HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE V TOXIKOLOGII A FORENZNÍ ANALÝZE

Význam tématu

Hmotnostní spektrometrie je klíčovou metodou v toxikologii a forenzní analýze díky své schopnosti rychle, selektivně a citlivě identifikovat a kvantifikovat exogenní i endogenní látky ve vysoce komplexních vzorcích biologického či forenzního původu. Tato technika napomáhá včasné diagnostice, objasnění kriminalistických událostí i kontrole kvality a autentizace výrobků.

Cíle a přehled studie

Přehledový článek shrnuje moderní přístupy spojené s hmotnostní spektrometrií pro klinickou toxikologii a forenzní chemii. Cílem je porovnat různé kombinace separačních metod s MS, zhodnotit výhody cílené a necílené (skríningové) analýzy a představit nastupující trendy, jako jsou techniky ambientní ionizace a miniaturizované mobilní systémy.

Použitá metodika a instrumentace

• Separace: plynová chromatografie (GC), dvoudimenzionální GC×GC, vysokoúčinná kapalinová chromatografie a ultravysoce účinná LC (UHPLC), kapilární elektroforéza;
• Mass spectrometrie: tandemová MS/MS (kvadrupól, iontová past), analyzátory doby letu (TOF), vysokého rozlišení (HRMS), vícekolektorové ICP-MS;
• Ambientní ionizace: DART, DESI, DAPPI, paperspray (PSI), sonic spray (SSI), ASAP pro přímou analýzu bez náročné přípravy;
• Speciální techniky: MALDI a SIMS pro chemické zobrazování otisků prstů, LA-ICP-MS pro mapování prvkových zbytků výbušnin a střelných zbraní;
• Izotopová hmotnostní spektrometrie (IRMS, EA-IRMS) pro odhalování geografického a biologického původu vzorků.

Hlavní výsledky a diskuse

• LC-MS/MS se ukázala jako rychlá a citlivá pro cílenou analýzu léčiv, drog a jejich metabolitů, minimalizuje falešně pozitivní či negativní výsledky oproti imunochemickým testům.
• LC-HRMS rozšířilo možnosti systematické (necílené) analýzy díky vyšší schopnosti detekce neznámých sloučenin a přesnému stanovení poměru m/z, přičemž LC-Q-TOF-MS identifikovalo o 240 % více toxikologicky významných látek než GC-MS.
• GC×GC-MS přináší hlubokou separaci komplexních směsí těkavých látek, ale zůstává metodou náročnou na vyhodnocení a čas.
• Ambientní ionizační techniky a direct analysis in real time (DART) umožňují rychlou detekci drog, výbušnin či toxinů přímo na místě události s minimální přípravou vzorku.
• MS zobrazování (DESI, MALDI, SIMS, LA-ICP-MS) poskytuje chemické a elementové profily latentních otisků prstů, které kombinují daktyloskopické a molekulární informace, včetně přítomnosti léčiv, drog nebo analytických markerů.
• Miniaturizované systémy (Mini 12, MX908, Griffin G510 aj.) s papírovým sprejem, extrakčním nebo nanosprejem dosahují detekčních limitů v jednotkách ng/ml v krvi či moči, otevírají cestu k diagnostice na místě a mobilní forenzní analýze.

Přínosy a praktické využití metody

• Vysoká citlivost a selektivita umožňuje detekci stopových koncentrací omamných látek, léků, toxinů a výbušnin.
• Minimalizace matričních efektů pomocí isotopicky značených interních standardů a optimalizace chromatografie zlepšuje kvantitativní přesnost.
• Ambientní MS a rapidní screening zkracují dobu analýzy, což je zásadní pro urgentní klinická a forenzní vyšetření.
• MS zobrazování latentních otisků prstů doplňuje klasické daktyloskopie o molekulární a elementové informace, zvyšuje vypovídací hodnotu forenzní stopy.
• IRMS umožňuje sledování geografického a organického původu látek v kriminalistice, kontrole kvality potravin a boji proti falšování.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další rozvoj miniaturizovaných a přenosných MS systémů pro point-of-care testing a mobilní forenzní laboratoře.
• Integrace ambientních ionizačních metod s vysokým rozlišením a automatizovanou datovou analýzou, včetně umělé inteligence a strojového učení pro skríning neznámých látek.
• Metody suchých kapek (dried matrix spots) pro archivaci a rychlou přípravu biologických vzorků.
• Pokročilé zobrazovací techniky kombinující MALDI, SIMS a LA-ICP-MS s vysokým prostorovým rozlišením pro detailní chemickou mapu forenzních stop.
• Rozšíření aplikace IRMS a multikolektorového ICP-MS pro velmi přesné stanovení isotopových poměrů v kriminologii, ekologii a potravinářském dohledu.

Závěr

Hmotnostní spektrometrie představuje univerzální a výkonný nástroj pro toxikologii a forenzní analýzu. Kombinace s chromatografií, ambientními ionizačními technikami i miniaturizovanými přístroji významně rozšiřuje analytické možnosti, zkracuje čas vyšetření a zvyšuje kvalitu dat pro klinické a forenzní účely.

Použitá instrumentace

• GC-MS, GC-MS/MS, GC×GC-MS
• HPLC/UHPLC-MS/MS, LC-Q-TOF, LC-HRMS
• Kapilární elektroforéza-MS
• Ambientní ionizace DART, DESI, DAPPI, paperspray (PSI), sonic spray (SSI), ASAP
• MALDI, SIMS, LA-ICP-MS
• Elemental analyzer IRMS, EA-IRMS
• Tandemové MS (kvadrupól, iontová past)
• Mobilní MS systémy Mini 12, MX908, Griffin G510, Portability, Mars-400A

Reference

• Hoffmann W. D., Jackson G. P.: Annual Review of Analytical Chemistry, vol. 8, 419 (2015).
• Mogollon N. G. S., Quiroz-Moreno C. D., Prata P. S., de Almeida J. R., Cevallos A. S., Torres-Guierrez R., Augusto F.: J. Anal. Methods Chem. 2018, doi:10.1155/2018/4142527.
• Van Wijk X. M. R., Goodnough R., Colby J. M.: Crit. Rev. Clin. Lab. Sci. 56, 225 (2019).
• TIAFT: Recommendations on Sample Preparation, staženo 11. 12. 2019.
• Maurer H. H.: J. Chromatogr., Biomed. Appl. 580, 3 (1992).
• Grapp M., Maurer H. H., Desel H.: Drug Test. Anal. 8, 816 (2016).
• Grapp M., Kaufmann C., Streit F., Binder L.: Forensic Sci. Int. 287, 63 (2018).
• Stilo F., Liberto E., Bicchi C., Reichenbach S. E., Cordero C.: LC GC Eur. 32, 234 (2019).
• Remane D., Wissenbach D. K., Peters F. T.: Clin. Biochem. 49, 1051 (2016).
• Pitterl F., Kob S., Pitterle J., Steger J., Oberacher H.: LC GC North Am. 35, 180 (2017).
• Peters F. T., Remane D.: Anal. Bioanal. Chem. 403, 2155 (2012).
• Michely J. A., Meyer M. R., Maurer H. H.: Anal. Chim. Acta 982, 112 (2017).
• FBI Jobs: Federal Bureau of Investigation, staženo 10. 11. 2019.
• Forbes T. P., Sisco E.: Analyst 143, 1948 (2018).
• Correa D. N., Santos J. M., Eberlin L. S., Eberlin M. N., Teunissen S. F.: Anal. Chem. 88, 2515 (2016).
• Matos M. P. V., Jackson G. P.: Forensic Chem. 13, 16 (2019).
• Lehmann E. L., Arruda M. A. Z.: Anal. Chim. Acta 1063, 9 (2019).
• McKenna J., Jett R., Shanks K., Manicke N. E.: J. Anal. Toxicol. 42, 300 (2018).
• Teodoro J. A. R., Pereira H. V., Sena M. M., Piccin E., Zacca J. J., Augusti R.: Food Chem. 237, 1058 (2017).
• Francese S., Bradshaw R., Denison N.: Analyst 142, 2518 (2017).
• Muccio Z., Jackson G. P.: Analyst 134, 213 (2009).
• Becker J. S.: J. Anal. At. Spectrom. 17, 1172 (2002).
• Su B.: Anal. Bioanal. Chem. 408, 2781 (2016).
• Pluháček T., Švidrnoch M., Maier V., Havlíček V., Lemr K.: Anal. Chim. Acta 1030, 25 (2018).
• Ma W., Xu S. T., Liu H. W., Bai Y.: Small Methods, in press, doi:10.1002/smtd.201900407.
• Smoluch M., Grasso G., Suder P., Silberring J. (ed.): Mass Spectrometry: An Applied Approach, 2nd ed., Wiley, New Jersey 2019.
• Li L., Chen T.-C., Ren Y., Hendricks P. I., Cooks R. G., Ouyang Z.: Anal. Chem. 86, 2909 (2014).
• Espy R. D., Teunissen S. F., Manicke N. E., Ren Y., Ouyang Z., van Asten A., Cooks R. G.: Anal. Chem. 86, 7712 (2014).
• Ma Q., Bai H., Li W. T., Wang C., Cooks R. G., Ouyang Z.: Talanta 142, 190 (2015).