Evaluation of High Resolution Mass Spectrometry (HRMS) Acquisition Strategies for the Detection and Analysis of Illicit Drug Substances

Význam tématu

Forenzní toxikologie vyžaduje analytické platformy schopné rychlého, spolehlivého a citlivého screeningu komplexních biologických matic. Vzhledem k rostoucímu počtu legálních i nelegálních látek, včetně nových psychoaktivních substancí (NPS), je potřeba kombinovat vysokou selektivitu, nízké mezní hodnoty detekce a možnost retrospektivní analýzy bez nutnosti opakovaného měření. Vysoce rozlišená hmotnostní spektrometrie (HRMS) na platformě Xevo MRT s multi-reflektivní TOF nabízí rutinní přesnost v řádu ppb (sub-1 ppm) a umožňuje porovnat dvě zásadní akviziční strategie: cílené Tof MRM a datově nezávislé MSE.

Cíle a přehled studie / článku

Studie měla za cíl porovnat výkonnost dvou akvizičních režimů HRMS při detekci a analýze nelegálních a terapeutických léků v moči: cíleného Tof MRM (targeted) versus datově nezávislého MSE (data-independent). Hodnoceny byly citlivost (LOD), kvalita identifikace, šíře pokrytí analytů a praktické provozní aspekty v kontextu forenzní rutiny včetně možnosti retrospektivního vyhledávání.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• Vzorky: komerční standard pro system suitability připraven na 25 ng/mL; kalibrátory v moči skoncentrované na 20 cílových analytů v rozmezí 0,01–2500 ng/mL; 20 anonymizovaných autentických vzorků a komerční kontrola DCT.
• Příprava matrice: pětinásobné naředění moči mobilní fází A (diluce-only workflow).
• Chromatografie: 15min gradient na ACQUITY HSS C18, ESI+; mobilní fáze A: amonný formiát pH 3; mobilní fáze B: acetonitril s 0,1 % kyselinou mravenčí.
• MSE akvizice: datově nezávislé střídání nízké a vysoké energie (ramp 10–40 eV) bez výběru prekurzorů, záznam celého spektra prekurzorů i fragmentů pro retrospektivní vyhledávání a library matching.
• Tof MRM akvizice: selektivní průchod vybraných prekurzorů kvadrupólem, optimalizované kolizní energie a sledující kvantifikátor/qualifier ionty v TOF pro zvýšenou selektivitu a S/N.
• Softwarové zpracování: waters_connect platforma s aplikacemi UNIFI (MSE) a MS Quan (Tof MRM) pro automatizované workflow, dekonvoluci spekter a ověření přesnosti hmotnosti (≤ 2 ppm specificky v procesu).

Použitá instrumentace

• Xevo MRT Mass Spectrometer (multi-reflecting TOF).
• ACQUITY UPLC I-Class PLUS System se SM-FTN (Sample Manager-Flow Through Needle).
• Kolona: ACQUITY HSS C18.

Hlavní výsledky a diskuse

Výsledky porovnání prokázaly jasné kompromisy mezi přístupy:

• Senzitivita: Tof MRM dosáhl LOD v rozmezí přibližně 0,05–0,5 ng/mL pro monitorované cílové analyty (příkladem carfentanil detekovaný při 0,05 ng/mL se stabilními kvantitativními a kvalifikačními přechody). MSE vykazovalo LOD typicky 0,5–5 ng/mL.
• Šíře pokrytí: MSE poskytuje full‑spectrum data umožňující detekci látek mimo předdefinovaný seznam (retrospektivní vyhledávání), včetně NPS, benzodiazepinů, antidepresiv a dalších terapeutik. V kontrolní DCT sadě bylo vydetekováno spektrum sloučenin v rozsahu ~0,75 ng/mL (fentanyl) až 225 ng/mL (codein, dihydrocodein).
• Kvalita identifikace: sub‑1 ppm přesnost hmotnosti (u Xevo MRT) a dostupná fragmentační data zvyšují jistotu identifikace u obou režimů; MSE umožňuje knihovní porovnání celé fragmentační množiny, Tof MRM spoléhá na vyhrazené kvantifikátory/qualifiery pro cílené potvrzení.
• Shoda v autentických vzorcích: pro analyty zahrnuté v cílovém panelu byla mezi režimy velmi dobrá shoda, což potvrzuje vhodnost Tof MRM pro rutinní cílené testování.
• Provozní dopady: Tof MRM zjednodušuje datové množství a zrychluje vyhodnocení, vhodné pro vysokoprůtokové rutinní laboratoře; MSE vyžaduje robustnější datové zpracování, ale přináší větší analytickou flexibilitu.

Přínosy a praktické využití metody

Praktické přínosy jednotlivých režimů:

• Tof MRM: optimální pro rutinní, vysoce citlivé cílené screeningy a kvantifikaci stopových látek, zvláště při jednoduché přípravě vzorku (diluce-only).
• MSE: vhodné pro širokospektrou ne‑cílenou analýzu, detekci neočekávaných či nových látek a pro retrospektivní vyšetřování bez nutnosti reanalýzy vzorku.
• Informační workflow: integrace s waters_connect/UNIFI/MS Quan zjednodušuje validaci výsledků, standardizuje vyhodnocení a umožňuje i méně zkušeným analytikům dosahovat konzistentních rozhodnutí.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje a aplikace HRMS v toxikologii:

• Prohlubování integrace HRMS dat s rozsáhlými knihovnami spekter a suspektními vyhledávacími nástroji pro rychlou identifikaci NPS.
• Využití strojového učení při automatické anotaci a hodnocení chromatograficko‑spektrálních dat ke snížení manuální revize.
• Rozšíření kombinovaných režimů (hybridní workflow), kde se v rutinním provozu používá Tof MRM a paralelně nebo periodicky MSE pro detekci neočekávaných látek.
• Zvýšená automatizace přípravy vzorků a zpracování dat pro podporu vysokoprůtokových laboratoří a soudních laboratoří s omezenými zdroji.
• Možné doplnění orthogonálních technik (např. ion mobility) pro zlepšení selektivity při komplexních matricích.

Závěr

Xevo MRT poskytuje vyváženou platformu umožňující současně vysoce citlivé cílené měření (Tof MRM) a širokospektré, retrospektivní analýzy (MSE) s vynikající přesností hmotnosti. Volba mezi režimy závisí na prioritách laboratoře: pokud je klíčová maximální citlivost a throughput pro předdefinovaný panel, je vhodnější Tof MRM; pokud je cílem široké pokrytí a možnost zpětného vyhledávání nových látek, preferuje se MSE. Kombinované využití obou přístupů na jedné platformě poskytuje laboratorím flexibilitu a „future‑proof“ schopnost reagovat na výskyt nových látek v populaci.

Reference

1. Rosano TG, Wood M, Ihenetu K, Swift TA. Drug Screening in Medical Examiner Casework by High‑Resolution Mass Spectrometry (UPLC–MSE‑TOF). Journal of Analytical Toxicology 37(8), 1–14 (2013).
2. Dalsgaard P, et al. Quantitative Analysis and Screening of 30 Drugs in Whole Blood by SPE‑UHPLC‑TOFMS. Forensic Science and Criminology 1(1), 1–6 (2013).
3. Bidny S, Gago K, Chung P, Albertyn D, Pasin D. Simultaneous Screening and Quantification of Basic, Neutral and Acidic Drugs in Blood Using UPLC‑QTOF‑MS. Journal of Analytical Toxicology 41(3), 181–195 (2017).
4. Grapp M, Kaufmann C, Streit F, Binder L. Systematic Forensic Toxicological Analysis by Liquid Chromatography‑Quadrupole‑Time‑of‑Flight Mass Spectrometry in Serum and Comparison to Gas Chromatography Mass Spectrometry. Forensic Science International 287, 63–73 (2018).
5. Wood M, Barknowitz G, Goshawk JA, Lee R. Evaluation of Various Tof Acquisition Strategies for the Analysis of Illicit Drug Substances. Poster, 56th TIAFT Conference, Ghent (2018).
6. Mistry NS, Calton LJ, Cooper J. The Utility of MSE for Toxicology Screening with waters_connect and the Xevo G3 QTof Mass Spectrometer. Waters Application Note (2023).
7. Mistry NS, Calton LJ, Cooper J. The Ultimate Forensic Toxicology Screening Companion—Xevo G3 QTof. Waters Application Note (2023).
8. Mistry NS, Hammond G, Lieberman R, Starkie V. Forensic Toxicology Data‑Independent Analysis Screening Using Xevo MRT Mass Spectrometer Delivering Routine Parts‑per‑Billion (ppb) Mass Accuracy. Waters Application Note (2026).
9. Rosano TG, Ohouo PY, Wood M. Application of High Resolution UPLC‑MSE/TOF for Confirmation in Forensic Urine Drug Screening by UPLC‑MS/MS. Journal of Analytical Toxicology. In press.