En fremgangsmåte for identifisering av arter av botanisk materiale ved direkte analyse i sann tid høy oppløsning massespektrometri og multivariat statistisk analyse er presentert.
Vi viser at direkte analyse i sann tid høy oppløsning massespektrometri kan anvendes for å fremstille massespektrale profiler av botanisk materiale, og at disse kjemiske fingeravtrykk kan anvendes for plantearter identifikasjon. Massespektraldataene kan erverves hurtig og i en høy gjennomstrømning måte uten behov for prøven ekstraksjon, derivatiseringsreaksjoner eller pH-justeringstrinn. Bruken av denne teknikken forbigår utfordringene mer konvensjonelle teknikker, inkludert lange kromatografi analysetider og ressurskrevende metoder. De høye gjennomløps egenskapene til direkte analyse i sanntid høy oppløsning massespektrometri protokoll, kombinert med multivariabel statistisk analyse behandling av dataene, gir ikke bare klasse karakterisering av planter, men også dannelse av arter og Sorte informasjon. Her er teknikken demonstrert med to psykoaktive planteprodukter, kratom (Kratom) og Datura(Jimsonweed), som ble underkastet direkte analyse i sann tid høy oppløsning massespektrometri fulgt av statistisk analyse behandling av de massespektrale data. Anvendelsen av disse verktøyene i tandem aktivert plantematerialer for å bli hurtig identifisert ved nivået for variasjon og arter.
I årtusener har psyko naturlige produkter blitt brukt i sjamanistiske ritualer, misbrukt for sine bevissthetsendrende egenskaper, og konsumert for sine medisinske egenskaper. Inntak av disse plantene og beslektede plantebaserte stoffer kan være viktig i områder der de er endemisk, og de har sosial og økonomisk betydning. Nylig har det imidlertid vært en dramatisk økning i bruken av disse "naturlige" narkotika på grunn av enkel tilgjengelighet via internett handel. Oppfatningen om at disse stoffene er trygge å bruke, kombinert med økt aksjon mot besittelse og bruk av mer tradisjonelle narkotiske stoffer og syntetiske stoffer, har bidratt til økning i misbruk av plantebaserte legemidler. Det er generelt vanskelig ved visualisering å skille mellom disse produktene og ufarlig plantemateriale, og derfor er det interesse for å utvikle metoder som kan brukes til å identifisere disse produktene. Imidlertid konvensjonelle analysemetoder for anleggartsidentifikasjon er tidkrevende og upraktisk å utføre. Videre er fremgangsmåter utviklingsprosessen tid og ressurskrevende. Disse faktorene har gjort laging av lovgivning for å dempe bruken av disse stoffene ligger langt bak frekvensen av opptrapping i sitt misbruk. Dermed er det få lover som regulerer produksjon, produksjon, salg og forbruk av mange av disse naturlige psychoactives og som sådan, det er hundrevis av planter for overgrep tilgjengelig for brukere i tusenvis av forskjellige former. 1,2
To slike plantebaserte legemidler av misbruk er kratom, vanligvis kjent som Kratom, og planter fra Datura slekten, nemlig D. stramonium, D. ferox og D. inoxia. Kratom og Datura er planlagt i USA, men Drug Enforcement Administration har oppført både som legemidler av bekymring. 3,4 Kratom er preget av tilstedeværelsen av de psykoaktive forbindelser mitragynine ennd 7-hydroxymitragynine, samt andre ikke-psykoaktive alkaloider inkludert mitraphylline, paynantheine, corynoxeine, og rhynchophylline. 4-8 De psykoaktive egenskapene til Datura spp. er tilskrevet atropin og skopolamin, men en rekke andre tropanforbindelse alkaloider har blitt identifisert i plantene. 9-12 Både Kratom og Datura har vært innblandet i forgiftninger og dødsfall, og deres identifikasjon er stadig mer nødvendig i begge rettsmedisinske og toksikologiske sammenhenger som misbruk av disse produktene er på vei oppover. 13-16
Av og store, tradisjonelle metoder som brukes for analyse av rettsmedisinske narkotika materiale, for eksempel fargeprøver, mikroskopi og Raman og infrarød spektroskopi, blir brukt i en regel-in / regel-out presumptive kapasitet. Bindestrek teknikker så som GC-MS og væskekromatografi-massespektrometri (LC-MS), er bekreftelses analysemetoder basert på sammenligning av profiler av detekterte analytterScientific Working Group on Analyse av beslaglagt narkotika (SWGDRUG) bibliotek standarder. 17 Eksempelbehandlingstrinn som utføres før analyse inkludert pulverisering, utvinning, derivatisering og fordampning, kan legge timer til kjøring og forfalske prøven, 9,11 , 18,19 making analyse av botaniske stoffer mindre enn grei sammenlignet med andre tradisjonelle narkotiske stoffer som kokain eller heroin. Videre enkelte kromatografiske programmer må utvikles for hvert produkt av interesse, noe som gjør gjennomføringen av standard operasjonsprotokoller for hver art eller rekke plantebasert legemiddelmisbruk svært upraktisk for rutinemessig saksbehandling.
Direkte analyse i sanntid-høyoppløselig massespektrometri er en ambient ionisering massespektrometrisk teknikk som omgår noen av utfordringene forbundet med konvensjonelle analysemetoder. Gasser, væsker, faste stoffer, pulver, TLC-plater og anlegg material kan alle bli analysert direkte ved hjelp av direkte analyse i sann tid høy oppløsning massespektrometri, og både polare og ikke-polare forbindelser kan lett oppdages i komplekse matriser. 20-22 Videre studier har vist at psykoaktive forbindelser kan raskt identifisert i plantemateriale ved direkte analyse i sann tid med høy oppløsning massespektrometri, og artsspesifikke informasjonen kan leses ut fra statistisk behandling av de massespektrale data. 22-26
Her viser vi at direkte analyse i sanntid-høyoppløselig massespektrometri kan brukes til raskt å vurdere ulike plantemateriale (dvs. planter, pulver, ekstrakter og frø) for sine psykoaktive komponenter, og at arter og varianter av anlegget- avledede produkter kan bestemmes i en rask og høy gjennomstrømming måte. Analysen av forensically relevant botanisk materiale uten behov for prøveopparbeidelse trinn eller lang kromatografiskanalyse kjøre ganger, i tillegg til planteartsbestemmelse er rapportert.
Evnen til å identifisere plantebaserte legemidler for overgrep er av økende nødvendighet på grunn av den dramatiske økningen i markedsføring, salg og forbruk av ikke-planlagte psykoaktive stoffer. 2 Tradisjonelle metoder for identifisering av botanisk materiale som regel innebære karakterisering av fysiske egenskaper kombinert med analyse av kjemiske bestanddeler av bindestreks kromatografiske-massespektrometri metoder. Men begge disse tilnærmingene presentere utfordringer for strømlinjeformet analyse. Fysiske egenskaper til plantene blir ofte ødelagt når plantene er tørket, pulverisert eller trekkes ut under fremstillingsprosessen og som sådan, er det ofte vanskelig å skille en type plantebasert psykotrope produkt fra en annen basert på fysiske egenskaper alene. 23 Analyse av kromatografiske-massespektrometri metoder kan aktivere identifisering av psykoaktive stoffer i plante matriser, men prøveopparbeidelse og metodeutvikling er tid ennd ressurskrevende, og etablering av nye protokoller for hver klasse eller arter av plantebasert legemiddelmisbruk er upraktisk i mange rettsmedisinske kjemi laboratorier.
Direkte analyse i sann tid høy oppløsning massespektrometri omgår noen av disse utfordringene, som komplekse matrikser så som blader, pulvere, ekstrakter og frø kan analyseres med lite prøvepreparering. Til tross for de komplekse matriser av materialene samplet her, de psykoaktive bestanddelene var lett identifiserbare, selv ved konsentrasjoner nanogram, 21 på grunn av den høye følsomheten til massespektrometer. Frø, blader og pulvere ble demonstrert å være lett analyseres ved direkte analyse i sann tid med høy oppløsning massespektrometri, og en rekke andre typer materialer kan også være samplet på samme måte, herunder TLC-plater, valuta, tabletter, blomster, solid mikroekstraksjon (SPME) fibre og selv insekt puparial foringsrør. 21-22 Gjennom nøyaktig masse analysis, sammensetning av forbindelser bestemmelse og isotopen samsvarende, biomarkører og forbindelser av interesse kan identifiseres, uavhengig av om forbindelsene er inneholdt i et blad, flekket på en TLC-plate eller belagt på et kapillarrør.
kan brukes direkte analyse i sanntid-høyoppløselig massespektrometri metodikk for strømlinjeformet analyse som det er svært få parametere som må endres fra eksperiment for å eksperimentere. Analyse kan utføres på positiv-ion eller negativ-ion-modus, og molekyler med opp til 3000 amu kan påvises i begge tilfeller. Ioniseringen i positiv-ion-modus inntreffer ved protonoverføring fra aktiverte vann klynger, 21 og en hvilken som helst forbindelse med en proton affinitet høyere enn den for vann vil bli ionisert. Her ble det positiv-ion-modus brukes på grunn av den høye affiniteten av proton alkaloider, noe som får dem til å bli lett ioniseres ved protonering. Analyse i negativ-ion-modus kan brukes for en vellykket påvisning av Hydrocarbons (som O 2 addukter) 21, eksplosive materialer 27 og organiske syrer slik som artesunate i malarial medisiner. 28 På grunn av ionisering fremgangsmåte for protonoverføring, og manglende evne til å produsere multiplisere ladede ioner, direkte analyse i sann tid-høyoppløselig masse spektrometri er begrenset hovedsakelig til analyse av små molekyler på opp til 3000 amu.
Annet enn ionisering modus, er temperaturen i ionekilden en viktig parameter, og den aktuelle temperatur i stor grad avhenger av den prøve som analyseres. For eksempel, er det viktig å bruke lavere temperaturer (~ 250 ° C) for SPME fiber analyse for å forhindre ødeleggelse av beleggmaterialet på fiberen, mens høyere temperaturer (~ 500 ° C) bør brukes for aminosyreanalyse for desorpsjon og påfølgende ionisering. Her ble plantemateriale analyser utført ved 350 ° C, da dette gjør det mulig for ionisering av alkaloider og andre forbindelser av interesse medå forårsake pyrolyse av forbindelser i anlegget matrisen.
Direkte analyse i sann tid høy oppløsning massespektrometrianalyse ikke bare muliggjør identifikasjon av de psykoaktive bestanddeler av plantemateriale basert på nøyaktige masser, elementsammensetningen bestemmelse og isotopen tilpasning, men det frembringer også unike kjemiske fingeravtrykk som kan utnyttes for artsidentifikasjon ved hjelp multivariat statistisk analyse med svært reproduserbare resultater, selv med mindre datasett. Multivariat statistisk analyse er blitt anvendt på en rekke direkte analyse i sanntid-høyoppløste massespektrometri data, inkludert det som er avledet fra tre, puparial foringsrør, frø, blad materiale, og biodiesel fuelstocks, et utstillingsvindu for allsidighet og reproduserbarhet av metoden. 22-26 High-throughput egenskapene til direkte analyse i sann tid høy oppløsning massespektrometri muliggjøre anskaffelse av store mengder masse spectral data i en kort tidsperiode, og det store antall av replikasjoner som er nødvendig for statistisk analyse kan lett skaffes ved hjelp av denne metoden. Den direkte analyse i sann tid høy oppløsning massespektrometri massespektral datasett av Datura og Kratom besto av over 100 individuelle spektra som ble samlet opp med mindre enn en time av total tid investering. For å oppnå det samme antall spektre ved hjelp av GC-MS med en ovn temperaturprogram på 30 minutter vil ta omtrent 50 timer, uten hensyn til den ekstra tid for prøvefremstillingstrinn, slik som ekstraksjon eller derivatisering.
Prinsipal komponent analyse kan brukes til å markere variasjoner mellom sett av plantestoffer basert på tilstedeværelse og intensiteten av utvalgte har massene. Den statistiske analysen behandling gir artsbestemmelse, samt Sorte informasjon. Andre metoder for statistisk analyse, slik som hierarkisk clustering analyse (HCA), kan også blipåføres uten a priori utvalg av spille massene. Resultatene av HCA av omfattende kjemiske fingeravtrykk viser at uten tilsyn statistisk analyse kan med hell brukes for artsbestemmelse av plantebaserte legemidler av misbruk. 25
Arten diskriminering av rettsmedisinske botanisk materiale ved direkte analyse i sann tid høy oppløsning massespektrometri ble demonstrert ved hjelp av identifikasjon av psykotrope forbindelser og andre biomarkører i myk-ioniseringsmassespektra, og anvendelsen av multivariat statistisk analyse. Anvendelsen av to typer statistiske analyser viste ikke bare at klassen av et plantebasert legemiddelmisbruk kan identifiseres, men også at variasjonen og arter av nevnte legemiddel kan bestemmes på grunnlag av de unike kjemiske fingeravtrykk observert ved direkte analyse i sanntid høy oppløsning massespektrometri. Metoden som presenteres her muliggjør rask, high-throughput identifikasjon av mind rende stoffer på en måte som omgår utfordringene som oppstår i konvensjonelle analytiske fremgangsmåter, og gir kriminaltekniske laboratorier med et middel for å karakterisere og identifisere psykoplantemateriale uten tid og ressurskrevende metodeutvikling. Protokollen kan utvides til arten differensiering av en rekke andre plante-avledet materiale. 22-26
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne ønsker å takke for en Universitetet i Albany-SUNY Presidential Initiatives Fondet for forskning og stipend i Forensic Science and Cyber stipend, en National Science Foundation bevilgning (Grant # 1310350) og en National Institute of Justice tilskuddet (Grant # 2015-DN-BX- K057) til RAM. Vi erkjenner også Justine E. Giffen for å ta fotografier av plantematerialer.
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 |