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.

Miniaturized mass spectrometric ionization techniques for environmental analysis and bioanalysis

Miniaturized mass spectrometric ionization techniques for environmental analysis and bioanalysis Novel miniaturized mass spectrometric ionization techniques based on atmospheric pressure chemical ionization (APCI) and atmospheric pressure photoionization (APPI) were studied and evaluated in the analysis of environmental samples and biosamples. The three analytical systems investigated here were gas chromatography-microchip atmospheric pressure chemical ionization-mass spectrometry (GC-µAPCI-MS) and gas chromatography-microchip atmospheric pressure photoionization-mass spectrometry (GC-µAPPI-MS), where sample pretreatment and chromatographic separation precede ionization, and desorption atmospheric pressure photoionization-mass spectrometry (DAPPI-MS), where the samples are analyzed either as such or after minimal pretreatment. The gas chromatography-microchip atmospheric pressure ionization-mass spectrometry (GC-µAPI-MS) instrumentations were used in the analysis of polychlorinated biphenyls (PCBs) in negative ion mode and 2-quinolinone-derived selective androgen receptor modulators (SARMs) in positive ion mode. The analytical characteristics (i.e., limits of detection, linear ranges, and repeatabilities) of the methods were evaluated with PCB standards and SARMs in urine. All methods showed good analytical characteristics and potential for quantitative environmental analysis or bioanalysis. Desorption and ionization mechanisms in DAPPI were studied. Desorption was found to be a thermal process, with the efficiency strongly depending on thermal conductivity of the sampling surface. Probably the size and polarity of the analyte also play a role. In positive ion mode, the ionization is dependent on the ionization energy and proton affinity of the analyte and the spray solvent, while in negative ion mode the ionization mechanism is determined by the electron affinity and gas-phase acidity of the analyte and the spray solvent. DAPPI-MS was tested in the fast screening analysis of environmental, food, and forensic samples, and the results demonstrated the feasibility of DAPPI-MS for rapid screening analysis of authentic samples.

Kosteikkosedimentin fosforivarat ja niiden käyttökelpoisuus kasveille

Maatalouden ympäristötukiohjelmalla pyritään vähentämään maatalouden ravinnekuormitusta, sillä valtaosa fosforin hajakuormituksesta on peräisin maataloudesta. Maataloudesta peräisin olevan fosforin rehevöittävää vaikutusta vesistöissä voidaan pyrkiä vähentämään kosteikoilla, joiden päätarkoituksena on saada valumaveden mukana erodoitunut maa-aines sedimentoitumaan kosteikon pohjalle. Kosteikkojen toimivuudesta ja vesiensuojelun merkityksestä on kuitenkin Suomessa tehdyissä tutkimuksissa saatu ristiriitaisia tuloksia. Tämän työn tavoitteena on selvittää maa-analyysien avulla, mitä valuma-alueelta erodoitunut fosforille tapahtuu kosteikon sedimentissä ja kuinka hyvin sedimentoitunut aines soveltuu kasvualustaksi kasvintuotannossa. Valuma-alueen maanäytteitä ja kosteikon sedimenttinäytteitä vertailemalla havaittiin kosteikossa tapahtuvan erodoituneen maa-aineksen lajittumista. Kosteikosta otetussa sedimenttinäytteessä oli 48 % enemmän savesta kuin valumapellon muokkauskerroksen maanäytteissä. Lisäksi havaittiin, että savespitoisuuden lisääntyminen lisäsi sedimentin reaktiivista pinta-alaa, koska sedimentissä oli 45 % enemmän alumiini- ja rautahydroksideja kuin valuma-alueelta otetuissa maanäytteissä. Hydroksidien runsauden takia fosforin sorptiokapasiteetti oli sedimentissä 52 % suurepi kuin valuma-alueelta otetuissa näytteissä. Sedimenttinäytteiden fosforin sorptiokyllästysaste oli kuitenkin samansuuruinen verrattuna valuma-alueelta otettuihin näytteisiin, sillä hapettuneessa sedimentissä oli 50 % enemmän alumiini- ja rautahydroksidien sitomaa fosforia. Näytteenottohetkellä sedimentti oli pelkistyneessä tilassa, jolloin sen vesiuuttoisen fosforin määrä oli huomattavasti suurempi kuin hapettuneessa sedimentissä. Vastaavasti sedimentin hapettuessa fosforin sorptiokyky kasvoi huomattavasti, sillä pelkistyneestä sedimentistä desorboitui fosforia kosteikon veteen. Tämä havaittiin myös astiakokeessa, sillä sedimentissä kasvanut raiheinä kärsi voimakkaasta fosforin puutoksesta niillä lannoitustasoilla, joilla valuma-alueen maanäytteessä kasvaneella raiheinällä ei silmämääräisesti havaittu esiintyvän puutosoireita. Sedimentin toiselle sadolle annetulla kolminkertaisella fosforin lisälannoituksella saavutettiin samansuuruiset sadon kuiva-ainemäärät, fosforipitoisuudet ja fosforin otot kuin valuma-alueen maanäytteissä kasvaneella ensimmäisellä sadolla oli. Astiakokeen tulosten perusteella pelkistyneessä tilassa ollut sedimentti soveltuu heikosti kasvintuotannon kasvualustaksi suuren fosforisorptiokykynsä ansiosta. Parhaiten sedimentti soveltuisi runsaasti helppoliukoista fosforia sisältäville alueille, kuten karjan jalottelutarhan pohjamateriaaliksi, vähentämään ympäristöön kohdistuvaa fosforikuormitusta.

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.