Accelerating drug screening in forensic hair analysis by applying high-speed polarity switching in HR LC-MS/MS

Shrnutí: Zrychlené skríningové testování drog ve forenzní analýze vlasů pomocí rychlého přepínání polarity v HR LC-MS/MS

Význam tématu

Vlasová analýza je klíčová pro forenzní toxikologii, dohled nad abstinencí i ochranu v rodinných a péčovatelských případech, protože umožňuje časově rozlišit expozici látkám. S narůstajícím počtem nových psychoaktivních látek (NPS) a variabilitou lékových režimů roste potřeba metod, které spolehlivě kombinují široké neadresné (non-targeted) skríningy s cílenou identifikací a relativní kvantifikací v jediném pracovním toku. Integrace vysokorozlišovací LC-QTOF s rychlým přepínáním polarity a automatizovaným softwarem pro neadresnou analýzu zvyšuje rychlost, šíři zjištění a možnost právně obhajitelného výstupu.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem prezentované studie bylo ukázat, že kombinace DDA-MS/MS se rychlým přepínáním polarity a nového softwaru Insight Profiler umožní zrychlené, rozšířené a automatizované skríningové vyšetření vlasových vzorků. Studie demonstrovala použití této strategie při monitorování souladu s příkazy soudu a při zjišťování expozice širokému spektru chemikálií (léky, metabolity, kosmetické složky, pesticidy, přírodní látky).

Použitá metodika a instrumentace

Metoda:

• Vzorkování: každý dárce poskytl jeden 6 cm vzorek vlasu, segmentován na šest 1 cm částí od distální (5–6 cm) po proximální (0–1 cm).
• Příprava vzorku: mytí dichlormethanem, sušení, mletí; k 10 mg práškových vlasů byl přidán interní standard a extrahováno 1 % HCl v methanolu. Suché extrakty byly rekonstituovány v 200 µL směsi 80:20 voda:methanol.
• Chromatografie: Nexera X2 s kolonkou Shim-pack Velox Biphenyl (100 x 2.1 mm, 2.7 µm), teplota 40 °C, průtok 0.3 mL/min, doba analýzy ~17 min; gradient methanol:voda s 2 mM amonným formiátem a 0.002 % kyseliny formiové.
• Hmotnostní spektrometrie: vysokorozlišovací QTOF LCMS-9050 pracující s DDA MS/MS a rychlým přepínáním polarity. Nastavení: MS scan m/z 100–1000 (100 ms); DDA MS/MS: v pozitivním módu 4 skeny (m/z 40–1000, 33 ms), v negativním módu 2 skeny (m/z 40–1050, 33 ms); CE 5–55 V; doba přepnutí polarity 800 ms; celkový cyklus ~1.998 s.
• Datové zpracování: Insight Profiler (Shimadzu) pro neadresný workflow od detekce peaků přes alignment až po identifikaci pomocí vícenásobných knihoven a screeningových seznamů (NIST, Wiley/HighResNPS, Shimadzu Forensic Toxicology DB). Prahové nastavení detekce nastaveno na nízké, použitá statistická filtrace pro odstranění signálů s vysokou variabilitou.

Hlavní výsledky a diskuse

Detekce a identifikace:

• Metoda detekovala široké spektrum cílených i neadresných složek: klasické drogy zneužití, jejich metabolity, léky na předpis, volně prodejné přípravky, složky osobní péče, pesticidy a přírodní metabolity.
• Konkrétní příklady detekovaných látek zahrnují: cocaine a metabolity (benzoylecgonine, ecgonine methyl ester, cocaethylene, norcocaine, anhydroecgonine methyl ester), antipsychotika (aripiprazole, risperidone a metabolity jako 9‑hydroxy‑risperidon), antidepresiva (trazodone, m‑CPP), opioidy a další farmaka (cetirizine, citalopram, codeine, diazepam, hydrocodone, paroxetine, quetiapine atd.), pesticidy (azoxystrobin, carbendazim), a běžné přírodní látky (kofein, nikotinový metabolit cotinine, salicylová kyselina pravděpodobně z šamponu).
• U dvou donorů sledování segmentů vlasu ukázalo klesající trend koncentrace kokainu směrem k proximálním segmentům, což bylo interpretováno jako dodržování abstinence během období dohledu. Příklad: proximální segment (0–1 cm) <0.01 ng/mg vs distální segment (5–6 cm) 1.24 ng/mg; reporting cutoff 0.5 ng/mg. Tento významný proximálně‑distální gradient podporuje časovou interpretaci expozice.
• Insight Profiler zrychlil zpracování tím, že integroval detekci feature, alignment a identifikaci do jediné metody pro hromadné zpracování, což zjednodušilo non‑targeted workflow a umožnilo snadné sledování trendů látek u stejného dárce.
• DDA‑MS/MS s rychlým přepínáním polarity bylo vhodné pro rozšíření panelu analyzovaných látek (např. NPS) a umožnilo získat MS/MS spektra v obou polaritách v krátkém čase analýzy.

Diskuse:

• Kombinace HR‑MS s flexibilním softwarovým workflow zlepšuje citlivost a informační hodnotu vlasového skríningu, zejména tam, kde je potřeba neadresné zjišťování nečekaných látek.
• Kvantifikace a interpretace výsledků ve forenzním kontextu vyžadují standardizaci (např. SoHT doporučení) a validaci mezí detekce/hlášení pro právně závazné rozhodování.

Přínosy a praktické využití metody

• Urychlené zpracování dat: single‑click přístup Insight Profiler šetří čas a snižuje manuální zásahy při neadresném vyhodnocení rozsáhlých datových sad.
• Širší detekční okno: DDA s rychlým přepínáním polarity umožňuje získání strukturních informací pro pozitivní i negativní ionizaci ve stejném běhu, což rozšiřuje počet identifikovatelných látek (léky, NPS, pesticidy, kosmetické složky).
• Aplikace v praxi: vhodné pro forenzní laboratoře, dohled nad dodržováním abstinence, případy péče o nezletilé, soudní řízení a rozsáhlé screeningy s potřebou retroaktivního prohledávání dat pomocí knihoven.
• Možnost rozšíření panelu bez zásadní změny analytické sekvence — metoda podporuje agilní doplňování screeningových seznamů a knihoven.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření a standardizace knihoven MS/MS (hlavně NPS) zlepší spolehlivost automatické identifikace.
• Integrace strojového učení a pokročilé statistiky do neadresných workflow může zvýšit citlivost a snížit falešné pozitivy při filtraci signálů.
• Vyšší automatizace přípravy vzorků a kratší doby analýzy umožní vyšší propustnost laboratoří při zachování vysokého rozlišení.
• Nutnost harmonizace postupů a reportingových kritérií v souladu s doporučeními SoHT pro právně závazné použití výsledků ve forenzních případech.
• Možnosti kvantitativních přístupů kombinovaných s HR‑MS pro přesnější časovou rekonstrukci expozice a lepší posouzení compliance.

Závěr

Kombinace DDA‑HR‑LC‑QTOF s rychlým přepínáním polarity a integrovaným softwarovým workflow (Insight Profiler) umožnila efektivní a rozšířené neadresné skríningy vlasových vzorků. Metoda prokázala schopnost detekovat široké spektrum cílových i neočekávaných látek a poskytla důkazy o časovém trendu expozice (např. sledování abstinence u kokainu). Pro forenzní aplikace je však klíčová další standardizace, rozvoj knihoven a validace kvantitativních limitů pro soudně relevantní rozhodnutí.

Reference

1. Nishi R., Barnes A., Armitage E. G., Barrett B., Webster E., Loftus N. J. Accelerating drug screening in forensic hair analysis by applying high-speed polarity switching in HR LC-MS/MS. Shimadzu/AttoLife (prezentace). 2024.
2. Society of Hair Testing (SoHT). Updated consensus guidelines for forensic analysis of drugs of abuse in hair. 2023.