Mass spectrometry pneumatically assisted desorption/ionization in forensic toxicology

La spettrometria di massa è una delle tecniche più rilevanti in tossicologia clinica e forense. Il suo sviluppo e il miglioramento si basano sull'invenzione e l'uso di nuove sorgenti di ioni, nuovi metodi di ionizzazione, nuovi analizzatori di massa e nuove tecniche di pre-trattamento dei campioni. Una recente innovazione è la capacità di registrare spettri di massa su campioni reali direttamente nel loro ambiente nativo, senza preparazione del campione o pre-separazione. In questo ambito è stato descritto un nuovo metodo di ionizzazione/desorbimento chiamato DESI (desorbimento Electrospray ionizzazione), in seguito è stato sviluppato un metodo chiamato Dessì (Desorbimento Sonic Spray ionizzazione), a prima vista simile a DESI, ma in fondo sostanzialmente diverso. Questa tesi consiste nello sviluppo di una nuova interfaccia di desorbimento / ionizzazione per indagare il vero meccanismo coinvolto nella formazione di ioni, perché abbiamo ritenuto questo passaggio propedeutico per garantire il successivo uso del metodo in campo tossicologico analitico. Abbiamo verificato che il contributo pneumatico è preponderante per ottenere risultati. Quindi, la nostra nuova interfaccia di desorbimento/ionizzazione utilizza solo uno spray di solvente puro, senza alcuna tensione elettrica applicata allo sprayer. Un aspetto fondamentale di questo progetto, applicato a diverse matrici complesse, è il numero di parametri di funzionamento controllabili che possono essere studiati e ottimizzati per ottenere un'efficace analisi di superficie. Le variabili più importanti prese in considerazione sono state la geometria della sorgente (l'angolo di spray e l'angolo di diffusione di ioni, come pure le varie distanze nell'allineamento dello spray, del campione e dello spettrometro di massa) e la caratteristica dello spray (il contenuto del solvente ed il gas di portata). Tutte le misurazioni sono state eseguite in condizioni di ionizzazione positiva e negativa, variando tensione del capillare, pressione del gas di nebulizzazione, il flusso di gas al capillare e la temperatura del capillare. L'acquisizione è stata prodotta in modalità multiple mass spectra (MSn). Abbiamo applicato questa nuova soluzione tecnica per l'identificazione di composti tal quali, di principi attivi in campioni di farmaci mediante analisi diretta di compresse, principi attivi contenuti in specie vegetali. Gli sviluppi futuri saranno connessi ad applicare l’analisi diretta di analiti presenti sulle superfici originali di interesse nel settore tossicologico per il campionamento in vivo su superfici di tessuti, per individuare l’esposizione a farmaci e xenobiotici, oltre alla possibilità di costruire un’immagine chimica della distribuzione spaziale di analiti sulle superfici dei campioni.

Mass spectrometry is one of the most relevant techniques in clinical and forensic toxicology. Its development and improvement are based on the invention and utilization of new ion sources, new ionization methods, new mass analyzers and new sample pre-treatment techniques. A recent innovation is the ability to record mass spectra on ordinary samples in their native environment, without sample preparation or pre-separation. In this field, a new desorption ionization method called DESI (Desorption Electrospray Ionization) has been described; subsequently, method called DeSSI (Desorption Sonic Spray Ionization), at first sight similar to DESI, but in deep substantially different, has been developed. This thesis consist in developing a new desorption/ionization interface to investigate the real mechanism involved in ions formation because we considered that propaedeutic for the extensive use of the method in the toxicological analytical field. We verified that the pneumatic contribution is preponderant to the obtained results. Hence, our new desorption/ionization interface uses only a spray of pure solvent with no high voltage on needle. A key aspect of this project, applied to several complex matrix, is the number of controllable operating parameters that can be investigated and optimized to obtain an efficient surface analysis. The most important variables are taken in consideration were the source geometry (the spray angle and the ion uptake angle, as well as the various distances in aligning the spray, sample and mass spectrometer) and the characteristic of sprayer (contents of the solvent spray and gas flow rate). All measurements have been performed in positive and negative ionization conditions, varying capillary voltage, nebulizing gas pressure, drying gas flow and end plate temperature. Acquisition was in multiple mass spectrometry mode (MSn). 2 We have applied this new technical solution to compound identification, active principles and drugs identification in direct tablet analysis, active principles and drugs identification in vegetable species. Future developments will be related to apply the direct analysis of analytes present on the original surfaces of interest in the toxicological field for in vivo sampling of living tissue surfaces, to identify drug and xenobiotic exposure, besides the chemical imaging of spatial distribution of analytes onto sample surfaces.