Desorptio/fotoionisaatio ilmanpaineessa takavarikoitujen huumausaineiden, steroidien ja räjähdysaineiden tutkimuksessa

Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää desorptio/fotoionisaatio ilmanpaineessa tekniikan (engl. desorption atmospheric pressure photoionization, DAPPI) soveltuvuutta rikosteknisen laboratorion näytteiden analysointiin. DAPPI on nopea massaspektrometrinen ionisaatiotekniikka, jolla voidaan tutkia yhdisteitä suoraan erilaisilta pinnoilta. DAPPI:ssa käytetään lämmitettyä mikrosirua, joka suihkuttaa höyrystynyttä liuotin- ja kaasuvirtausta kohti näytettä. Näytteen pinnan komponentit desorboituvat lämmön vaikutuksesta, jonka jälkeen ionisoituminen tapahtuu VUV-lampun emittoimien fotonien avulla.DAPPI:lla tutkittiin takavarikoituja huumausaineita, anabolisia steroideja ja räjähdysaineita sekä niiden jäämiä erilaisilta pinnoilta. Lisäksi kartoitettiin DAPPI:n mahdollisuuksia ja rajoituksia erilaisille näytematriiseille ilman näytteiden esikäsittelyä. Takavarikoitujen huumausaineiden tutkimuksessa analysoitiin erilaisia tabletteja, jauheita, kasvirouheita, huumekasveja (khat, oopium, kannabis) ja sieniä. Anabolisia steroideja tunnistettiin tableteista sekä ampulleista, jotka sisälsivät öljymäistä nestettä. Jauheet ripoteltiin kaksipuoliselle teipille ja analysoitiin siltä. Muut näytteet analysoitiin sellaisenaan ilman minkäänlaista esikäsittelyä, paitsi nestemäisten näytteiden kohdalla näyte pipetoitiin talouspaperille, joka analysoitiin DAPPI:lla. DAPPI osoittautui nopeaksi ja yksinkertaiseksi menetelmäksi takavarikoitujen huumausaineiden ja steroidien analysoimisessa. Se soveltui hyvin rikoslaboratorion erityyppisten näytteiden rutiiniseulontaan ja helpotti erityisesti huumekasvien ja öljymäisten steroidiliuosten tutkimusta. Massaspektrometrin likaantuminen pystyttiin ehkäisemään säätämällä näytteen etäisyyttä sen suuaukosta. Likaantumista ei havaittu huolimatta näytteiden korkeista konsentraatioista ja useita kuukausia jatkuneista mittauksista. Räjähdysaineiden tutkimuksessa keskityttiin seitsemän eri räjähdysaineen DAPPI-MS-menetelmän kehitykseen; trinitrotolueeni (TNT), nitroglykoli (NK), nitroglyseriini (NG), pentriitti (PETN), heksogeeni (RDX), oktogeeni (HMX) ja pikriinihappoä Nämä orgaaniset räjähteet ovat nitraattiyhdisteitä, jotka voidaan jakaa rakenteen puolesta nitroamiineihin (RDX ja HMX), nitroaromaatteihin (TNT ja pikriinihappo) sekä nitraattiestereihin (PETN, NG ja NK). Menetelmäkehityksessä räjähdysainelaimennokset pipetoitiin polymetyylimetakrylaatin (PMMA) päälle ja analysoitiin siitä. DAPPI:lla tutkittiin myäs autenttisia räjähdysainejäämiä erilaisista matriiseista. DAPPI:lla optimoitiin jokaiselle räjähdysaineelle sopiva menetelmä ja yhdisteet saatiin näkymään puhdasaineina. Räjähdysainejäämien analysoiminen erilaisista rikospaikkamateriaaleista osoittautui haastavammaksi tehtäväksi, koska matriisit aiheuttivat itsessään korkean taustan spektriin, josta räjähdysaineiden piikit eivät useimmiten erottuneet tarpeeksi. Muut desorptioionisaatiotekniikat saattavat soveltua paremmin haastavien räjähdysainejäämien havaitsemiseksi.

Micropillar Array Based Microchips for Electrospray Ionization Mass Spectrometry, Microreactors, and Liquid Chromatographic Separation

This dissertation deals with the design, fabrication, and applications of microscale electrospray ionization chips for mass spectrometry. The microchip consists of microchannel, which leads to a sharp electrospray tip. Microchannel contain micropillars that facilitate a powerful capillary action in the channels. The capillary action delivers the liquid sample to the electrospray tip, which sprays the liquid sample to gas phase ions that can be analyzed with mass spectrometry. The microchip uses a high voltage, which can be utilized as a valve between the microchip and mass spectrometry. The microchips can be used in various applications, such as for analyses of drugs, proteins, peptides, or metabolites. The microchip works without pumps for liquid transfer, is usable for rapid analyses, and is sensitive. The characteristics of performance of the single microchips are studied and a rotating multitip version of the microchips are designed and fabricated. It is possible to use the microchip also as a microreactor and reaction products can be detected online with mass spectrometry. This property can be utilized for protein identification for example. Proteins can be digested enzymatically on-chip and reaction products, which are in this case peptides, can be detected with mass spectrometry. Because reactions occur faster in a microscale due to shorter diffusion lengths, the amount of protein can be very low, which is a benefit of the method. The microchip is well suited to surface activated reactions because of a high surface-to-volume ratio due to a dense micropillar array. For example, titanium dioxide nanolayer on the micropillar array combined with UV radiation produces photocatalytic reactions which can be used for mimicking drug metabolism biotransformation reactions. Rapid mimicking with the microchip eases the detection of possibly toxic compounds in preclinical research and therefore could speed up the research of new drugs. A micropillar array chip can also be utilized in the fabrication of liquid chromatographic columns. Precisely ordered micropillar arrays offer a very homogenous column, where separation of compounds has been demonstrated by using both laser induced fluorescence and mass spectrometry. Because of small dimensions on the microchip, the integrated microchip based liquid chromatography electrospray microchip is especially well suited to low sample concentrations. Overall, this work demonstrates that the designed and fabricated silicon/glass three dimensionally sharp electrospray tip is unique and facilitates stable ion spray for mass spectrometry.