Udoskonalone wykrywanie fentanylu przy użyciu spektroelektrochemii Ramana

Dziedzina kryminalistyki nieustannie ewoluuje poprzez wprowadzanie nowszych i bardziej niezawodnych technologii analitycznych. Jeśli chodzi o nielegalne narkotyki, krajobraz zmienia się gwałtownie każdego roku, a zapotrzebowanie na odpowiednie metody przesiewowe rośnie. Takie metody przesiewowe są obecnie przedmiotem wielu badań. Szybka i niezawodna identyfikacja zarówno legalnych, jak i nielegalnych narkotyków ma zasadnicze znaczenie dla zapewnienia opracowania odpowiednich protokołów analitycznych, gromadzenia przydatnych informacji, powodzenia dochodzeń w terenie oraz poprawy bezpieczeństwa personelu laboratoryjnego, pracowników służby zdrowia i śledczych na miejscu przestępstwa. W tym artykule na blogu omówiono fentanyl opioidowy i sposób, w jaki badania zwycięzcy nagrody Metrohm Young Chemist Award (MYCA) z 2022 r., dr Colby'ego Otta, pomagają w jego identyfikacji kryminalistycznej za pomocą spektroelektrochemii Ramana.

Fentanyl: cudowny lek czy zagrożenie dla zdrowia publicznego?

Fentanyl jest syntetycznym opioidem szacowanym na 50 razy silniejszy od heroiny i 100 razy silniejszy od morfiny [1,2]. Ze względu na swoją siłę, fentanyl farmaceutyczny jest przepisywany w celu leczenia silnego bólu, np. w przypadku nowotworów w zaawansowanym stadium. Pacjenci, którym przepisano fentanyl, powinni być jednak ściśle monitorowani, ponieważ jest on głównym czynnikiem przyczyniającym się do przedawkowania narkotyków i zgonów w Stanach Zjednoczonych i innych krajach.

Nielegalny fentanyl występuje w różnych formach, w tym w postaci płynnej i sproszkowanej. Co więcej, jest on powszechnie mieszany z innymi nielegalnymi narkotykami (np. heroiną, kokainą i metamfetaminą) i przekształcany w tabletki przypominające opioidy na receptę lub inne leki. Narkotyki zawierające fentanyl są niezwykle niebezpieczne, a wiele osób nie zdaje sobie sprawy, że mogą mieć kontakt z tak silnym opioidem podczas używania narkotyków ulicznych.

Zaledwie dwa miligramy fentanylu mogą być śmiertelne, w zależności od czynników takich jak rozmiar ciała, tolerancja i wcześniejsze użycie. Tak niewielka ilość sprawia, że ryzyko przedawkowania jest niezwykle wysokie. Analiza przeprowadzona przez Amerykańską Agencję ds. Zwalczania Narkotyków (DEA) wykazała, że podrobione tabletki zawierają do 5 mg fentanylu w tabletce - ponad dwa razy więcej niż dawka śmiertelna!

Kryzys związany z fentanylem w społeczeństwie: dostępne dane

W latach 1999-2022 ponad 1,1 miliona osób zmarło w Stanach Zjednoczonych z powodu przedawkowania narkotyków [3]. Obecnie szacuje się, że każdego dnia z powodu przedawkowania syntetycznych opioidów, takich jak fentanyl, umiera tam ponad 200 osób (na podstawie danych za 12-miesięczny okres kończący się we wrześniu 2023 r.) [4]. DEA przechwyciła rekordową liczbę tabletek zawierających fentanyl (79,5 miliona) w 2023 roku wraz z prawie 12 000 funtów (5400 kg) fentanylu w proszku [5]. Ilość fentanylu przechwyconego w 2023 r. przez DEA odpowiadała ponad 376,7 mln śmiertelnych dawek [5]. Testy laboratoryjne wykazały, że 70% tabletek skonfiskowanych przez DEA zawiera śmiertelną dawkę fentanylu [5].

Tylko w 2022 r. w Stanach Zjednoczonych z powodu przedawkowania narkotyków zmarło około 110 000 osób [6]. Prawie 74 000 z tych zgonów było spowodowanych przez fentanyl i inne syntetyczne opioidy (rysunek 1), co stanowi prawie 70% wszystkich zgonów (rysunek 2). W porównaniu ze wskaźnikiem zgonów spowodowanych przedawkowaniem opioidów, w tym opioidów na receptę i heroiny (rysunek 3), staje się całkiem jasne, jak niebezpieczny jest fentanyl i dlaczego istnieje tak duża potrzeba szybkiej i dokładnej identyfikacji fentanylu.

Wyzwania związane z metodami wykrywania fentanylu

Paski testowe do wykrywania fentanylu to niedroga metoda wykrywania stosowana w celu zapobiegania przedawkowaniu i zmniejszania liczby szkód. Składają się one z małych pasków papieru, które mogą wykryć obecność fentanylu w różnych rodzajach narkotyków (np. kokaina, metamfetamina, heroina itp.) i formach (np. tabletki, proszek i zastrzyki).

Paski służące do wykrywania fentanylu zazwyczaj wymagają od trzech do pięciu minut, aby uzyskać wyniki. To opóźnienie może stanowić różnicę między życiem a śmiercią. Nawet jeśli wynik testu jest negatywny, może to nie oznaczać, że użyta substancja jest "bezpieczna", gdyż paski testowe mogą nie wykrywać silniejszych substancji chemicznych podobnych do fentanylu. Ponadto, paski testowe są jakościowe, a nie ilościowe - wskazują jedynie na obecność lub brak fentanylu. Z tych powodów konieczne jest opracowanie szybkich, łatwych w obsłudze, czułych i selektywnych metod wykrywania fentanylu.

Spektroelektrochemia Ramana łączy zalety zarówno elektrochemii, jak i spektroskopii Ramana, stanowiąc interesującą alternatywną technikę oznaczania fentanylu w różnych substancjach. Elektrochemiczna aktywacja struktur metalicznych pozwala na zwiększenie intensywności Ramana dzięki efektowi powierzchniowo wzmocnionego rozpraszania Ramana (SERS). Zjawisko to poprawia czułość i umożliwia wykrywanie bardzo niskich stężeń badanego analitu.

Dowiedz się więcej o zaletach korzystania z SERS dzięki naszemu powiązanemu wpisowi na blogu.

Raman vs SERS… Zobacz różnice?

Kryminalistyczna identyfikacja fentanylu za pomocą spektroelektrochemii

Skorzystaliśmy z okazji, aby przeprowadzić wywiad z dr Colby Ottem i omówić, dlaczego jego podejście do tych badań otwiera nowe drzwi dla przyszłych zastosowań w sytuacjach klinicznych, analizach Point-of-Care (POC) i innych rodzajach analiz kryminalistycznych.

1. Jaką przewagę ma spektroelektrochemia Ramana nad innymi tradycyjnymi metodami wykrywania narkotyków?

"Większość metod stosowanych do identyfikacji narkotyków wykorzystuje zaawansowane instrumenty, takie jak GC-MS i LC-MS/MS, które są drogie, wymagają wielu szkoleń i konserwacji oraz są czasochłonne. Oprócz metod instrumentalnych, powszechne są metody przesiewowe wykorzystujące chemiczne testy barwne; są one jednak podatne na fałszywie pozytywne i negatywne wyniki. Metody spektroskopowe są generalnie szybkie, tańsze dla użytkownika i dostarczają informacji strukturalnych i identyfikacji. Spektroelektrochemia Ramana jest szybką techniką, która może poprawić badania przesiewowe leków w terenie i może potencjalnie dotrzeć do środowisk wiejskich, gdzie dostęp do innych instrumentów jest bardziej ograniczony ze względu na rozmiar lub koszty".

2. Jaki jest udział procesu elektrochemicznego w spektroskopii Ramana przy wykrywaniu fentanylu?

"Nieodłączną wadą spektroskopii ramanowskiej jest to, że intensywność sygnału jest na ogół znacznie słabsza niż w przypadku innych technik spektroskopowych. Jednakże, gdy zostanie zastosowany eksperyment spektroskopii ramanowskiej ze wzmocnieniem powierzchniowym (SERS), uzyskane sygnały są znacznie silniejsze, a użytkownik otrzymuje potężne źródło identyfikacji fentanylu. Wzmocnienie sygnału jest konieczne w przypadku fentanylu, ponieważ lek ten jest zwykle znajdowany jako niewielki składnik zmieszany z innymi substancjami fałszującymi i środkami tnącymi w wyniku jego siły działania. Dlatego zastosowanie elektrochemii umożliwia szybkie i łatwe wygenerowanie akceptowalnego substratu SERS, zapewniając niezbędne wzmocnienie sygnału".

3. Jakie są zalety stosowania elektrod wykonanych metodą nadruku sitowego (SPE) w porównaniu z podłożami SERS?

"Elektrody drukowane sitodrukiem (SPE) są popularne w wielu zastosowaniach elektrochemicznych ze względu na ich mały rozmiar, powtarzalność i łatwość użycia. Srebrne SPE stanowią doskonałą alternatywę powierzchniową do elektrochemicznego generowania nanocząstek srebra in situ z samego materiału elektrody, zwiększając łatwość użycia w dziedzinie posiadania podłoża SERS. Ponadto, jednorazowy charakter i powtarzalność SPE są zaletą w środowisku kryminalistycznym".

4. W jaki sposób przenośny i w pełni zintegrowany instrument (potencjostat, laser i spektrometr w jednym pudełku), taki jak SPELEC RAMAN, przyczynił się do sukcesu Twoich badań?

"Łatwość obsługi w pełni zintegrowanego spektrometru Ramana i potencjostatu pozwoliła na proste pomiary i konfigurację doświadczeń na jednej platformie oprogramowania, zamiast prób komunikowania się różnych programów i instrumentów. Co ważniejsze, niewielka powierzchnia pozwoliła na pomiary wykonywane w sposób przenośny, podczas których zabraliśmy urządzenie poza miejsce pomiarów".

5. Jak istotna dla tych badań jest akwizycja pomiarów optycznych i elektrochemicznych w czasie rzeczywistym?

"Ponieważ barwne testy chemiczne są nadal analizowane pod kątem ich ograniczonej skuteczności w badaniach przesiewowych skonfiskowanych materiałów narkotykowych, nowe metody badań przesiewowych stały się centralnym punktem chemii kryminalistycznej. Wiele obecnych metod spektroskopowych nie jest w stanie zidentyfikować składników w niskich stężeniach, zwłaszcza w obecności dużych ilości środków tnących i substancji fałszujących. Nasze podejście spektroelektrochemiczne pozwoliło na identyfikację fentanylu i analogów fentanylu w niskich stężeniach oraz w obecności popularnych leków i związków rozcieńczających, zapewniając możliwe rozwiązanie do badań przesiewowych skonfiskowanych materiałów narkotykowych".

6. Jaki jest potencjalny komercyjny wpływ Twojej pracy?

"Ten rodzaj metody może być stosowany w ramach schematów analitycznych na wczesnym etapie, aby informować o podejmowaniu decyzji w dół linii dla podejść potwierdzających. Ponadto przenośność urządzenia i podejście eksperymentalne sprawiają, że praca ta nadaje się do testowania w terenie i może być stosowana na przejściach granicznych, w portach wejścia i na miejscach zbrodni. Obecnie pracujemy nad metodami, które mogłyby być przydatne w scenariuszach toksykologicznych, gdzie ta niedroga i prosta metoda byłaby stosowana w społecznościach wiejskich, testach zgodności i badaniach przesiewowych narkotyków".

Wnioski

Fentanyl, silny syntetyczny opioid, stwarza znaczne ryzyko przedawkowania. Jego szybka i niezawodna identyfikacja ma kluczowe znaczenie dla celów dochodzeniowych i bezpieczeństwa. Spektroelektrochemia Ramana oferuje szybsze i skuteczniejsze rozwiązanie w porównaniu z obecnymi metodami wykrywania, zwłaszcza w warunkach terenowych. Badania dr Colby'ego Otta w tej dziedzinie, wykorzystujące przenośne oprzyrządowanie, są obiecujące dla zastosowań klinicznych i kryminalistycznych z potencjalnym wpływem komercyjnym.

Wiedza, którą możesz wykorzystać

Application Note: Wzmocnienie intensywności Ramana do wykrywania fentanylu

On-demand Webinar: Spektroelektrochemia: Identyfikacja narkotyków w zastosowaniach kryminalistycznych

Szybkie badanie na miejscu zatrzymanych narkotyków za pomocą narzędzi elektrochemicznych i spektroskopowych: Identyfikacja fentanylu i nowych substancji psychoaktywnychast

Blog post: Spektroelektrochemia Ramana od Indii po Hiszpanię: Historia i zastosowania

Blog post: Spektroelektrochemia: rzucanie światła na nieznane

Blog post: Intuicyjna spektroelektrochemia: Jak przyjazne dla użytkownika ogniwa sprawiają, że analiza jest jeszcze łatwiejsza