Thin-Layer Chromatography with Ultraviolet and Mass Spectrometric Detection: From Preparative-Layer to Miniaturized Ultra-Thin-Layer Technique

The present challenge in drug discovery is to synthesize new compounds efficiently in minimal time. The trend is towards carefully designed and well-characterized compound libraries because fast and effective synthesis methods easily produce thousands of new compounds. The need for rapid and reliable analysis methods is increased at the same time. Quality assessment, including the identification and purity tests, is highly important since false (negative or positive) results, for instance in tests of biological activity or determination of early-ADME parameters in vitro (the pharmacokinetic study of drug absorption, distribution, metabolism, and excretion), must be avoided. This thesis summarizes the principles of classical planar chromatographic separation combined with ultraviolet (UV) and mass spectrometric (MS) detection, and introduces powerful, rapid, easy, low-cost, and alternative tools and techniques for qualitative and quantitative analysis of small drug or drug-like molecules. High performance thin-layer chromatography (HPTLC) was introduced and evaluated for fast semi-quantitative assessment of the purity of synthesis target compounds. HPTLC methods were compared with the liquid chromatography (LC) methods. Electrospray ionization mass spectrometry (ESI MS) and atmospheric pressure matrix-assisted laser desorption/ionization MS (AP MALDI MS) were used to identify and confirm the product zones on the plate. AP MALDI MS was rapid, and easy to carry out directly on the plate without scraping. The PLC method was used to isolate target compounds from crude synthesized products and purify them for bioactivity and preliminary ADME tests. Ultra-thin-layer chromatography (UTLC) with AP MALDI MS and desorption electrospray ionization mass spectrometry (DESI MS) was introduced and studied for the first time. Because of the thinner adsorbent layer, the monolithic UTLC plate provided 10 100 times better sensitivity in MALDI analysis than did HPTLC plates. The limits of detection (LODs) down to low picomole range were demonstrated for UTLC AP MALDI and UTLC DESI MS. In a comparison of AP and vacuum MALDI MS detection for UTLC plates, desorption from the irregular surface of the plates with the combination of an external AP MALDI ion source and an ion trap instrument provided clearly less variation in mass accuracy than the vacuum MALDI time-of-flight (TOF) instrument. The performance of the two-dimensional (2D) UTLC separation with AP MALDI MS method was studied for the first time. The influence of the urine matrix on the separation and the repeatability was evaluated with benzodiazepines as model substances in human urine. The applicability of 2D UTLC AP MALDI MS was demonstrated in the detection of metabolites in an authentic urine sample.

Desorptioilmanpainefotoionisaatio- ja desorptiosähkösumutusionisaatio-massaspektrometria lipidien analytiikassa

Lipidit ovat rasvaliukoisia kudoksesta peräisin olevia yhdisteitä, joilla on monia eri fysiologisia tehtäviä. Lipidien analyysimenetelmien kehittämien on tärkeää, sillä niiden esiintymistä elimistössä voidaan käyttää biomarkkerina sairauksien diagnostiikassa ja apuna sairauksien kehittymismekanismien tutkimisessa. Lipideihin kuuluu polaarisuudeltaan ja rakenteeltaan hyvin erilaisia yhdisteitä. Niiden massaspektrometria-analytiikassa on aikaisemmin käytetty useita erilaisia ionisaatiomenetelmiä, jotka vaativat näytteen esikäsittelyn ennen analyysia. Desorptiosähkösumutusionisaatio-massaspektrometria (DESI-MS) ja desorptio-ilmanpainefotoionisaatio-massaspektrometria (DAPPI-MS) ovat uusia ionisaatio-menetelmiä, jotka mahdollistavat yhdisteiden analysoinnin suoraan eri matriiseista, kuten kudosnäytteistä, usein ilman esikäsittelyä. DESI-MS soveltuu parhaiten suhteellisen polaaristen yhdisteiden analytiikkaan, kun taas DAPPI:lla voidaan ionisoida myös poolittomia yhdisteitä. DESI-MS:lla on jo aikaisemmin analysoitu erilaisia lipidejä, kun taas DAPPI-MS:lla on aikaisemmin analysoitu vain steroideja. DAPPI- ja DESI-MS:lla tutkittiin erilaisten lipidien (fosfolipidit, triglyseridit, rasvahapot, rasvaliukoiset vitamiinit ja steroidit) ionisoitumista. Molemmilla menetelmillä optimoitiin standardiyhdisteille mittausolosuhteet. Lipidejä analysoitiin myös suoraan farmaseuttisista valmisteista. DAPPI:n ja DESI:n soveltuvuudessa erilaisten lipidien ionisoimiseen oli jonkin verran eroja. DAPPI toimi hyvin varsinkin poolittomampien lipidien, eli triglyseridien, steroidien, vitamiinien ja rasvahappojen ionisaatiossa, mutta huonosti hieman polaarisempien ja herkästi hajoavien fosfolipidien ionisaatiossa. Fosfolipidit fragmentoituivat DAPPI-ionisaatiossa, eikä moolimassatiedon sisältävää ionia saatu näkyviin. DESI puolestaan toimii hyvin fosfolipidien ionisoimisessa ja melko hyvin myös muiden tutkittavien lipidien ionisoimisessa, lukuunottamatta kaikkein poolittomimpia lipidejä. Uutta tietoa tutkimuksessa saatiin varsinkin DAPPI:n soveltuvuudesta erilaisten lipidien analytiikkaan. Tulosten perusteella voidaan sanoa, että DAPPI toimii yhtä hyvin tai jopa DESI:a paremmin useiden eri lipidien analytiikkassa. Menetelmää tulisi kuitenkin kehittää edelleen, jotta fosfolipidien, jotka ovat elimistön tärkeä lipidiryhmä, analysointi onnistuisi DAPPI:lla. Työssä ei analysoitu lipidejä suoraan kudosnäytteestä, joten DAPPI:n soveltuvuudesta lipidien analysointiin suoraan kudosnäytteistä ei voida tehdä johtopäätöksiä tämän työn perusteella.