Green and sustainable evaluation of methods for sample treatment in drug analysis

Význam tématu

V analytické chemii představuje příprava vzorku hlavní časovou a environmentální zátěž většiny analytických postupů. Při analýze léčiv a psychoaktivních látek v biologických matricích je nezbytné zajistit čistotu a prekoncentraci analytů, což tradičně vede k vysoké spotřebě rozpouštědel, reagensů, energie a k produkci odpadu. Z tohoto důvodu je klíčové vyvíjet metody v souladu s principy Green Analytical Chemistry (GAC), které minimalizují dopad na životní prostředí a zdraví obsluhy, přičemž zachovávají analytické požadavky (fit-for-purpose).

Cíle a přehled studie

Článek shrnuje současné přístupy k „zelené“ přípravě vzorků pro analýzu drog a psychoaktivních látek, vyhodnocuje je pomocí metrik zaměřených na udržitelnost (AGREEprep, SPMS, HEXAGON) a ukazuje přístupy ke „zelenění“ procesů: miniaturizaci, nové sorbenty, alternativní rozpouštědla (ionic liquids, deep eutectic solvents), automatizaci a integraci kroků. Hlavním cílem je ukázat, jak různé techniky (SPE/d-SPE, SPME, LPME/DLLME) splňují požadavky GAC a jaké jsou jejich kompromisy mezi analytickou výkonností a udržitelností.

Použitá metodika a instrumentace

Autorské shrnutí neprovádí vlastní experiment; článek analyzuje literární příklady a hodnotí je pomocí tří hlavních metrík:

• AGREEprep – metrika speciálně zaměřená na přípravu vzorku (10 kritérií, skóre 0–1).
• SPMS (Sample Preparation Metric of Sustainability) – hodnotí 9 parametrů přípravy (včetně času extrakce a povahy extrahentu) a představuje jednoduchý Excel nástroj.
• HEXAGON – komplexní nástroj pokrývající figure of merit, toxicitu, vzniklé residua, uhlíkovou stopu a ekonomické náklady; výstup jako hexagonální diagrama a průměrné skóre (Sav).

V textu jsou jako příklady použití zmiňovány běžné analytické přístroje a techniky používané v hodnocených studiích, které jsou uvedeny v samostatné sekci níže.

Použitá instrumentace

V literárních příkladech zmiňované instrumenty a techniky zahrnují:

• Kapalinová chromatografie (HPLC, UHPLC) včetně tandemové hmotnostní detekce (LC–MS/MS).
• Plynová chromatografie s hmotnostní spektrometrií (GC–MS, GC–MS/MS).
• Ion mobility spectrometry (IMS).
• Kapilární elektroforéza s TOF-MS (CE–TOF-MS).
• Spektroskopické detektory (DAD, FLD) a přístupy přímé ionizace (DART, DBDI) v kombinaci s microextraction.
• Automatizované a on-line konfigurace spojení extrakce a analýzy (in-tube SPME, on-line desorpce).

Hlavní výsledky a diskuse

Hlavní závěry přehledu jsou následující:

• Miniaturizované techniky (SPME, LPME/DLLME) obecně vykazují lepší „zelené“ skóre než konvenční SPE díky nižší spotřebě rozpouštědel, menšímu objemu vzorku a nižší produkci odpadu.
• SPE zůstává široce používaná zejména pro svou robustnost a univerzálnost; byla však penalizována metrikami (zejména AGREEprep) kvůli offline krokům, použití organických rozpouštědel a vyššímu počtu pracovních kroků. Miniaturizované varianty SPE (pipette-tip SPE, diskové monolity) vykazují lepší hodnocení.
• SPME nabízí silné výhody v opakovatelnosti, možnosti opakovaného použití sorbentů, snadné integraci s přímou desorpcí (solvent-free termická desorpce) a přímým připojením k MS, což výrazně zlepšuje environmentální profil analyzovaných metod.
• LPME/DLLME poskytuje vysoké prekoncentrační faktory s minimální spotřebou extrahentu; použití zelených alternativ (NADES, ILs, DESs) přispívá ke zlepšení hodnocení, nicméně volba dispergačních a extrakčních rozpouštědel je kritická pro výsledné skóre.
• Nové sorbenty a materiály (MOF, MIP, nanomateriály, uhlíkové sorbenty, 3D-tisknuté nosiče) umožňují lepší selektivitu a účinnost, což může snížit množství potřebného sorbentu a provozních kroků, ale syntéza těchto materiálů sama o sobě může představovat environmentální zátěž, která musí být brána v úvahu.
• Metody používající jednoduchou instrumentaci (např. IMS, DAD) byly v některých případech hodnoceny lépe v rámci HEXAGON, protože nižší spotřeba energie a nižší náklady snižují uhlíkovou stopu a ekonomický dopad.
• Různé metriky kladou důraz na odlišné aspekty: AGREEprep penalizuje rozsah použitých chemikálií a offline kroky; SPMS oceňuje miniaturizaci a čas extrakce; HEXAGON kombinuje environmentální a ekonomické faktory s analytickými parametry. Díky tomu jedna a tatáž metoda může získat odlišné hodnocení podle zvolené metriky.

Přínosy a praktické využití metody

Praktické dopady a přínosy shrnutých poznatků:

• Pro klinickou toxikologii a dopravu (screening na přítomnost drog) jsou výhodné rychlé, nízkonákladové a málo-invazivní miniaturizované techniky (SPME s přímou MS, LPME z orálního sekretu), které zkracují čas zpracování a snižují riziko pro obsluhu.
• Pro monitorování veřejného zdraví (odpadní vody, populační monitoring) poskytují LPME/DLLME efektivní prekoncentrační techniky s nízkou spotřebou organických rozpouštědel, zejména pokud jsou použity biologicky odbouratelné nebo přírodní eutektické směsi.
• V průmyslových a forenzních laboratořích umožňuje automatizace a integrace kroků (on-line SPME–LC/MS) zvýšení průchodnosti a současné snížení variability a expozice operátora.
• Vědecký výzkum těží z rozvoje nových sorbentů (MOF, MIP, uhlíkové nanočástice), které zvyšují selektivitu a senzitivitu, a tím mohou snížit požadavky na objemy vzorků a chemikálie.

Budoucí trendy a možnosti využití

Autoři i přehled literatury identifikují několik směrů dalšího rozvoje:

• Harmonizace a zjednodušení GAC metrik: existující množství nástrojů může vést k nejednoznačnosti; bude žádoucí sjednotit klíčové parametry do kompatibilního a uživatelsky přístupného nástroje (aplikace, web, Excel).
• Rozšíření metrik o nové faktory: spotřebu vody, plný životní cyklus materiálů, ekonomickou životaschopnost a širší posuzování ‚fit-for-purpose‘.
• Další rozvoj zelených extrahentů (DES, NADES, ILs) založených na odpovědných surovinách a jejich kompatibilita s analytickými technikami.
• Vývoj udržitelných postupů pro syntézu nových sorbentů tak, aby jejich výrobní fáze neznehodnocovala celkový ekologický přínos.
• Růst aplikací přímé analýzy (SPME–MS, přenosné MS, IMS) pro on-site a rapidní skríning bez potřeby rozsáhlé laboratoře.

Závěr

Přehled demonstruje, že přechod k miniaturizovaným, integrovaným a méně náročným technikám (SPME, LPME) je účinnou strategií pro zlepšení udržitelnosti při analýze drog v biologických matricích. Současně je nezbytné posuzovat celkový dopad metod včetně syntézy sorbentů, spotřeby energie a hospodářských nákladů. Metody hodnocení jako AGREEprep, SPMS a HEXAGON poskytují užitečné, avšak doplňující pohledy; jejich harmonizace a zjednodušení může výrazně napomoci širšímu přijetí „zelených“ analytických postupů v praxi.

Reference

Vybrané referenční práce citované v přehledu (standardní forma):

1. Nováková L. Advances in sample preparation for biological fluids. LCGC International, 2016.
2. de la Guardia G.M., Armenta S. Green analytical chemistry: theory & practice. In: Comprehensive Analytical Chemistry, Elsevier, 2011.
3. Gałuszka A., Migaszewski Z., Namieśnik J. The 12 principles of green analytical chemistry and the SIGNIFICANCE mnemonic of green analytical practices. Trends Anal. Chem. 2013;50:78–84.
4. Nowak P.M., Wietecha-Posłuszny R., Pawliszyn J. White analytical chemistry: an approach to reconcile the principles of green analytical chemistry and functionality. Trends Anal. Chem. 2021;138:116223.
5. Pena-Pereira F., Wojnowski W., Tobiszewski M. AGREE—analytical GREEnness metric approach and software. Analytical Chemistry. 2020;92:10076–10082.
6. Wojnowski W., Tobiszewski M., Pena-Pereira F., Psillakis E. AGREEprep – Analytical greenness metric for sample preparation. Trends Anal. Chem. 2022;149:116553.
7. González-Martín R., Gutiérrez-Serpa A., Pino V., Sajid M. A tool to assess analytical sample preparation procedures: sample preparation metric of sustainability. J. Chromatogr. A. 2023;1707:464291.
8. Ballester-Caudet A., Campíns-Falcó P., Pérez B., Sancho R., Lorente M., Sastre G., González C. A new tool for evaluating and/or selecting analytical methods: summarizing the information in a hexagon. Trends Anal. Chem. 2019;118:538–547.
9. Kokosa J.M. Selecting an extraction solvent for a greener liquid phase microextraction (LPME) mode-based analytical method. Trends Anal. Chem. 2019;118:238–247.
10. Armenta S., Esteve-Turrillas F.A., Garrigues S., de la Guardia M. Alternative green solvents in sample preparation. Green Analytical Chemistry. 2022;1:100007.
11. Sajid M. Dispersive liquid-liquid microextraction: evolution in design, application areas, and green aspects. Trends Anal. Chem. 2022;152:116636.
12. Belardi R.P., Pawliszyn J.B. The application of chemically modified fused silica fibers in the extraction of organics from water matrix samples and their rapid transfer to capillary columns. Water Quality Research Journal. 1989;24:179–191.
13. Jalili V., Barkhordari A., Ghiasvand A. A comprehensive look at solid-phase microextraction technique: a review of reviews. Microchemical Journal. 2020;152:104319.
14. Zhou W., Wieczorek M.N., Javanmardi H., Pawliszyn J. Direct solid-phase microextraction-mass spectrometry facilitates rapid analysis and green analytical chemistry. Trends Anal. Chem. 2023;166:117167.
15. Koel M. Do we need green analytical chemistry? Green Chemistry. 2016;18:923–931.