VYUŽITÍ MODERNÍCH VÝPOČTOVÝCH METOD A NEURONOVÝCH SÍTÍ K OPTIMALIZACI METODY PRO LC/MS/MS ANALÝZU VOJENSKY VÝZNAMNÝCH ORGANOFOSFOROVÝCH LÁTEK

Vědecké články | 2024 | Chemické listyInstrumentace
Software, HPLC, LC/MS, LC/MS/MS, LC/QQQ
Zaměření
Nebezpečné látky
Výrobce
Thermo Fisher Scientific

Význam tématu


Analýza nervově paralytických organofosforových látek představuje klíčový úkol jak ve vojenské, tak ve forenzní praxi. Tradiční optimalizace LC/MS/MS metod je časově náročná a spotřebovává značné množství vzorku a chemikálií. Kombinace kvantově-chemických výpočtů (DFT) se strojovým učením otevírá cestu k rychlé identifikaci optimálních podmínek měření, úspoře času a zvýšení citlivosti detekční metody.

Cíle a přehled studie


Cílem práce bylo navrhnout a ověřit přístup, který využívá neuronové sítě trénované na datech získaných LC/MS/MS měřením standardních organofosforových látek (A-234, VX, R-33 a tributylfosfát). Neuronová síť měla na základě základních fyzikálně-chemických deskriptorů molekul (DFT) a nastavených parametrů chromatografie predikovat podmínky (obsah organiky, průtok, intenzitu plynu) vedoucí k maximálnímu signálu prekurzorového iontu.

Použitá metodika a instrumentace


DFT analýza:
  • Výpočet energetické polohy orbit HOMO a LUMO, dipólového momentu a entropie.
Analytická instrumentace:
  • Kapalinový chromatograf Ultimate 3000 (Thermo Scientific) s C18 kolonou Accucore 2,1 × 150 mm, 2,6 µm.
  • Hmotnostní detektor LTQ XL s ESI ionizací.
  • Mobilní fáze voda/acetonitril, modulátory: kyselina mravenčí, octová a trifluoroctová.
Neuronová síť:
  • Implementace v MATLAB Deep Learning Toolbox.
  • Topologie: 7 vstupů (3 chromatografické + 4 DFT deskriptory), jedna skrytá vrstva (50 neuronů), aktivační funkce tangens hyperbolický, výstupní jednotka intenzita signálu.
  • Trénink Bayesovskou regulací na 396 experimentech, validace ≥ 98 % úspěšnosti.

Hlavní výsledky a diskuse


Model umožnil nastavit podmínky analýzy s jemným rozlišením interpolací, což vedlo ke klíčovým zjištěním:
  • Zvýšení detekční citlivosti až o 1080 % proti rutinnímu nastavení.
  • Mez stanovitelnosti na úrovni jednotek femtogramů na mikrolitr.
  • Optimální parametry pro A-234: 33 % acetonitrilu, průtok 105 µl/min, ShGFR 28 arb.
  • Vliv modifikace kyselinami: formiová +23 % signálu, octová +36 %, TFA −37 %.
  • Kinetika hydrolýzy A-234 v mobilní fázi: poločas 4 h 49 min, vliv na analýzu zanedbatelný.
  • Fragmentační mapování A-234 ověřilo shodu s literárními daty a umožnilo rozšířit knihovnu MS/MS spekter.

Přínosy a praktické využití metody


Navržený postup podporuje rychlou a systematickou optimalizaci LC/MS/MS metodik pro ultrastopovou detekci toxických organofosforů. Metoda je vhodná pro univerzální použití v polních i stacionárních laboratořích ozbrojených sil, forenzních centrech nebo v QA/QC laboratořích chemického průmyslu.

Budoucí trendy a možnosti využití


Další rozvoj lze očekávat v integraci pokročilých strojových algoritmů (hluboké neuronové sítě, reinforcement learning) s vysoce výkonnými kvantově-chemickými simulacemi. Rozšíření na jiné analytické platformy či reakční modelování otevře nové perspektivy v rychlém vývoji metodiky i ve výzkumu reaktivity a stability chemických zbraní.

Závěr


Prokázali jsme, že spojení DFT deskriptorů a strojového učení významně zrychluje a zpřesňuje optimalizaci LC/MS/MS metod pro vojákům relevantní organofosfáty. Přístup šetří vzorek i činidla, umožňuje ultra­citlivou detekci a lze jej snadno adaptovat pro další cílové látky.

Reference


  1. Bajgar J.: Adv. Clin. Chem. 38, 151 (2004).
  2. Lüllmann H., Mohr K., Wehling M.: Farmakologie a toxikologie. Grada Publishing, Praha (2002).
  3. Středa L.: Fenomén jménem Novičok. Tribun EU, Praha (2022).
  4. UN General Assembly Security Council: Report of the United Nations Mission to investigate allegations of the use of chemical weapons in the Syrian Arab Republic on 21 August 2013, A/67/997–S/2013/553 (2013).
  5. OPCW: Report of the OPCW fact-finding mission in Syria regarding alleged incidents in Ltamenah, Ayrian Arab Republic 24–25 March 2017, S/1636/2018 (2018).
  6. Stone R.: Science 359, 1314 (2018).
  7. Vale J., Marrs A. T. C., Manynard R. L.: Clin. Toxicol. 56, 1093 (2018).
  8. Nepovidomova E., Kuča K.: Arch. Toxicol. 93, 11 (2019).
  9. Halámek E., Kobliha Z.: Chem. Listy 105, 323 (2011).
  10. Hoenig S.: Compendium of Chemical Warfare Agents. Springer, New York (2007).
  11. Ellison D. H.: Handbook of chemical and biological warfare agents, 2 vyd. CRC Press, Florida (2007).
  12. Mirzayanov V. S.: Russian Chemical Weapons Program: An Insider's Chronicle. Outskirts Press, Denver (2009).
  13. Carlsen L.: Mol. Inf. 38, 8 (2019).
  14. Husaini M. A. B.: Int. J. Recent Technol. Engineering 8, 3706 (2019).
  15. Üstün E. et al.: J. Organomet. Chem. 815, 16 (2018).
  16. Pach C. et al.: Comput. Ind. 65, 706 (2014).
  17. Atilgan A. et al.: J. Mol. Struct. 1161, 55 (2018).
  18. Bhakhoa H., Rhyman L., Ramasami P.: R. Soc. Open Sci. 6, 2054 (2019).
  19. Khalfa A. et al.: J. Phys. Chem. A 119, 10527 (2015).
  20. Li X. et al.: J. Phys. Chem. A 113, 10335 (2015).
  21. Oudejans L.: EPA/600/S-19/074. US EPA, Washington DC (2019).
  22. Lee J. Y., Lee Y. H.: J. Anal. Chem. 69, 909 (2014).
  23. Tsuchihashi H. et al.: J. Anal. Toxicol. 22, 383 (1998).
  24. Katagi M. et al.: J. Chromatogr. B 698, 81 (1997).
  25. Bryant P. J. R. et al.: J. Chem. Soc. 312, 1553 (1960).
  26. Sega G. A. et al.: J. Chromatogr. A 790, 143 (1997).
  27. Miki A. et al.: J. Anal. Toxicol. 32, 86 (1999).
  28. Hook G. L. et al.: J. Chromatogr. A 992, 1 (2003).
  29. Mirbabaei F. et al.: Anal. Bioanal. Chem. 414, 3429 (2022).
  30. Hebb D. O.: The organization of behavior, J. Wiley, New York (1957).
  31. Gasteiger J., Zupan J.: Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 32, 503 (1993).
  32. Röse P., Gasteiger J.: Anal. Chim. Acta 235, 163 (1990).
  33. Tusar M. et al.: Mitteilungsbl. Ges. Dtsch. Chem. Fachgr. Chem.-Inf.-Comput. 19, 72 (1991).
  34. Zupan J., Rius F. X.: Anal. Chim. Acta 239, 311 (1990).
  35. Otto M. et al.: Software Dev. Chem. 4, 377 (1989).
  36. Kulichenko M. et al.: J. Phys. Chem. Lett. 12, 6227 (2021).

Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.

PDF verze ke stažení a čtení
 

Podobná PDF

ANALÝZA ORGANOFOSFOREČNÝCH OTRAVNÝCH LÁTEK (OL), JEJICH PREKURZORŮ A DEGRADAČNÍCH PRODUKTŮ
IDENTIFIKACE REZIDUÍ IMPROVIZOVANÝCH VÝBUŠNIN FYZIKÁLNĚ-CHEMICKÝMI ANALYTICKÝMI METODAMI ZA REÁLNÝCH PODMÍNEK PO VÝBUCHU
HPLC-MS A CE-MS S IONIZACÍ ZA ATMOSFÉRICKÉHO TLAKU V ANALÝZE MORFINU A PŘÍBUZNÝCH LÁTEK
ZANEDBÁVANÉ APLIKACE MONOLITICKÝCH STRUKTUR: POKROČILÉ STUDIE TENKOVRSTVÉ CHROMATOGRAFIE-HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE