Portable Solid Phase Micro-Extraction Coupled with Ion Mobility Spectrometry System for On-Site Analysis of Chemical Warfare Agents and Simulants in Water Samples

On-site analysis is an efficient approach to facilitate analysis at the location of the system under investigation as it can result in more accurate, more precise and quickly available analytical data. In our work, a novel self-made thermal desorption based interface was fabricated to couple solid-phase microextraction with ion mobility spectrometry for on-site water analysis. The portable interface can be connected with the front-end of an ion mobility spectrometer directly without other modifications. The analytical performance was evaluated via the extraction of chemical warfare agents and simulants in water samples. Several parameters including ionic strength and extraction time have been investigated in detail. The application of the developed method afforded satisfactory recoveries ranging from 72.9% to 114.4% when applied to the analysis of real water samples

Estudio teórico y aplicado del potencial de la espectrometría de movilidad iónica

Ion mobility spectrometry (IMS) is an analytical technique based on the separation of gaseous ions under the influence of an electric field through an inert gas atmosphere. Some of the main limitations of IMS, depending on the context, may be the limited quantification capacity of compounds in real samples since narrow linear quantification ranges are normally obtained; the low selectivity due to the low resolution power of this type of equipment; and the difficulty of unequivocally identifying compounds in real samples since the existing databases are not as up-to-date as for other technologies such as mass spectrometry (MS). Therefore, it is evident that there is a demand for more selective methodologies and that provide greater analyte detection and quantification capacity. With these premises, it can be said that the greatest current challenge of the IMS is to maximize the detection capacity of the technique in order to achieve the unambiguous identification of a high number of analytes. This challenge is currently utopian when working with complex samples. For this reason, the main motivation of this Doctoral Thesis was to seek solutions for the different challenges that the IMS currently faces in a theoretical and applied context. The basic objective of the research was to explore the potential of IMS by using theoretical and applied strategies to improve the detection and identification coverage of the analysis carried out with this technology. These new strategies were applied throughout the main steps of the analytical process and allowed improving basic analytical features such as the selectivity and sensitivity of optimized analysis methods and their detection capacity. The achievement of this basic objective leaded to analysis methods of standards and real samples, such as explosives, drugs, soil, rosemary plant, olives and mainly different types of olive oils. This basic objective was divided into three general objectives according to the different research topics to address in this Doctoral Thesis: a) To take benefits derived from the study of theoretical aspects of IMS for improving the interpretation of IMS spectra and from the use of additional features such as structural information to enhance qualitative analysis; b) To develop approaches to improve the detection and identification capacity in IMS analysis; and c) To exploit the opportunities of gas chromatography (GC)-IMS and IMS devices for food analysis as an expanding application area in IMS based on untargeted analysis methods. In this context, the Thesis has included the following studies: (i) To study about the fundamentals of the formation of product ions through the modeling of ions stability using ab initio computations to math these results with the spectral patterns and structure of ions [1]. (ii) To explore the fragmentation of ions using an external electric field and the potential of the extra information of these fragments to enhance the rates of categorization by chemical class using neural networks [2]. (iii) To explore a thermal desorption (TD)-IMS device to obtain spectral fingerprints of Cannabis herbal samples, with and without pretreatment for rapid assignment to their different chemotypes by using principal component análisis (PCA) and linear discriminant analysis (LDA) [3]. (iv) To achieve the selectivity in response to trinitrotoluene (TNT) through reactive removal of interfering ions following mobility isolation using a tandem IMS with reactive stage as detection system [4]. (v) To develop a pioneer online coupling of supercritical fluid extraction (SFE) as sample introduction system (SIS) prior IMS using a column filled with Tenax TA material as sorbent trap to coupled both devices to improve analytical properties such as sensitivity and selectivity of future IMS methods [5]. (vi) To carry out a bibliographical study which gather and critically discuss recent publications related to analytical techniques to distinguish olive oils according to their quality as extra virgin (EVOO), virgin (VOO) or lampante (LOO) [6]. (vii) To investigate and compare different chemometric approaches for olive oil classification as EVOO, VOO or LOO using GC-IMS to get the most robust model over time [7]. (viii) To evaluate the combination of the results of orthogonal instrumental techniques to differentiate EVOO, VOO or LOO to imitate the expert panels [8]. (ix) To analyze olive and olive oil samples according with their production system to classify them as organic or conventional using ultraviolet (UV)-IMS, GC-IMS, GC-MS and/or capillary electrophoresis (CE)-UV [9].La espectrometría de movilidad iónica (IMS en inglés) es una técnica analítica que se basa en la separación de iones gaseosos bajo la influencia de un campo eléctrico a través de una atmósfera de gas inerte. Algunas de las principales limitaciones de la IMS, dependiendo del contexto, pueden ser la limitada capacidad de cuantificación de compuestos en muestras reales ya que se obtienen normalmente rangos lineales de cuantificación muy estrechos; la escasa selectividad debido al bajo poder de resolución de este tipo de equipos; y la dificultad de identificación de forma inequívoca de compuestos en muestras reales ya que las bases de datos existentes no están tan actualizadas como para otras tecnologías como la espectrometría de masas (MS en inglés). Por tanto, resulta evidente que existe una demanda de metodologías más selectivas y que proporcionen mayor capacidad de detección y cuantificación de analitos. Con estas premisas, se puede decir que el mayor reto actual de la IMS es maximizar la capacidad de detección de la técnica con el fin de conseguir la identificación inequívoca de un alto número de analitos. Este reto es actualmente utópico cuando se trabaja con muestras complejas. Por ello, la principal motivación de esta Tesis Doctoral fue buscar soluciones para los distintos retos a los que se enfrenta actualmente la IMS en un contexto teórico y aplicado. El objetivo básico de la investigación fue explorar el potencial de la IMS mediante el uso de estrategias teóricas y aplicadas para mejorar la capacidad de detección e identificación de los análisis realizados con esta tecnología. Estas nuevas estrategias se aplicaron a lo largo de las etapas principales del proceso analítico y permitieron mejorar características analíticas básicas, como la selectividad y la sensibilidad, de los métodos de análisis optimizados y su capacidad de detección. El logro de este objetivo básico condujo a métodos de análisis de estándares y muestras reales, como explosivos, drogas, suelo, plantas de romero, aceitunas y principalmente diferentes tipos de aceites de oliva. Este objetivo básico se dividió en tres objetivos generales de acuerdo con los diferentes temas de investigación para abordar en esta Tesis Doctoral: a) aprovechar los beneficios derivados del estudio de los aspectos teóricos de la IMS para mejorar la interpretación de los espectros de IMS y del uso de características adicionales como información estructural para mejorar el análisis cualitativo; b) desarrollar herramientas para mejorar la capacidad de detección e identificación en los análisis de IMS; y c) aprovechar las oportunidades de los instrumentos de cromatografía de gases (GC en inglés)-IMS e IMS para el análisis de alimentos como un área de aplicación en expansión en IMS basado en métodos de análisis no dirigidos. En este contexto, la Tesis ha incluido los siguientes estudios: (i) Estudiar los fundamentos de la formación de iones producto a través del modelado computacional de la estabilidad de los iones utilizando cálculos ab initio para combinarlos con los patrones espectrales y la estructura de los iones [1]. (ii) Explorar la fragmentación de iones utilizando un campo eléctrico externo y el potencial de la información adicional de estos fragmentos para mejorar las tasas de categorización por clase química utilizando redes neuronales [2]. (iii) Explorar un equipo de desorción térmica (TD en inglés)-IMS para obtener huellas espectrales de muestras de plantas de cannabis, con y sin pretratamiento, para la rápida asignación de los diferentes quimiotipos mediante análisis de componentes principales (PCA en inglés) y análisis discriminante lineal (LDA en inglés) [3]. (iv) Lograr la respuesta selectiva del trinitrotolueno (TNT en inglés) a través de la eliminación con etapa reactiva de iones interferentes usando el aislamiento de iones con un IMS en tándem con etapa reactiva como sistema de detección [4]. (v) Desarrollar un acoplamiento on-line pionero de la extracción con fluidos supercríticos (SFE en inglés) como sistema de introducción de muestra previo a la IMS utilizando una columna rellena con el material Tenax TA como trampa sorbente para acoplar ambos dispositivos para mejorar propiedades analíticas como la sensibilidad y la selectividad de futuros métodos IMS [5]. (vi) Realizar un estudio bibliográfico que reúna y discuta críticamente las publicaciones recientes relacionadas con técnicas analíticas para distinguir los aceites de oliva según su calidad como virgen extra (AOVE), virgen (AOV) o lampante (AOL) [6]. (vii) Investigar y comparar diferentes estrategias quimiométricas para la clasificación del aceite de oliva como AOVE, AOV o AOL utilizando la GC-IMS para obtener el modelo más robusto con el tiempo [7]. (viii) Evaluar la combinación de los resultados de técnicas instrumentales ortogonales para diferenciar AOVE, AOV o AOL para imitar los paneles de expertos [8]. (ix) Analizar muestras de aceitunas y aceite de oliva de acuerdo con su sistema de producción para clasificarlas como ecológicas o convencionales usando ultravioleta (UV)-IMS, GC-IMS, GC-MS y/o electroforesis capilar (CE en inglés)- UV [9]

Aplicació de nous materials i formats amb propietats millorades per a l'anàlisi de drogues

Aquesta Tesi Doctoral està dividida en tres blocs principalment. El primer bloc, a partir d’una recerca bibliogràfica, fa un recull de les publicacions més destacades que fan ús de materials intel·ligents per al tractament de mostra abans d’una determinació mitjançant IMS. Tanmateix, a aquest bloc es recullen les aportacions més interessants dels materials intel·ligents a l’anàlisi forense en general. Entre les quals és especialment destacable l’anàlisi de drogues pel que ocupa els pròxims capítols de la Tesi. El segon bloc, recull les publicacions originals derivades de la recerca portada a terme per a aquesta Tesi Doctoral. Aquests treballs tracten sobre la preparació i aplicació de nous materials i formats de caràcter genèric per a l’extracció de drogues de mostres de saliva i la seua posterior determinació mitjançant tècniques cromatogràfiques o afins tals com l’espectrometria de mobilitat iònica (IMS), la cromatografia de gasos acoblada a espectrometria de masses (GC-MS) o la cromatografia líquida acoblada a espectrometria de masses en tàndem (UHPLC-MS/MS). D’aquesta manera, a aquest bloc es porta a terme la determinació de noves substàncies psicoactives (NPS) tals com dicloropà, metilona o diversos cannabinoides sintètics en mostres de saliva mitjançant l’extracció amb adsorbent empaquetat (MEPS). També es van preparar puntes de micropipeta farcides amb un monòlit basat en àcid metacrílic i etilenglicol dimetacrilat, poly (MAA-co-EGDMA), amb propietats de materials de tipus mixt, per a la determinació de diverses drogues de caràcter bàsic en mostres de saliva. Amb l’objectiu d’obtindre materials més versàtils, també s’hi va preparar un polímer amb propietats de bescanvi iònic de doble acció (bescanvi aniònic i catiònic) així com amb l’habilitat de retenir compostos mitjançant interaccions hidrofòbiques. D’aquesta manera es va preparar un polímer basat en 4-vinilpiridina, àcid metacrílic i etilenglicol dimetacrilat, poly (VP-co-MAA-co-EGDMA). Al tercer bloc, s’enfoca l’anàlisi de drogues des de un punt de vista més selectiu. Per aquest motiu, principalment es mostra l’aplicació de materials com els polímers de reconeixement molecular (MIPs) en formats tals com l’extracció en fase sòlida convencional (SPE) així com en nous formats per a l’extracció de diverses drogues de manera selectiva. En aquest sentit, en primer lloc es va preparar un MIP emprant cocaïna com a molècula plantilla per a la l’extracció de la mateixa mitjançant SPE i la seua posterior anàlisi per IMS. Seguint amb el format SPE, es va preparar un MIP emprant metamfetamina com a molècula plantilla que havia estat prèviament preparat per altres grups. L’objectiu d’aquest estudi va ser portar a terme una caracterització rigorosa del MIP i avaluar la seua selectivitat creuada front a un gran nombre de substàncies il·lícites, principalment NPS de tipus amfetamina com derivats de la mateixa o catinones sintètiques entre altres. Atenent als avantatges proporcionats per la selectivitat creuada que va mostrar el MIP preparat en presència de metamfetamina, posteriorment es va preparar un MIP emprant un derivat de la fenciclidina (3-OH PCP) com a molècula plantilla. Aquest MIP va ser caracteritzat i aplicat posteriorment per a l’anàlisi d’aquesta en mostres de fluids orals. Però també es va desenvolupar un estudi sobre com la modificació de l’etapa de rentat durant l’extracció por afavorir l’obtenció de mètodes específics per a la determinació només de 3-OH PCP o cap a l’obtenció de mètodes, també selectius, però que permeteren una determinació d’altres compostos estructuralment semblants. Altre objectiu plantejat pel que respecta a l’aplicació de materials selectius està basat en l’obtenció de nous formats per a l’extracció de drogues. En aquest sentit, seleccionant la cocaïna com a substància a determinar per la seua rellevància social, es van desenvolupar diversos mètodes d’extracció emprant MIPs en diversos formats. El primer dels treballs que es mostra en aquest sentit desenvolupa un dispositiu per a la determinació ràpida i in-situ de cocaïna en mostres de saliva mitjançant IMS. A partir de la incorporació d’una primera part que permeta el mostreig junt a una segona part capaç de retenir selectivament la cocaïna i separar-la de la resta de components de la matriu, es va obtindre un dispositiu capaç de portar a terme una determinació semi-quantitativa de cocaïna. Tanmateix, en vista d’algunes de les limitacions que planteja la SPE tradicional, el MIP preparat prèviament per a la determinació de cocaïna va ser ancorat sobre nanopartícules magnètiques amb la finalitat de realitzar una SPE dispersiva, evitant les etapes típiques de separació de l’adsorbent (filtració o centrigufació) i canviant-les per una ràpida separació mitjançant l’aplicació d’un camp magnètic. Altre dels enfocaments que es deriven de l’aplicació dels MIPs a nous formats està basat en la preparació d’un MIP en forma monolítica ancorat sobre la superfície d’un disc de tefló adequadament modificat per tal crear un disc d’agitació-extracció que permeta l’extracció d’ecgonina metil èster, un dels principals metabòlits de la cocaïna, que va ser emprada com a molècula plantilla per la síntesi del MIP esmentat en mostres d’aigües naturals i de depuradora. Pel que respecta a l’aplicació de nous materials selectius per a l’anàlisi de drogues en diverses matrius, també es planteja l’aplicació d’aptàmers per a la preparació d’oligosorbents per a l’anàlisi selectiva de diversos anàlits incloent fluoroquinolones i metamfetamina (Capítol 14). En aquest sentit, a la present Tesi Doctoral es mostren resultats preliminars sobre la preparació d’aquests oligosorbents sobre safarosa activada amb bromur de cianogen així com sobre partícules magnètiques per a l’extracció en SPE o SPE dispersiva magnètica. En conclusió, al llarg d’aquesta Tesi Doctoral, diferents materials selectius i no selectius, han estat preparats per tal de portar a terme el tractament de mostra de saliva i aigües naturals i residuals per a la determinació de drogues. Els estudis portats a terme han demostrat que la IMS és una tècnica analítica ràpida amb la capacitat de detectar de manera satisfactòria drogues després d’un tractament de mostra adequat emprant MIPs. A més, els materials no selectius com la sílice modificada amb C18 o els materials de tipus mixt, han estat emprats per extraure nombroses drogues amb bons resultats sempre i quant la tècnica analítica seleccionada tinga suficient selectivitat i sensibilitat com GC-MS o UHPLC-MS/MS.This PhD thesis is entitled “New materials and approaches with improved properties for drug analysis (Aplicació de nous materials i formats amb propietats millorades per a l’anàlisi de drogues)”. It is divided in three main sections. The first one does a collection of the most remarkable published papers about the use of smart materials for sample treatment prior an IMS detection. Likewise, this section collects the most interesting contribution of smart materials to forensic analysis in general. It is especially important in this section drug analysis because of the guidelines on which this PhD thesis has been written. The second section collects original publications from the research done along this PhD Thesis. These studies are focused on the preparation and application of new materials and approaches with non-specific interactions for drug extraction from oral fluid samples and its subsequent determination by chromatographic techniques such as gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS), liquid chromatography couples to mass spectrometry in tandem (UHPLC-MS/MS) or ion mobility spectrometry (IMS). In this wat, the second section shows the development of methods based on microextraction by packed sorbent (MEPS) for the determination of new psychoactive substances (NPS) such as dichloropane, methylone or several synthetic cannabinoids. In this section, it is also shown the preparation of pipette tips filled with a polymeric monolith based on methacrylic acid and ethylene glycol dimethacrylate, poly (MAA-co-EGDMA). These polymers showed mixed-mode properties. It was able to retain satisfactorily several basic drugs from oral fluid samples. In order to obtain versatile materials, another polymeric material with double action ion exchange properties was prepared by the incorporation of 4-vinylpyridine and methacrylic acid to an ethylene glycol dimethacrylate backbone. Poly (VP-co-MAA-co-EGDMA) was able to create anion and cation exchange depending on the pH used, and it also revealed the ability to create hydrophobic interactions. The third section is focused on drug analysis by a selective approach. For this reason, it shows the application of materials such as molecularly imprinted polymers (MIPs) in different approaches such as conventional solid phase extraction (SPE) and new approaches. In this sense, firstly, a cocaine based-MIP was prepared for cocaine extraction form oral fluid and its subsequent determination by IMS. A second MIP, that was prepared previously by other groups, was prepared using methamphetamine as template molecule. The main aim of this study was to do a deep characterization of the MIP and evaluate its cross-selectivity against different illicit substances. The substances under study were amphetamine-type NPS including amphetamine derivatives and synthetic cathinone. Regarding the benefits of the cross-selectivity of some MIP, in this Thesis was prepared a MIP using 3-hydroxi phencyclidine (3-OH PCP) as template. This MIP was characterized and applied for the analysis of oral fluid samples. Besides, 3-OH PCP based-MIP was submitted to a study about tuning the selectivity. It was demonstrated that according to the washing step it was possible to obtain a specific method for 3-OH PCP extraction or a selective method with the ability to extract different structural related compounds. Another scope proposed on this Thesis was the development of new approaches of solid extraction based on selective materials. In this sense, cocaine was selected as target analyte due to its high social importance. Different approaches were developed using MIPs as selective materials. The first one was based on a device for fast and in-situ determination of cocaine using IMS. The device was composed by a first part that integrates a sample collector and a second part which contains the MIP to adsorb selectively cocaine, removing the other components of the matrix. Likewise, some limitations of conventional SPE were fixed by the use of magnetic dispersive solid phase extraction (MDSPE). The prepared MIP was incorporated covalently to magnetic nanoparticles. This magnetic MIP was able to perform a dispersive extraction avoiding the typical filtration/centrifugation steps of dispersive extraction to separate the sorbent. Thus, an easy separation by the application of a simple magnetic field was done. Another approach studied in this Thesis was based on the preparation of a monolithic polymer anchored onto a disk to create an agitation-extraction device. The MIP was prepared using ecgonine methyl ester, one of the main metabolites of cocaine, and it was applied for natural and wastewater analysis. Finally, it was also proposed the development of new materials based on aptamers for drug extraction. Different oligosorbents were prepared by aptamers immobilization onto CNBr-activated sepharose and magnetic beads for fluroroquinolones and methamphetamine determination. Thus, in the last chapter of this PhD Thesis, the preliminary results of SPE and MDSPE using oligosorbents for drug extraction are shown. In conclusion, along this PhD Thesis different materials including selective and non-selective have been prepared in order to perform the clean-up of oral fluid and water samples for drug analysis. The studies developed have demonstrated that IMS is a fast analytical technique with the ability to detect satisfactorily drugs after a selective extraction using MIPs. Besides, non-selective materials such as polymeric mixed-mode sorbents or octadecyl silica can be used to extract numerous drugs if the analytical technique used for determination have enough selectivity and sensitivity such as GC-MS or UHPLC-MS/MS