Bijdrage tot de ontwikkeling van een elektrochemische sensor voor de opsporing ter plaatse van cocaïne

Nick Sleegers
Een sensor verwerkt in een handschoen voor de detectie van cocaïneDrugsdealers worden steeds inventiever in hun smokkelmethoden, van de klassieke bolletjes en pakketjes tot het vermommen van cocaïne als zwarte printer inkt. Douane van de luchthaven van Zaventem en de Antwerpse haven kijken dan ook reikhalzend uit naar een draagbare, betrouwbare, snelle en selectieve test om een verdacht poeder te classificeren als zijnde cocaïne of niet.Wanneer de douane een verdachte container onderschept, of mensen of bagage wil screenen op cocaïne, dan maken ze klassiek gebruik van kleurtesten.

Bijdrage tot de ontwikkeling van een elektrochemische sensor voor de opsporing ter plaatse van cocaïne

Een sensor verwerkt in een handschoen voor de detectie van cocaïne

Drugsdealers worden steeds inventiever in hun smokkelmethoden, van de klassieke bolletjes en pakketjes tot het vermommen van cocaïne als zwarte printer inkt. Douane van de luchthaven van Zaventem en de Antwerpse haven kijken dan ook reikhalzend uit naar een draagbare, betrouwbare, snelle en selectieve test om een verdacht poeder te classificeren als zijnde cocaïne of niet.

Wanneer de douane een verdachte container onderschept, of mensen of bagage wil screenen op cocaïne, dan maken ze klassiek gebruik van kleurtesten. Deze testen zijn snel en gebruiksvriendelijk, maar de kleurverandering is niet altijd even eenvoudig te interpreteren. Bovendien geven andere stoffen zoals chloorpromazine, lidocaïne en andere geneesmiddelen vaak ook een positieve uitlezing. Als gevolg hiervan dient de kleurtest steeds bevestigd te worden in een gespecialiseerd labo, maar dat kost tijd en geld. Verder bestaat de kans dat een lading of persoon onterecht wordt vastgehouden, wat grote gevolgen kan hebben.

Hoe kunnen we cocaïne ter plaatse op een reproduceerbare, gevoelige en vooral selectieve manier detecteren? Deze vraag is de drijvende kracht in het onderzoek naar een broodnodig alternatief voor de kleurtesten. Elektrochemische biosensoren lijken hiervoor uitermate geschikt. Sinds kort is het zelfs mogelijk om ze in te bouwen in een handschoen, waardoor het uitvoeren van analyses ter plaatse heel eenvoudig is. Tevens wordt elektrochemie beschouwd als één van de meest gevoelige technieken voor detectie ter plaatse. De ontwikkeling van een dergelijke handschoensensor voor cocaïne is mogelijk door de intense samenwerking tussen het Nationaal Instituut voor Criminalistiek en Criminologie (NICC), met vakkennis in drugsidentificatie en kwantificatie, en de onderzoeksgroep AXES (promotor K. De Wael, UAntwerpen) met sterke expertise betreffende elektrochemische sensoren.

Biosensor

In verschillende sectoren zoals de voedselindustrie, geneeskunde, milieu, etc. worden biosensoren steeds belangrijker. Aangezien ze een aantal voordelen hebben ten opzichte van de klassieke technieken. Enerzijds kunnen ze zeer selectief en gevoelig welbepaalde doelmoleculen detecteren, interessant voor de analyse van drugs, medicijnen en polluenten. Anderzijds zijn deze sensoren snel, draagbaar en gebruiksvriendelijk, mede doordat de detectie elektrochemisch kan gebeuren. Deze voordelen worden uitstekend geïllustreerd door de meest gekende elektrochemische biosensor: de glucosesensor gebruikt door diabetespatiënten. Biosensoren zijn typisch opgebouwd uit twee elementen: een bioherkenningselement en een fysisch detectiesysteem. Het bioherkenningselement herkent specifiek de doelmolecule, hier cocaïne, en zal bijgevolg grotendeels de selectiviteit van de biosensor bepalen. In dit onderzoek kozen we voor aptameren. Deze kleine stukjes enkelstrengig DNA kunnen niet alleen zeer selectief cocaïne herkennen, maar bezitten ook een aantal gunstige eigenschappen zoals kostprijs en stabiliteit ten opzichte van andere herkenningselementen, bijvoorbeeld antilichamen. Het tweede gedeelte van de biosensor is het fysisch detectiesysteem, wat de biologische herkenning omzet in een makkelijk te meten signaal. In het geval van elektrochemie is het gewoonlijk één van de volgende drie: stroom, potentiaal of weerstand.

Cocaïne en zijn versnijdingsmiddelen

Om de winst te vergroten wordt cocaïne vaak versneden met andere goedkopere witte poeders. Oppeppende en verdovende stoffen zoals cafeïne, levamisol en fenacetine worden toegevoegd als versnijdingsmiddel om het verlies aan kwaliteit en werking te maskeren. De versnijdingsmiddelen en het gewichtspercentages zijn sterk afhankelijk van de drugdealers en de toegankelijkheid van de stoffen zelf. Bij de detectie van cocaïne moeten we de mogelijke aanwezigheid van versnijdingsmiddelen in rekening brengen.

Elektrochemische handtekening van een cocaïnestaal

In mijn eindwerk lag de nadruk op het achterhalen van het elektrochemische gedrag van cocaïne en de versnijdingsmiddelen. Bij welke potentialen vinden deze plaats? Kan het cocaïnesignaal worden waargenomen in reële stalen? Deze en andere vragen hebben we aangepakt door cocaïne en zijn belangrijkste versnijdingsmiddelen uitvoerig te bestuderen met behulp van voltammetrie. In deze elektrochemische techniek wordt een potentiaal aangelegd die verandert in functie van de tijd waarbij steeds de resulterende stroom wordt opgemeten. Door het aanbrengen van deze spanning krijgen de aanwezige analietmoleculen, zoals cocaïne, voldoende energie om te oxideren of reduceren bij een welbepaalde potentiaal wat resulteert in een toename van het stroomsignaal. De redoxprocessen en de potentiaal waarbij ze plaatsgrijpen zijn karakteristiek voor de betrokken molecule, i.e. cocaïne of het versnijdingsmiddel.

Deze informatie kunnen we gebruiken om cocaïne eenduidig te detecteren. Allereerst werden de verschillende elektrochemische signalen van cocaïne en de versnijdingsmiddelen opgemeten en toegewezen. Een duidelijk signaal voor cocaïne werd waargenomen en was behoorlijk afgezonderd van de andere signalen van de versnijdingsmiddelen. Het effect van versnijdingsmiddelen op het cocaïnesignaal bestuurde we vervolgens via het analyseren van mengsels met twee of meer producten. Op die manier konden we de elektrochemische handtekening van cocaïne en zijn versnijdingsmiddelen achterhalen. Kan deze handtekening ook de signalen van een echt straatstaal verklaren? We namen de proef op de som en onderzochten verschillende straatstalen. Aan de hand van onze snelle, elektrochemische screening (< 1 min) bleek dat in de meeste straatstalen het cocaïnesignaal duidelijk waarneembaar was. Als bonus geeft onze techniek snel een idee over de gebruikte versnijdingsmiddelen. Enkel in het geval van sterk versneden stalen (< 25% cocaïne) werd het karakteristieke signaal van cocaïne niet afzonderlijk waargenomen. Het optreden van karakteristieke pieken gerelateerd aan diverse versnijdingsmiddelen kan het staal als verdacht bestempelen.

Voor deze sterk versneden stalen is het duidelijk dat we het cocaïnesignaal nog dienen te versterken. We willen namelijk een sensor die steeds correct besluit of cocaïne aanwezig is of niet. In een volgende fase werd getracht met aptameren, die specifiek cocaïne binden, om het signaal te versterken. Enkele van deze aptameren zijn reeds gekend in de literatuur en werden allereerst onderzocht op hun affiniteit voor cocaïne en de versnijdingsmiddelen aan de hand van potentiometrische titraties. Het aptameer dat het beste cocaïne bindt, werd vervolgens via een innovatieve coatingstrategie op de elektroden aangebracht. Hierdoor krijgen we een selectieve aanrijking van cocaïnemoleculen aan het elektrodeoppervlak. Uit de resultaten bleek dat de aanwezigheid van het cocaïnebindende aptameer daadwerkelijk voor een versterking van het signaal zorgt en aldus ook sterk versneden stalen geanalyseerd kunnen worden met onze techniek.

Toekomstperspectieven

De verworven inzichten zijn veelbelovend voor de verdere ontwikkeling en ingebruikname van een elektrochemische vingertip (apta)sensor voor de detectie van cocaïne ter plaatse. Bovendien wordt  de kostprijs per handschoen geschat op minder dan 1 euro. De cocaïnehandschoen moet verder worden geoptimaliseerd en zal daarom pas binnen twee tot drie jaar inzetbaar zijn. De doeltreffendheid van het opnemen van de elektrochemische handtekening van straatstalen opent de deur om andere drugs op eenzelfde wijze ter plaatse te analyseren.

Image removed.

Bibliografie

 

  1. Wunsch, H.; Cocaine use transiently increases heart-attack risk; Lancet, 353: 1943, (1999).
  2. Missouris, C.G.; Swift, P.A.; Singer, D.R.J.; Cocaine use and acute left ventricular dysfunction, Lancet, 357: 1586, (2001).
  3. Karch, S.; Cocaine: history, use, abuse; Journal of the Royal Society of Medicine, 92: 393-397, (1999).
  4. Freye, E.; Pharmacology and abuse of cocaine, amphetamines, ecstasy and related designer drugs; Springer, p. 28-41, (2009).
  5. Lapachinske, S.; Okai, G.; dos Santos, A.; Valle de Bairros, A.; Yonamine, M.; Analysis of cocaine and its adulterants in drugs for international trafficking seized by the Brazilian Federal Police; Forensic Science International, 247: 48-53, (2015).
  6. Fukushima, A.; Carvalho, V.; Carvalho, D.; Diaz, E.; Bustillos, J.; Spinosa, H., Chasin, A.; Purity and adulterant analysis of crack seizures in Brazil; Forensic Science International, 243: 95-98, (2014).
  7. Deakin, A.L.; A study of acids used for the acidified cobalt thiocyanate test for cocaine base; Microgram Journal, Volume 1, (2003).
  8. Oguri, K.; Wada, S.; Eto, S.; Yamada, H.; Specificty and mechanism of the color reaction of cocaine with cobaltous thiocyanate; Japanese Journal of Toxicology and Environmental Health, 41: 274-279, (1995).
  9. Tsumura, Y.; Mitome, T.; Kimoto, S.; False positives and false negatives with a cocaine-specific field test and modification of test protocol to reduce false decision; Forensic Science International, 155: 158-164, (2005).
  10. van Nuijs, A.; Pecceu, B.; Theunis, L.; Dubois, N.; Charlier, C.; Jorens, P. G.; Bervoets, L.; Blust, R.; Meulemans, H.; Neels, H.; Covaci, A.; Can cocaine use be evaluated through analysis of wastewater? A nation-wide approach conducted in Belgium; Addiction, 104: 734-741, (2009).
  11. Alkire, R.C.; Kolb, D.; Lipkowski, J.; Borgmann, S.; Schulte, A.; Neugebauer, S.; Schuhmann, W.; Amperometric biosensors in advances in electrochemical science and engineering: bioelectrochemistry; Volume 13, Wiley, (2012).
  12. Sassolas, A.; Blum, L.; Leca-Bouvier, B.; Electrochemical aptasensors; Electroanalysis, 21: 1237-1250, (2009).
  13. Grieshaber, D.; MacKenzie, R.; Vörös, J.; Reimhult, E.; Electrochemical biosensors - sensor principles and architectures; Sensors, 8: 1400-1458, (2008).
  14. Mokhtarzadeh, A.; Dolatabadi, J.; Abnous, K.; de la Guardia, M.;Ramezani, M.; Nanomaterial-based cocaine aptasensors; Biosensors and Bioelectronics, 68: 95-106, (2015).
  15. Reithmaier, J.; Paunovic, P.; Kulisch, W.; Popov, C.; Petkov, P.; Nanotechnological basis for advanced Sensors; Springer, (2011).
  16. Stojanovic, M.; de Prada, P.; Landry, D.; Aptamer-based folding fluorescent sensor for cocaine; Journal of the American Chemical Society, 123: 4928-4931, (2001).
  17. Roncancio, D.; Yu, H.; Xu, X.; Wu, S.; Liu, R.; Debord, J.; Lou, X.; Xiao, Y.; A Label-free aptamer-fluorophore assembly for rapid and specific detection of cocaine in biofluids; Analytical Chemistry, 86: 22, 11100-11106, (2014).
  18. Smith, J.; Griffin, D.; Leny, J.; Hagen, J.; Chávez, J.; Kelley-Loughnane, N.; Colorimetric detection with aptamer-gold nanoparticle conjugates coupled to an android-based color analysis application for use in the field; Talanta, 121: 247-255, (2014).
  19. Hamidi-Asl, E.; Daems, D.; De Wael, K.; Van Camp, G.; Nagels, L.; Concentration-related response potentiometric titrations to study the interaction of small molecules with large biomolecules; Analytical Chemistry, 86: 12243-12249, (2014).
  20. Hilton, J.; Nguyen, T.; Pei, R.; Stojanovic, M; Lin, Q.; A microfluidic affinity sensor for the detection of cocaine; Sensors and Actuators, 166: 241-246, (2011).
  21. Mascini, M.; Papamichael, K.; Mevola, I.; Pravda, M.; Guilbault, G.; Ghrelin detection using spiegelmer-capture molecules; Analytical Letters, 40: 403-430, (2007).
  22. O’Sullivan, C.; Aptasensors – the future of biosensing?; Analytical and Bioanalytical Chemistry, 372: 44-48, (2002).
  23. Jaffrezic-Renault, N.; Dzyadevych, S.; Conductometric microbiosensors for environmental monitoring; Sensors, 8: 2569-2588, (2008).
  24. Prodromidis, M.; Impedimetric bionsensors and immunosensors; Pakistan Journal of Analytical & Environmental Chemistry, 8: 69-71, (2007).
  25. De Wael, K.; Daems, D.; Van Camp, G.; Nagels, L.; Use of potentiometric sensors to study (bio)molecular interactions; Analytical Chemistry, 84: 4921-4927, (2012).
  26. Bandodkar,, A.J.; O’Mahony, A.M., Ramirez, J.; Samek, I.A.; Anderson, S.M.; Windmiller J.R.; Wang, J.; Solid-state forensic finger sensor for integrated sampling and detection of gunshot residue and explosives: towards ‘Lab-on-a-finger’; Analyst, 138, 5288-5295, (2013).
  27. Bard, A. J.; Faulkner, L. R.; Electrochemical methods: fundamentals and applications; John Wiley & sons, inc., (2001).
  28. Skoog, D.A.; Crouch, S.; Fundamentals of analytical chemistry; 8 ed., Cengage Learning, Inc. 992, (2003).
  29. Compton, R.; Banks, C.; Understanding voltammetry; 2 ed. , Imperial College Press, (2011).
  30. Wang, J.; Analytical electrochemistry; 3 ed., United States: Wiley & Sons, (2006).
  31. Nagels, L.; Potentiometric detection for high-performance liquid chromatography is a reality: Which classes of organic substances are the targets?; Pure and Applied Chemistry, 76: 839-845, (2004).
  32. Daems, D.; Development of a universal potentiometric biosensing platform using oligonucleotides as recognition elements; Universiteit Antwerpen, (2014).
  33. Sekula, J.; Everaert, J.; Bohets, H.; Vissers, B.; Pietraszkiewicz, M.; Du Prez, F.; Vanhoutte, K.; Pruss, P.; Nagels, L.; Potentiometric detection for capillary electrophoresis studied using organic amines, drugs and biogenic amines; Analytical Chemistry, 78: 3772-3779, (2006).
  34. Garrido, J.; Marques, M.; Silva, A; Macedo, T.; Oliveira-Brett, A.; Borges, F.; Spectroscopic and electrochemical studies of cocaine–opioid interactions; Analytical and Bioanalytical Chemistry, 388: 1799-1808, (2007).
  35. Chow, Y.; Danen, W.; Nelsen, S.; Rosenblatt, D.; Nonaromatic aminium radicals; Chemical Reviews,78: 3, (1978).
  36. Lewis, F.; Ho, T.; Simpson, T.; Photochemical addition of tertiary amines to stilbene. Stereoelectronic control of tertiary amine oxidation; The Journal of Organic Chemistry, 46: 6, (1981).
  37. Zhang, J.; Lan, C.; Shi, B.; Liu, F.; Zhao, D.; Tan, X.; Electrochemical reaction mechanism of phenacetin at a carboxylated multiwall carbon nanotube modified electrode and its analytical applications; Chemical Research in Chinese Universities, 30: 905-909, (2014).
  38. Bussy, U.; Giraudeau, P.; Tea, I.; Boujtita, M.; Understanding the degradation of electrochemically-generated reactive drug metabolites by quantitative NMR; Talanta, 116: 554-558, (2013).
  39. Goyal, R.; Singh, S.; Voltammetric determination of paracetamol at C60-modified glassy carbon electrode; Electrochimica Acta 51: 3008-3012, (2006).
  40. Mersal G.; Experimental and computational studies on the electrochemical oxidation of caffeine at pseudo carbon paste electrode and its voltammetric determination in different real samples; Food Analytical Methods 5: 520-529, (2012).
  41. Nunesa, R.; Cavalheiro, E.; Caffeine determination at a carbon fiber ultramicroelectrodes by Fast-Scan Cyclic Voltammetry; Journal of the Brazilian Chemical Society; 23: 670-677, (2012).
  42. Harlbert, M.; Determination of lidocaine and active metabolites in blood serum by liquid chromatography with electrochemical detection; Journal of Chromatography, 306: 269-277, (1964).
  43. Zhang, X.; Zhao, D.; Feng, L.; Jia, L.; Wang, S.; Electrochemical sensor for procaine based on a glassy carbon electrode modified with poly-amidosulfonic acid and multi-walled carbon nanotubes; Microchim Acta, 169: 153-159, (2010).
  44. Reddy, T.; Balaji, K.; Reddy, S.; Reddy, J.; Differential pulse adsorptive stripping voltammetric determination of benzocaine and butacaine with nafion modified glassy carbon electrode; Croatica Chemica Acta, 79: 253-259, (2006).
  45. Mazzo, D.; Obetz, C.; Shuster, J.; Diltiazem hydrochloride; Analytical Profiles of Drug Substances and Excipients, 23: 53-98, (1994).
  46. Beltagi, A.; Abdallah, O.; Ghoneim, M; Development of a voltammetric procedure for assay of the antihistamine drug hydroxyzine at a glassy carbon electrode: Quantification and pharmacokinetic studies; Talanta 74: 851-859, (2008).
  47. Silvester, D.; He, W.; Aldous, L.; Hardacre, C.; Compton, R.; Electrochemical reduction of benzoic acid and substituted benzoic acids in some room temperature ionic liquids; The Journal of Physical Chemistry C, 112: 12966-12973, (2008).
  48. Takehara, K.; Fujimori, T.; Inagi, K.; Kajiwara, M.; Harata, Y.; Yoshimuraa, K.; Voltammetric determination of boric acid using the ternary complexation system with salicylaldehyde and H-acid; Electroanalysis, 25: 387-393, (2013).
  49. Neves, M.; Reinstein, O.; Saad, M.; Johnson, P.; Defining the secondary structural requirements of a cocaine-binding aptamer by thermodynamic and mutation study; Biophysical Chemistry 153: 9-16, (2010).
  50. Madou, M.; Morrison, S.; Chemical sensing with solid state devices, Elsevier, (2012).
  51. de Jong, M.; Immobilisatie van redoxproteïnen in polysilaan coatings voor proteïne-film voltammetrie aan goud; in faculteit Wetenschappen, Onderzoeksgroep AXES, Universiteit Antwerpen, (2014).
  52. De Wael, K.; Verstraete, A.; Van Vlierberghe, S.; Dejonghe; W.; The Electrochemistry of a gelatin modified gold electrode; International Journal of Electrochemical Science, 6: 1810-1819, (2011).

 

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de chemie
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden