Vylepšená detekcia fentanylu pomocou Ramanovej spektroelektrochémie

Oblasť forenznej vedy sa neustále vyvíja začlenením novších a spoľahlivejších analytických technológií. Pokiaľ ide o nelegálne drogy, situácia sa každým rokom rýchlo mení a dopyt po primeraných skríningových metódach stúpa. Takéto skríningové metódy sú dnes témou mnohých výskumov. Rýchla a spoľahlivá identifikácia legálnych a nelegálnych drog je nevyhnutná na to, aby sa zabezpečilo, že sa vypracujú vhodné analytické protokoly, zhromaždia sa užitočné informácie, že vyšetrovanie v teréne bude úspešné a že sa zvýši bezpešnosť pre laboratórny personál, zdravotníckych pracovníkov a vyšetrovateľov na mieste činu. Tento blogový príspevok pojednáva o opioide fentanyle a o tom, ako výskum víťaza ceny Metrohm Young Chemist Award (MYCA) z roku 2022, Dr. Colbyho Otta, pomáha pri jeho forenznej identifikácii pomocou Ramanovej spektroelektrochémie.

Fentanyl: zázračná droga alebo hrozba pre verejné zdravie?

Fentanyl je syntetický opioid, ktorý je podľa odhadov 50-krát silnejší ako heroín a 100-krát účinnejší ako morfín [1,2]. Pre svoju silu sa farmaceutický fentanyl predpisuje na liečbu silnej bolesti, napr. pri rakovine v pokročilom štádiu. Avšak pacienti, ktorým je predpísaný fentanyl, by mali byť pozorne sledovaní, pretože fentanyl je hlavným prispievateľom k predávkovaniu drogami a úmrtiam v Spojených štátoch a iných krajinách.

Nelegálny fentanyl sa vyskytuje v rôznych formách vrátane tekutej a práškovej. Okrem toho sa bežne mieša s inými nelegálnymi drogami (napr. heroínom, kokaínom a metamfetamínom) a vyrábajú sa z nich pilulky, ktoré imituju opioidy na predpis alebo iné drogy. Drogy s fentanylom sú mimoriadne nebezpečné a mnohí ľudia si neuvedomujú, že pri užívaní uličných drog môžu prísť do kontaktu s takým silným opioidom.

Len dva miligramy fentanylu môžu byť smrteľné v závislosti od faktorov, ako je telesná veľkosť osoby, tolerancia a predchádzajúce užívanie. Takéto malé množstvo extrémne zvyšuje riziko predávkovania. Analýza amerického Úradu pre kontrolu drog (DEA) našla falošné pilulky s obsahom až 5 mg fentanylu v jednej tablete, čo je viac ako dvojnásobok smrteľnej dávky!

Fentanylová kríza v spoločnosti: dáta

V období od roku 1999 do roku 2022 zomrelo v USA v dôsledku predávkovania drogami viac ako 1,1 milióna ľudí [3]. V súčasnosti sa odhaduje, že každý deň tam zomiera viac ako 200 ľudí na predávkovanie syntetickými opioidmi, ako je fentanyl (na základe čísel za 12-mesačné obdobie končiace v septembri 2023) [4]. DEA zhabala v roku 2023 rekordný počet piluliek s fentanylom (79,5 milióna) spolu s takmer 12 000 librami (5400 kg) prášku fentanylu [5]. Množstvo fentanylu zachyteného v roku 2023 DEA sa rovnalo viac ako 376,7 miliónom smrteľných dávok [5]. Laboratórne testy ukazujú, že z tabliet zadržaných DEA 70 % obsahuje smrteľnú dávku fentanylu [5].

Len v roku 2022 zomrelo v USA na predávkovanie drogami približne 110 000 ľudí [6]. Takmer 74 000 z týchto úmrtí bolo spôsobených fentanylom a inými syntetickými opioidmi (obrázok 1), čo predstavuje takmer 70 % z celkového počtu (obrázok 2). Pri porovnaní s mierou úmrtí z predávkovania opiátmi vrátane opiátov na predpis a heroínu (obrázok 3) je celkom jasné, aký nebezpečný je fentanyl a prečo je taká veľká potreba rýchlej a presnej identifikácie fentanylu..

Výzvy pre metódy detekcie fentanylu

Testovacie prúžky fentanylu sú nízkonákladovou metódou detekcie, ktorá sa používa na prevenciu predávkovania a zníženie poškodenia. Pozostávajú z uzkych prúžkov papiera, ktoré dokážu zistiť prítomnosť fentanylu v rôznych druhoch drog (napr. kokaín, metamfetamín, heroín atď.) a v rôznych formách (napr. pilulky, prášok a injekčné prípravky).

Avšak fentanylové prúžky zvyčajne vyžadujú tri až päť minút, aby poskytli výsledky. Toto oneskorenie môže rozhodnúť medzi životom alebo smrťou. Aj keď je test negatívny, nemusí to znamenať „bezpečné“ drogy, pretože testovacie prúžky nemusia odhaliť účinnejšie substancie podobné fentanylu. Testovacie prúžky sú navyše kvalitatívne a nie kvantitatívne – iba indikujú prítomnosť alebo neprítomnosť fentanylu. Z týchto dôvodov je vývoj rýchlych, ľahkých, citlivých a selektívnych metód pre fentanyl nevyhnutný.

Ramanova spektroelektrochémia spája výhody elektrochémie a Ramanovej spektroskopie ako zaujímavej alternatívnej techniky na stanovenie fentanylu v rôznych látkach. Elektrochemická aktivácia kovových štruktúr umožňuje zvýšenie intenzity Ramanovho signálu vďaka povrchovo zosilnenému Ramanovmu rozptylu (SERS). Tento jav zlepšuje citlivosť a umožňuje detekciu veľmi nízkych koncentrácií skúmaného analytu.

Viac informácií o výhodách používania SERS nájdete v našom súvisiacom blogovom príspevku.

Raman vs SERS… V čom je rozdiel?

Forenzná identifikácia drog na báze fentanylu pomocou spektroelektrochémie

Využili sme príležitosť na rozhovor s Dr. Colbym Ott a diskutovali sme o tom, prečo jeho prístup k tomuto výskumu otvára nové dvere pre budúce aplikácie v klinických situáciách, pri analýzach Point-of-Care (POC) a iných typoch forenzných analýz..

1. V čom je výhoda Ramanovej spektroelektrochémie v porovnaní s inými tradičnými metódami detekcie drog?

«Väčšina metód používaných na identifikáciu drog využíva sofistikované prístroje ako GC-MS a LC-MS/MS, ktoré sú drahé, vyžadujú vyškolenú obsluhu a údržba a sú časovo náročné. Okrem inštrumentálnych metód sú bežné skríningové metódy využívajúce chemické farebné testy; sú však náchylné na falošne pozitívne a negatívne výsledky. Spektroskopické metódy sú vo všeobecnosti rýchle, s nižšími nákladmi pre používateľa a poskytujú štruktúrne informácie a identifikáciu. Ramanova spektroelektrochémia je rýchla technika, ktorá môže zlepšiť skríning liekov v teréne a mohla by potenciálne dosiahnuť vidiecke prostredie, kde je prístup k drahým prístrojom obmedzenejší z dôvodu veľkosti alebo nákladov.»

2. Aký je prínos elektrochémie pre Ramanovu spektroskopiu na detekciu fentanylu?

«Inherentnou nevýhodou Ramanovej spektroskopie je, že intenzita signálu je vo všeobecnosti oveľa slabšia ako pri iných spektroskopických technikách. Keď sa však použije experiment Ramanovej spektroskopie s povrchovým zosilnením (SERS), získané signály sú oveľa silnejšie a získate výkonný zdroj na identifikáciu fentanylu. V prípadoch fentanylu je potrebné zosilnenie signálu, pretože táto substancia sa vo všeobecnosti vyskytuje ako minoritná zložka zmiešaná s inými falzifikátmi a reznými činidlami v dôsledku jeho účinnosti. Preto elektrochémia poskytuje prostriedok na rýchle a jednoduché dosiahnutie prijateľného substrátu SERS, ktorý poskytuje potrebné vylepšenie signálu.»

3. Aké sú výhody použitia sieťotlačových elektród (SPE) v porovnaní so substrátmi SERS?

«Sieťotlačové elektródy (SPE) sú obľúbené v mnohých elektrochemických aplikáciách kvôli ich malej veľkosti, reprodukovateľnosti a jednoduchosti použitia. Strieborné SPE poskytujú skvelú povrchovú alternatívu na elektrochemické generovanie nanočastíc striebra in situ zo samotného materiálu elektródy, čím sa zvyšuje jednoduchosť použitia v teréne pre substrát SERS. Okrem toho, jednorazová povaha a reprodukovateľnosť SPE sú výhodou vo forenzných prostrediach.»

4. Ako prispel k úspechu vášho výskumu prenosný a plne integrovaný prístroj (potenciostat, laser a spektrometer v jednom boxe), ako je SPELEC RAMAN??

«Jednoduchosť použitia plne integrovaného Ramanovho spektrometra a potenciostatu umožnila jednoduché meranie a nastavenie experimentu na jednej softvérovej platforme namiesto pokusu o komunikáciu medzi rôznymi softvérmi a prístrojmi. Ešte dôležitejšie sú malé rozmery zariadenia, ktoré umožnili prenos prístroja na meranie mimo laboratórium.»

5. Nakoľko relevantné je získavanie optických a elektrochemických meraní v reálnom čase pre tento výskum?

«Keďže chemické farebné testy sa naďalej skúmajú z hľadiska ich obmedzeného výkonu pri skríningu zadržaných drog, nové skríningové metódy sa stali ústredným bodom forenznej chémie. Mnoho súčasných spektroskopických metód nie je schopných identifikovať zložky v nízkych koncentráciách, najmä v prítomnosti veľkého množstva rezných činidiel a prímesí. Náš spektroelektrochemický prístup umožnil identifikáciu fentanylu a analógov fentanylu v nízkych koncentráciách a v prítomnosti bežných drog a riediacich zlúčenín, čo predstavuje možné riešenie na skríning zadržaných liekov.»

6. Aký je potenciálny komerčný dopad vašej práce?

«Tento typ metódy by sa mohol použiť ako súčasť schém predbežnej analýzy na podporu rozhodovania pre konfirmačné prístupy. Prenosnosť prístroja a experimentálny prístup tiež robia túto prácu vhodnou na testovanie v teréne a možno ju použiť na hraničných priechodoch, v prístavoch a na miestach činu. V súčasnosti pracujeme na metódach, ktoré by mohli byť užitočné v toxikologických scenároch, kde by sa táto cenovo dostupná a jednoduchá metóda dala použiť vo vidieckych komunitách, pri testovaní dodžiavania súladu a pri skríningu drog.»

Záver

Fentanyl, silný syntetický opioid, predstavuje významné riziko predávkovania. Jeho rýchla a spoľahlivá identifikácia je rozhodujúca pre účely vyšetrovania a bezpečnosti. Ramanova spektroelektrochémia ponúka rýchlejšie a efektívnejšie riešenie v porovnaní so súčasnými metódami detekcie, najmä v teréne. Výskum Dr. Colbyho Otta v tejto oblasti s použitím prenosných prístrojov je sľubný pre klinické a forenzné aplikácie s potenciálnym komerčným dopadom..

Vaše poznatky na stiahnutie

Aplikačná Poznámka: Enhancement of Raman intensity for the detection of fentanyl

Uložený Webinár: Spectroelectrochemistry: Drug Identification in Forensic Applications

Fast On-site Screening of Seized Drugs by Electrochemical and Spectroscopic Tools: Identification of Fentanyl and Novel Psychoactive Substances

Blogový príspevok: Raman spectroelectrochemistry from India to Spain: History and applications

Blogový príspevok: Spectroelectrochemistry: shedding light on the unknown

Blogový príspevok: Intuitive spectroelectrochemistry: How user-friendly cells make analysis even easier