Complexation-mediated electromembrane extraction of highly polar basic drugs—a fundamental study with catecholamines in urine as model system

Complexation-mediated electromembrane extraction (EME) of highly polar basic drugs (log P < −1) was investigated for the first time with the catecholamines epinephrine, norepinephrine, and dopamine as model analytes. The model analytes were extracted as cationic species from urine samples (pH 4), through a supported liquid membrane (SLM) comprising 25 mM 4-(trifluoromethyl)phenylboronic acid (TFPBA) in bis(2-ethylhexyl) phosphite (DEHPi), and into 20 mM formic acid as acceptor solution. EME was performed for 15 min, and 50 V was used as extraction voltage across the SLM. TFPBA served as complexation reagent, and selectively formed boronate esters by reversible covalent binding with the model analytes at the sample/SLM interface. This enhanced the mass transfer of the highly polar model analytes across the SLM, and EME of basic drugs with log P in the range −1 to −2 was shown for the first time. Meanwhile, most matrix components in urine were unable to pass the SLM. Thus, the proposed concept provided highly efficient sample clean-up and the system current across the SLM was kept below 50 μA. Finally, the complexation-mediated EME concept was combined with ultra-high performance liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry and evaluated for quantification of epinephrine and dopamine. Standard addition calibration was applied to a pooled human urine sample. Calibration curves using standards between 25 and 125 μg L−1 gave a high level of linearity with a correlation coefficient of 0.990 for epinephrine and 0.996 for dopamine (N = 5). The limit of detection, calculated as three times signal-to-noise ratio, was 5.0 μg L−1 for epinephrine and 1.8 μg L−1 for dopamine. The repeatability of the method, expressed as coefficient of variation, was 13% (n = 5). The proposed method was finally applied for the analysis of spiked pooled human urine sample, obtaining relative recoveries of 91 and 117% for epinephrine and dopamine, respectively.The authors would like to thank the Spanish Ministry of Science and Innovation (project n. CTQ2011-23968) and Generalitat Valenciana (Spain) (projects n. GVA/2014/096 and PROMETEO/2013/038) for the financial support. E. Fernández thanks Spanish Ministry of Education for her FPU grant (FPU13/03125) and mobility grant (EST15/00074)

Microextraction of benzodiazepines and drugs of abuse with supported liquid membranes

In this thesis, focus was on further developing EME and PALME as bioanalytical sample preparation techniques. EME and PALME differ in the fundamental principles for extraction, and they may therefore be advantageous for different analytical purposes. During the work with this thesis, PALME was closer to commercialization and implementation in routine laboratories, and therefore the research was focused on developing new applications to further highlight and demonstrate the PALME potential for bioanalytical applications. EME was at a more fundamental stage, and the research was therefore focused on technical and theoretical aspects of the extraction process. Based on this, the main objectives of this thesis was to investigate: a) if benzodiazepines, drugs of abuse, and designer drugs can be extracted by EME (paper III and V) and PALME (paper II and IV), b) how the extraction conditions should be optimized for weak bases (paper III, IV, and V), c) if the experimental data are reliable based on evaluation of the final extraction procedures (paper II-V), and finally d) if phospholipids are present in the acceptor solution after EME (paper I)

Parallel artificial liquid membrane extraction (PALME) til analyse av nye psykoaktive stoffer i blod

Parallel artificial liquid membrane extraction (PALME) ble publisert i 2013 og er en ny form for væskefase-mikroekstraksjon (liquid-phase microextraction, LPME). Teknikken utføres i et 96-brønnsformat bestående av en bunnplate, organisk væskemembran, mottakerplate og et topplokk. Ekstraksjonen utgjør et trefasesystem tilsvarende tradisjonell væske-væske-ekstraksjon (liquid-liquid-extraction, LLE) med tilbakeekstraksjon. Høy grad av selektivitet og lavt forbruk av organisk løsemiddel er gunstige fordeler som gjør teknikken attraktiv å anvende for nye stoffgrupper. I denne oppgaven har PALME blitt anvendt til prøveopparbeidelse av et utvalg nye psykoaktive stoffer (NPS) fra blod. Forekomst og bruk av NPS har tiltatt de siste årene, og helserisikoen stoffene medfører gjør det viktig å utvikle nye og effektive analyseteknikker til sikker påvisning og kvantifisering. Totalt 14 substanser ble testet og de fleste tilhørte én av følgende undergrupper av NPS: fenetylaminer, tryptaminer, piperaziner og syntetiske katinoner. Inkluderte substanser var MDAI, metylon, 5-IT, PFA, alfa-metyltryptamin, mCPP, 6-APB, pentedron, metoksetamin, MDPV, etylfenidat, 2C-E, Bromo DragonFLY og AH-7921. Substansene var basiske aminer med pKa-verdier mellom 7,3 og 10, og log P mellom 1,1 og 4,0. Dette ga gode forutsetninger for ekstraksjon med PALME. Dette var første gang teknikken ble utført med fullblod som analysemedium, og en optimalisering av ekstraksjonen ble utført. Fokus var rettet mot effektivisering og mulighet for rutinemessig og kvantitativ anvendelse av metoden. Det ble testet tilsetning av ulike sluttkonsentrasjoner av NaOH i prøveløsningen (3,0-30 µM), fire ulike membranvolum (2,0-3,5 µl), seks ulike organiske løsemidler som organisk væskemembran (diheksyleter, dodecylacetat, nitrofenyloktyleter, isopentylbenzen, heksadekan og nonanon), ulike ekstraksjonstider (15-45 minutter) og ulike volum for mottakerløsningen (50 og 250 µl). Resultatet bidro til følgende ekstraksjonsprosedyre: Stoffene ble ekstrahert fra en 250 µl prøveløsning som bestod av 100 µl blodprøve, 75 µl 80 mM NaOH, 50 µl vann og 25 µl internstandard. Organisk væskemembran bestod av 3 µl dodecylacetat, og 20 mM HCOOH ga pH-drevet overgang til 250 µl mottakerløsning. Ekstraksjonen ble fremmet med risting ved 900 rpm og pågikk i 40 minutter. Analyse ble utført med ultra high pressure liquid chromatography tandem mass spectrometry (UHPLC-MS/MS). Metodevalideringen innebar evaluering av linearitet, presisjon og nøyaktighet, deteksjons- og kvantifiseringsgrenser, ekstraksjonsutbytte, matrikseffekter, spesifisitet, overdrag og holdbarhet. UHPLC-MS/MS-metoden separerte stoffene tilfredsstillende på i underkant av ni minutter. Vektede lineære standardkurver (1/x) ble satt opp i området fra stoffenes kvantifiseringsgrense til øvre konsentrasjon. Standardkurvene hadde r2-verdier mellom 0,92 og 0,99. Det ble beregnet et ekstraksjonsutbytte på mellom 11-87 % for samtlige stoffer, unntatt 5-IT, Bromo DragonFLY og 2C-E, hvor ekstraksjonsutbyttet lå på mellom 3-19 %. Det var forholdsvis stor variasjon i ekstraksjonsutbyttet mellom de ulike stoffene, og en viss konsentrasjonsavhengighet ble observert for enkelte. Deteksjonsgrenser ble satt mellom 0,0025-0,50 µM og kvantifiseringsgrenser mellom 0,13-5,0 µM. Valideringen forøvrig viste tilfredsstillende resultat for presisjon, nøyaktighet, matrikseffekter, overdrag og spesifisitet. Holdbarhetstesting viste at ekstraktene var holdbare i opp til syv dager ved -20C og 10C. 10 autentiske blodprøver ble analysert ved hjelp av metoden. Målte konsentrasjoner avviket noe fra tidligere målte konsentrasjoner, men alle konsentrasjonene var i samme størrelsesorden, unntatt AH-7921 og Bromo DragonFLY som så ut til å ha forsvunnet fra prøvene. Resultatet for de reelle prøvene viste at PALME kunne benyttes til prøveopparbeidelse av NPS fra fullblod, og til en rask prøveopparbeidelse for påvisning (screening) av de 14 validerte stoffene. Ved videre optimalisering av betingelser og konsentrasjoner vil det også kunne være mulig å bruke metoden til kvantifisering

Electromembrane extraction of polar substances – Status and perspectives

In this article, the scientific literature on electromembrane extraction (EME) of polar substances (log P < 2) is reviewed. EME is an extraction technique based on electrokinetic migration of analyte ions from an aqueous sample, across an organic supported liquid membrane (SLM), and into an aqueous acceptor solution. Because extraction is based on voltage-assisted partitioning, EME is fundamentally suitable for extraction of polar and ionizable substances that are challenging in many other extraction techniques. The article provides an exhaustive overview of papers on EME of polar substances. From this, different strategies to improve the mass transfer of polar substances are reviewed and critically discussed. These strategies include different SLM chemistries, modification of supporting membranes, sorbent additives, aqueous solution chemistry, and voltage/current related strategies. Finally, the future applicability of EME for polar substances is discussed. We expect EME in the coming years to be developed towards both very selective targeted analysis, as well as untargeted analysis of polar substances in biomedical applications such as metabolomics and peptidomics