New Materials for Sample Treatment, MS-Based Methods and Clinical Applications

Lo sviluppo e l’utilizzo di nuovi materiali per scopi analitici è un campo di grande interesse per la ricerca scientifica. I progressi ottenuti nell’ambito della chimica dei materiali hanno permesso lo sviluppo di nuovi metodi analitici e tecniche di estrazione caratterizzati da alte performance in termini di selettività e sensibilità. In particolare sono stati incrementati nuovi dispositivi in grado di operare in-situ e in tempo reale tramite controllo remoto, interfacciandosi con smartphones, sistemi clouds e reti aziendali. Il presente lavoro di tesi di dottorato si è focalizzato sullo sviluppo di nuovi materiali per applicazioni in spettrometria di massa, trattamento del campione e per scopi clinici. Il monitoraggio ambientale è un campo di ricerca molto attivo negli ultimi anni: l’incremento della industrializzazione e delle attività antropogeniche hanno portato ad un innalzamento generale dei livelli di inquinamento, richiedendo lo sviluppo di nuovi metodi e dispositivi in grado di rivelare la presenza in tracce di inquinanti in aria, acqua e suolo. La preconcentrazione è l’approccio più comunemente impiegato per aumentare le performance dei metodi analitici: il design e la sintesi di materiali innovativi caratterizzati sia da alta selettività rispetto specifiche classi di inquinanti, che da alti fattori di arricchimento, ha permesso lo sviluppo di nuovi metodi analitici e dispositivi per l’analisi in tempo reale e in-situ di composti pericolosi a livelli di µg/m3. Nel caso in cui sia richiesta un’analisi non mirata ma globale (untargeted) degli inquinanti, si è reso necessario lo sviluppo di nuovi materiali in grado di adsorbire il più ampio possibile range di composti. Nella presente tesi di dottorato, i capitoli 1 e 2 sono volti alla ricerca di nuovi materiali per il monitoraggio ambientale, in particolare nel comparto aria. Più in dettaglio, nel capitolo 1, è descritto lo sviluppo di nuovi recettori supramolecolari per la rivelazione di benzene, toluene, etilbenzene e xileni (BTEX): il design, la sintesi, la caratterizzazione e l’utilizzo come coating per microestrazione in fase solida (SPME) sono stati approfonditamente descritti. Particolare attenzione è stata rivolta alla complessazione del benzene, analita riconosciuto a livello mondiale come cancerogeno. Le fibre SPME ottenute sono state caratterizzate in termini di spessore del film, morfologia del materiale e stabilità termica, e hanno mostrato capacità di estrazione dei BTEX superiore a quella dei materiali oggi disponibili in commercio. I metodi sviluppati sono stati validati secondo le linee guida Eurachem e testati per l’analisi di campioni reali. Infine è stato descritto lo sviluppo di un dispositivo stand-alone miniaturizzato che utilizza come materiale adsorbente i recettori studiati. Nel capitolo 2 sono state testate le capacità di un nuovo materiale adsorbente, basato sull’utilizzo di carbone non granulare, per l’analisi untargeted di composti semi-volatili (SVOCs) mediante desorbimento termico e spettrometria di massa (TD-GC-MS). Poiché gli SVOCs sono caratterizzati da proprietà molto diverse, in termini di peso molecolare e polarità, la loro rivelazione risulta molto complessa. Oggi viene effettuata tramite l’utilizzo di tubi a più componenti (mutli-sorbent) ma presenta un notevole limite: l’umidità dell’aria causa una notevole diminuzione delle capacità di estrazione del materiale. Al contrario, il materiale proposto nella presente tesi di dottorato non è influenzato dall’ umidità, permettendo lo sviluppo di un metodo GC-MS per la rivelazione di clorobenzeni e idrocarburi policiclici aromatici in aria, non riportando alcun problema di intasamento del tubo dovuto a condensa. L’analisi biologica è un altro importante campo di ricerca: nuovi materiali e metodi analitici per la rivelazione di biomolecole, insieme all’utilizzo di metodi statistici, hanno permesso di identificare biomarker di malattie. Il pretrattamento del campione è un aspetto chiave nella bioanalisi: sono infatti state sviluppate nuove tecniche di estrazione in grado di rimuovere possibili interferenti, presenti in matrici complesse come i fluidi biologici, e di preconcentrare gli analiti anche a partire da bassi volumi di campione (decine di microlitri). Nel capitolo 3, le performance della microestrazione in fase solida (MEPS) sono state testate per sviluppare un metodo MEPS-LC-MS per la determinazione di desametasone e desametasone sodio fosfato, nell’umor acqueo di pazienti affetti da uveite. Il disegno sperimentale e l’utilizzo delle funzioni di desiderabilità sono stati impiegati per ottimizzare le condizioni di estrazione. Infine il metodo è stato validato seguendo le linee guida per i metodi bioanalitici. Un altro campo di ricerca studiato nel presente lavoro di tesi è legato allo sviluppo di nuovi materiali per applicazioni in spettrometria di massa, sia in campo ambientale che in campo bioanalitico. Nel capitolo 4 sono stati riportati progressi nello sviluppo di una interfaccia in grado di accoppiare la cromatografia liquida con la sorgente a ionizzazione elettronica. In particolare si è discusso il miglioramento di un prototipo Direct EI LC-MS mediante l’utilizzo di coating inorganici ottenuti mediante tecnica sol-gel. La superficie di vaporizzazione della sorgente elettronica è un parametro chiave per la rivelazione e la caratterizzazione dei vari analiti: in particolare composti caratterizzati da alti pesi molecolari e polarità richiedono alte temperature della sorgente EI per essere rivelati, mostrando comunque enormi limiti in termini di ripetibilità e qualità del picco. Tre coatings inorganici basati su silice, titania e zirconia, sintetizzati tramite tecnica sol-gel, sono stati depositati mediante spray sulla superfice di acciaio di sorgenti commerciali per aumentarne l’inerzia. I materiali sono stati quindi caratterizzati in termini di spessore, morfologia e stabilità termica. Infine, le sorgenti sviluppate sono state testate per l’analisi di inquinanti ambientali, in particolare di idrocarburi policiclici aromatici e ormoni: i risultati hanno evidenziato come il coating a base di silice sia quello caratterizzato dalle migliori prestazioni. La spettrometria di massa, in particolar modo nuove tecniche spettroscopiche come la Desorption Electrospray Ionization High Resolution Mass Spectrometry (DESI-HRMS), è cruciale per lo sviluppo di metodi caratterizzati da elevata rapidità, selettività e sensibilità, da utilizzarsi quando è richiesta l’analisi di un alto numero di campioni. Nel capitolo 5 è riportato lo sviluppo di materiali per l’analisi DESI-HRMS di nuove sostanze psicoattive (NPS). Come NPS sono classificate diverse droghe che non sono ancora soggette a controlli internazionali, la cui struttura e attività è assimilabile a droghe illegali. Sono quindi considerate come una potenziale minaccia alla salute pubblica. Nel capitolo 5 è stato proposto un metodo di screening basato sulla tecnica MEPS-DESI-HRMS per l’analisi di NPS in saliva. Tale metodo è stato sviluppato per combattere il fenomeno della guida sotto l’effetto di sostanze stupefacenti. Films di polilattato, tal quale e funzionalizzato, sono stati testati come materiali di supporto per analisi DESI e le loro capacità sono state confrontate con lastrine commerciali in PTFE. Infatti, sia l’idrofilia che la morfologia della superficie sono in grado di influenzare l’efficienza di ionizzazione dei composti studiati. Il metodo sviluppato è stato validato seguendo le linee guida per i metodi bioanalitici, ottenendo LOD e LOQ a livello di µg/l. I progressi nel campo della chimica dei materiali hanno inoltre permesso lo sviluppo di nuovi farmaci caratterizzati da dimensioni in scala nanometrica, elevata attività farmacologica e minori effetti collaterali. Nel capitolo 6 è stato trattato lo sviluppo di un nuovo sistema ibrido caratterizzato da un core superparamagnetico in ossido di ferro, funzionalizzato con odorant binding proteins (OBPs). Queste proteine, essendo in grado di complessare sia gli induttori che i metaboliti prodotti da diversi batteri antibiotico-resistenti, sono state proposte come quorum quenching agents. Le nanoparticelle sono state rivestite con un acido fosfonico a lunga catena, coniugato con le OBPs. Sono state quindi ottenute le dimensioni, la composizione e la magnetizzazione delle nanoparticelle sviluppate. La quantità di proteina caricata è stata ottenuta mediante l’utilizzo del BCA protein assay kit. Il vantaggio più importante del nuovo farmaco è la possibilità di guidare mediante un campo magnetico esterno le nanoparticelle in una specifica area infetta dei polmoni, aumentandone la concentrazione locale e diminuendo gli effetti collaterali.