Forensic applications of mass spectrometry

Mgr. Volodymyr PAUK

Disertační práce

Forensic application of mass spectrometry

Abstract:

This Ph.D. thesis is devoted to application of mass spectrometry in the field of forensic science. The main purpose of this work is development of new mass spectrometric methods useful for identification of specific substances in objects within the scope of forensic science. The thesis focuses on the following three topics: detection of pigments in oil paintings, identification of binders in water-soluble painting medium and analysis of new designer drugs. The information obtained can be useful for approximate dating and evaluation of authenticity/origin of historical artifacts and artworks or beneficial for characterization of composition of tablets, pills, powders sold as "legal highs". Theoretical part covers general forensic applications of mass spectrometry as well as specific knowledge about each of the mentioned topics. First, information on the objects of analysis is given (e.g. historical pigments, plant gums, new designer drugs). Second, existing analytical methods and protocols are described. Third, problematic issues are discussed and original tasks for own work are defined. Experimental and Results and Discussion parts are divided into three sections corresponding to each topic. The first one deals with the identification of historical pigments indigo and Prussian blue in oil paintings. Analysis is based on simple chemical reactions, hydrolysis of Prussian blue and reduction of indigotine in alkaline environment, leading to efficient dissolving and allowing sensitive detection of the aforementioned pigments. The developed FIA/ESI-MS method is fast and makes possible identification of both inorganic and organic components without chromatographic separation. Calculated limits of detection are at picogram levels. Potential of the developed method was proven in analysis of blue samples from two oil paintings (20th century) and a microsample from the painting of 'Crucifixion', St. Šebestián church on St. Hill, Mikulov, Czech Republic. The second section deals with differentiation between plant gums used as binders in historical and art objects. Plant-derived polysaccharides are decomposed prior the analysis by microwave-assisted hydrolysis. Hydrolysates containing monosaccharides in different ratios specific to each type of plant gum are analyzed by means of supercritical fluid chromatography hyphenated to mass spectrometry. Subsequently, chromatographic data is subjected to principal component analysis which reveals differences in composition between plant gums. Samples of high-grade aquarelle paints and one archaeological sample were analyzed and compared with profiles of the three most widespread plant glums (gum Arabic, cherry gum and gum tragacanth). The third section describes development of a new method for analysis of modern synthetic drugs of abuse, so-called "new designer drugs", belonging to classes of cathinones and phenylethylamines. The analysis is based on supercritical fluid chromatography with mass spectrometric detection. Efficient separation of four isomeric pairs and most of remaining analytes (fifteen compounds in total) was achieved in less than 3 minutes on BEH (silica) and Fluoro-phenyl stationary phases with appropriate mobile phase modifiers. Electrospray ionization with a triple quadrupole analyzer in a selected reaction monitoring mode provided an additional dimension for differentiation and sensitive detection of all investigated substances. Therefore, the defined tasks were successfully fulfilled. The developed mass spectrometric methods have proven their suitability for forensic-related applications. Part of the results has been published in impacted analytical journals.

Abstract:

Disertační práce se zabývá aplikacemi hmotnostní spektrometrie ve forenzní vědě. Hlavním cílem této práce je vývoj nových metod na bázi hmotnostní spektrometrie pro identifikaci specifických látek v objektech spadajících do oblasti zájmu forenzní vědy. Disertace se zaměřuje na tři témata: detekce pigmentů v olejových malbách, identifikace pojiv ve vodorozpustných malířských barvách a analýzu nových syntetických drog. Získané informace mohou být využity pro přibližné datování a hodnocení pravostí/původu historických artefaktů a uměleckých děl nebo pro charakterizaci složení tablet, pilulek, prášků zneužívaných jako drogy. Teoretická část pokrývá obecné forenzní aplikace hmotnostní spektrometrie a specifické informace ohledně každého ze zmíněných témat. Zaprvé jsou shrnuty informace o objektech analýzy (historické pigmenty, rostlinné pryskyřice, nové syntetické drogy). Zadruhé jsou popsány stávající analytické metody a protokoly. Zatřetí jsou diskutovány možné problémy analýz a definovány původní úkoly pro vlastní práci. Kapitoly Experimentální část a Výsledky a diskuse jsou rozděleny do tří oddílů, které odpovídají jednotlivým tématům. První oddíl pojednává o identifikaci historických pigmentů indiga a Pruské modři v olejových malbách. Analýza je založena na jednoduchých chemických reakcích (hydrolýza Pruské modři a redukce indigotinu v alkalickém prostředí) umožňujících rozpuštění pigmentů a zároveň dovolujících jejich citlivou detekci. Vyvinutá FIA/ESI-MS metoda je rychlá a umožňuje identifikaci obou látek bez chromatografické separace. Zjištěné meze detekce jsou na úrovni pikogramů. Možnosti této metody byly prokázány při analýze vzorků modré barvy ze dvou olejových maleb (počátek 20. století) a mikrovzorku z obrazu "Ukřižování", kostel Sv. Šebestiána na Sv. Kopečku v Mikulově. Druhý oddíl je zaměřen na rozpoznání rostlinných gum používaných jako pojiva v historických a uměleckých objektech. Rostlinné polysacharidy se před analýzou hydrolyzují pomocí mikrovlnného záření. Hydrolyzáty obsahující monosacharidy v různých poměrech, specifických pro každý typ gumy, jsou analyzovány pomocí superkritické fluidní chromatografie s hmotnostní detekcí. Následně jsou experimentální data zpracována metodou hlavních komponent (PCA), která je schopna odhalit rozdíly ve složení jednotlivých gum. Vzorky akvarelů vysoké kvality a jeden archeologický vzorek byly analyzovány a srovnány s profily třech nejčastěji používaných přírodních gum (Arabská guma, třešňová guma a tragant). Třetí oddíl popisuje vývoj metody pro analýzu nových syntetických drog, tzv. "new designer drugs", patřících do skupin katinonů a fenylethylaminů. Analýza je založena na separaci pomocí superkritické fluidní chromatografie s hmotnostní detekcí. Použití stacionárních fází BEH (silikagel) a Fluoro-phenyl s vhodnými modifikátory v mobilní fázi umožňuje separaci většiny z patnácti studovaných návykových látek, především čtyř párů isomerických sloučenin, méně než za tři minuty. Ionizace elektrosprejem ve spojení s trojitým kvadrupólem v SRM módu poskytuje další dimenzi pro rozlišení a citlivou detekci všech sledovaných látek. Kladené úkoly byly úspěšně splněny. Vyvinuté hmotnostně-spektrometrické metody prokázaly svou účlenost pro forenzní aplikace. Část výsledků byla publikována v impaktovaných analytických časopisech.

Keywords

Hmotnostní spektrometrie, superkritická fluidní chromatografie, pigmenty, pojiva, nové "designérské" drogy.

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 23. 11. 2015

Zveřejnit od: 23. 11. 2015

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: prof. RNDr. Karel Lemr, Ph.D.

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Chemie / Analytical Chemistry