Đang tải...
Keywords: LC-MS/MS, HRMS, NPS, novel psychoactive substances, suspect screening, multi-targeted screening, wastewater, nước thải, Hàn Quốc.
Giới thiệu: Bài viết này sẽ cung cấp tóm tắt và thông tin lược dịch về việc phân tích và xác định các chất hướng thần mới (NPS) trong các mẫu nước từ 29 nhà máy xử lý nước thải tại Hàn Quốc theo nghiên cứu “Target and suspect screening of (new) psychoactive substances in South Korean wastewater by LC-HRMS, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.162613”. Về người dịch, TS. Lê Sĩ Hưng, tốt nghiệp tiến sĩ tại đại học BOKU Vienna (Cộng hoà Áo) ngành hoá phân tích, đã có trên 10 năm kinh nghiệm làm việc với các thiết bị khối phổ, tập trung vào ứng dụng các kỹ thuật khối phổ trong phân tích các chất chuyển hoá (metabolites) và protein trong các đối tượng mẫu sinh học, ORCID: 0000-0002-0762-3492.
Việc sử dụng ma túy tại Hàn Quốc được kiểm soát vô cùng chặt chẽ, methamphetamine được biết là loại ma túy bất hợp pháp được sử dụng rộng rãi duy nhất qua ba nghiên cứu dịch tễ học dựa trên nước thải. Tuy nhiên, ước tính tỷ lệ tiêu thụ của methamphetamine (14,9 – 28,6 mg.d−1 (1000 người)−1) thấp hơn nhiều so với các nước khác. Tuy nhiên, gần đây methcathinone đã được phát hiện ở một nhà máy xử lý nước thải Hàn Quốc từ một nghiên cứu hợp tác quốc tế 2021 - 2022 có thể chỉ ra khả năng xuất hiện các NPS mới ở Hàn Quốc. Việc nhận diện nhanh chóng việc sử dụng NPS trong cộng đồng là điều cấp thiết. Trong nghiên cứu này, một phương pháp sàng lọc và xác định NPS trong nước thải bằng cách sử dụng sắc ký lỏng kết hợp với khối phổ có độ phân giải cao (LC-HRMS) đã được phát triển. Một cơ sở dữ liệu nội bộ chứa 95 chất gây nghiện truyền thống và NPS đã được xây dựng. Nước thải được thu thập từ 29 nhà máy xử lý nước thải (WWTP) trên khắp Hàn Quốc, có thể đại diện cho 50% dân số Hàn Quốc.
Nhóm nghiên cứu tiến hành xây dựng thư viện phổ nội bộ cho 95 chất cấm truyền thống và NPS bao gồm các công thức hóa học, thời gian lưu và các ion phân mảnh đặc trưng. Thư viện này được xây dựng để hỗ trợ trong việc xác định các NPS trong quá trình phân tích mục tiêu. Kết quả thẩm định phương pháp phân tích có mục tiêu được tiến hành cho các thông số bao gồm độ tuyến tính, độ nhạy, độ thu hồi và độ lệch chuẩn tương đối (RSD) cho các dung dịch chuẩn hiệu chuẩn từ 1 – 500 ng/mL (Bảng 1). Hầu hết các hợp chất mục tiêu cho thấy tính tuyến tính tốt với hệ số xác định (R²) từ 0,9901 đến 0,9998. Hiệu suất thu hồi và độ lệch chuẩn tương đối (RSD) được đánh giá bằng cách thêm 100 ng của dung dịch gốc hỗn hợp vào 250 mL mẫu nước thải. Hiệu suất thu thồi tốt được quan sát cho 70 NPS trong khoảng từ 50 – 150%, 21 NPS có hiệu suất thu hồi là 50% và bốn hợp chất (STS-135, EDDP, AKB-48 và APICA) có hiệu suât thu hồi 150 – 156%. Giá trị RSD về hiệu suất thu hồi trong khoảng 1–17% cho thấy tính đồng nhất của cao giữa các cartridge tự nhồi cho việc chiết xuất các hợp chất mục tiêu (Bảng 1).
2.1. Xác định các NPS trong nước thải bằng phân tích có mục tiêu
Trong số 95 chất mục tiêu trong thư viện phổ nội bộ, 14 chất đã được xác định và định lượng bán phần trong nước thải. Hình 1 thể hiện các NPS được phát hiện với tần suất cao trong các mẫu nước thải. Các NPS mới được xác định cùng khoảng nồng độ phát hiện và tần xuất xuất hiện của chúng được trình bày trong Bảng 2. N-methyl-2-AI và axit carboxylic zolpidem 4-phenyl là các chất được phát hiện thường xuyên nhất trong tất cả các mẫu nước thải đầu vào (tần suất phát hiện, 100%) theo sau là ephedrine (96,5%), axit ritalinic (75,8%), tramadol (72,4%), phenmetrazine (68,9%), phendimetrazine (58,6%), phentermine (51,7%), methamphetamine (44,8%), 25E-NBOMe (20,6%), 25D-NBOMe (17,2%), codeine (13,7%), morphine (6,9%), và ketamine (3,4%). Trong đó, N-methyl-2-AI là một chất kích thích thuộc nhóm amphetamine và được sử dụng làm ma túy thiết kế, hoạt động bằng cách giải phóng các chất dẫn truyền thần kinh dopamine và norepinephrine trong não, gây hiệu ứng kích thích thần kinh. Axit carboxylic zolpidem 4-phenyl là chất chuyển hóa của zolpidem, một loại thuốc ngủ thuộc nhóm thuốc Z, thường được sử dụng để điều trị chứng mất ngủ, việc xuất hiện trong nước thải do sự đào thải qua cơ thể sau khi sử dụng zolpidem cũng như mức độ phổ biến của zolpidem trong cộng đồng. Ephedrine là chất kích thích thần kinh thường được sử dụng trong điều trị bệnh hen suyễn và viêm mủ, cũng có thể bị lạm dụng làm chất kích thích hoặc để tăng cường hiệu suất trong thể thao. Axit ritalinic là chất chuyển hóa của methylphenidate, một thuốc thường dùng để điều trị rối loạn tăng động giảm chú ý. Tramadol là một loại thuốc giảm đau opioid yếu, thường được sử dụng để điều trị đau từ trung bình đến nặng, có thể gây nghiện nếu sử dụng lâu dài. Phenmetrazine là chất kích thích từng được sử dụng để giảm cân nhưng đã bị cấm do nguy cơ lạm dụng cao. Phendimetrazine là một loại thuốc kích thích tương tự amphetamine, thường được sử dụng trong điều trị béo phì, hoạt động nhờ cách giảm cảm giác thèm ăn. Phentermine là thuốc kích thích được sử dụng để hỗ trợ giảm cân, tương tự như phendimetrazine và phenmetrazine, nhưng có ít nguy cơ lạm dụng hơn.
Hình 1. Sắc ký đồ, phổ MS và MS/MS, và đường chuẩn cho N-methyl-2AI trong mẫu nước thải: (a) sắc ký đồ của mẫu nước thải đầu vào của m/z 148,1121; (b) Phổ toàn dải MS ở 3,84 min; (c) Phổ MS/MS ở 3,84 min; (d) sắc ký đồ của N-methyl-2-AI; (e) Kết quả phù hợp của kiểu dạng đồng vị; (f) đường chuẩn của N-methyl-2-AI..
Bảng 2. Các NPS xuất hiện với tần suất cao tại tất cả các điểm lấy mẫu.
Ephedrine là chất kích thích thần kinh truyền thống có nồng độ cao nhất trong các mẫu nước thải đầu vào, dao động từ ngưỡng không phát hiện (ND) đến 626 ng/L, với giá trị trung bình là 288 ng/L. Các chất khác lần lượt là tramadol (37,9 ng/L), axit ritalinic (21,0 ng/L), axit zolpidem phenyl-4-COOH (18,5 ng/L), phentermine (18,1 ng/L), methamphetamine (17,8 ng/L), phendimetrazine (10,3 ng/L), codeine (5,92 ng/L), phenmetrazine (4,95 ng/L), morphine (3,81 ng/L), và ketamine (1,51 ng/L). So với các nghiên cứu trước đây ở Hàn Quốc, nồng độ các NPS phát hiện trong nghiên cứu này tương đương hoặc thấp hơn. Đặc biệt, methamphetamine được ghi nhận có mức tiêu thụ cao vào năm 2012-2013. Nồng độ methamphetamine trong nghiên cứu hiện tại tương tự với năm 2015 nhưng thấp hơn so với các năm 2017 và 2020.
Nồng độ của axit ritalinic (chất chuyển hóa của methylphenidate, một chất kích thích) lần đầu tiên được điều tra tại Hàn Quốc, dao động từ ngưỡng không phát hiện (ND) đến 28,6 ng/L, với giá trị trung bình 21,0 ng/L. 03 dẫn xuất phenethylamine là N-methyl-2-AI, 25E-NBOMe, và 25D-NBOMe lần đầu tiên được phát hiện trong mẫu từ các nhà máy xử lý nước thải. Nồng độ trung bình của N-methyl-2-AI (229 ng/L) đứng thứ hai trong số các chất khác. N-methyl-2-aminoindane (NM-2-AI) là một chất tương tự amphetamine, hoạt động như một chất giải phóng dopamine và norepinephrine, đang được bán như một loại thuốc thiết kế. Tuy nhiên, ít có thông tin về độc tính của nó. Trong các nghiên cứu trước đó, N-methyl-2-AI đã được xác định sơ bộ bằng phương pháp sàng lọc nghi ngờ mà không có chất chuẩn từ các mẫu nước thải ở Ba Lan và Athens, cho thấy nó đang được sử dụng như một loại thuốc kích thích tâm thần thay thế ở nhiều khu vực trên thế giới. 25E-NBOMe và 25D-NBOMe thuộc lớp phenethylamine và là các chất thay thế alkyl của 2,5-dimethoxy-N-benzylphenethylamine, được biết đến với tên gọi NBOMe.
Hình 2. Kết quả đối chiếu với phân mảnh từ MetFrag cho (a) amphetamine-N-propyl, (b) benzydamine, (c) iso-ethacaninone, và (d) methoxyphenamine.
Việc sàng lọc có mục tiêu các chất nghi vấn sử dụng danh sách 695 NPS và các chất chuyển hóa tham khảo từ cơ sở dữ liệu HighResNPS http://www.highresnps.com/ và các báo cáo từ Hệ thống Cảnh báo Sớm (European Monitoring Centre for Drugs and Drug Addiction). Mô hình QSRR Automator được sử dụng để dự đoán thời gian lưu (RT) và giảm thiểu kết quả âm tính giả, sử dụng thông tin SMILES từ các tiêu chuẩn tham chiếu có sẵn. Mô hình này có độ chính xác cao (R² = 0,9817), cho thấy độ tin cậy trong việc dự đoán RT và hỗ trợ quá trình sàng lọc. Kết quả từ ba nhà máy xử lý nước thải có nồng độ NPS cao được được sử dụng để sàng lọc có mục tiêu các chât nghi vấn áp dụng 5 bước: (1) Lọc tự động dựa trên dung sai về số khối (≤ 5 ppm), tỷ lệ S/N > 3, diện tích píc ≥ 1 x 10e6 và cường độ píc > 5 lần cường độ píc của trong mẫu trắng quy trình; (2) Kiểm tra EIC để loại bỏ nhiễu và píc các chất bẩn; (3) Điều chỉnh dự đoán RT bằng mô hình QSRR (dung sai cho RT dự đoán ± 1 phút); (4) Đánh giá kiểu mẫu đồng vị và sự xuất hiện của các adducts; (5) Kiểm tra phổ phân mảnh với MetFrag và ChemSpider (Bảng 3).
Bảng 3. Các NPS được xác định với phương pháp sàng lọc có mục tiêu các chất nghi vấn
Kết quả sàng lọc đã xác định được bốn hợp chất NPS trong mẫu nước thải đầu vào từ các nhà máy xử lý nước thải được chọn (Hình 2):
95 chất chuẩn mua từ Cerilliant (Round Rock, TX, USA) và chất chuẩn nhận được từ MFDS (Bộ An toàn Thực phẩm và Dược phẩm, Hàn Quốc) được chuẩn bị bằng cách hòa tan bằng MeOH/H2O:1/4, (v/v). Các hợp chất đồng vị đánh dấu (amphetamine-d6, bupropion-d9, cocaine-d3, codeine-d3, ephedrine-d3, ketamine-d4, LSD-d3, methadone-d3, methamphetamine-d8, morphine-d3, tramadol-d6, zolpidem-d6) từ Cerilliant được sử dụng làm nội chuẩn trong phân tích mục tiêu.
Mẫu nước thải đã được thu thập từ 29 nhà máy xử lý nước thải ở Hàn Quốc từ ngày 11 đến ngày 26 tháng 5 năm 2021. Các nhà máy xử lý này đại diện cho 50% dân số Hàn Quốc. Các mẫu nước thải đã được thu thập dưới dạng mẫu hỗn hợp 24 giờ (mẫu kết hợp tỷ lệ theo thời gian) bằng cách sử dụng các bộ lấy mẫu tự động. Các mẫu được bảo quản lạnh và sau đó lọc qua các bộ lọc sợi thủy tinh GF/B (1 µm) trước khi lưu trữ ở −20°C cho đến khi phân tích.
Quá trình xử lý mẫu nước thải bao gồm làm giàu các hợp chất cation, anion và trung tính bằng cách sử dụng các cột SPE tự đóng gói Oasis HLB ở lớp trên (200 mg, Oasis) và hỗn hợp Isolute ENV+ (150 mg), Strata X-AW (100 mg), and Strata X-CW (100 mg) ở lớp dưới (tốc độ dòng chảy 1 mL/phút). Quy trình làm sạch mẫu được mô tả ở Hình 3.
Hình 3. Quy trình chuẩn bị mẫu nước thải sử dụng cột SPE tự nhồi.
Tách sắc ký sử dụng cột Acquity UPLC HSS T3 (100 mm × 2,1 mm, 1,8 μm) với nhiệt độ cột 40°C. Tốc độ dòng phân tích: 0,3 mL/phút; Dung môi pha động A: 5 mM ammonium formate trong nước; dung môi pha động B: ACN; Thể tích mẫu bơm lên cột: 20 μL. Mẫu được phân tích với hệ thống khối phổ phân giải cao sử dụng kỹ thuật Ion hóa phun điện ở cả 2 chế độ dương và âm. Dữ liệu được thu thập ở chế độ quét toàn dải (Full scan) từ 100 – 1000 m/z và ghi phổ MS/MS tự động.
Dữ liệu thô từ các mẫu để sàng lọc nhanh theo các tiêu chí chấp nhận như ngưỡng S/N (≥3), dung sai về số khối (±5 ppm), hình dạng píc, ngưỡng diện tích píc (≥10e5), sự phù hợp kiểu dạng đồng vị (≥80%), kiểu dạng phân mảnh MS/MS, thời gian lưu (RT) trong khoảng 5% của RT trung bình của chất chuẩn, điểm tham chiếu thư viện ≥70 và không xuất hiện trong các mẫu trắng, được sử dụng để sàng lọc phạm vi rộng của các NPS trong nước thải.
