Analiza syntetycznych dopalaczy metodami FT-IR - Spectro-Lab

Analiza syntetycznych dopalaczy metodami FT-IR, Raman i GC-IR
Autorzy: S. Lowry, M. Bradley i W. Jalenak
Kontrola prawna opiera się na listach substancji kontrolowanych. W celu obejścia prawa
pokątne laboratoria produkują syntetyczne dopalacze, które są chemicznie powiązane ze
związkami o kontrolowanym obrocie, ale są chemicznie na tyle różne żeby stworzyć
problemy z ich prawnym zwalczaniem i ściganiem ich dystrybucji. Identyfikacja substancji w
celach dowodowych wymaga dokładnej informacji, łącznie ze specyficznością izomeryczną i
stereochemiczną. W artykule pokazujemy przykłady, w których spektroskopia FTIR (łącznie
z techniką łączoną GC-IR) i spektroskopia Raman w połączeniu z bibliotekami widm
referencyjnych mogą dostarczyć informacji o niezbędnej specyficzności z dodatkową zaletą
szybkiej analizy.
Instytucje na całym świecie podają informacje o rosnącej dystrybucji syntetycznych
dopalaczy, łącznie z tak zwanymi "solami kąpielowymi" i kannabinoidami. Amerykańska
agencja zwalczania narkotyków (DEA) i inne instytucje rozpoczęły niedawno szeroko
zakrojoną akcję rozpoznania wszystkich poziomów globalnego rynku dopalaczy (1).
Niewielkie modyfikacje chemiczne, którymi poddawane są znane narkotyki, dają w rezultacie
nowe sybstancje o działaniu odurzającym, które nie są na listach stanowych i federalnych
substancji zakazanych. Pod względem prawnym słowa takie jak "analogi" pozostawiają
miejsce do interpretacji dla sądów. Wyniki procesów mogą zależeć od dokładnego
rozumienia znaczenia izomerów pozycyjnych i stereochemicznych, a sądy czy ławy
przysięgłych mogą nie mieć kompetencji technicznych do ich oceny. Przy zacieśnianiu prawa
możliwość uzyskania wyroków skazujących zależy od wnikliwej analizy kryminalistycznej.
Grupa naukowa do analizy przechwytywanych substancji narkotycznych (SWGDRUG,
www.swgdrug.org) definiuje spektroskopię w podczerwieni i Raman jako dwie z
ograniczonej listy technik analitycznych kategorii A zapewniających potencjalnie nawyższą
selektywność (2). Do identyfikacji przechwytywanych narkotyków jest najbardziej pożądane,
by użyć techniki kategorii A w połączeniu z przynajmniej jedną inną techniką (kategorii A, B
lub C). By wspomóc laboratoria kryminalistyczne w procesie identyfikacji substancji
odurzających naukowcy z Cayman Chemical Company, Tennessee Bureau of Investigation
(TBI) i Thermo Fisher Scientific podjęli współpracę w celu przygotowania wysokiej jakości
referencyjnych bibliotek widm (FTIR metodą ATR, Raman i FTIR par substancji dla
dostępnych dopalaczy. W tym artykule chcemy przedyskutować znaczenie spektroskopii
FTIR i Raman przy użyciu tych bibliotek w celu identyfikacji dopalaczy w
przechwytywanych materiałach (3). Pokazujemy również jak chromatografia gazowa z
detekcją IR (GC-IR) umożliwia identyfikację specyficznych izomerów syntetycznych
narkotyków w materiałach o złożonym składzie jak np. materiał roślinny.
Część eksperymentalna
Widma referencyjne FT-IR i Ramana zostały zebrane z pomiarów związków otrzymanych z
firmy Cayman Chemical Company.
Widma FT-IR zostały zmierzone przy rozdzielczości 2 cm-1 przy użyciu zintegrowanej
diamentowej przystawki ATR wbudowanej w spektrometr FTIR Thermo Scientific Nicolet
iS50. Widma Ramana zostały zmierzone na spektrometrze Thermo Scientific DXR Raman
przy wzbudzeniu laserem 532nm, przy siatce 900-linii/mm i szczelinie 25μm. Widma
Ramana i FTIR zmierzone dla próbki mefedronu zostały pokazane na rysunku 1, by
zademonstrować komplementarną naturę tych dwóch technik, uwypuklających różne grupy
funkcyjne w cząsteczce (4).
Rysunek 1: Porównanie widm FT-IR i Ramana mefedronu, substancji psychoaktywnej znanej
jako "miau, miau"
W tym przykładzie zaznaczyliśmy położenia pasm w celu łatwego porównania z widmami w
monografiach SWGDRUG.
Widma fazy gazowej GC–IR zostały zmierzone w TBI. Wzorce kannabinoidów, "soli
kąpielowych" i innych narkotyków zostały rozpuszczone w rozpuszczalnikach (na ogół w
metanolu) by uzyskać roztwory 1 mg/ml.
Została użyta kolumna kwarcowa 5m o średnicy 0.30mm pokryta związaną fazą poly(1%
diphenyl, 99% dimethylsiloxane). Program temperaturowy był następujący: 80°C przez 1min,
następnie 70°C/min od 80°C do 270°C i 270°C przez 20 min. Ta kombinacja krótkiej
kolumny i szybkiego narostu temperatury została użyta, ponieważ narkotyki mają niską
lotność, która może prowadzić do długich czasów retencji. W tych warunkach
przechwytywane materiały mogą wykazywać niepełny rozdział (ekstrakty roślinne i obecne
zanieczyszczenia), powodując konieczność dalszej analizy jak podano poniżej. Uzyskane
widma zostały zgrupowane w bibliotece widm gazowych TBI.
Rysunek 2 pokazuje wyniki GC–IR dla 3 związków ilustrujących różnice spektralne dla
izomerów o wysokim podobieństwie.
Rysunek 2: Porównanie widm w fazie gazowej trzech zbliżonych kannabinoidów
Zdolność rozróżniania izomerów jest jedną z głównych zalet zarówno spektroskopii IR jak
Ramana
Wyniki i dyskusja
Fundamentalnym wyzwaniem w laboratoriach kryminalistycznych jest przeprowadzenie
kompletnej i pewnej identyfikacji przechwyconych materiałów. W tym celu często jest
wykonywane przeszukiwanie spektralne przy wykorzystaniu komercyjnych lub lokalnie
sporządzonych blbliotek widm. Przeszukiwanie spektralne obejmuje dopasowanie widma
próbki do widma z biblioteki. Najczęściej podawana jest wartość określająca współczynnik
podobieństwa w skali 0–1 lub 0–100. Na wartość współczynnika podobieństwa mogą
wpływać różnice w technice pomiarowej dla widm w bibliotece i widma próbki. Pokazujemy
zarówno specyficzność (to jest odróżnianie izomeru od izomeru) jak niezawodność (w
sytuacji kiedy techniki pomiaru się różnią) metody pod kątem identyfikacji syntetycznych
dopalaczy. Ponieważ laboratoria mogą wymieniać się danymi i używać bibliotek
komercyjnych niezawodność jest krytyczna przy ustaleniu użyteczności metody jako
narzędzia dowodowego.
Użycie bibliotek referencyjnych dyspersyjnej spektroskopii Ramana z widmami FTRaman
Spektroskopia Ramana dyspersyjna i z transformacją Fouriera (FT) mają swoje zalety i
słabości. W tym przypadku sprawdzimy czy biblioteki widm zmierzonych przy pomocy
dyspersyjnego spektrometru Ramana mogą być użyte do dopasowania widm z analizy FTRaman. Z natury rzeczy obie odmiany techniki są czułe na te same drgania cząsteczek ale są
w nich subtelne różnice w odstępie danych, rozdzielczości i intensywności pasm, które mogą
wpływać na na identyfikację.
Przeszukiwanie widma FT-Raman przy użyciu biblioteki widm Ramana zmierzonych na
spektrometrze dyspersyjnym daje wyniki pokazane na rysunku 3.
Rysunek 3: Wyniki wyszukiwania dla widma FT-Raman (laser 1064nm). Widma w bibliotece
zostały zmierzone przy wzbudzeniu laserem 532nm (Raman dyspersyjny).
Algorytm wyszukiwania podaje wartość 96 dla harmalinu. Chociaż musi być zachowany
rozsądek tak by ślepo nie sugerować się wartościami dopasowań, wartość 96 jest generalnie
uznawana za bardzo dobre dopasowanie. Potwierdza to wiarygodność analizy za pomocą
biblioteki widm Ramana zebranych przy użyciu różnych długości fali lasera wzbudzającego.
Zidentyfikowana substancja, harmalin, jest psychoaktywnym indolem, które jest spotykany w
naturze w niektórych roślinach. Harmalin został zidentyfikowany jako środek rozcieńczający
w mieszankach ziołowych zawierających syntetyczne kannabinoidy i może prowadzić do
zatrucia w połączeniu z halucynogenną tryptaminą. Harmalin jest kontrolowany m.in. w
Australii, Kanadzie i Francji, ale nie jest kontrolowany w USA (z wyjątkiem uregulowań dla
użycia go jako dodatku w lekach i żywności).
Użycie biblioteki referencyjnej ATR z widmami transmisyjnymi
Pomiar techniką ATR w spektroskopii w podczerwieni staje się preferowaną metodą
pomiarową ze względu na szybkość i brak pracochłonnego przygotowania próbki. Dzięki
minimalnemu (lub wręcz żadnemu) przygotowaniu próbki i szybkiemu pomiarowi ATR może
być pierwszą analizą przesiewową kiedy próbki trafiają do laboratorium. Mimo tego wiele
laboratoriów kryminalistyczne wciąż preferuje (albo takie ma zatwierdzone procedury)
tradycyjne techniki transmisyjne oparte na pomiarze tabletek w KBr lub zawiesin w oleju
mineralnym (nujolu) (5).
Widmo transmisyjne pokazane na górze na rysunku 4 zostało uzyskane z pomiaru harmalinu
w nujolu.
Rysunek 4: Wyniki wyszukiwania dla próbki zmierzonej jako zawiesina w nujolu (oleju
mineralnym) wobec biblioteki referencyjnej utworzonej z widm zmierzonych techniką ATR
po poddaniu ich zaawansowanej korekcji ATR.
Silne pasma C-H pochodzące od nujolu zostały usunięte (wycięte a nie odjęte) przed
przeszukiwaniem. Widma w bibliotece referencyjnej zmierzone przy użyciu diamentowej
przystawki ATR zostały poddane przetwarzaniu przy użyciu algorytmu zaawansowanej
korekcji ATR, który normalizuje intensywność i kształt pasm tak by odpowiadały one
widmom transmisyjnym (6). Próbka została prawidłowo zidnetyfikowana jako harmalin ze
współczynnikiem podobieństwa 93. Podobne wyniki otrzymuje się w odwrotnej sytuacji
kiedy widma ATR są korygowane i porównywane z istniejącymi bibliotekami widm opartymi
na pomiarach transmisyjnych, które historycznie były najczęstszą bazą przy tworzeniu
bibliotek. Ta wzajemna wymienność pozwala laboratoriom na używanie cały czas starszych
bibliotek widm (transmisyjnych).
Używanie referencyjnej blblioteki widm ATR z widmami mierzonymi przy użyciu
przenośnych spektrometrów FTIR
Praca w terenie wymagająca natychmiastowej identyfikacji staje się coraz bardziej
powszechna. Pomiar danych na miejscu zdarzenia dostarcza zarówno materiałów
dowodowych jak też zapewnia bezpieczeństwo osobom pracującym narażonym na działanie
znalezionych substancji.
Rysunek 5 pokazuje zmierzone przy pomocy aparatu przenośnego widmo IR białego proszku
znalezionego w pokątnym laboratorium.
Rysunek 5: Wyniki przeszukiwania dla widma zmierzonego w terenie przy pomocy
przenośnego spektrometru FTIR
Wyniki przeszukiwania off-line przy użyciu zewnętrznej refrencyjnej bibliotek widm ATR
dały najlepsze dopasowanie dla chlorowodorku 3-metylmetkatynonu (3-MMC) ze
współczynnikiem podobieństwa 93. Wynik: bardzo dobre dopasowanie zostało uzyskane w
terenie dla próbki o wątpliwej czystości w warunkach dalekich od idealnych (7,8).
Substancja 3-MMC jest psychoaktywnym syntetycznym katynonem, który został
zidentyfikowany w "solach kąpielowych". W większości krajów ten związek został uznany za
nielegalny, zarówno explicite jak też jako analog struktualny mefedronu (4-MMC), dla
którego istnieje dłuższa historia ograniczeń prawnych.
Używanie referencyjnej biblioteki widm ATR staje wobec wyzwania kiedy ma się do
czynienia z mieszaninami z pokątnych laboratoriów gdzie rzadko są surowe zasady kontroli
jakości, co prowadzi do powstania produktu, który może być mieszaniną dwóch lub więcej
aktywnych składników oraz prekursorów i zanieczyszczeń. Ponadto proces ścigania
przestępstw wymaga dokładnej i kompletnej informacji o próbce. Widma IR i Ramana
odzwierciedlają w tych przypadkach złożony charakter produktu, a identyfikacja
poszczególnych składników jest wciąż wymagana.
Próbka została zmierzona techniką ATR i wykonano proste (jednoskładnikowe)
przeszukiwanie biblioteki referencyjnej ATR. Takie podejście dało wynik o niskim
współczynniku dopasowania - poniżej 70 - a sporo pasm nie zostało przypisanych.
Istnieją jednak dalsze opcje analizy, z których najlepszą jest zaawansowana technika analizy
statystycznej taka jak wyszukiwanie wieloskładnikowe (MCS).
Rysunek 6 pokazuje wyniki wyszukiwania wieloskładnikowego (MCS) dla próbki przy
użyciu oprogramowania Thermo Scientific OMNIC Specta.
Rysunek 6: Wyniki wyszukiwania wieloskładnikowego dla próbki.
Automatyczny wybór dwóch składników z biblioteki ATR daje wysoki współczynnik
dopasowania dla widma sumarycznego w porównaniu z widmem próbki. Wyniki podobne do
tego sprawiają, że analiza FT-IR-MCS staje się preferowanym podejściem jako pierwsza
analiza przesiewowa, będąc dużo szybszym sposobem niż większość alternatywnych technik
analitycznych.
CB-52 jest względnie nowym kannabinoidem syntetycznym, dla którego krąży wiele pytań
dotyczących jego skuteczności. Zostały wykazane efekty terapeutyczne na myszach, ale jest
niewiele raportów dotyczących jego oddziaływania na ludzi.
AM-1241 jest znanym, skutecznym i selektywnym związkiem o działaniu agonistycznycm
dla jednego z kluczowych receptorów kannabinoidów w organizmie ludzkim.
Używanie bibliotek widm w fazie gazowej z wynikami uzyskiwanymi metodą GC-IR
Metkatynony często pojawiają się na rynku oznakowane jako sole do kąpieli albo nawozy dla
roślin (“produkt nie jest przenaczony do konsumpcji"). Kannabinoidy mogą być sprzedawane
jako powłoki na materiale roślinnym oznakowane jako "potpourri".
W obu przypadkach prosta analiza metodą IR lub Ramana może nie dawać jednoznacznych
wyników, ponieważ substancja psychoaktywna może być przykryta przez informacje
pochodzące od matrycy. Technika GC–IR oferuje skuteczne narzędzie rozdziału i
identyfikacji substancji (9).
Próbki potpourri są namaczane w małej ilości rozpuszczalnika takiego jak metanol. Po takim
"przemyciu" kropla rozworu jest zasysana do strzykawki GC. Próbki proszkowe są
rozpuszczane bezpośrednio i zaciągane do strzykawki. W przeciwieństwie do bardziej czułej
metody GC-MS, w technice GC–IR próbka pozostaje nienaruszona (nie jest fragmentowana)
w związku z czym można uzyskać informacje o izomerach i stereochemii.
W pomiarze GC-IR zostały wybrane warunki GC wymuszające szybką elucję, co powoduje,
że sygnały chromatograficzne nakładają się tak jak to pokazuje wstawka na rysunku 7
Rysunek 7: Wynik GC–IR dla mieszaniny narkotyków wyekstrahowanej z podejrzanej próbki
potpourri
Najwyższy sygnał pochodzi od składników wymywanych jednocześnie i w związku z tym
powiązane widmo jest złożeniem widm mieszaniny. Wyszukiwanie wieloskładnikowe daje
dobre dopasowanie dla mieszaniny dwóch kannabinoidów. Mimo nakładających się sygnałów
dane IR pozwalają na jednoznaczne zidentyfikowanie specyficznych izomerów.
AM-2201 jest silną substancją o działaniu agonistycznym dla kannabinoidów, dla której
notowano przypadki ataków paniki, zaburzeń ruchu i wymiotów
JWH-210 jest silnym środkiem przeciwbólowym, który działa także jak związek agonistyczny
dla receptorów kannabinoidów. Oba są w wielu krajach na listach substancji zakazanych
Wnioski
Znaczenie identyfikacji nowych związków syntetycznych sprzedawanych jako "legalne
dopalacze" rośnie wraz z dystrybucją tych substancji na cąłym świecie. Wyniki powyższej
oceny możliwości analitycznych potwierdzają wartość dedykowanych bibliotejk widm w
połączeniu ze spektrometrami FT-IR i Ramana w celu szybkiej analizy przesiewowej i
identyfikacji dopalaczy. Doskonałe wyniki zostały uzyskane przy użyciu referencyjnych
bibliotek widm nawet przy wykorzystaniu starszych technik pomiarowych i różnych typów
spektrometrów. Planujemy dodawanie do bibliotek nowych związków w miarę jak będą się
pojawiały.
Bibliografia:
(1) DEA Website announcement of synthetic drug crackdown:
http://www.justice.gov/dea/divisions/hq/2014/hq050714.shtml.
(2) SWGDRUG Recommendations Edition 6.1 (2013-11-01), www.swgdrug.org, (2013-11-01).
(3) S. Angelos and M. Garry, Forensics Magazine 08, 5 (2011)
(4) E.G. Bartick, in Handbook of Vibrational Spectroscopy, J.M. Chalmers and P.R. Griffiths, Eds.
(John Wiley and Sons, Ltd., New York, 2002), pp. 2993–3004.
(5) S. Kumar, P, Joshi, and A. Raivanshi, Internet Journal of Forensic Science 4, (2008).
(6) B. Lavine, A. Fasasi, N. Mirjankar, K. Nishikida, and J. Cambell, Appl. Spectrosc. 68, 608–615,
(2014).
(7) E. Bukowski and J. Monti, Am. Lab. 39, 16–19 (2007).
(8) C. Goh, W. van Bronswijk , and C. Priddis, Appl. Spectrosc. 62, 640–648 (2008).
(9) G. Everrett, W. Stanton, and M. Bradley, Thermo Scientific Application Note 52418, (2012).
Polecamy rozwiązania Thermo Scientific do analizy dopalaczy - spektrometry FT-IR Nicolet
iS5, Nicolet iS10, spektrometr Ramana DXR oraz system GC-IR Nicolet iS50+Trace
GC+opcjonalnie moduł FT-Raman