| Přispěvatelé: |
University of Helsinki, Faculty of Pharmacy, farmaseuttisen kemian osasto, Helsingin yliopisto, farmasian tiedekunta, Helsingfors universitet, farmaceutiska fakulteten, Eberlin, Marcos, Kostiainen, Risto |
| Popis: |
Mass spectrometry provides rapid, sensitive, and selective analysis. However, the analysis times are extended for complex samples if sample preparation and separation are required beforehand. Various desorption ionization mass spectrometry (DI-MS) methods have recently been presented to provide rapid sampling even of complex samples, with minimal or no sample preparation. At best, the analysis is performed in a few seconds. The aim of this work was to develop and evaluate DI-MS methods for efficient bio- and pharmaceutical analysis exploiting desorption/ionization on silicon (DIOS), desorption electrospray ionization (DESI), and desorption atmospheric pressure photoionization (DAPPI). For DIOS-MS analysis, a method based on micro-scale atmospheric pressure electric discharge was developed for the fabrication of novel sampling surfaces. The electric discharge method was used in two applications: 1) tuning of the wettability (hydrophilic/hydrophobic properties) of black silicon DIOS sample surfaces to improve DIOS-MS sensitivity and repeatability and 2) simplified fabrication of nanocluster silicon (NCSi) surfaces to be used as new DIOS sample surfaces, through surface roughnening of planar silicon. The electric discharge method is simple, rapid, flexible, and cost-effective, requiring only a high-voltage supply and a discharge needle. Potential applications for the created structures are numerous, including microreactors, diagnostic devices, sensors, optoelectronics, and micro- and nanofluidics. In this work, the surfaces were used in DIOS-MS analysis of drugs and small peptides. The capabilities of DESI and DAPPI in the analysis of various lipids and drugs of abuse were investigated with standard, spiked, and authentic biological and pharmaceutical samples. The lipids typically formed multiple, often unpredictable, ions differing according to the spray solvent. Therefore, DESI and DAPPI are more feasibly applied for targeted analysis than for the identification of unknown lipids. Targeted analysis of lipids was demonstrated with pharmaceutical and food products without sample pretreatment. The ionization of the drugs of abuse (benzodiazepines and opioids), on the other hand, was more straightforward. These drugs could be identified in urine without sample pretreatment by DESI and DAPPI, however, in routine analyses of authentic urine samples, the performance of the methods was not acceptable. In conclusion, although many DI-MS methods without sample preparation are powerful and fast tools for direct analysis, their suitability for a particular analysis always needs careful consideration. The true potential of DESI and DAPPI probably lies in imaging and in in situ analysis where sample pretreatment is not possible for example, because it disturbs the chemical integrity of the sample. Also, the unique features of the methods, such as chemical reactions induced by the spray solvent, offer interesting possibilities. DIOS, on the other hand, provides intriguing prospects for on-plate sample manipulation utilizing surface modifications; the high surface area provided by nanostructures offers large sample loading capacity, and the surface is easily modified to contain specific chemical functionalities. Massaspektrometria (MS) on monipuolinen analyysimenetelmä, jonka avulla voidaan määrittää hyvin pieniä määriä tutkittavaa ainetta nopeasti ja luotettavasti, myös seoksista. Farmaseuttisissa ja biologisissa näytteissä on kuitenkin yleensä niin suuri määrä analyysiä häiritseviä yhdisteitä, että näytteet on puhdistettava ennen analyysiä perinteisillä MS-menetelmillä. Tämä näytteen esikäsittely on tyypillisesti analyysin aikaa vievin vaihe. MS analysoi yhdisteitä perustuen niiden massan ja varauksen suhteeseen ja siksi tutkittavat yhdisteet on ionisoitava ennen MS-analyysiä. Desorptioionisaatio-massaspektrometriassa (DI-MS) analysoitava yhdiste desorboidaan ja ionisoidaan sopivalta alustalta tai suoraan näytteestä. Tämä minimoi näytteen valmistuksen tarvetta ja nopeuttaa analyysiä. Lisäksi DI-MS:n avulla voidaan selvittää molekyylien jakautuminen näytteen pinnalla (kuvantaminen). Joillakin DI-MS-menetelmillä on kyetty analysoimaan monimutkaisia näytteitä, kuten ruumiinnesteitä, kasvin lehtiä, kudosleikkeitä ja lääketabletteja, sellaisenaan ilman minkäänlaista näytteen esikäsittelyä. Tällöin koko analyysi voidaan suorittaa muutamassa sekunnissa. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli tutkia ja kehittää DI-MS-menetelmiä nopeina työkaluina bio- ja farmaseuttisissa analyyseissä. Työssä tutkittiin kolmea eri DI-MS-menetelmää: desorptio/ionisaatiota piiltä (desorption/ionization on silicon, DIOS), desorptiosähkösumutusionisaatiota (desorption electrospray ionization, DESI) ja desorptioilmanpainefotoionisaatiota (desorption atmospheric pressure photoionization, DAPPI). DIOS-MS-analyysejä varten työssä valmistettiin uusia näytealustoja, joiden tuottamiseksi kehitettiin yksinkertainen, nopea ja helposti kontrolloitava menetelmä perustuen ilmanpaineessa tapahtuvaan mikro-kokoluokan sähköpurkaukseen. Uusien näytealustojen etuina olivat parempi suorituskyky lääkeaineiden ja biomolekyylien analysoinnissa tai huomattavasti helpompi valmistustapa verrattuna perinteisiin DIOS-alustoihin. DIOS-alustojen yksinkertaiset pintamodifikaatiot tarjoavat monipuolisia mahdollisuuksia, joilla voidaan tehostaa DIOS-MS-analyysejä, esimerkiksi suoraan näytealustalla tapahtuvalla näytteenkäsittelyllä. DESI- ja DAPPI-MS-menetelmiä tutkittiin lipidien ja väärinkäytettyjen lääkeaineiden nopeissa analyyseissä. Erilaisten lipidien ionisoitumista tutkittiin standardinäytteillä sekä suoraan farmaseuttisista- ja elintarvikevalmisteista ilman näytteen esikäsittelyä. Väärinkäytettyjen lääkeaineiden ionisaatiota tutkittiin sekä standardinäytteistä että virtsanäytteistä. Lääkeaineiden analysointi suoraan virtsasta ilman näytteen esikäsittelyä onnistui, mutta todellisten virtsanäytteiden rutiinianalyysissä menetelmien suorituskyky ei yltänyt vaadittavalle tasolle. Näytteenkäsittelyn väliin jättämistä tulee siis aina tarkoin harkita ja tutkia kunkin analyyttisen tapauksen yhteydessä. DESI ja DAPPI tarjonnevat suurimmat hyötynsä näytteiden kuvantamisessa sekä tilanteissa, joissa näytteenkäsittely ei ole mahdollista. |
