Verfahren zur Identifizierung von Arten von botanischen Material durch direkte Analyse in Echtzeit hochauflösende Massenspektrometrie und multivariate statistische Analyse vorgestellt.
Wir zeigen, dass die direkte Analyse in Echtzeit hochauflösende Massenspektrometrie verwendet werden können Massen Spektralprofile botanischer Material zu produzieren, und dass diese chemischen Fingerabdrücke für die Pflanzenarten Identifizierung verwendet werden. Die massenspektroskopischen Daten schnell und in einem Hochdurchsatz Weise ohne die Notwendigkeit für die Probenextraktion, Derivatisierung oder pH-Einstellung Schritten erfasst werden. Die Verwendung dieser Technik umgeht Herausforderungen durch herkömmlichere Techniken vorgestellt einschließlich langwierige Chromatographie Analysezeiten und ressourcenintensive Verfahren. Die hohe Durchsatzfähigkeiten der direkten Analyse in Echtzeit hochauflösende Massenspektrometrie-Protokoll, gekoppelt mit multivariaten statistischen Analyseverarbeitung der Daten, bieten nicht nur Klasse Charakterisierung von Pflanzen, sondern auch Arten und Sorten Informationen ergeben. Hier wird die Technik mit zwei psycho pflanzlichen Produkten demonstriert, Kratombaum (Kratom) und Datura(Jimsonweed), die direkte Analyse in Echtzeit-Hochauflösende Massenspektrometrie durch statistische Analyseverarbeitung der Massenspektraldaten gefolgt unterworfen. Die Anwendung dieser Werkzeuge im Tandem ermöglicht die Pflanzenmaterialien schnell auf der Ebene der Vielfalt und Arten identifiziert werden.
Seit Jahrtausenden psycho natürliche Produkte wurden in schamanistischen Ritualen, missbraucht für ihre bewusstseinser Attribute und verbraucht für ihre medizinischen Eigenschaften verwendet. Die Einnahme dieser Pflanzen und verwandten pflanzlichen Stoffen können in Bereichen von Bedeutung sein, wo sie endemisch sind, und sie haben soziale und wirtschaftliche Bedeutung. Vor kurzem jedoch hat es einen dramatischen Anstieg bei der Verwendung dieser "natürlichen" Drogen gewesen wegen der Leichtigkeit der Zugänglichkeit durch den Handel im Internet. Die Wahrnehmung, dass diese Substanzen sicher sind, mit einem erhöhten Vorgehen gegen den Besitz und die Verwendung von traditionellen Drogen und synthetische Substanzen gekoppelt zu verwenden, haben auf die Spitze in den Missbrauch von pflanzlichen Drogen beigetragen. Es ist im Allgemeinen schwierig, durch Visualisierung zwischen diesen Produkten und harmlos Pflanzenmaterial zu unterscheiden, und daher besteht ein Interesse Methoden zu entwickeln, die verwendet werden können, diese Produkte zu identifizieren. Doch herkömmliche analytische Methoden für die PflanzenSpezies Identifizierung sind zeitaufwendig und unpraktisch durchzuführen. Darüber hinaus ist das Verfahren Entwicklungsprozess zeit- und ressourcenintensiv. Diese Faktoren haben die Crafting von Rechtsvorschriften die Verwendung dieser Stoffe weit hinter der Geschwindigkeit der Eskalation in ihren Missbrauch Einhalt zu gebieten. So gibt es nur wenige Gesetze, die die Erzeugung, Herstellung, Verkauf und Konsum von vielen dieser natürlichen Psychoaktiva und als solche regeln, gibt es Hunderte von Pflanzen von Missbrauch Nutzern zur Verfügung , in Tausenden von verschiedenen Formen. 1,2
Zwei solche pflanzlichen Drogen von Missbrauch sind Kratombaum, die gemeinhin als Kratom bekannt und Pflanzen aus der Datura Gattung, nämlich D. stramonium, D. ferox und D. inoxia. Kratom und Datura sind azyklisch in den Vereinigten Staaten, aber die Drug Enforcement Administration hat sowohl als Arzneimittel zur Sorge aufgeführt. 3,4 Kratom durch die Anwesenheit der psychotrope Verbindungen gekennzeichnet ist Mitragynin einnd 7-hydroxymitragynine sowie andere nicht-psychoaktiven Alkaloide einschließlich Mitraphyllin, paynantheine, corynoxeine und Rhynchophyllin. 4-8 Die psychoaktiven Eigenschaften von Datura spp. werden Atropin und Scopolamin zugeschrieben, aber eine Vielzahl von anderen Tropan – Alkaloiden wurden in den Pflanzen. 9-12 Sowohl Kratom und Datura wurden impliziert in Vergiftungen und Todesfälle und ihre Identifizierung ist zunehmend notwendig in beiden forensischen und toxikologischen Kontexte identifiziert worden ist , als der Missbrauch dieser Produkte ist auf dem Vormarsch. 13-16
Im Großen und Ganzen verwendet traditionelle Methoden für die Analyse von forensischer Drogen Material, wie zum Beispiel Farbtests, Mikroskopie und Raman und Infrarotspektroskopie, werden in der Regel in / Regel-out vermutliche lastet. Kopplungstechniken, wie beispielsweise GC-MS und Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie (LC-MS) sind bestätigende Analyseverfahren basierend auf einem Vergleich der Profile von detektierten AnalytenIn den wissenschaftlichen Arbeitsgruppe zur Analyse der beschlagnahmten Drogen (SWGDRUG) Bibliotheksstandards. 17 Die Probenbehandlungsschritte , die vor der Analyse einschließlich Pulverisierung, Extraktion, Derivatisierung und Verdampfung durchgeführt werden, können Stunden , um die Laufzeit hinzugefügt und die Probe verfälschen, 9,11 , 18,19 Herstellung Analyse von botanischen Drogen weniger als einfach im Vergleich zu derjenigen für andere traditionelle Drogen wie Kokain oder Heroin. Darüber hinaus müssen die einzelnen chromatographischen Programme für jedes Produkt von Interesse entwickelt werden, die für jede Art oder Sorte von pflanzlicher Basis Drogenmissbrauch sehr unpraktisch für Routine Fallarbeit der Implementierung von Standard-Betriebsprotokolle macht.
Eine direkte Analyse in Echtzeit hochauflösende Massenspektrometrie ist eine Ambient-Ionisations-Massenspektrometrie-Technik, die einige der Herausforderungen im Zusammenhang mit herkömmlichen analytischen Methoden umgeht. Gase, Flüssigkeiten, Feststoffe, Pulver, DC-Platten und Pflanzen material können direkt durch direkte Analyse in Echtzeit hochauflösende Massenspektrometrie und sowohl polare als auch nichtpolare Verbindungen leicht in komplexen Matrices nachgewiesen werden kann. 20-22 Des Weiteren analysiert werden, haben Studien gezeigt , dass psychoaktive Verbindungen können schnell in identifiziert werden Pflanzenmaterial durch die direkte Analyse in Echtzeit hochauflösende Massenspektrometrie und speziesspezifische Informationen können aus der statistischen Verarbeitung der massenspektroskopischen Daten zu entnehmen. 22-26
Hier zeigen wir , dass die direkte Analyse in Echtzeit hochauflösende Massenspektrometrie verwendet werden können , um schnell verschiedene Pflanzenmaterial (dh Pflanzen, Pulver, Extrakte und Samen) für ihre psycho Komponenten beurteilen zu können , und dass die Arten und Sorten der anlagen- abgeleiteten Produkte können in einer schnellen und Hochdurchsatz-Art und Weise bestimmt werden. Die Analyse der forensically relevant botanischen Materials ohne die Notwendigkeit für die Probenvorbereitungsschritte oder Lang chromatographischeAnalyse Laufzeiten wird zusätzlich zu den Pflanzenarten Identifizierung berichtet.
Die Fähigkeit , auf pflanzlicher Basis Drogen zu identifizieren , ist die Notwendigkeit der Erhöhung aufgrund der dramatischen Anstieg in den Bereichen Marketing, Verkauf und Konsum von ungeplanten psychotroper Substanzen. 2 Traditionelle Methoden zur Identifizierung von botanischen Material in der Regel Charakterisierung der physikalischen Merkmale betreffen , gekoppelt mit der Analyse der chemische Bestandteile durch Bindestriche chromatographischen-massenspektrometrischen Methoden. Doch diese beiden Ansätze gegenwärtigen Herausforderungen zu rationalisiert Analyse. Physikalische Eigenschaften der Pflanzen werden oft zerstört , wenn die Pflanzen getrocknet, pulverisierten oder während des Herstellungsprozesses extrahiert und als solches ist es oft schwierig , eine Art von Pflanzenbasis psychotrope Produkt von einem anderen zu unterscheiden , allein basierend auf physikalischen Eigenschaften. 23 Analyse von chromatographische-massenspektrometrischen Methoden kann die Identifizierung der psychotrope Verbindungen in pflanzlichen Matrices ermöglichen, aber die Probenvorbereitung und Methodenentwicklung ist Zeit einnd ressourcenintensiv, und die Schaffung neuer Protokolle für jede Klasse oder Spezies von pflanzlicher Basis Drogenmissbrauch ist unpraktisch in vielen forensischen Chemie-Labors.
Eine direkte Analyse in Echtzeit hochauflösende Massenspektrometrie umgeht einige dieser Herausforderungen, wie komplexen Matrices wie Blätter, Pulver, Extrakte und Samen können mit wenig Probenvorbereitung analysiert werden. Trotz der komplexen Matrices der Materialien hier abgetastet wurden die psychoaktive Bestandteile leicht erkennbar, selbst bei Konzentrationen Nanogramm-, 21 aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Massenspektrometers. Samen, Blättern und Pulver wurden gezeigt, um leicht durch direkte Analyse in Echtzeit hochauflösende Massenspektrometrie, und eine Vielzahl von anderen Arten von Materialien können auch in der gleichen Weise abgetastet werden, analysiert werden, einschließlich der DC-Platten, Währung, Tabletten, Blumen, Festphasenmikroextraktion (SPME) Fasern und sogar Insekten puparial Hüllen 21,22 . Durch genaue Masse anaLyse, elementare Zusammensetzung Bestimmung und Isotopenanpassung kann Biomarkern und Verbindungen von Interesse identifiziert werden, unabhängig davon, ob die Verbindungen in einem Blatt enthalten sind, auf einer DC-Platte getupft und auf ein Kapillarrohr beschichtet.
Eine direkte Analyse in Echtzeit hochauflösende Massenspektrometrie Methodik kann für eine optimierte Analyse verwendet werden, da es nur sehr wenige Parameter, die aus dem Experiment modifiziert werden müssen, zu experimentieren. Die Analyse kann in positive Ionen oder negative Ionen-Modus durchgeführt werden, und die Moleküle von bis zu 3.000 amu kann in beiden Fällen nachgewiesen werden. Ionisierung in Positivionenmodus erfolgt durch Protonenübertragung von aktivierten Wassercluster, 21 und jede Verbindung mit einer Protonenaffinität höher als die von Wasser ionisiert werden. Hier wurde als positiv-Ionen-Modus aufgrund der hohen Protonenaffinität von Alkaloiden verwendet, die sie verursacht leicht durch Protonierung ionisiert werden. Die Analyse im Negativionen-Modus kann für die erfolgreiche Erkennung von -Kohlenwasserstoff verwendet werdenons (wie O 2 -Addukte) 21, explosive Materialien 27 und organischen Säuren, wie Artesunat in malarial Medikamente. 28 Aufgrund der Ionisationsverfahren von Protonentransfer und die Unfähigkeit , mehrfach geladenen Ionen, direkte Analyse in Echtzeit-Hochauflösungsmassen herzustellen Spektrometrie beschränkt sich hauptsächlich auf die Analyse von kleinen Molekülen bis zu 3.000 amu.
Außer Ionisierungsmodus ist die Temperatur der Ionenquelle ein wichtiger Parameter, und die geeignete Temperatur hängt weitgehend von der analysierten Probe. Zum Beispiel ist es wichtig, niedrigere Temperaturen zu verwenden (~ 250 ° C) für die SPME-Faser Analyse Zerstörung des Beschichtungsmaterials auf der Faser zu verhindern, während höhere Temperaturen (~ 500 ° C) soll für die Aminosäureanalyse zur Desorption verwendet werden, und nachfolgende Ionisierung. Hier Pflanzenmaterial Analysen wurden bei 350 ° C durchgeführt, da dies für die Ionisierung von Alkaloiden und anderen Verbindungen von Interesse ermöglicht, mitout verursacht Pyrolyse von Verbindungen in der Pflanzenmatrix.
Eine direkte Analyse in Echtzeit hochauflösende Analyse Massenspektrometrie ermöglicht nicht nur die Identifizierung der psychoaktiven Bestandteile des Pflanzenmaterials auf Basis von genauen Massen, elementare Zusammensetzung Bestimmung und Isotopenanpassung, aber es produziert auch einzigartige chemische Fingerabdrücke, die für die Identifizierung von Arten genutzt werden können unter Verwendung von multivariate statistische Analyse mit hoch reproduzierbare Ergebnisse, auch bei kleineren Datenmengen. Multivariate statistische Analyse wurde in Echtzeit hochauflösende Massenspektrometrie-Daten zu einer Vielzahl von direkten Analyse angewandt, einschließlich der Bestandteile von Holz, puparial Hüllen, Samen, Blattmaterial und Biodiesel fuelstocks, die Vielseitigkeit und die Reproduzierbarkeit des Verfahrens zur Schau stellt. 22-26 die Hochdurchsatz – Funktionen der direkten Analyse in Echtzeit hochauflösende Massenspektrometrie ermöglichen die Erfassung von großen Mengen an Masse spectral Daten in einer kurzen Zeitperiode, und die große Anzahl der Replikate für die statistische Analyse benötigt werden, unter Verwendung dieses Verfahrens leicht erworben. Die direkte Analyse in Echtzeit hochauflösende Massenspektrometrie Massenspektralanalyse Datensatz von Datura und Kratom wurde von mehr als 100 Einzelspektren besteht, die mit weniger als einer Stunde der Gesamtzeitaufwand gesammelt wurden. Zu erhalten, die gleiche Anzahl von Spektren GC-MS mit einer Ofentemperaturprogramm von 30 Minuten dauern würde, etwa 50 Stunden, ohne Berücksichtigung der zugesetzten Zeit für die Probenvorbereitungsschritte, wie Extraktion oder Derivatisierung verwendet wird.
Hauptkomponentenanalyse können verwendet werden, um Substanzen zu markieren Variationen zwischen den Sätzen von Pflanzen basierend auf dem Vorhandensein und der Intensität des ausgewählten Merkmals Massen. Die statistische Analyse Verarbeitung liefert Artbestimmung sowie sorten Informationen. Andere Methoden der statistischen Analyse, wie hierarchischen Clustering-Analyse (HCA), kann auch sein,ohne die a-priori-Auswahl von Merkmals Massen angewandt. Die Ergebnisse der HCA von umfassenden chemischen Fingerabdrücke zeigen , dass ohne Aufsicht statistische Analyse erfolgreich für Artbestimmung von pflanzlichen Drogen von Missbrauch angewendet werden. 25
Die Art der Diskriminierung von forensischer botanischen Material durch direkte Analyse in Echtzeit hochauflösende Massenspektrometrie wurde mit der Identifizierung von Psychopharmaka und andere Biomarker in der Soft-Ionisationsmassenspektren demonstriert, und die Anwendung der multivariaten statistischen Analyse. Die Anwendung von zwei Arten von statistischen Analysen zeigten nicht nur, dass die Klasse eines pflanzlicher Basis Missbrauchsdroge identifiziert werden kann, sondern auch, dass die Vielfalt und Art des Arzneimittels kann durch die direkte Analyse beobachtet, basierend auf den einzigartigen chemischen Fingerabdrücken bestimmt werden, in Echtzeit-hochauflösender Massenspektrometrie. Das hier vorgestellte Verfahren ermöglicht die schnelle Hochdurchsatz-Identifizierung mind einserweiternden Substanzen in einer Weise, die Herausforderungen begegnet bei herkömmlichen analytischen Methoden umgeht, und bietet forensische Laboratorien mit einem Mittel zur Charakterisierung und psychoPflanzenMaterial ohne Zeit zu identifizieren und intensive Methodenentwicklung Ressourcen. Dieses Protokoll kann auf Arten Differenzierung einer Vielzahl von anderen von Pflanzen abgeleiteten Materialien erweitert werden. 22-26
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren danken eine Universität in Albany-SUNY Presidential Initiatives Fund für Wissenschaft und Forschung in der Forensik und Cyber Security Zuschuss anerkennen, eine National Science Foundation Grant (Zuschuss # 1310350) und National Institute of Justice Zuschuss (Zuschuss # 2015-DN-BX- K057) in den RAM. Wir erkennen auch Justine E. Giffen für die Fotos der Pflanzenmaterialien nehmen.
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 |