Polimery z odciskiem molekularnym oraz układy hybrydowe do oznaczania związków chemicznych z zastosowaniem spektrometrii mas
Loading...
Date
2021
Authors
Editor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Title alternative
Molecularly imprinted polymers and hybrid materials for determination of chemical compounds in mass spectrometry
Abstract
W serii publikacji przedstawiono nowe materiały pozwalające na izolację analitu z próbek o złożonym składzie chemicznym oraz wzbogacenie substancji badanej w strukturach MIPs/mag-MIPs z roztworów o dużym rozcieńczeniu. Otrzymano polimery z odciskiem molekularnym selektywne względem: flawonoidów – kwercetyny; żeńskich hormonów płciowych – estronu i β-estradiolu; niesteroidowych leków zapalnych – naproksenu, diklofenaku i ibuprofenu; herbicydów - kwasu 2,4-dichlorofenoksyoctowego (2,4-D) i kwasu 4-chloro-2-metylofenoksyoctowego (MCPA) oraz glikozydów flawonoidowych – rutyny. Dla wybranych MIPs zsyntezowano magnetyczne analogi metodą rdzeń-powłoka. Magnetyczny rdzeń stanowiły nanocząstki Fe3O4, pokryte powłoką polimerową otrzymaną na drodze identycznej syntezy jak w przypadku MIPs. Otrzymano magnetyczne polimery z rozpoznawaniem molekularnym względem kwercetyny, estronu, β-estradiolu oraz glikozydu cyjanogennego – amigdaliny. Zastosowanie magnetycznego rdzenia pozwoliło przeprowadzać proces wydajnej separacji magnetycznej mag-MIPs z roztworów za pomocą magnesów neodymowych w czasie kilku sekund. Ponadto, zastosowanie sferycznych nanocząstek Fe3O4 jako magnetycznego rdzenia otoczonego powłoką polimerową mag-MIPs spowodowało położenie specyficznych miejsc rozpoznawania w zewnętrznej warstwie materiału przez co stały się one lepiej dostępne w trakcie wiązania analitu z próbki, tym samym zwiększając wydajność mag-MIPs w stosunku do MIPs. MIPs oraz mag-MIPS wykorzystano do analizy związków chemicznych dwiema technikami: ESI-MS i FAPA-MS. W klasycznej analizie ESI-MS, MIPs/mag-MIPs wprowadzane są do roztworu próbki, gdzie analit jest wiązany w strukturze polimerowej. Następnie polimer wraz ze związanym analitem jest izolowany z próbki, przemywany i umieszczany w małej objętości czystego rozpuszczalnika, gdzie dochodzi do jego ponownego uwolnienia. Tak przygotowany roztwór analitu jakościowo i ilościowo analizowany jest z wykorzystaniem łagodnej jonizacji ESI-MS. Proponowane rozwiązanie połączenia wstępnego wzbogacania analitu w strukturze MIPs/mag-MIPs oraz analizy ESI-MS w większości przypadków pozwoliło znacznie obniżyć granicę wykrywalności badanych związków organicznych oraz znieść wpływ interferentów, znajdujących się w próbce, na wynik analizy. Pomimo zastosowania łagodnej metody jonizacji w metodzie ESI-MS obserwuje się sygnały m/z pochodzące nie tylko od jonów molekularnych [M+H]+, [M-H]-, ale również od form sodowanych, dimerów i produktów fragmentacji, co w istotny sposób może wpływać na zastosowanie tej metody do analizy ilościowej wybranych analitów. W metodzie FAPA-MS MIPs/mag-MIPs wprowadza się do próbki, gdzie następuje związanie analitu w strukturze polimerowej. Następnie MIPs/mag-MIPs wraz z związanym analitem izolowany jest z roztworu, przemywany i analizowany metodą FAPA-MS. Uwolniony termicznie analit ulega jonizacji niskotemperaturową plazmą pod ciśnieniem atmosferycznym i wraz z gazem nośnym jest transportowany do spektrometru mas, gdzie następuje analiza jonów. Takie rozwiązanie nie tylko skraca czas i upraszcza protokół analizy, ale w wielu przypadkach jeszcze znaczniej obniża granicę wykrywalności niskocząsteczkowych związków organicznych w stosunku do innych metod spektrometrii mas i rozwiązuje problem fragmentacji analitu, powstawania dimerów, jonów sodowanych, tworzenia kompleksów w procesie jonizacji. Ponadto, mniejsze zużycie rozpuszczalników i czyni proponowaną metodę przyjazną dla środowiska i zgodną z zasadami Zielonej Chemii, co wykazaliśmy na przykładzie analizy niesteroidowych leków przeciwzapalnych. W przypadku analizy estrogenów zaproponowaliśmy protokół selektywnej ilościowej analizy estronu i β-estradiolu. Dodatkowo otrzymane MIPs oraz mag-MIPs pozwalają na stabilne „przechowywanie” hormonów związanych w strukturze polimerowej przez 72 h. Jest to bardzo istotne w przypadku analizy próbek środowiskowych, gdzie czas od pobrania do analizy jest dłuższy niż czas rozkładu hormonów. Zaproponowano również protokół oznaczania amigdaliny. Rozwiązanie sprawdzono stosując certyfikowany materiał odniesienia – pestki moreli. Ponadto, podczas badań testowano różne typy źródeł wytwarzania plazmy w technice FAPA-MS. W ostatnim etapie badań wykazano, że sama struktura polimerowa nie wpływa negatywnie na organizmy żywe, dlatego MIPs/mag-MIP mogą być stosowane w próbkach środowiskowych. Badania toksyczności przeprowadzono na dwóch typach organizmów: Daphnia magna Straus oraz Tetradesmus obliquus (Turpin) M.J. Wynne. Dowiedziono, że wstępne założenia były słuszne i połączenie technologii wytwarzania polimerów
z odciskiem molekularnym MIPs/mag-MIPs z metodą bezpośredniej analizy FAPA-MS z jonizacją plazmą rozwiązuje wiele złożonych problemów analitycznych. Proponowane metody można z powodzeniem wykorzystać w branży farmaceutycznej do oznaczania substancji aktywnych w lekach lub ich pozostałości np. w ściekach, w branży medycznej np. do oznaczania substancji we krwi, w sporcie do oznaczania substancji niedozwolonych z moczu lub krwi, w przemyśle kosmetycznym do analizy substratów, produktów czy ścieków oraz w ochronie środowiska.
The series of publications presents new materials that allow the isolation of an analyte from samples with a complex chemical composition, and the enrichment of a test substance in MIPs/mag-MIPs structures from highly diluted solutions. Polymers with a molecular imprint, selective for the following compounds were obtained: flavonoids – quercetin; female sex hormones – estrone and β-estradiol; non-steroidal inflammatory drugs – naproxen, diclofenac, and ibuprofen; herbicides – 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) and 4-chloro-2-methylphenoxyacetic acid (MCPA) and flavonoid glycosides – rutin. For selected MIPs, magnetic analogs were synthesized by the core-shell method. The magnetic core consisted of Fe3O4 nanoparticles, coated with a polymer obtained by the same synthesis as MIPs. Magnetic polymers with molecular recognition for quercetin, estrone, β-estradiol, and the cyanogenic glycoside – amygdalin were obtained. The use of a magnetic core allowed for the fast and efficient magnetic separation process of mag-MIPs from solutions with neodymium magnet (few seconds).In addition, the use of spherical Fe3O4 nanoparticles as a magnetic core surrounded by a polymer coating of mag-MIPs resulted in the location of specific recognition sites in the outer layer of the material, rendering them more accessible during the analyte binding, thus increasing the efficiency of mag-MIPs in comparison to MIPs. MIPs and mag-MIPs were used for the analysis of chemical compounds by the two techniques ESI-MS and FAPA-MS. In classical ESI-MS analysis, MIPs/mag-MIPs are introduced into the sample solution, where the analyte is bound in the polymer structure. The polymer and bound analyte are then removed from the sample, washed, and placed in a small volume of clean solvent where the analyte is released. The analyte solution prepared in this way is quantitatively and qualitatively analyzed using soft ionization ESI-MS. The proposed method of the analyte preconcentration using MIPs/mag-MIPs combined with ESI-MS made it possible to significantly reduce the limit of detection for the majority of tested organic compounds and to eliminate the influence of interferents on the analysis result. Despite the use of the soft ionization method in the ESI-MS, m/z signals are observed not only from the analyte itself [M + H]+, [M - H]-, but also from sodium adducts, dimers, and fragmentation products, which may significantly affect the use of this method for the quantitative analysis of selected analytes. In the FAPA-MS method, MIPs/mag-MIPs are introduced into the sample, where the analyte is bound in the polymer structure. The MIPs/mag-MIPs along with the bound analyte are then isolated from the solution, washed, and analyzed directly from the polymer structure by FAPA-MS. The thermally released analyte is ionized with low-temperature plasma under atmospheric pressure and, together with the carrier gas, transported to the mass spectrometer, where the ions are analyzed. This approach not only shortens the time and simplifies the analysis protocol, but in many cases significantly lowers the limit of detection of low-molecular-weight organic compounds, solves the problem of fragmentation, dimers formation, sodium ions adducts, complex formation, and solvent interactions. This method allowed to develop a methodology for quantifying quercetin. Moreover, the lower consumption of solvents makes the proposed method environmentally friendly and compliant with the principles of Green Chemistry, which was demonstrated by the analysis of non-steroidal anti-inflammatory drugs. For estrogen analysis, we proposed a protocol for the selective quantitative analysis of estrone and β-estradiol. Additionally, the obtained MIPs and mag-MIPs allow for the stable "storage" of hormones bound in the polymer structure for 72 hours, which is crucial in the case of the environmental samples’ analysis, where the time from collection to analysis is longer than the time of hormone decomposition. A protocol for the determination of amygdalin has also been proposed. The method was evaluated using a certified reference material – apricot kernels. Moreover, various types of plasma generation sources were tested in the FAPA-MS technique. In the last stage of the research, it was shown that the polymer structure itself does not adversely affect living organisms, therefore MIPs/mag-MIPs can be used in environmental samples. Toxicity tests were carried out on two types of organisms: Daphnia magna Straus and Tetradesmus obliquus (Turpin) M.J. Wynne. It was proved that the initial assumptions were correct and the combination of the technology of producing polymers with a molecular imprint with the method of direct FAPA-MS analysis with plasma ionization solves many complex analytical problems. The proposed methods can be successfully used in the pharmaceutical industry for the determination of active substances in drugs or their residues, e.g. in sewage, in the medical industry, for example, for the determination of substances in the blood, in sport for the determination of prohibited substances from urine or blood, in the cosmetics industry for analysis substrates, products, or wastewater, and the protection of the environment.
The series of publications presents new materials that allow the isolation of an analyte from samples with a complex chemical composition, and the enrichment of a test substance in MIPs/mag-MIPs structures from highly diluted solutions. Polymers with a molecular imprint, selective for the following compounds were obtained: flavonoids – quercetin; female sex hormones – estrone and β-estradiol; non-steroidal inflammatory drugs – naproxen, diclofenac, and ibuprofen; herbicides – 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) and 4-chloro-2-methylphenoxyacetic acid (MCPA) and flavonoid glycosides – rutin. For selected MIPs, magnetic analogs were synthesized by the core-shell method. The magnetic core consisted of Fe3O4 nanoparticles, coated with a polymer obtained by the same synthesis as MIPs. Magnetic polymers with molecular recognition for quercetin, estrone, β-estradiol, and the cyanogenic glycoside – amygdalin were obtained. The use of a magnetic core allowed for the fast and efficient magnetic separation process of mag-MIPs from solutions with neodymium magnet (few seconds).In addition, the use of spherical Fe3O4 nanoparticles as a magnetic core surrounded by a polymer coating of mag-MIPs resulted in the location of specific recognition sites in the outer layer of the material, rendering them more accessible during the analyte binding, thus increasing the efficiency of mag-MIPs in comparison to MIPs. MIPs and mag-MIPs were used for the analysis of chemical compounds by the two techniques ESI-MS and FAPA-MS. In classical ESI-MS analysis, MIPs/mag-MIPs are introduced into the sample solution, where the analyte is bound in the polymer structure. The polymer and bound analyte are then removed from the sample, washed, and placed in a small volume of clean solvent where the analyte is released. The analyte solution prepared in this way is quantitatively and qualitatively analyzed using soft ionization ESI-MS. The proposed method of the analyte preconcentration using MIPs/mag-MIPs combined with ESI-MS made it possible to significantly reduce the limit of detection for the majority of tested organic compounds and to eliminate the influence of interferents on the analysis result. Despite the use of the soft ionization method in the ESI-MS, m/z signals are observed not only from the analyte itself [M + H]+, [M - H]-, but also from sodium adducts, dimers, and fragmentation products, which may significantly affect the use of this method for the quantitative analysis of selected analytes. In the FAPA-MS method, MIPs/mag-MIPs are introduced into the sample, where the analyte is bound in the polymer structure. The MIPs/mag-MIPs along with the bound analyte are then isolated from the solution, washed, and analyzed directly from the polymer structure by FAPA-MS. The thermally released analyte is ionized with low-temperature plasma under atmospheric pressure and, together with the carrier gas, transported to the mass spectrometer, where the ions are analyzed. This approach not only shortens the time and simplifies the analysis protocol, but in many cases significantly lowers the limit of detection of low-molecular-weight organic compounds, solves the problem of fragmentation, dimers formation, sodium ions adducts, complex formation, and solvent interactions. This method allowed to develop a methodology for quantifying quercetin. Moreover, the lower consumption of solvents makes the proposed method environmentally friendly and compliant with the principles of Green Chemistry, which was demonstrated by the analysis of non-steroidal anti-inflammatory drugs. For estrogen analysis, we proposed a protocol for the selective quantitative analysis of estrone and β-estradiol. Additionally, the obtained MIPs and mag-MIPs allow for the stable "storage" of hormones bound in the polymer structure for 72 hours, which is crucial in the case of the environmental samples’ analysis, where the time from collection to analysis is longer than the time of hormone decomposition. A protocol for the determination of amygdalin has also been proposed. The method was evaluated using a certified reference material – apricot kernels. Moreover, various types of plasma generation sources were tested in the FAPA-MS technique. In the last stage of the research, it was shown that the polymer structure itself does not adversely affect living organisms, therefore MIPs/mag-MIPs can be used in environmental samples. Toxicity tests were carried out on two types of organisms: Daphnia magna Straus and Tetradesmus obliquus (Turpin) M.J. Wynne. It was proved that the initial assumptions were correct and the combination of the technology of producing polymers with a molecular imprint with the method of direct FAPA-MS analysis with plasma ionization solves many complex analytical problems. The proposed methods can be successfully used in the pharmaceutical industry for the determination of active substances in drugs or their residues, e.g. in sewage, in the medical industry, for example, for the determination of substances in the blood, in sport for the determination of prohibited substances from urine or blood, in the cosmetics industry for analysis substrates, products, or wastewater, and the protection of the environment.
Description
Wydział Chemii
Sponsor
Keywords
Mag-MIP, FAPA-MS, MIP, ESI-MS, analiza śladowa, trace analysis