere utilizzati per l'analisi degli aminoacidi per desorbimento e successiva ionizzazione. Qui, vegetali analisi materiale sono state condotte a 350 ° C, in quanto permette di ionizzazione alcaloidi e altri composti di interesse consenza causare pirolisi di composti nella matrice vegetale.
Analisi diretta a risoluzione reale analisi di spettrometria di massa di tempo elevato non permette solo l'identificazione dei costituenti psicoattivi del materiale vegetale a base di masse accurate, determinazione composizione elementare e corrispondenza isotopo, ma produce anche le impronte digitali chimiche uniche che possono essere sfruttate per l'identificazione delle specie utilizzando analisi statistica multivariata con risultati altamente riproducibili, anche con set di dati più piccoli. l'analisi statistica multivariata è stata applicata a una vasta gamma di analisi diretta nei dati di spettrometria di massa in tempo reale ad alta risoluzione, compreso quello derivato dal legno, involucri puparial, semi, materiale fogliare, e fuelstocks biodiesel, in mostra la versatilità e la riproducibilità del metodo. 22-26 le funzionalità high-throughput di analisi diretta nel settore della spettrometria di massa risoluzione temporale di alto consentono l'acquisizione di grandi quantità di Spectr di massadati Al in un breve periodo di tempo, e il gran numero di repliche necessarie per l'analisi statistica sono facilmente acquisite utilizzando questo metodo. L'analisi diretta nel settore della spettrometria di massa risoluzione tempo-alta set di dati di massa spettrale di Datura e kratom era composto da oltre 100 spettri individuali che sono stati raccolti con meno di un'ora di investimento totale di tempo. Per ottenere lo stesso numero di spettri mediante GC-MS con un programma di temperatura del forno di 30 minuti richiederebbe circa 50 ore, senza considerare il tempo aggiunto per procedura di preparazione del campione, come l'estrazione o derivatizzazione.
Analisi delle componenti principali può essere utilizzato per evidenziare variazioni tra gruppi di sostanze vegetali in base alla presenza e l'intensità delle masse funzione selezionata. L'elaborazione di analisi statistica fornisce l'identificazione delle specie, così come le informazioni varietale. Altri metodi di analisi statistica, come l'analisi di clustering gerarchico (HCA), può anche essereapplicate senza la selezione a priori caratteristica masse. I risultati di HCA delle impronte digitali chimiche complete dimostrano che l'analisi statistica senza supervisione può essere applicato con successo per l'identificazione delle specie di farmaci a base di piante di abuso. 25
La discriminazione specie di materiale botanico forense mediante analisi diretta in real spettrometria di massa risoluzione tempo-alta è stata dimostrata usando l'identificazione di composti psicotropi e altri biomarker nella spettri di massa morbida ionizzazione, e l'applicazione di analisi statistica multivariata. L'applicazione dei due tipi di analisi statistiche rivelato non solo che la classe di un farmaco vegetale di abuso può essere identificato, ma anche che la varietà e specie di detto farmaco può essere determinata sulla base delle impronte chimiche uniche osservati mediante analisi diretta tempo-reale ad alta risoluzione spettrometria di massa. Il metodo presentato qui permette la rapida identificazione high-throughput di misostanze nd alterano in modo da eludere sfide incontrate in metodi analitici convenzionali, e fornisce laboratori forensi con un mezzo per caratterizzare e identificare materiale vegetale psicoattiva senza tempo e risorse di sviluppo metodo intensivo. Questo protocollo può essere esteso alla differenziazione delle specie di una varietà di altri materiali di origine vegetale. 22-26
The authors have nothing to disclose.
Gli autori ringraziano una Università di Albany-SUNY presidenziale Iniziative del Fondo per la ricerca e borse di studio in Scienze Forensi e Grant Cybersecurity, una borsa di studio della National Science Foundation (Grant # 1.310.350) e un National Institute of Justice sovvenzioni (Grant # 2015-DN-BX- K057) di RAM. Riconosciamo anche Justine E. Giffen per scattare le fotografie dei materiali vegetali.
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 |