Green and sustainable evaluation of methods for sample treatment in drug analysis

Význam tématu

Moderní analytická chemie čelí rostoucím požadavkům na přesnou detekci drog v biologických matricích při současném minimalizování ekologického dopadu analytických postupů. Příprava vzorku představuje 60–80 % celkové doby analýzy a má zásadní vliv na přesnost, reprodukovatelnost i environmentální zatížení metod. Green Analytical Chemistry (GAC) proto prosazuje miniaturizaci, snížení spotřeby rozpouštědel a energie, používání méně toxických materiálů a implementaci kvantitativních metrik pro hodnocení „zelenosti“ metod.

Cíle a přehled článku

Článek shrnuje pokročilé přístupy v přípravě vzorků pro analýzu psychoaktivních látek se zaměřením na udržitelná řešení a posuzování jejich environmentálních vlastností pomocí metrik AGREEprep, SPMS a HEXAGON. Autoři porovnávají tradiční a miniaturizované techniky (SPE, SPME, LPME/DLLME), uvádějí příklady nových sorbentů a alternativních rozpouštědel (ionické kapaliny, deep eutectic solvents) a diskutují silné a slabé stránky současných hodnoticích nástrojů.

Použitá metodika

Článek představuje přehled literárních případů uplatnění různých technik přípravy vzorků a hodnotí je pomocí tří metrik:

• AGREEprep – 10 kritérií zaměřených výlučně na přípravu vzorku (score 0–1); váhy kritérií mohou být upraveny uživatelem.
• SPMS (Sample Preparation Metric of Sustainability) – metrika zaměřená jen na přípravu vzorku, bere v úvahu např. množství vzorku, množství extrahentu, povahu extrahentu, počet kroků, dobu extrakce, energetickou spotřebu a opakované použití.
• HEXAGON – komplexnější nástroj hodnotící celou analytickou metodu: figure of merit, toxicitu, rezidua, uhlíkovou stopu a ekonomické náklady (škála 0–4; nižší průměr Sav = lepší).

Hlavní analyzované techniky a strategie greeningu:

• Solid-phase extraction (SPE) a dispersive-SPE: zmenšování rozměrů (micro-/pipette-tip SPE), integrace a automatizace, vývoj biologicky odvozených nebo snáze recyklovatelných sorbentů a 3D tisk zařízení.
• Solid-phase microextraction (SPME): široká paleta formátů (vlákna, tenké folie, in-tube), nízká spotřeba sorbentu, možnost přímého napojení na detektory a opakované použitelnosti sorbentů; preferováno bezrozpouštědlové termální desorpce nebo použití zelených rozpouštědel (DES, IL) při kapalné desorpci.
• Liquid-phase microextraction (LPME / DLLME): výrazná redukce objemu extrakčního rozpouštědla (µL), rychlá kinetika přenosu hmoty; uplatnění IL a NADES jako alternativ k fosilním rozpouštědlům.

Použitá instrumentace

V přehledu se uvádějí typické analytické přístroje používané v kombinaci s přípravou vzorku:

• Hmotnostní spektrometrie (MS), včetně tandem MS (LC-MS/MS, GC–MS/MS) a přenosných MS
• Kapalinová chromatografie (HPLC, UHPLC, cLC) s různými detektory (DAD, FLD)
• Ion mobility spectrometry (IMS)
• Kapilární elektroforéza s TOF-MS
• Dielectric barrier discharge ionization (DBDI) spojené s přímým SPME
• UV–vis spektrometrie a jiné jednoduché detektory pro méně náročné aplikace

Hlavní výsledky a diskuse

Hlavními závěry jsou:

• Miniaturizované přístupy (SPME, LPME) jsou obecně „zelenější“ než klasické off-line SPE, protože spotřebovávají méně rozpouštědel, generují méně odpadu a často umožňují automatizaci a vyšší propustnost.
• AGREEprep typicky penalizuje klasické SPE kvůli použití organických rozpouštědel a většímu počtu kroků; avšak miniaturizované SPE formáty (pipette-tip, paper-based) dosahují výrazně lepšího skóre.
• SPMS klade důraz na objem vzorku, dobu extrakce a povahu extrahentu; výsledky mohou jít v některých případech proti AGREEprep (např. MOF-SPE získá nižší AGREEprep, ale vysoké SPMS díky malému počtu kroků a dobré opakovatelnosti).
• HEXAGON poskytuje širší kontext zahrnující uhlíkovou stopu a náklady; metody využívající jednodušší přístroje (IMS, UV–vis) a tepelné desorpce dosahují lepších Sav hodnot (nižší = lepší).
• Derivatizační kroky a použití toxických rozpouštědel (chloroform, dichlormethan) výrazně snižují hodnocení podle všech metrik.

Přínosy a praktické využití metody

Implementace mikroextrakcí a nových sorbentů přináší:

• Snížení spotřeby nebezpečných chemikálií a produkce odpadu.
• Možnost in-field nebo rapidního screeningu (portable MS, SPME-on-site).
• Zvýšení propustnosti laboratoří a zlepšení bezpečnosti obsluhy díky automatizaci a menší manipulaci s toxickými látkami.
• Vhodnost pro klinické, forenzní a environmentální monitoring s omezením nákladů a ekologické stopy.

Budoucí trendy a možnosti využití

Autoři navrhují několik směrů rozvoje:

• Další vývoj biologicky založených a snadno recyklovatelných sorbentů a využití technologií 3D tisku k výrobě optimalizovaných extrakčních zařízení.
• Širší zavedení alternativních zelených rozpouštědel (IL, DES, NADES) s posouzením jejich životního cyklu.
• Sjednocení a harmonizace greenness metrik; doporučení zahrnout spotřebu vody, ekonomickou udržitelnost a výkon metody (fit-for-purpose) do hodnocení.
• Vytvoření uživatelsky přívětivých softwarových nástrojů (aplikace, web, Excel) pro snadné použití metrik v laboratorní praxi a případné zapracování do regulačních doporučení.

Závěr

Článek potvrzuje, že přechod k miniaturizovaným a integrovaným postupům (SPME, LPME) spolu s použitím inovativních sorbentů a zelených rozpouštědel významně přispívá k udržitelnosti analýzy drog. Existující metriky (AGREEprep, SPMS, HEXAGON) poskytují užitečné, avšak rozdílné pohledy na „greenness“; jejich další vývoj a harmonizace, včetně širších environmentálních a ekonomických kritérií, je nezbytná pro praktické zavedení udržitelných analytických postupů.

Reference

Vybrané zdroje citované v článku (vybráno z původního seznamu):

1. Nováková L., Advances in sample preparation for biological fluids, LCGC Int. 29 (2016) 9–15.
2. de la Guardia G.M., Armenta S., Green analytical chemistry: theory & practice, Compr. Anal. Chem. Ser., Elsevier (2011).
3. Gałuszka A., Migaszewski Z., Namieśnik J., The 12 principles of green analytical chemistry, TrAC Trends Anal. Chem. 50 (2013) 78–84.
4. Nowak P.M., Wietecha-Posłuszny R., Pawliszyn J., White analytical chemistry: an approach to reconcile GAC and functionality, TrAC Trends Anal. Chem. 138 (2021) 116223.
5. Pena-Pereira F., Wojnowski W., Tobiszewski M., AGREE—analytical GREEnness metric approach and software, Anal. Chem. 92 (2020) 10076–10082.
6. Wojnowski W., Tobiszewski M., Pena-Pereira F., Psillakis E., AGREEprep – Analytical greenness metric for sample preparation, TrAC Trends Anal. Chem. 149 (2022) 116553.
7. González-Martín R., Gutiérrez-Serpa A., Pino V., Sajid M., Sample preparation metric of sustainability, J. Chromatogr. A. 1707 (2023) 464291.
8. Ballester-Caudet A., Campíns-Falcó P., et al., A new tool for evaluating analytical methods: the hexagon, TrAC Trends Anal. Chem. 118 (2019) 538–547.
9. Belardi R.P., Pawliszyn J.B., Application of chemically modified fused silica fibers in extraction of organics, Water Qual. Res. J. 24 (1989) 179–191.
10. Jalili V., Barkhordari A., Ghiasvand A., A comprehensive look at SPME: a review of reviews, Microchem. J. 152 (2020) 104319.
11. Zhou W., Wieczorek M.N., Javanmardi H., Pawliszyn J., Direct SPME-MS facilitates rapid analysis and green analytical chemistry, TrAC Trends Anal. Chem. 166 (2023) 117167.
12. Kokosa J.M., Selecting an extraction solvent for a greener LPME mode, TrAC Trends Anal. Chem. 118 (2019) 238–247.
13. Armenta S., Esteve-Turrillas F.A., Garrigues S., de la Guardia M., Alternative green solvents in sample preparation, Green Anal. Chem. 1 (2022) 100007.
14. De las N. Peiró M., Armenta S., Garrigues S., de la Guardia M., Determination of MDPV in oral and nasal fluids by IMS, Anal. Bioanal. Chem. 408 (2016) 3265–3273.
15. Sajid M., Dispersive liquid–liquid microextraction: evolution and green aspects, TrAC Trends Anal. Chem. 152 (2022) 116636.
16. Koel M., Do we need green analytical chemistry?, Green Chem. 18 (2016) 923–931.
17. Vybrané aplikační studie SPME, SPE a LPME citované v článku: Godage N.H., Gionfriddo E., Biocompatible SPME coupled to GC/MS, J. Chromatogr. B 1203 (2022) 123308; Sorribes-Soriano A. et al., pipette-tip SPE, Talanta 205 (2019) 120158; Martínez-Pérez-Cejuela H. et al., MOF-SPE, Anal. Chim. Acta 1246 (2023) 340887.