Verbesserter Nachweis von Fentanyl durch Raman-Spektrochemie

Die forensische Wissenschaft entwickelt sich ständig weiter, indem sie neuere und zuverlässigere Analysetechnologien einsetzt. Im Bereich der illegalen Drogen ändert sich die Landschaft jedes Jahr rapide, und die Nachfrage nach geeigneten Screening-Methoden steigt. Solche Screening-Methoden sind heute Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten. Eine schnelle und zuverlässige Identifizierung von legalen und illegalen Drogen ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass geeignete Analyseprotokolle entwickelt werden, nützliche Informationen gesammelt werden, Ermittlungen vor Ort erfolgreich verlaufen und die Sicherheit von Labormitarbeitern, Angehörigen der Gesundheitsberufe und Ermittlern am Tatort verbessert wird. In diesem Blogartikel geht es um das Opioid Fentanyl und darum, wie die Forschung des Gewinners des Metrohm Young Chemist Award (MYCA) 2022, Dr. Colby Ott, bei dessen forensischer Identifizierung mit Hilfe der Raman-Spektroelektrochemie hilft.

Fentanyl: Wunderdroge oder Gefahr für die öffentliche Gesundheit?

Fentanyl ist ein synthetisches Opioid, das schätzungsweise 50-mal stärker als Heroin und 100-mal stärker als Morphin ist [1,2]. Aufgrund seiner Stärke wird pharmazeutisches Fentanyl zur Behandlung starker Schmerzen, z. B. bei Krebserkrankungen im fortgeschrittenen Stadium, verschrieben. Patienten, denen Fentanyl verschrieben wird, sollten jedoch engmaschig überwacht werden, da Fentanyl in den Vereinigten Staaten und in anderen Ländern eine der Hauptursachen für Überdosierungen und Todesfälle ist.

Illegales Fentanyl kommt in verschiedenen Formen vor, unter anderem in flüssiger und pulverförmiger Form. Außerdem wird es häufig mit anderen illegalen Drogen (z. B. Heroin, Kokain und Methamphetamin) gemischt und zu Pillen verarbeitet, die verschreibungspflichtigen Opioiden oder anderen Drogen ähneln. Mit Fentanyl versetzte Drogen sind extrem gefährlich, und viele Menschen sind sich nicht bewusst, dass sie beim Konsum von Straßendrogen mit einem so starken Opioid in Kontakt kommen können.

Schon zwei Milligramm Fentanyl können tödlich sein, abhängig von Faktoren wie der Körpergröße, der Toleranz und dem bisherigen Konsum einer Person. Bei einer so geringen Menge ist das Risiko einer Überdosierung extrem hoch. Bei Analysen der US-Drogenbehörde DEA (Drug Enforcement Administration) wurden gefälschte Pillen mit bis zu 5 mg Fentanyl pro Tablette gefunden - mehr als das Doppelte der tödlichen Dosis!

Fentanyl-Krise in der Gesellschaft: die Daten

Im Zeitraum von 1999 bis 2022 starben in den USA mehr als 1,1 Millionen Menschen an einer Drogenüberdosis [3]. Derzeit wird geschätzt, dass dort täglich über 200 Menschen an Überdosierungen im Zusammenhang mit synthetischen Opioiden wie Fentanyl sterben (basierend auf Zahlen für den 12-Monats-Zeitraum bis September 2023) [4]. Die DEA beschlagnahmte im Jahr 2023 eine Rekordzahl an mit Fentanyl versetzten Pillen (79,5 Millionen) sowie fast 12.000 Pfund (5400 kg) Fentanylpulver [5]. Die im Jahr 2023 von der DEA beschlagnahmte Menge an Fentanyl entsprach mehr als 376,7 Millionen tödlichen Dosen [5]. Labortests zeigen, dass 70 % der von der DEA beschlagnahmten Pillen eine tödliche Dosis Fentanyl enthalten [5].

Allein im Jahr 2022 starben in den USA etwa 110.000 Menschen an einer Überdosis Drogen [6]. Fast 74.000 dieser Todesfälle wurden durch Fentanyl und andere synthetische Opioide verursacht (Abbildung 1), was fast 70 % der Gesamtzahl ausmacht (Abbildung 2). Vergleicht man die Zahl der Todesfälle durch Überdosierung mit Opioiden, einschließlich verschreibungspflichtiger Opioide und Heroin (Abbildung 3), wird deutlich, wie gefährlich Fentanyl ist und warum ein so großer Bedarf an einer schnellen und genauen Fentanyl-Identifizierung besteht.

Herausforderungen für Fentanyl Nachweismethoden

Fentanyl Teststreifen sind eine kostengünstige Nachweismethode, die dazu beitragen soll, Überdosen zu verhindern und Schäden zu verringern. Sie bestehen aus kleinen Papierstreifen, mit denen Fentanyl in verschiedenen Drogenarten (z. B. Kokain, Methamphetamin, Heroin usw.) und -formen (z. B. Pillen, Pulver und Injektionsmaterial) nachgewiesen werden kann.

Bei Fentanylstreifen dauert es jedoch in der Regel drei bis fünf Minuten, bis ein Ergebnis vorliegt. Diese Verzögerung kann über Leben und Tod entscheiden. Selbst wenn der Test negativ ausfällt, bedeutet dies nicht unbedingt, dass es sich um "sichere" Drogen handelt, da die Teststreifen möglicherweise stärkere fentanylähnliche Chemikalien nicht erkennen. Darüber hinaus sind die Teststreifen qualitativ und nicht quantitativ - sie zeigen nur das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Fentanyl an. Aus diesen Gründen ist die Entwicklung schneller, einfacher, empfindlicher und selektiver Methoden für Fentanyl unerlässlich.

Die Raman-Spektro-Elektrochemie kombiniert die Vorteile der Elektrochemie und der Raman-Spektroskopie und stellt eine interessante alternative Technik zur Bestimmung von Fentanyl in verschiedenen Substanzen dar. Die elektrochemische Aktivierung metallischer Strukturen ermöglicht die Verstärkung der Raman-Intensität durch den Effekt der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS). Dieses Phänomen verbessert die Empfindlichkeit und ermöglicht den Nachweis sehr niedriger Konzentrationen des untersuchten Analyten.

Erfahren Sie mehr über die Vorteile der Verwendung von SERS in unserem entsprechenden Blogbeitrag.

Raman vs. SERS… Was ist der Unterschied?

Forensische Identifizierung von Fentanyl-Drogen mit Spektroelektrochemie

Wir nutzten die Gelegenheit, Dr. Colby Ott zu interviewen und zu erörtern, warum sein Forschungsansatz neue Möglichkeiten für künftige Anwendungen in klinischen Situationen, Point-of-Care-Analysen (POC) und andere Arten der forensischen Analyse eröffnet.

1. Was ist der Vorteil der Raman-Spektroelektrochemie gegenüber anderen herkömmlichen Methoden zum Drogennachweis?

"Die meisten Methoden zur Drogenidentifizierung verwenden hochentwickelte Instrumente wie GC-MS und LC-MS/MS, die teuer sind, viel Training und Wartung erfordern und zeitaufwändig sind. Abgesehen von den instrumentellen Methoden sind Screening-Methoden mit chemischen Farbtests üblich; sie sind jedoch anfällig für falsch positive und negative Ergebnisse. Spektroskopische Methoden sind im Allgemeinen schnell, kostengünstiger und liefern strukturelle Informationen und Identifizierung. Die Raman-Spektrochemie ist eine schnelle Technik, die das Drogenscreening vor Ort verbessern kann und möglicherweise auch in ländlichen Gebieten eingesetzt werden kann, wo der Zugang zu anderen Instrumenten aufgrund der Größe oder der Kosten eingeschränkt ist."

2. Welchen Beitrag leistet die Elektrochemie zur Raman-Spektroskopie zum Nachweis von Fentanyl?

"Der Nachteil der Raman-Spektroskopie ist, dass die Signalintensität im Allgemeinen viel schwächer ist als bei anderen spektroskopischen Techniken. Bei der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) sind die erhaltenen Signale jedoch viel stärker, so dass man über ein leistungsfähiges Mittel zum Nachweis von Fentanyl verfügt. Eine Signalverstärkung ist in Fentanyl-Fällen erforderlich, da diese Droge aufgrund ihrer Potenz in der Regel als Nebenbestandteil gemischt mit anderen Verfälschungs- und Streckmitteln gefunden wird. Daher bietet die Elektrochemie eine Möglichkeit, schnell und einfach ein akzeptables SERS-Substrat zu erzeugen, das die erforderliche Signalverstärkung liefert."

3. Welche Vorteile hat die Verwendung von siebgedruckten Elektroden (SPEs) im Vergleich zu SERS-Substraten?

"Siebgedruckte Elektroden (SPEs) sind aufgrund ihrer geringen Größe, Reproduzierbarkeit und einfachen Anwendung bei vielen elektrochemischen Anwendungen beliebt. Silber-SPEs bieten eine großartige Oberflächenalternative zur elektrochemischen Erzeugung von Silbernanopartikeln in situ aus dem Elektrodenmaterial selbst, was die Verwendung eines SERS-Substrats in der Praxis erleichtert. Darüber hinaus sind die Einwegbeschaffenheit und die Reproduzierbarkeit von SPEs ein Vorteil in der Forensik."

4. Wie hat ein tragbares und vollständig integriertes Instrument (Potentiostat, Laser und Spektrometer in einer Box) wie SPELEC RAMAN zum Erfolg Ihrer Forschung beigetragen?

"Die Benutzerfreundlichkeit des voll integrierten Raman-Spektrometers und des Potentiostaten hat es ermöglicht, einfache Messungen und Experimente auf einer einzigen Software-Plattform durchzuführen, anstatt zu versuchen, verschiedene Software-Produkte und Instrumente miteinander kommunizieren zu lassen. Noch wichtiger ist, dass der geringe Platzbedarf tragbare Messungen ermöglicht hat, bei denen wir das Gerät für Messungen außerhalb des Standorts mitgenommen haben."

5. Wie wichtig ist die Echtzeit-Erfassung von optischen und elektrochemischen Messungen für diese Forschung?

"Da chemische Farbtests wegen ihrer begrenzten Leistungsfähigkeit beim Screening von beschlagnahmtem Drogenmaterial immer wieder kritisch hinterfragt werden, sind neuartige Screening-Methoden zu einem Schwerpunkt in der forensischen Chemie geworden. Viele der derzeitigen spektroskopischen Methoden sind nicht in der Lage, Komponenten in niedrigen Konzentrationen zu identifizieren, insbesondere bei Vorhandensein großer Mengen von Streckmitteln und Verfälschungen. Unser spektroelektrochemischer Ansatz ermöglichte die Identifizierung von Fentanyl und Fentanyl-Analoga in niedrigen Konzentrationen und in Anwesenheit gängiger Drogen und Verdünnungsmittel, was eine mögliche Screening-Lösung für beschlagnahmtes Drogenmaterial darstellt."

6. Welche potenziellen kommerziellen Auswirkungen hat Ihre Arbeit?

"Diese Art von Methode könnte im Rahmen von Analyseschemata am Front-End eingesetzt werden, um die Entscheidungsfindung für bestätigende Ansätze zu unterstützen. Die Tragbarkeit des Instruments und der experimentelle Ansatz machen diese Arbeit außerdem für Feldversuche geeignet und könnten an Grenzübergängen, Einreisehäfen und Tatorten eingesetzt werden. Wir arbeiten derzeit an Methoden, die in toxikologischen Szenarien nützlich sein könnten, wo diese erschwingliche und einfache Methode in ländlichen Gemeinden, bei Compliance-Tests und beim Drogenscreening eingesetzt werden könnte."

Fazit

Fentanyl, ein starkes synthetisches Opioid, stellt ein erhebliches Überdosierungsrisiko dar. Seine schnelle und zuverlässige Identifizierung ist für Ermittlungs- und Sicherheitszwecke von entscheidender Bedeutung. Die Raman-Spektrochemie bietet im Vergleich zu den derzeitigen Nachweismethoden eine schnellere und effektivere Lösung, vor allem im Feldeinsatz. Die Forschungsarbeiten von Dr. Colby Ott in diesem Bereich, bei denen tragbare Geräte zum Einsatz kommen, sind vielversprechend für klinische und forensische Anwendungen mit potenziellen kommerziellen Auswirkungen.

Ihr Wissen zum Download

Application Note: Verstärkung der Raman-Intensität zum Nachweis von Fentanyl

On-Demand-Webinar: Spektroelektrochemie: Arzneimittelidentifizierung in forensischen Anwendungen

Schnelles Screening beschlagnahmter Drogen vor Ort mit elektrochemischen und spektroskopischen Hilfsmitteln: Identifizierung von Fentanyl und neuartigen psychoaktiven Substanzen

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