DE112019000371B4 - Method for screening psychoactive substances using an NMR spectrometer having a permanent magnet - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Screening einer Probe aufweisend eine Testverbindung auf psychoaktive Substanzen, wobei das Verfahren ein Bereitstellen eines Auftisch-NMR-Spektrometers mit einem Permanentmagneten mit einer magnetischen Feldstärke von 0,5 Tesla bis 2,5 Tesla und ein Ausführen eines Computerprogramms zur Durchführung nachfolgender Schritte aufweist:(a) Erhalten eines NMR-Spektrums der Probe unter Verwendung des Auftisch-NMR-Spektrometers, und Erzeugen eines Messspektrumsatzes unter Verwendung des NMR-Spektrums, wobei der Messspektrumsatz aus einem oder mehreren verschobenen Spektren besteht, wobei jedes verschobene Spektrum mit einem NMR-Spektrum bei einer unterschiedlichen Frequenzverschiebung korrespondiert;(b) Vergleichen des Messspektrumsatzes mit einem oder mehreren Referenzspektren, wobei sich jedes Referenzspektrum auf eine psychoaktive Substanz bezieht und mittels einer magnetischen Feldstärke von 0,5 Tesla bis 2,5 Tesla erfasst wurde; und(c) Kategorisieren der Testverbindung in eine Klasse psychoaktiver Substanzen basierend auf dem Vergleich.A method of screening a sample comprising a test compound for psychoactive substances, the method comprising providing a benchtop permanent magnet NMR spectrometer having a magnetic field strength of 0.5 Tesla to 2.5 Tesla and executing a computer program to perform subsequent steps :(a) obtaining an NMR spectrum of the sample using the benchtop NMR spectrometer, and generating a measurement spectrum set using the NMR spectrum, the measurement spectrum set consisting of one or more shifted spectra, each shifted spectrum associated with an NMR spectrum at a different frequency shift;(b) comparing the measurement spectrum set to one or more reference spectra, each reference spectrum relating to a psychoactive substance and recorded using a magnetic field strength of 0.5 Tesla to 2.5 Tesla; and (c) categorizing the test compound into a psychoactive substance class based on the comparison.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Screening psychoaktiver Substanzen unter Verwendung eines NMR-Spektrometers, welches einen Permanentmagneten mit einer magnetischen Feldstärke von 0,5 bis 2,5 Tesla aufweist.The invention relates to a method for screening psychoactive substances using an NMR spectrometer which has a permanent magnet with a magnetic field strength of 0.5 to 2.5 Tesla.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Es besteht ein Bedarf, eine mutmaßliche Schmuggelware, welche von Strafverfolgungsbehörden beschlagnahmt wurde, schnell und genau zu überprüfen, um das Vorhandensein darin enthaltener psychoaktiver Substanzen festzustellen. Eine Situation, in welcher ein besonderer Bedarf besteht, liegt in Gefängnissen vor, in welchen in den vergangenen Jahren ein dramatischer Anstieg einer Verwendung „neuer psychoaktiver Substanzen“ (NPS) zu verzeichnen ist. Kontrollierte Drogen werden in UK-Gefängnissen momentan entweder durch die technische Analyse biologischer Proben (wie Urin, Haar und Blut) oder durch lonen-Mobilitäts-Scanner festgestellt. Für etablierte Substanzen sind diese Methoden allgemein sehr effektiv, jedoch weisen diese Methoden starke Einschränkungen hinsichtlich der Selektivität (ein Potenzial für falsch positive Ergebnisse), der Empfindlichkeit (insbesondere wenn eine geringe Menge psychoaktiver Substanzen in einem Gemisch vorhanden ist), einer Fähigkeit neue oder bislang nicht gemeldete psychoaktive Substanzen zu identifizieren und der Verarbeitungszeit zwischen der Probengewinnung und der Identifikation auf.There is a need to quickly and accurately screen suspected contraband confiscated by law enforcement agencies to determine the presence of psychoactive substances contained therein. A situation of particular need is in prisons, which have seen a dramatic increase in the use of 'new psychoactive substances' (NPS) in recent years. Controlled drugs are currently detected in UK prisons either by technical analysis of biological samples (such as urine, hair and blood) or by ion mobility scanners. For established substances, these methods are generally very effective, however, these methods have strong limitations in terms of selectivity (a potential for false positives), sensitivity (especially when a small amount of psychoactive substances are present in a mixture), an ability new or previously identify unreported psychoactive substances and the processing time between sample collection and identification.
Die Raman-Spektroskopie wurde vor kurzem für den NPS-Nachweis in Betracht gezogen, und obwohl tragbare Systeme kommerziell erhältlich sind, sind sie im Allgemeinen durch eine geringe Empfindlichkeit und die Unfähigkeit zur Bestimmung unbekannter psychoaktiver Substanzen in Bulk-Gemischen beschränkt.Raman spectroscopy has recently been considered for NPS detection, and while portable systems are commercially available, they are generally limited by low sensitivity and the inability to detect unknown psychoactive substances in bulk mixtures.
Es ist wünschenswert, dass ein Screening-Prozess für psychoaktive Substanzen bereitgestellt wird, welcher einfach realisierbar ist, so dass beispielsweise ein Ergebnis durch einen Sicherheitsbeamten erhalten werden kann, welcher das mutmaßliche Rauschmittel beschlagnahmt hat, ohne dass ein Bedarf an einem ausgebildeten Chemiker oder der Gewinnung biologischer Proben besteht. Dieser Prozess sollte darüber hinaus unter Verwendung eines kleinen kostengünstigen Gerätes realisiert werden, so dass dessen Aufnahme in Gefängnissen, Polizeistationen, Flughäfen und dergleichen begünstigt wird.It is desirable to provide a screening process for psychoactive substances that is easy to implement, such that a result can be obtained by a security officer who has seized the suspected intoxicant without the need for a trained chemist or extraction biological samples. Moreover, this process should be realized using a small, inexpensive device, so that its adoption in prisons, police stations, airports, and the like is favored.
Die vorliegende Erfindung steht im Zusammenhang mit der Lösung dieser Probleme.The present invention is directed to solving these problems.
Die Kernspinresonanz- (NMR-) Spektroskopie bietet ein Verfahren zur Untersuchung des elektronischen Umfeldes, welches NMR-aktive Kerne und abgeleitete Strukturen der Moleküle umgibt, an welche diese Kerne gebunden sind. Die NMR-Spektroskopie umfasst das Platzieren einer Probe, welche NMR-aktive Kerne (wie Wasserstoff-1) enthält, in ein statisches externes Magnetfeld Bo, welches durch ein NMR-Spektrometer erzeugt wird. Ein Hochfrequenz- (HF-) elektromagnetischer Puls wird anschließend durch das Spektrometer bei einer Frequenz auf die Probe angewendet, welche charakteristisch für den NMR-aktiven Kern von Interesse ist. Die durch diesen Puls bereitgestellte Energie wird durch diese Kerne „absorbiert“ und als Radiowellen bei der Resonanzfrequenz des aktiven Kerns wieder abgestrahlt. Das Signal ist als freies Induktionsabfall-Signal (FID) bekannt und wird durch das Spektrometer detektiert und analysiert, um die chemische Struktur dieser Probe abzuleiten.Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy provides a method for studying the electronic environment surrounding NMR-active nuclei and derived structures of the molecules to which these nuclei are bound. NMR spectroscopy involves placing a sample containing NMR active nuclei (such as hydrogen-1) in a static external magnetic field Bo generated by an NMR spectrometer. A radio frequency (RF) electromagnetic pulse is then applied to the sample by the spectrometer at a frequency characteristic of the NMR active nucleus of interest. The energy provided by this pulse is "absorbed" by these nuclei and re-radiated as radio waves at the resonant frequency of the active nucleus. The signal is known as the free induction decay signal (FID) and is detected and analyzed by the spectrometer to deduce the chemical structure of this sample.
Hochfeld-NMR-Spektrometer werden routinemäßig von Chemikern verwendet, zum Beispiel, wenn neue Verbindungen synthetisiert werden, um die Struktur der erzeugten Verbindung zu verifizieren oder um die Struktur einer unbekannten Verbindung vollständig zu klären. Diese Spektrometer erfordern typischerweise große und teure supraleitende magnetische Baugruppen, sowie ein Fachwissen für den Betrieb. Darüber hinaus erfordert es häufig mehrere Tage, um die Struktur einer Verbindung unter Verwendung solcher Geräte zu identifizieren. Dies liegt an der Anzahl unterschiedlicher NMR-Experimente, die durchgeführt werden müssen, um ausreichende Daten zur vollständigen Klärung der Struktur zu erzeugen.High-field NMR spectrometers are routinely used by chemists, for example when synthesizing new compounds, to verify the structure of the compound produced or to fully elucidate the structure of an unknown compound. These spectrometers typically require large and expensive superconducting magnetic assemblies and skill to operate. In addition, it often takes several days to identify the structure of a connection using such devices. This is due to the number of different NMR experiments that must be performed to generate sufficient data to fully elucidate the structure.
Niedrigfeld-NMR-Spektrometer wurden kürzlich als ein kostengünstigeres, kompakteres und tragbares Gerät entwickelt, um bestimmte Arten von NMR-Experimenten durchzuführen, welche ansonsten in Hochfeld-NMR-Spektrometern ausgeführt wurden. Anstatt eine dedizierte Infrastruktur, geschultes Personal und umfangreiche Installationen zu erfordern, verwenden Auftisch-NMR-Spektrometer Permanentmagneten, welche ein magnetisches Feld zwischen 0,5 und 2,5 Tesla am Probenhalter des Spektrometers erzeugen. Diese Feldstärke kann in einigen Fällen zu gering sein, um die chemische Struktur einer unbekannten Verbindung zu klären.Low-field NMR spectrometers have recently been developed as a cheaper, more compact, and portable device to perform certain types of NMR experiments that were otherwise performed in high-field NMR spectrometers. Rather than requiring dedicated infrastructure, trained personnel, and extensive installations, benchtop NMR spectrometers use permanent magnets that generate a magnetic field between 0.5 and 2.5 Tesla at the spectrometer's sample holder. In some cases, this field strength may be too small to clarify the chemical structure of an unknown compound.
Auftisch-NMR-Spektrometer sind im Allgemeinen eigenständige Einheiten, welche direkt auf einem Labortisch oder einer Fläche platziert und nach Bedarf bewegt werden können. Diese Spektrometer sind üblicherweise unkompliziert durch einen nichtspezialisierten Benutzer bedienbar. Ein Beispiel eines solchen Auftisch-NMR-Spektrometers ist das Pulsar™, welches durch die Oxford Instruments Group bereitgestellt wird. Obwohl diese Vorrichtungen ein breites Verwendungspotential aufweisen, war ihre Verwendung bislang auf Chemiker beschränkt, zum Beispiel in der Nahrungs- und Getränkeindustrie, und für Ausbildungszwecke.Benchtop NMR spectrometers are generally self-contained units that can be placed directly on a laboratory bench or surface and moved around as needed. These spectrometers are usually straightforward to use by a non-specialist user. An example One such benchtop NMR spectrometer is the Pulsar™ provided by the Oxford Instruments Group. Although these devices have a wide potential for use, their use has hitherto been limited to chemists, for example in the food and beverage industry, and for educational purposes.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Ein erster Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Screening einer Probe umfassend eine Testverbindung auf psychoaktive Substanzen unter Verwendung eines NMR-Spektrometers mit einem Permanentmagneten mit einer magnetischen Feldstärke von 0,5 bis 2,5 Tesla bereit, wobei das Verfahren die Ausführung eines Computerprogramms zur Durchführung der nachfolgenden Schritte aufweist:
- (a) Erhalten eines NMR-Spektrums der Probe unter Verwendung des NMR-Spektrometers und Erzeugen eines Messspektrumsatzes unter Verwendung des NMR-Spektrums, wobei der Messspektrumsatz aus einem oder mehreren verschobenen Spektren besteht, wobei jedes verschobene Spektrum mit einem NMR-Spektrum bei einer unterschiedlichen Frequenzverschiebung korrespondiert;
- (b) Vergleichen des Messspektrumsatzes mit einem oder mehreren Referenzspektren, wobei sich jedes der Referenzspektren auf eine psychoaktive Substanz bezieht und mittels einer magnetischen Feldstärke von 0,5 bis 2,5 Tesla erfasst wurde; und
- (c) Kategorisieren der Testverbindung in eine Klasse psychoaktiver Substanzen basierend auf dem Vergleich.
- (a) Obtaining an NMR spectrum of the sample using the NMR spectrometer and generating a measurement spectrum set using the NMR spectrum, the measurement spectrum set consisting of one or more shifted spectra, each shifted spectrum having an NMR spectrum at a different frequency shift corresponds;
- (b) comparing the measurement spectrum set with one or more reference spectra, each of the reference spectra relating to a psychoactive substance and being acquired using a magnetic field strength of 0.5 to 2.5 Tesla; and
- (c) categorizing the test compound into a psychoactive substance class based on the comparison.
Ein sich dadurch ergebender Vorteil ist, dass eine Testverbindung hinsichtlich des Vorhandenseins psychoaktiver Substanzen untersucht werden kann und dass beliebige gefundene psychoaktive Substanzen anschließend in schneller und benutzerfreundlicher Weise kategorisiert werden können. Die Ergebnisse können einem Benutzer anschließend zum Beispiel mittels eines Computermonitors angezeigt werden. Der in Schritt (b) ausgeführte Vergleich stellt ein Unterscheidungsmerkmal bezüglich traditioneller integrationsbasierter NMR-Methoden dar, welche im Allgemeinen von höher auflösenden Daten und einer manuellen Interpretation abhängig sind. Das Verfahren kann anschließend realisiert werden (und wird realisiert) unter Verwendung eines Niedrigfeld-NMR-Spektrometers mit einem Permanentmagneten. Solche Geräte werden allgemein als „Auftisch“-NMR-Spektrometer bezeichnet und weisen zugehörige Vorteile hinsichtlich einer einfachen Verwendung, der Bezahlbarkeit, der Größe und des Gewichtes auf. Diese Geräte sind darüber hinaus ausreichend empfindlich, so dass sie in einer kurzen Zeitspanne (z. B. weniger als 10 Minuten) geringe Mengen psychoaktiver Substanzen (z. B. weniger als 10 mg) oder mehrere unterschiedliche psychoaktive Substanzen in einer Probe detektieren.A resulting advantage of this is that a test compound can be screened for the presence of psychoactive substances and any psychoactive substances found can then be categorized in a quick and user-friendly manner. The results can then be displayed to a user, for example by means of a computer monitor. The comparison performed in step (b) represents a differentiator with respect to traditional integration-based NMR methods, which generally depend on higher resolution data and manual interpretation. The method can then be implemented (and is implemented) using a low field NMR spectrometer with a permanent magnet. Such devices are commonly referred to as "benchtop" NMR spectrometers and have associated advantages of ease of use, affordability, size and weight. These devices are also sufficiently sensitive to detect small amounts of psychoactive substances (e.g. less than 10 mg) or several different psychoactive substances in a sample in a short period of time (e.g. less than 10 minutes).
Unter Chemikern gab es eine allgemeine Voreingenommenheit gegenüber einer Verwendung von Niedrigfeld-NMR-Spektrometern für das Screening von Verbindungen. Dies hängt mitThere has been a general bias among chemists against using low-field NMR spectrometers for compound screening. This is related
Bedenken zusammen, dass die Feldstärke gegebenenfalls nicht hoch genug ist, um eindeutige Ergebnisse bezüglich der chemischen Struktur der Verbindung zu erhalten, insbesondere wenn die Probe ein Gemisch unterschiedlicher Verbindungen enthält. Es ist zum Beispiel normal, dass es zu einer signifikanten spektralen Überlappung in den NMR-Daten kommt, welche bei niedrigen magnetischen Feldstärken erfasst werden, wodurch es für einen Anwender schwierig sein kann, eine Verbindung gemäß den spektralen Merkmalen zu identifizieren. Wir haben jedoch festgestellt, dass ein Niedrigfeld-NMR-Spektrometer verwendet werden kann, um eine Identifizierung der Klasse der psychoaktiven Substanz zu ermöglichen, selbst wenn es nicht immer möglich ist, ihre exakte chemische Struktur mit einem ausreichend hohen Konfidenzniveau zu identifizieren. Obwohl das Vorhandensein einer spektralen Überlappung ferner eine manuelle Interpretation der Daten erschweren kann, beeinträchtigt diese im Allgemeinen nicht die Fähigkeit, die Testverbindung zu kategorisieren oder zu identifizieren sobald der Messspektrumsatz (hier auch einfach als „Messspektrum“ bezeichnet) mit einem oder mehreren Referenzspektren verglichen wird. Die Fähigkeit, das Vorhandensein einer kontrollierten Substanz als auch ihre Klasse schnell vor Ort zu untersuchen, kann in hohem Maße nützlich sein für einen Sicherheits- oder einen Strafverfolgungsbeamten. Falls eine weitere Untersuchung erforderlich ist, um die chemische Zusammensetzung der psychoaktiven Substanz zu identifizieren, kann die Probe für eine vollständige Analyse an ein Labor gesendet werden.Together, keep in mind that the field strength may not be high enough to obtain unambiguous results regarding the chemical structure of the compound, especially if the sample contains a mixture of different compounds. For example, it is normal for there to be significant spectral overlap in NMR data acquired at low magnetic field strengths, which can make it difficult for a user to identify a compound according to its spectral characteristics. However, we have found that a low-field NMR spectrometer can be used to allow identification of the psychoactive substance class, even if it is not always possible to identify its exact chemical structure with a sufficiently high level of confidence. Further, while the presence of spectral overlap can make manual interpretation of the data difficult, it generally does not affect the ability to categorize or identify the test compound once the measurement spectrum set (also referred to herein simply as the "measurement spectrum") is compared to one or more reference spectra . The ability to quickly on-site assess the presence of a controlled substance, as well as its class, can be extremely useful to a security or law enforcement officer. If further testing is needed to identify the chemical composition of the psychoactive substance, the sample can be sent to a laboratory for a full analysis.
Die Anwendung von Auftisch-NMR-Spektrometern für ein Screening psychoaktiver Substanzen (manchmal als „kontrollierte Substanzen“ bezeichnet) ist insbesondere im Bereich der Sicherheit und der Strafverfolgung wünschenswert, da kein Fachtraining für den Betrieb dieser Geräte erforderlich ist. Da der Vergleich mittels eines Computers durchgeführt wird, anstatt eine Durchführung einer manuellen Bewertung zu erfordern, wird der Screening-Prozess darüber hinaus für den Laien insgesamt einfacher gestaltet. Dies steht im Gegensatz zu traditionellen Screening-Prozessen, welche jene unter Verwendung von Hochfeld-NMR-Spektrometern einschließen.The use of benchtop NMR spectrometers to screen for psychoactive substances (sometimes referred to as "controlled substances" net) is particularly desirable in the security and law enforcement arena, as no specialized training is required to operate these devices. Furthermore, since the comparison is performed using a computer, rather than requiring a manual assessment to be performed, the screening process is made overall easier for the layperson. This is in contrast to traditional screening processes, which include those using high-field NMR spectrometers.
Im Zusammenhang mit Drogen-Screenings bietet die NMR-Technologie insbesondere den Vorteil, dass die Klasse psychoaktiver Substanzen selbst dann identifiziert werden kann, wenn diese Substanz neu synthetisiert ist und in der Vergangenheit nicht identifiziert wurde. Die wahrscheinlichen Auswirkungen der Substanz, insbesondere beliebige psychoaktive Auswirkungen, können daher entsprechend der Klasse der psychoaktiven Substanz vorhergesagt werden, zu welcher diese gehört. Anschließend können geeignete Maßnahmen ergriffen werden, falls der Verdacht besteht, dass eine Person diese Substanz eingenommen hatIn particular, in the context of drug screening, NMR technology offers the advantage that the class of psychoactive substances can be identified even if this substance is newly synthesized and has not been identified in the past. The likely effects of the substance, particularly any psychoactive effects, can therefore be predicted according to the class of psychoactive substance to which it belongs. Appropriate action can then be taken if a person is suspected to have ingested that substance
Das Messspektrum wird mit einem oder mehreren Referenzspektren verglichen, welche bei einer magnetischen Feldstärke von 0,5 bis 2,5 Tesla erfasst wurden. Bevorzugt wurden das eine oder die mehreren Referenzspektren bei derselben Feldstärke wie das Messspektrum erfasst. Darüber hinaus werden diese Spektren bevorzugt unter Verwendung eines NMR-Spektrometers mit einem Permanentmagneten erfasst. Typischerweise werden das eine oder die mehreren Referenzspektren im Vorfeld an einem entfernten Ort erfasst. Das Spektrometer ist jedoch bevorzugt vom demselben Modell oder Typ wie jenes, das in Schritt (a) verwendet wird. Die Referenzspektren, welche unter Verwendung der gleichen Testverbindung erfasst wurden, welche in Schritt (a) analysiert wurde, können daher eine ähnliche spektrale Antwort auf das Messspektrum aufweisen, was in dem ausgeführten Vergleichsprozess unterstützt. Falls das Messspektrum im Gegensatz dazu mit Referenzspektren verglichen wird, welche unter Verwendung eines Hochfeld-NMR-Spektrometers erfasst wurden, kann ein manuelles Eingreifen (z. B. eines geschulten Chemikers) erforderlich sein, um Schritt (c) auszuführen.The measurement spectrum is compared to one or more reference spectra recorded at a magnetic field strength of 0.5 to 2.5 Tesla. The one or more reference spectra were preferably recorded at the same field strength as the measurement spectrum. Furthermore, these spectra are preferably acquired using a permanent magnet NMR spectrometer. Typically, the one or more reference spectra are pre-acquired at a remote location. However, the spectrometer is preferably of the same model or type as that used in step (a). The reference spectra acquired using the same test compound analyzed in step (a) may therefore have a similar spectral response to the measurement spectrum, aiding in the comparison process performed. In contrast, if the measurement spectrum is compared to reference spectra acquired using a high-field NMR spectrometer, manual intervention (e.g., a trained chemist) may be required to perform step (c).
In der Praxis kann das Messspektrum ein verarbeitetes NMR-Spektrum oder einen verarbeiteten Satz von NMR-Spektren aufweisen. Zum Beispiel kann das Messspektrum eine normalisierte Form eines für die Probe erhaltenen NMR-Spektrums enthalten. Schritt (a) beinhaltet das Erfassen eines NMR-Spektrums der Probe unter Verwendung des Spektrometers und das Erzeugen eines oder mehrerer verschobener Spektren ausgehend vom NMR-Spektrum, wobei jedes verschobene Spektrum mit dem NMR-Spektrum auf einer verschobenen Frequenzskala korrespondiert. Das Messspektrum enthält daher das eine oder mehrere verschobene Spektren. Das eine oder die mehreren verschobenen Spektren können somit jeweils den Platz des Messspektrums beim Vergleich in Schritt (b) einnehmen. Änderungen bezüglich der Konzentration der Testverbindung können eine Frequenzverschiebung des resultierenden NMR-Spektrums verursachen. Obwohl die Konzentration der Substanz(en) zum Ausbilden des einen oder der mehreren Referenzspektren bekannt sein kann, ist die Konzentration der Testverbindung unbekannt. Das Ausbilden eines Satzes „verschobener Spektren“ erhöht daher die Wahrscheinlichkeit, dass sich eines der Probenspektren an ein Referenzspektrum angleicht, was den Vergleichsprozess in Schritt (b) unterstützt.In practice, the measurement spectrum can comprise a processed NMR spectrum or a processed set of NMR spectra. For example, the measurement spectrum may include a normalized form of an NMR spectrum obtained for the sample. Step (a) involves acquiring an NMR spectrum of the sample using the spectrometer and generating one or more shifted spectra from the NMR spectrum, each shifted spectrum corresponding to the NMR spectrum on a shifted frequency scale. The measurement spectrum therefore contains the one or more shifted spectra. The one or more shifted spectra can thus each take the place of the measurement spectrum in the comparison in step (b). Changes in test compound concentration can cause a frequency shift in the resulting NMR spectrum. Although the concentration of the substance(s) used to form the one or more reference spectra may be known, the concentration of the test compound is unknown. Forming a set of "shifted spectra" therefore increases the likelihood that one of the sample spectra will match a reference spectrum, aiding the comparison process in step (b).
Schritt (b) weist bevorzugt die nachfolgenden Schritte auf: (i) Ausführen eines Ähnlichkeitsabgleichs zwischen dem Messspektrum und dem einen oder den mehreren Referenzspektren. Zum Beispiel kann in Schritt (i) ein Ähnlichkeitsabgleich zwischen jedem verschobenen Spektrum und dem einen oder den mehreren Referenzspektren ausgeführt werden. Jedes der Referenzspektren in Schritt (i) ist bevorzugt ein Verbindungsreferenzspektrum, welches mit einem NMR-Spektrum korrespondiert, das von einer bestimmten psychoaktiven Verbindung erhalten wurde. Alternativ kann sich das jeweilige Referenzspektrum in Schritt (i) auch auf ein Klassenreferenzspektrum beziehen, welches eine durchschnittliche spektrale Antwort für Verbindungen innerhalb einer bestimmten Klasse psychoaktiver Substanzen aufweist.Step (b) preferably has the following steps: (i) Carrying out a similarity comparison between the measurement spectrum and the one or more reference spectra. For example, in step (i) a similarity comparison can be performed between each shifted spectrum and the one or more reference spectra. Each of the reference spectra in step (i) is preferably a compound reference spectrum that corresponds to an NMR spectrum obtained from a particular psychoactive compound. Alternatively, the respective reference spectrum in step (i) can also relate to a class reference spectrum which has an average spectral response for compounds within a specific class of psychoactive substances.
Es ist wünschenswert innerhalb des Screening-Prozesses Gemische psychoaktiver Substanzen zu testen. Der Ähnlichkeitsabgleich in Schritt (i) wird daher bevorzugt zwischen dem Messspektrum und einer Mehrzahl von Referenzspektren ausgeführt, und Schritt (b) weist bevorzugt zusätzlich die nachfolgenden Schritte auf: (ii) Auswählen einer oder mehrerer Kombinationen der Referenzspektren basierend auf dem in Schritt (i) ausgeführten Ähnlichkeitsabgleich; (iii) Berechnen eines oder mehrerer Gemischreferenzspektren, wobei jedes Gemischreferenzspektrum mit einer Addition einer jeweiligen Kombination von Referenzspektren korrespondiert, welche in Schritt (ii) ausgewählt wurden; und (iv) Ausführen eines Ähnlichkeitsabgleichs zwischen dem Messspektrum und dem einen oder den mehreren Gemischreferenzspektren. Die Gemischreferenzspektren werden daher berechnet, anstatt empirisch gemessen zu werden. Dies reduziert die Anzahl von Referenzspektren, die im Speicher abgelegt werden müssen und die Anzahl erforderlicher Experimente, welche erforderlich ist, um den Screening-Prozess umzusetzen.It is desirable to test mixtures of psychoactive substances as part of the screening process. The similarity comparison in step (i) is therefore preferably carried out between the measurement spectrum and a plurality of reference spectra, and step (b) preferably additionally has the following steps: (ii) selecting one or more combinations of the reference spectra based on the in step (i ) executed similarity comparison; (iii) calculating one or more mixture reference spectra, each mixture reference spectrum corresponding to an addition of a respective combination of reference spectra selected in step (ii); and (iv) performing a similarity comparison between the measurement spectrum and the one or more mixture reference spectra. The mixture reference spectra are therefore calculated instead of being measured empirically. This reduces the number of reference spectra that need to be stored in memory and the number of experiments required to implement the screening process.
Um die erforderliche Verarbeitungszeit zu begrenzen, können die in Schritt (ii) ausgewählten Kombinationen mit einer Untermenge der in Schritt (i) verglichenen Referenzspektren korrespondieren, wie jene, bei welchen festgestellt wurde, dass sie die höchste Ähnlichkeit (korrespondierend mit einem geringsten Korrelationsabstand) mit dem Messspektrum aufweisen. Der Vergleichsvorgang kann daher adaptiv sein, wobei die Ausgabe eines Schrittes die im nächsten Schritt ergriffenen Maßnahmen beeinflusst, und so weiter. Bestimmte Kombinationen von Referenzspektren können in Schritt (ii) aufgrund der Erkenntnis verboten sein, dass die Kombination der korrespondieren Substanzen in der Praxis nicht auftritt (z. B. synthetische Cannabinoide mit Steroiden). Dies reduziert die Rechenlast zusätzlich. Für den Fall, dass die Referenzspektren in Schritt (i) Verbindungsreferenzspektren sind, korrespondieren das eine oder die mehreren Gemischreferenzspektren mit Gemischen der korrespondieren Verbindungen. Falls die Referenzspektren in Schritt (i) alternativ Klassenreferenzspektren sind, korrespondieren die Gemischreferenzspektren in Schritt (ii) mit Gemischen dieser Klassen.In order to limit the processing time required, the combinations selected in step (ii) may correspond to a subset of the reference spectra compared in step (i), such as those found to have the highest similarity (corresponding to a lowest correlation distance) with have the measurement spectrum. The comparison process can therefore be adaptive, with the output of one step affecting the actions taken in the next step, and so on. Certain combinations of reference spectra may be prohibited in step (ii) based on the realization that the combination of the corresponding substances does not occur in practice (e.g. synthetic cannabinoids with steroids). This further reduces the computing load. In the event that the reference spectra in step (i) are compound reference spectra, the one or more mixture reference spectra correspond to mixtures of the corresponding compounds. Alternatively, if the reference spectra in step (i) are class reference spectra, the mixture reference spectra in step (ii) correspond to mixtures of these classes.
Es ist besonders wünschenswert, unterschiedliche Kombinationen und Gewichtungen von Gemischen als Teil des Vergleichs zu betrachten. Das Verfahren kann zum Beispiel zusätzlich iterierende Schritte (ii) bis (iv) aufweisen, welche unterschiedliche Kombinationen ausgewählter Referenzspektren verwenden, um die Gemischreferenzspektren in jeder Iteration Auszubilden, bis ein übereinstimmendes Spektrum mit einer ausreichend hohen Ähnlichkeit gefunden wird, oder bis eine Schwellenanzahl von Iterationen ausgeführt wird. Die unterschiedlichen Kombinationen können unterschiedliche Gewichtungen der Referenzspektren aufweisen. Im obigen iterativen Prozess kann jede Iteration ohne Bezug zur Letzten ausgeführt werden. Obwohl dies schnell umsetzbar und ausführbar ist, können genauere Ergebnisse erzielt werden, wenn der Prozess adaptiv ist, zum Beispiel derart, dass er sich einer Lösung annähert. Bevorzugt wird daher der Ähnlichkeitsabgleich in Schritt (iv) zwischen dem Messspektrum und einer Mehrzahl der Gemischreferenzspektren ausgeführt, und Schritt (b) weist ferner die nachfolgenden Schritte auf: (v) Auswählen eines oder mehrerer der Gemischreferenzspektren basierend auf dem Ähnlichkeitsabgleich in Schritt (iv); (vi) Anpassen der Verhältnisse der Referenzspektren, welche die Gemischreferenzspektren ausbilden, so dass ein oder mehrere angepasste Gemischreferenzspektren ausgebildet werden; und (vii) Ausführen eines Ähnlichkeitsabgleichs zwischen dem Messspektrum und dem einen oder den mehreren angepassten Gemischreferenzspektren. Erneut ist es wünschenswert die Verarbeitungszeit durch Begrenzung der Anzahl der ausgewählten Gemischreferenzspektren zu reduzieren. Zum Beispiel kann nur eine Untermenge der in Schritt (iii) berechneten Gemischreferenzspektren in Schritt (v) ausgewählt werden, wie jene, welche die größte Ähnlichkeit mit dem Messspektrum aufweisen. Das Anpassen der Verhältnisse in Schritt (vi) erzeugt anschließend noch weitere Referenzspektren zum Vergleich mit dem Messspektrum, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, ein übereinstimmendes Spektrum mit einer ausreichend hohen Konfidenzbewertung zu identifizieren. Die Schritte (v) bis (vii) könnten auch ein iterativer Prozess sein, welcher wiederholt wird, bis ein übereinstimmendes Spektrum mit einer ausreichend hohen Ähnlichkeit gefunden wird, oder bis eine Schwellenanzahl von Iterationen ausgeführt wird. Alternativ kann Schritt (iv) das Ausführen einer nicht-negativen kleinste Quadrate Spektralanpassung des Messspektrums auf eine Untermenge übereinstimmender Gemischreferenzspektren umfassen, welche aus Schritt (iv) erhalten wurden. Dieser Prozess ist üblicherweise fordernder hinsichtlich der Rechenleistung (insbesondere über große Datensätze), jedoch wurde festgestellt, dass er bei der Schätzung der korrekten Verhältnisse und Komponenten beliebiger psychoaktiver Verbindungen in der vorliegenden Probe genauer ist.It is particularly desirable to consider different combinations and weights of mixtures as part of the comparison. For example, the method may additionally comprise iterating steps (ii) to (iv) using different combinations of selected reference spectra to form the mixture reference spectra in each iteration until a matching spectrum with a sufficiently high similarity is found, or until a threshold number of iterations is performed. The different combinations can have different weightings of the reference spectra. In the above iterative process, each iteration can be performed without reference to the last. While this is quick to implement and execute, more accurate results can be obtained if the process is adaptive, for example such that it approaches a solution. The similarity comparison in step (iv) is therefore preferably carried out between the measurement spectrum and a plurality of the mixture reference spectra, and step (b) further comprises the following steps: (v) selecting one or more of the mixture reference spectra based on the similarity comparison in step (iv) ; (vi) adjusting the ratios of the reference spectra that form the mixture reference spectra to form one or more adjusted mixture reference spectra; and (vii) performing a similarity comparison between the measurement spectrum and the one or more adjusted mixture reference spectra. Again, it is desirable to reduce processing time by limiting the number of mixture reference spectra selected. For example, only a subset of the mixture reference spectra calculated in step (iii) can be selected in step (v), such as those that have the greatest similarity to the measurement spectrum. Adjusting the ratios in step (vi) then produces still further reference spectra for comparison with the measurement spectrum, increasing the likelihood of identifying a matching spectrum with a sufficiently high confidence score. Steps (v) to (vii) could also be an iterative process, repeated until a matching spectrum with a sufficiently high similarity is found, or until a threshold number of iterations are performed. Alternatively, step (iv) may comprise performing a non-negative least squares spectral fit of the measurement spectrum to a subset of matching mixture reference spectra obtained from step (iv). This process is typically more computationally demanding (especially over large data sets) but has been found to be more accurate in estimating the correct ratios and components of any psychoactive compounds in the sample at hand.
Je mehr Referenzspektren kombiniert oder ihre Gewichte angepasst werden, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass falsch positive Ergebnisse zurückgegeben werden (wobei der Vergleichsprozess das Messspektrum fälschlicherweise als mit einer bestimmten Klasse oder Verbindung psychoaktiver Substanzen korrespondierend identifiziert wird). Daher ist es wünschenswert, vor jedem Vergleich einen Straffaktor (engl. „penalty factor“) auf die übereinstimmende Gemischreferenz anzuwenden. Schritt (iv) kann somit darüber hinaus das Anwenden eines Straffaktors auf die übereinstimmenden Gemischreferenzspektren umfassen. Gleichermaßen kann Schritt (vii) zusätzlich das Anwenden eines Straffaktors auf die übereinstimmenden, angepassten Gemischreferenzspektren umfassen.The more reference spectra that are combined or their weights adjusted, the greater the likelihood that false positives will be returned (where the comparison process incorrectly identifies the measurement spectrum as corresponding to a particular class or compound of psychoactive substances). Therefore, it is desirable to apply a penalty factor to the matched mixture reference prior to any comparison. Thus, step (iv) may further comprise applying a penalty factor to the matched mixture reference spectra. Likewise, step (vii) may additionally include applying a penalty factor to the matched adjusted mixture reference spectra.
Es ist darüber hinaus wünschenswert, dass Schritt (b) ferner einen Prozess zum Erzeugen einer Liste der psychoaktiven Substanzen enthält, welche mit den Spektren korrespondieren, die in jedem der Ähnlichkeitsabgleiche mit dem Messspektrum verglichen werden, wobei die psychoaktiven Substanzen in Übereinstimmung mit der Ähnlichkeit der korrespondierenden Referenzspektren mit dem Messspektrum basierend auf dem Ähnlichkeitsabgleich in eine Rangfolge gebracht werden. Dieser Prozess kann Schritt (viii) ausbilden. Schritt (c) kann anschließend ein Kategorisieren der Testverbindung in eine Klasse psychoaktiver Substanzen basierend auf der psychoaktiven Substanz beinhalten, welche in der Liste als korrespondierend mit dem am besten übereinstimmenden Spektrum identifiziert wurde. Zum Beispiel kann eine Korrelations- oder Konfidenzbewertung jedem der Spektren oder den korrespondierenden Substanzen zugeordnet werden, welche mit dem Messspektrum verglichen werden (umfassend gegebenenfalls jedes verschobene Spektrum). Schritt (c) kann anschließend einen Prozess zur Kategorisierung der Testverbindung in eine Klasse psychoaktiver Substanzen umfassen, basierend auf der psychoaktiven Substanz, welche in Schritt (viii) als korrespondierend mit dem am besten übereinstimmenden Spektrum identifiziert wurde.It is further desirable that step (b) further includes a process for generating a list of the psychoactive substances corresponding to the spectra compared in each of the similarity comparisons to the measurement spectrum, the psychoactive substances being classified according to the similarity of the corresponding reference spectra can be ranked with the measurement spectrum based on the similarity comparison. This process can constitute step (viii). Step (c) may then involve categorizing the test compound into a psychoactive substance class based on the psychoactive substance identified in the list as corresponding to the best spectrum match. For the For example, a correlation or confidence score may be assigned to each of the spectra or the corresponding substances that are compared to the measurement spectrum (including any shifted spectrum, if any). Step (c) may then include a process of categorizing the test compound into a psychoactive substance class based on the psychoactive substance identified in step (viii) as corresponding to the best matching spectrum.
Es können zahlreiche unterschiedliche Methoden für beliebige der oben genannten Ähnlichkeitsabgleiche verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Ähnlichkeitsabgleich unter Verwendung einer Abstandsmetrik wie einer Cityblock-Metrik durchgeführt werden. Weitere potentielle Metriken, die verwendet werden können, umfassen den euklidischen Abstand, den Cosinus-Abstand, und den Korrelationsabstand. Der Korrelationsabstand (definiert als 1 minus dem Pearson-Korrelationskoeffizienten zwischen Messvektoren) zwischen dem Messspektrum und jedem der Referenzspektren kann herangezogen werden und eine größte Übereinstimmung (d. h., größte Ähnlichkeit) mit demjenigen identifiziert werden, welches den kleinsten Korrelationsabstand aufweist. Diese Distanzen können unter Verwendung des gesamten spektralen Bereichs oder basierend auf kleineren, ausgewählten spektralen Bereichen berechnet werden.Numerous different methods can be used for any of the above similarity comparisons. For example, similarity matching can be performed using a distance metric such as a city block metric. Other potential metrics that can be used include Euclidean distance, cosine distance, and correlation distance. The correlation distance (defined as 1 minus the Pearson correlation coefficient between measurement vectors) between the measurement spectrum and each of the reference spectra can be taken and a closest match (i.e., greatest similarity) can be identified with the one that has the smallest correlation distance. These distances can be calculated using the entire spectral range or based on smaller, selected spectral ranges.
Der Ähnlichkeitsabgleich kann basierend auf einem Toleranzparameter berechnet werden, bevorzugt mit einem Toleranzwert von ± 0.1 ppm. Der Toleranzparameter definiert den Bereich, über welchen die Spektren „verschoben“ werden und stellt somit ein Ausmaß einer Breite der genauen Positionen der spektralen Merkmale bereit. NMR-Spektren können einer Frequenzverschiebung bei allen Resonanzen unterzogen werden, typischerweise aufgrund von Probenkonzentrationseffekten. Die x-Achse eines NMR-Spektrums ist in Teile pro Million (ppm) angegeben, welche berechnet wird als die Frequenz einer Resonanz geteilt durch die Grundresonanzfrequenz des magnetischen Feldes. Die Frequenzverschiebung ist für Hochfeld-NMR-Spektrometer, bei welchen die Grundresonanzfrequenz hoch ist (z. B. höher als 400 MHz), annähernd vernachlässigbar, jedoch wird diese Verschiebung für NMR-Spektren, welche durch Niedrigfeld-NMR-Spektrometer erzeugt werden, deutlicher wahrnehmbar. Diese Frequenzverschiebung wird daher bevorzugt korrigiert für eine automatische Verwendung des Toleranzparameters während der Datenanalyse.The similarity comparison can be calculated based on a tolerance parameter, preferably with a tolerance value of ±0.1 ppm. The tolerance parameter defines the range over which the spectra are "shifted" and thus provides an extent of latitude of the precise positions of the spectral features. NMR spectra can undergo a frequency shift at all resonances, typically due to sample concentration effects. The x-axis of an NMR spectrum is given in parts per million (ppm), which is calculated as the frequency of a resonance divided by the fundamental resonance frequency of the magnetic field. The frequency shift is almost negligible for high-field NMR spectrometers, where the fundamental resonance frequency is high (e.g., greater than 400 MHz), but this shift becomes more pronounced for NMR spectra generated by low-field NMR spectrometers perceptible. This frequency shift is therefore preferably corrected for automatic use of the tolerance parameter during data analysis.
Der Vergleich in Schritt (b) umfasst bevorzugt einen Vergleich des Messspektrums, welches Betragsdaten aufweist und des einen oder der mehreren Referenzspektren. Optional weisen das eine oder die mehreren Referenzspektren für diesen Vergleich ebenfalls Betragsdaten auf. Das Messspektrum muss aus diesem Grund nicht phasenkorrigiert werden. Eine Phasenanpassung erfordert in der Regel manuelle Eingriffe und daher bedeutet die Verwendung von nicht phasenkorrigierten Daten, dass die Schritte (a)-(c) leichter automatisiert werden können. Der Screening-Prozess kann somit in kürzerer Zeit abgeschlossen werden, als wenn der Vergleich basierend auf phasenkorrigierten Absorptionsspektren ausgeführt wird. Betragsspektraldaten werden aufgrund ihrer Tendenz zur Verschlechterung der Überlappung zwischen spektralen Spitzenwerten und einer Zunahme der Basisspitzenwerte von Chemikern häufig vermieden. Des Weiteren können spektrale Spitzenwerte bei einer Verwendung von Betragsspektraldaten nicht integriert werden: wodurch eine traditionelle spektroskopische Analyse erschwert wird. Schritt (b) ersetzt jedoch die Notwendigkeit solcher Analysemethoden, so dass diese Auswirkungen nicht länger die Fähigkeit zur Identifizierung oder Kategorisierung der Testverbindung beeinflusst.The comparison in step (b) preferably includes a comparison of the measurement spectrum, which has absolute value data, and the one or more reference spectra. Optionally, the one or more reference spectra also have magnitude data for this comparison. For this reason, the measurement spectrum does not have to be phase-corrected. Phase matching typically requires manual intervention and therefore the use of non-phase corrected data means that steps (a)-(c) can be automated more easily. The screening process can thus be completed in less time than when the comparison is performed based on phase-corrected absorbance spectra. Magnitude spectral data is often avoided by chemists due to its tendency to degrade the overlap between spectral peaks and increase in base peaks. Furthermore, spectral peaks cannot be integrated using magnitude spectral data: making traditional spectroscopic analysis difficult. However, step (b) supersedes the need for such analytical methods such that these effects no longer affect the ability to identify or categorize the test compound.
Die Kategorisierung wird durch den Vergleich mit einem oder mehreren Referenzspektren ausgeführt. Das eine oder die mehreren Referenzspektren können eine oder mehrere Klassenreferenzspektren beinhalten, wobei jedes der Klassenreferenzspektren ein Durchschnitt der Mehrzahl von NMR-Spektren ist, welche sich jeweils auf unterschiedliche Verbindungen psychoaktiver Substanzen innerhalb derselben Klasse psychoaktiver Substanzen beziehen. Eine größte Übereinstimmung kann daher zum Beispiel zwischen dem Messspektrum und dem Klassenreferenzspektrum von jeder Klasse psychoaktiver Substanzen gefunden werden. Alternativ oder zusätzlich können das eine oder die mehreren Referenzspektren wenigstens ein Verbindungsreferenzspektrum enthalten, welches mit einem NMR-Spektrum korrespondiert, das von einer psychoaktiven Substanz einer bestimmten Verbindung erhalten wurde. Verbindungsreferenzspektren können für die Verbindungen von psychoaktiven Substanzen erhalten werden, welche wahrscheinlich in der vorliegenden Probe enthalten sind. Referenzspektren können zum Vergleich mit dem Messspektrum auch von nicht-psychoaktiven Substanzen erhalten werden (typischerweise solche, welche gewöhnlich mit psychoaktiven Substanzen kombiniert werden).The categorization is performed by comparison to one or more reference spectra. The one or more reference spectra may include one or more class reference spectra, each of the class reference spectra being an average of the plurality of NMR spectra each relating to different psychoactive substance compounds within the same psychoactive substance class. A closest match can therefore be found, for example, between the measured spectrum and the class reference spectrum of each class of psychoactive substances. Alternatively or additionally, the one or more reference spectra may include at least one compound reference spectrum that corresponds to an NMR spectrum obtained from a psychoactive substance of a particular compound. Compound reference spectra can be obtained for the compounds of psychoactive substances likely to be contained in the present sample. Reference spectra can also be obtained from non-psychoactive substances (typically those which are commonly combined with psychoactive substances) for comparison with the measurement spectrum.
Die Probe kann eine Mehrzahl unterschiedlicher Substanzen beinhalten, wobei jede davon durch das Messspektrum repräsentiert wird. Das sich aus einer in der Probe vorliegenden psychoaktiven Substanz ergebende Signal wird hier jedoch als der „psychoaktive Fingerabdruck“ bezeichnet. Schritt (b) umfasst üblicherweise das Identifizieren eines Fingerabdrucks einer psychoaktiven Substanz im Messspektrum, wobei der Fingerabdruck der psychoaktiven Substanz mit dem Referenzspektrum korrespondiert. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn eine „Übereinstimmung“ zwischen einer Komponente des Messspektrums und einem Referenzspektrum gefunden wird.The sample can contain a number of different substances, each of which is represented by the measurement spectrum. However, the signal resulting from a psychoactive substance present in the sample is referred to herein as the "psychoactive fingerprint". Step (b) typically involves identifying a fingerprint of a psychoactive substance in the measurement spectrum, the fingerprint of the psychoactive substance ven substance corresponds to the reference spectrum. This can be the case, for example, when a "match" is found between a component of the measurement spectrum and a reference spectrum.
Ein besonderer Vorteil ist gegeben, wobei Schritt (c) ferner das Abschätzen der Wirkungen der psychoaktiven Substanz bei einer Verabreichung durch einen Benutzer umfasst. Dieser Prozess kann automatisch durchgeführt werden, sobald die Testverbindung unter Bezugnahme auf eine elektronische Bibliothek oder Datenbank klassifiziert wurde. Diese Information kann dem Benutzer nützliche Informationen bereitstellen, welche es ihm oder ihr erlauben, in geeigneter Weise zu handeln, wenn eine Person im Verdacht steht, die Substanz eingenommen zu haben.A particular advantage is where step (c) further comprises assessing the effects of the psychoactive substance when administered by a user. This process can be performed automatically once the test compound has been classified by reference to an electronic library or database. This information can provide the user with useful information that will allow him or her to take appropriate action if a person is suspected of having ingested the substance.
Schritt (c) kann ferner die Identifizierung der Testverbindung basierend auf dem Vergleich umfassen. Insbesondere kann die Bezeichnung der Testverbindung identifiziert werden. Dies kann zum Beispiel möglich sein, wenn das eine oder die mehreren Referenzspektren bezeichnete Verbindungsreferenzspektren enthalten und eine Übereinstimmung gefunden wurde zwischen einem dieser Spektren und dem Messspektrum. Die Testverbindung kann dann identifiziert werden als die übereinstimmende bezeichnete Verbindung.Step (c) may further include identifying the test compound based on the comparison. In particular, the name of the test compound can be identified. This can be possible, for example, if the one or more reference spectra contain designated compound reference spectra and a match was found between one of these spectra and the measurement spectrum. The test compound can then be identified as the matched designated compound.
Die Probe kann eine Mehrzahl psychoaktiver Substanzen enthalten. In diesem Fall weist Schritt (c) bevorzugt eine Kategorisierung der jeweiligen psychoaktiven Substanz in eine Klasse psychoaktiver Substanzen auf. Schritt (c) kann darüber hinaus einen Prozess zur Identifizierung der relativen Mengen der unterschiedlichen psychoaktiven Substanzen in der vorliegenden Probe aufweisen.The sample may contain a variety of psychoactive substances. In this case, step (c) preferably includes a categorization of the respective psychoactive substance into a class of psychoactive substances. Step (c) may also include a process for identifying the relative amounts of the different psychoactive substances in the sample at hand.
Entgegen einiger bestehender Drogen-Screening-Methoden kann die Probe ohne die Notwendigkeit einer biologischen Probe erhalten werden. Das mutmaßliche Rauschmittel selbst (d. h., die Testverbindung) kann stattdessen in einem Lösungsmittel wie deuteriertes Dimethylsulfoxid gelöst sein. Dieser Prozess ist oft praktisch einfacher handzuhaben. Das Messspektrum kann anschließend mit Bezug zu einem bei einer bekannten Frequenz auftretenden Spitzenwert ausgerichtet werden, wobei sich der Spitzenwert aufgrund des Vorhandenseins des Lösungsmittels in der Probe ergibt. Es können auch weitere Lösungsmittel verwendet werden wie: Aceton-d6; Chloroform-d; Wasser-d2; N, N-Dimethylformamid-d7; Dimethylsulfoxid-d6; Methanol-d4; und Trifluoressigsäure-d. Typischerweise wird das gleiche Lösungsmittel verwendet, um das Messspektrum und das eine oder die mehreren Referenzspektren auszubilden.Contrary to some existing drug screening methods, the sample can be obtained without the need for a biological sample. The suspected intoxicant itself (i.e., the test compound) may instead be dissolved in a solvent such as deuterated dimethyl sulfoxide. This process is often easier to handle practically. The measurement spectrum can then be aligned with reference to a peak occurring at a known frequency, where the peak is due to the presence of the solvent in the sample. Other solvents can also be used, such as: acetone-d6; chloroform-d; water-d2; N,N-dimethylformamide-d7; dimethyl sulfoxide-d6; methanol-d4; and trifluoroacetic acid-d. Typically, the same solvent is used to form the measurement spectrum and the one or more reference spectra.
Ein besonderer Vorteil, der sich durch diese Methode ergibt, ist, dass zuvor nicht identifizierte psychoaktive Substanzen detektiert und klassifiziert werden können. Zum Beispiel kann die Testverbindung eine Verbindung sein, welche von sämtlichen psychoaktiven Substanzen abweicht, die verwendet werden, um das eine oder die mehreren Referenzspektren zu erhalten.A particular advantage resulting from this method is that previously unidentified psychoactive substances can be detected and classified. For example, the test compound can be a compound that differs from all psychoactive substances used to obtain the one or more reference spectra.
Das NMR-Spektrometer ist typischerweise von 270 bis 300 Kelvin einsetzbar. Diese Temperatur bezieht sich insbesondere auf die Temperatur des Magneten, welcher darin enthalten ist und ist allgemein nicht möglich für supraleitende Magneten. Der Bedarf an großen und teuren Kühlbaugruppen kann daher vermieden werden. Bevorzugt wird ein NMR-Spektrometer mit einem Permanentmagneten mit einer magnetischen Feldstärke von 1,0 bis 2,5 Tesla verwendet.The NMR spectrometer can typically be used from 270 to 300 Kelvin. This temperature is particularly related to the temperature of the magnet contained therein and is generally not possible for superconducting magnets. The need for large and expensive cooling assemblies can therefore be avoided. An NMR spectrometer with a permanent magnet with a magnetic field strength of 1.0 to 2.5 Tesla is preferably used.
Die Schritte (a) bis (c) können durch einen Computer ausgeführt werden, welcher einen Teil des NMR-Spektrometers bildet oder welcher stattdessen einfach in Kommunikation mit diesem steht. Diese Schritte könne auch automatisch umgesetzt werden. Die Klasse psychoaktiver Substanzen, auf welche sich die Testverbindung bezieht, kann folglich ohne einen Bedarf an einem speziellen Wissen, zum Beispiel bezüglich Chemometrie oder NMR in benutzerfreundlicher Weise an den Benutzer kommuniziert werden.Steps (a) to (c) can be carried out by a computer which forms part of the NMR spectrometer or which is instead simply in communication with it. These steps can also be implemented automatically. The class of psychoactive substances to which the test compound relates can thus be communicated to the user in a user-friendly manner without a need for special knowledge, for example with regard to chemometrics or NMR.
Ein besonderer Vorteil, der durch dieses Verfahren bereitgestellt wird, ist, dass der Prozess in bedeutend geringerer Zeit ausgeführt werden kann, als bei bestehenden Screening-Methoden. Zum Beispiel können die Schritte (a) bis (c) in weniger als einer Stunde, bevorzugt weniger als 20 Minuten, insbesondere bevorzugt in weniger als 5 Minuten ausgeführten werden.A particular advantage provided by this method is that the process can be carried out in significantly less time than existing screening methods. For example, steps (a) to (c) can be performed in less than one hour, preferably less than 20 minutes, most preferably less than 5 minutes.
Die erforderliche Dauer der Zeit zum Abschließen der Schritte (a) bis (c) kann in Übereinstimmung mit der Anzahl der ausgeführten Erfassungs-Scans variieren. Eine geeignete Anzahl an Erfassungs-Scans kann demzufolge ausgewählt werden, um den Bedarf an einer schnellen Analyse gegenüber dem Bedarf zum Erhalten eines Messspektrums mit einem geeignet hohen Signal-Rausch-Verhältnis abzuwägen. Schritt (a) umfasst daher bevorzugt das Ausführen einer Anzahl von NMR-Scans der Probe, wobei die Anzahl von NMR-Scans in Übereinstimmung mit dem Gewicht und/oder dem zum Ausbilden der Probe verwendeten Material berechnet wird. Diese Berechnung wird typischerweise automatisch auf Basis der durch den Benutzer bereitgestellten Informationen ausgeführt.The amount of time required to complete steps (a) through (c) may vary in accordance with the number of acquisition scans performed. A suitable number of acquisition scans can thus be selected to balance the need for rapid analysis versus the need for obtaining a measurement spectrum with a suitably high signal-to-noise ratio. Step (a) therefore preferably comprises performing a number of NMR scans of the sample, the number of NMR scans being calculated in accordance with the weight and/or the material used to form the sample. This calculation is typically performed automatically based on information provided by the user.
Es kann ein Bereich unterschiedlicher NMR-aktiver Kerne verwendet werden. Zum Beispiel kann das Messspektrum ein Wasserstoff-1-, ein Kohlenstoff-13-, ein Stickstoff-15-, ein Fluor-19- oder ein Phosphor-31-NMR-Spektrum sein. Typischerweise kann das Messspektrum ein eindimensionales Spektrum sein.A range of different NMR active nuclei can be used. For example can the measurement spectrum may be a hydrogen-1, a carbon-13, a nitrogen-15, a fluorine-19 or a phosphorus-31 NMR spectrum. Typically, the measurement spectrum can be a one-dimensional spectrum.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung stellt ein Computerprogrammprodukt bereit, welches eingerichtet ist, das Verfahren des ersten Aspektes auszuführen. Der zweite Aspekt teilt ähnliche Vorteile wie jene, die in Verbindung mit dem ersten Aspekt diskutiert wurden.A second aspect of the invention provides a computer program product set up to carry out the method of the first aspect. The second aspect shares advantages similar to those discussed in connection with the first aspect.
Figurenlistecharacter list
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug zu den begleitenden Figuren beschrieben, in welchen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Auftisch-NMR-Spektrometers ist, welches zur Verwendung gemäß einer Ausführungsform mit einem Computer verbunden ist; -
2 ein Flussdiagramm ist, welches ein Verfahren zum Screening einer psychoaktiven Substanz gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht; -
3 ein Messspektrum ist, welches mit einem Klassenreferenzspektrum gemäß einer Ausführungsform verglichen wird; -
4 ein Messspektrum ist, welches mit einem Verbindungsreferenzspektrum gemäß einer Ausführungsform verglichen wird; und -
5 ein Flussdiagramm ist, welches Schritte eines Untersuchungsprozesses in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform veranschaulicht.
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1 Figure 12 is a perspective view of a benchtop NMR spectrometer connected to a computer for use in accordance with one embodiment; -
2 Figure 12 is a flow chart illustrating a method for screening a psychoactive substance according to one embodiment; -
3 Figure 12 is a measurement spectrum that is compared to a class reference spectrum according to one embodiment; -
4 Figure 12 is a measurement spectrum that is compared to a link reference spectrum according to one embodiment; and -
5 Figure 12 is a flow chart illustrating steps of an investigation process in accordance with one embodiment.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Das NMR-Spektrometer umfasst auch einen Satz von Hochfrequenz- (HF-) Spulen 4, welche zwischen 40 bis 110 MHz betreibbar sind, um HF-Magnetfelder rechtwinklig zur Richtung des Bo-Feldes bereitzustellen, und einen Satz von Bo-Shim-Spulen (nicht gezeigt), welche eingesetzt werden, um Inhomogenitäten innerhalb des Bo-Feldes zu kompensieren. Die HF-Spulen 4 sind zum Detektieren von HF-Signalen, welche von einer Probe innerhalb des Probenhalters 5 abgestrahlt werden, sowie zum Anlegen der HF-Felder an die Probe einsetzbar. Zusätzliche Funktionen wie Heizungen, eine Vakuumkammer und Schwingungsdämpfer, welche typischerweise bei Auftisch-NMR-Spektrometern vorgefunden werden, können ebenfalls bereitgestellt werden, diese sind aus Klarheitsgründen jedoch nicht veranschaulicht.The NMR spectrometer also includes a set of radio frequency (RF) coils 4 operable between 40 to 110 MHz to provide RF magnetic fields perpendicular to the direction of the Bo field, and a set of Bo shim coils ( not shown), which are used to compensate for inhomogeneities within the Bo field. The HF coils 4 can be used to detect HF signals emitted by a sample within the
Das Auftisch-NMR-Spektrometer 2 ist eine eigenständige Einheit, welche direkt auf einen Labortisch oder eine Fläche platziert und nach Bedarf bewegt werden kann (im Gegensatz zu supraleitenden NMR-Spektrometern). Das Spektrometer 2 ist mit einem Computer 10 verbunden, welcher einsetzbar ist, um die vom Spektrometer 2 erhaltenen Ergebnisse zu analysieren. Alternativ kann diese Analyse aus der Ferne durch einen Server (nicht gezeigt) über eine Internetverbindung ausgeführt werden. Der Computer 10 weist ein Display für den Benutzer auf, um die Ergebnisse der Analyse zu betrachten.The
Ein Verfahren zum Screening psychoaktiver Substanzen unter Verwendung des Systems 1 in
Eine Probe wird in Schritt 101 gewonnen, indem 3 Gramm eines Materials, welches eine Testverbindung enthält, die im Verdacht steht eine psychoaktive Substanz zu sein, in eine Ampulle gegeben wird, welche 1 ml Dimethylsulfoxid (DMSO) enthält. Die Ampulle wird geschüttelt und für fünf Minuten stehen gelassen, so dass die Substanz im Lösungsmittel gelöst wird. Falls vorhanden, werden sämtliche verbleibenden Feststoffe anschließend aus der Ampulle entfernt oder das flüssige Lösungsmittel wird in einen anderen Behälter überführt, wie ein 5 mm NMR-Probenrohr, unter Verwendung einer Pipette, um die Probe auszubilden.A sample is obtained in
Im Schritt 102 wird die Probe in einen Probenhalter 5 des Auftisch-NMR-Spektrometers 2 platziert. Die Magneten 7a, 7b erzeugen ein magnetisches Feld Bo, welches hochhomogen ist, so dass jeder Teil einer Probe innerhalb des Probenhalters 5 im Wesentlichen eine identische magnetische Feldstärke in einer gemeinsamen Richtung erfährt. Sobald die Probe innerhalb des NMR-Spektrometers 2 stabilisiert wurde, zum Beispiel durch Stabilisieren der Temperatur und durch Anwenden eines „Trimmens“ des magnetischen Feldes, wird ein NMR-Signal von der Kalibrierungsprobe erhalten.In
Die verbleibenden Schritte des Verfahrens werden durch den Computer 10 ausgeführt. Jeder aufeinanderfolgende Schritt kann automatisch ausgeführt werden, so dass die Testverbindung in benutzerfreundlicher Weise klassifiziert werden kann. Ein Computerprogrammprodukt, zum Beispiel eine Datenspeichereinheit, wird derart bereitgestellt, dass es Code enthält, welcher eingerichtet ist, den Computer 10 und das Spektrometer 2 zu veranlassen, dass diese Schritte ausgeführt werden.
Ein „90 Grad“ HF-Puls wird durch die HF-Spulen 4 des Spektrometers 2 auf die Probe angewendet. Dies wird durch Verwendung eines Hochfrequenzsignals von 50 Hz erreicht, welches bezüglich der auf die Probe einwirkenden bekannten magnetischen Feldstärke vorkalibriert ist, so dass bewirkt wird, dass die Wasserstoffkerne in der Probe aus der Ausrichtung zum anliegenden Magnetfeld abgelenkt werden und um die Hauptfeldrichtung präzedieren. Diese Präzession fällt ab und der resultierende freie Induktionsabfall (FID) zurück in die Ausrichtung verursacht ein Freisetzen von Energie, welche durch die Spektrometer HF-Spulen 4 als FID-Signal detektiert werden. Das FID-Signal wird durch das Spektrometer 2 digitalisiert und zur Analyse an den Computer 10 übermittelt.A "90 degree" RF pulse is applied to the sample by the RF coils 4 of the
Es wurde festgestellt, dass das Signal-Rausch-Verhältnis mit der Quadratwurzel der Anzahl von Wiederholungen der Erfassung unter Verwendung des angelegten HF-Signals (bekannt als „Scans“) zunimmt, wenigstens für unter 100 Scans. Im Schritt 103 wird eine geeignete Anzahl von Scans durch den Computer 10 berechnet, basierend auf durch den Benutzer bereitgestellten Informationen betreffend das Gewicht und/oder die Art von Material welches zum Ausbilden der Probe verwendet wurde. Typischerweise werden mehr Scans benötigt, wenn nur eine geringe Menge der Testverbindung in der Probe vorliegt. In der vorliegenden Ausführungsform werden drei Szenarien betrachtet. In einem ersten Szenario, wenn das Material, welches zum Ausbilden der ersten Probe verwendet wird, ein Pulver oder eine Flüssigkeit mit einem Gewicht höher als 10 mg ist, werden 16 Scans benötigt (was insgesamt ungefähr 3,5 Minuten für die Durchführung erfordert). In einem zweiten Szenario, wenn das Material ein tabakähnliches Rauchmaterial ist, auf welches mutmaßlich eine kontrollierte Substanz aufgesprüht wurde, werden 64 Scans benötigt (was insgesamt ungefähr 14 Minuten für die Durchführung erfordert). In einem dritten Szenario, wenn das Material ein Pulver oder eine Flüssigkeit mit einem Gewicht unter 10 mg ist, werden 128 Scans benötigt (was ungefähr 28 Minuten erfordert). Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn nur Spurenmengen der Substanz an einem beschlagnahmten Gegenstand wie einem Behälter gefunden werden. Es sollte verstanden werden, dass die Analyse nicht auf eine bestimmte Anzahl von Scans beschränkt ist und dass diese Beispiele nur hinweisend sind. In Schritt 104 wird die ausgewählte Anzahl von Scans durchgeführt, die resultierenden FID-Signale werden detektiert, durch die Software auf dem Computer 10 verarbeitet und anschließend miteinander zu einem aggregierten FID-Signal kombiniert.It has been found that the signal-to-noise ratio increases with the square root of the number of repetitions of acquisition using the applied RF signal (known as "scans"), at least for under 100 scans. At
In Schritt 105 wird das aggregierte FID-Signal mittels einer geeigneten Frequenzanalysesoftware in den Frequenzbereich konvertiert, so dass ein Frequenzspektrum erhalten wird, welches als Betragsdaten vorliegt. Eine geeignete Fast-Fourier-Transformations-Software kann verwendet werden, um dies zu erreichen, um die aufgewendete Zeit zur Durchführung der Konvertierung in den Frequenzbereich zu reduzieren.In
Wenn das Zeitbereich-FID-Signal fouriertransformiert wird, erzeugt es üblicherweise „reale“ und „imaginäre“ Komponenten. Idealerweise sollten die realen Komponenten die gesamten Informationen betreffend das Absorptionsspektrum beinhalten, um eine einfache Identifikation von Komponenten in der Probe zu ermöglichen. In einer tatsächlichen NMR-Erfassung (in welcher die Präzession des Wasserstoffkerns nicht in Phase mit dem experimentellen Bezugsrahmen beginnt) muss eine Phasenkorrektur durchgeführt werden, um ein reines Absorptionsspektrum als die reale Ausgabe der Fouriertransformation zu erhalten. Diese Phasenkorrektur wird mittels Software ausgeführt, welche die realen und imaginären Komponenten der Fouriertransformation in unterschiedlichem Maße für jede Probe anpasst. Bekanntermaßen ist es jedoch schwer, konsistente Phasenkorrekturen über große Datensätze zu erhalten, was Auswirkungen auf die Genauigkeit der statistischen Analyse hat. Ein manuelles Eingreifen ist daher häufig erforderlich. In Ausführungsformen der Erfindung wurde jedoch festgestellt, dass das Vorhandensein einer psychoaktiven Substanz in einer Probe ohne den Bedarf an phasenkorrigierten NMR-Daten mit einem ausreichend hohen Konfidenzniveau identifiziert werden kann. Infolgedessen ist es wünschenswert, dass keine solche Phasenanpassung im Anschluss an die Fouriertransformation ausgeführt wird. Das als Betragsdaten dargestellte Messspektrum kann stattdessen für die Analyse verwendet werden. Die Notwendigkeit eines manuellen Eingriffs und zeitintensive Prozessschritte werden daher vermieden.When the time domain FID signal is Fourier transformed, it typically produces "real" and "imaginary" components. Ideally, the real components should contain all the information related to the absorbance spectrum to allow easy identification of components in the sample. In an actual NMR acquisition (in which the precession of the hydrogen nucleus does not start in phase with the experimental frame of reference), a phase correction must be performed to obtain a pure absorption spectrum as the real Fourier transform output. This phase correction is performed by software that adjusts the real and imaginary components of the Fourier transform to different degrees for each sample. However, it is notoriously difficult to obtain consistent phase corrections across large data sets, which affects the accuracy of statistical analysis. Manual intervention is therefore often required. However, in embodiments of the invention, it has been found that the presence of a psychoactive substance in a sample can be identified with a sufficiently high level of confidence without the need for phase-corrected NMR data. As a result, it is desirable that no such phase adjustment be performed subsequent to the Fourier transform. The measurement spectrum presented as magnitude data can be used for analysis instead. The need for manual intervention and time-consuming process steps are therefore avoided.
Das Frequenzspektrum wird anschließend einer weiteren Verarbeitung unterzogen, so dass die chemische Verschiebung des Spektrums basierend auf Tetramethylsilan als Bezugspunkt berechnet wird (wie es im Zusammenhang mit NMR Routine ist). Ein „Messspektrum“ wird dadurch im Schritt 106 erhalten, wobei die Daten der chemischen Verschiebung die Abszisse des Spektrums und die Intensität die Ordinate bilden. Die Daten der chemischen Verschiebung liefern Informationen über die jeweiligen chemischen Umgebungen innerhalb derer sich die Wasserstoffkerne befinden, so dass ein Zusammenhang besteht zwischen einer jeweiligen chemischen Verschiebung und einem bestimmten Teil eines Moleküls, welches Wasserstoffatome trägt. In dem Fall, dass die Testverbindung eine psychoaktive Substanz beinhaltet, wird ein von dieser Substanz ausgehender Fingerabdruck einer psychoaktiven Substanz einen Teil des Messspektrums ausbilden. Das Verfahren wird anschließend in Schritt 107a und/oder Schritt 107b fortgeführt.The frequency spectrum is then subjected to further processing so that the chemical shift of the spectrum is based with tetramethylsilane as the reference point (as is routine in the context of NMR). A "measurement spectrum" is thereby obtained in
In Schritt 107a wird ein Bereich von Interesse innerhalb des Messspektrums für eine weitere Analyse ausgewählt. In diesem Fall ist der Bereich von Interesse ein relativ schmaler Bereich, in welchem erwartet wird, dass der psychoaktive Fingerabdruck sichtbar wird. Dieser Bereich wird als der „klassencharakteristische Bereich“ bezeichnet. Ein klassencharakteristischer Bereich von 0,5-2 ppm ist zur Identifizierung von Verbindungen in folgenden Klassen geeignet: Ephenidine, Diphenidine und Cathinone. Es kann mehr als ein klassencharakteristischer Bereich ausgewählt werden, um das Vorhandensein einer Verbindung aus anderen Klassen zu identifizieren. Zum Beispiel kann ein Bereich von 7-8 ppm ausgewählt werden, um das Vorhandensein von Methylendioxycathinonen zu identifizieren. Geeignete klassencharakteristische Bereiche können auf Basis der bekannten gemeinsamen chemischen Struktur für Substanzen in dieser Klasse für das Detektieren bestimmter Klassen auf einfache Weise identifiziert werden.In
Sämtliche Spitzenwerte, die sich nicht auf die Testverbindung beziehen, wie jene, die sich auf das Lösungsmittel DMSO beziehen, werden durch die Auswahl in Schritt 107a von der weiteren Betrachtung ausgeschlossen. Anschließend wird in Schritt 108a der klassencharakteristische Bereich normalisiert, um die variable Konzentration der Testverbindung zu kompensieren.Any peaks not related to the test compound, such as those related to the solvent DMSO, are excluded from further consideration by the selection in
Das Verfahren wird dann von Schritt 108a bis 109a fortgeführt, wobei die Klasse der psychoaktiven Substanzen, auf welche sich die Testverbindung bezieht, geschätzt wird. Dies wird ausgeführt, indem die normalisierten klassencharakteristischen Bereiche mit einer Mehrzahl vorher gewonnener Klassenreferenzspektren verglichen werden, die im Speicher abgelegt sind. Jedes der Klassenreferenzspektren ist ein Durchschnittsprofil innerhalb des klassencharakteristischen Bereichs, welcher von einer Mehrzahl von NMR-Spektren erhalten wurde, welche jeweils mit unterschiedlichen Verbindungen psychoaktiver Substanzen innerhalb derselben chemischen Klasse korrespondieren. Zum Beispiel kann ein Klassenreferenzspektrum für jede der nachfolgenden Klassen psychoaktiver Substanzen gewonnen werden: Diphenidine, Cathinone, Ephenide, Amphetamine und Methylendioxycathinone. Diese Referenzspektren werden typischerweise bei einem dem Messspektrum entsprechenden magnetischen Feld B0 (zum Beispiel durch Verwendung desselben Spektrometers 1) unter Verwendung des gleichen Lösungsmittels gewonnen und können als Betrags- oder phasenkorrigierte Absorptionsdaten vorliegen.The method then proceeds from
Die Schritte 107b-109b können potentiell auch gleichzeitig mit den Schritten 107a-109a ausgeführt werden. Im Schritt 107b wird ein weiterer Bereich von Interesse aus dem Messspektrum ausgewählt. In diesem Fall ist der Bereich von Interesse ein relativ breiter Bereich, in welchem erwartet wird, dass der psychoaktive Fingerabdruck sichtbar wird, zum Beispiel 0,5-12 ppm. Dieser Bereich wird auch als der „vollständige Fingerabdruckbereich“ bezeichnet. Jegliche Spitzenwerte, welche sich nicht auf die Testverbindung beziehen, wie jene, die sich auf das Lösungsmittel DMSO beziehen, werden durch diese Auswahl von der weiteren Betrachtung ausgeschlossen. Anschließend, in Schritt 108b, wird der vollständige Fingerabdruckbereich normalisiert, um eine variable Konzentration der Testverbindung zu korrigieren.
Das Verfahren wird anschließend von Schritt 108b bis 109b fortgeführt, wobei die spezifischen Verbindungen für beliebige psychoaktive Substanzen, die in der Probe vorliegen, identifiziert werden. Dies wird unter Verwendung eines Ähnlichkeitsabgleichs durchgeführt, wobei der normalisierte vollständige Fingerabdruckbereich mit einer Mehrzahl vorher gewonnener Verbindungsreferenzspektren verglichen wird, welche im Speicher abgelegt sind. Jedes der Verbindungsreferenzspektren bezieht sich auf ein vorher gemessenes NMR-Spektrum von einer Probe, welche eine psychoaktive Substanz einer bekannten Verbindung enthält. Diese Referenzspektren werden bei derselben Grundmagnetfeldstärke erfasst und sie verwenden das gleiche Lösungsmittel wie das Messspektrum. Diese Referenzspektren können als Betragsdaten oder phasenkorrigierte Absorptionsdaten vorliegen.The method then continues from
Der nächste Nachbar zwischen dem normalisierten vollständigen Fingerabdruckbereich des Messspektrums und der jeweiligen Verbindungsreferenzspektren wird unter Verwendung einer Distanzmetrik ermittelt. In der vorliegenden Erfindung wird der Korrelationsabstand berechnet. Insbesondere wird die auf einen bestimmten Toleranzbereich beschränkte Kreuzkorrelation für den normalisierten vollständigen Fingerabdruckbereich des Messspektrums mit jedem der Verbindungsreferenzspektren gefunden. Dadurch werden Korrelationsabstände für die Testverbindung von jedem Verbindungsreferenzspektrum erhalten. Die Testverbindung wird anschließend als die psychoaktive Substanz identifiziert, welche sich auf das Verbindungsreferenzspektrum mit dem kleinsten Korrelationsabstand vom normalisierten vollständigen Fingerabdruckbereich des Messspektrums bezieht (folglich korrespondierend mit dem am stärksten korrelierenden Referenzspektrum). Optional kann ein Schwellenwert für den Abstand umgesetzt werden, oberhalb dessen die Testverbindungen als zu unähnlich bezüglich der Referenzverbindungen angesehen werden. Solche Testverbindungen können als „unbekannt“ oder „bislang nicht gesehen“ angezeigt werden.The nearest neighbor between the normalized full fingerprint region of the measurement spectrum and the respective compound reference spectra is determined using a distance metric. In the present invention, the correlation distance is calculated. In particular, the cross-correlation constrained to a certain tolerance range is found for the normalized full fingerprint range of the measurement spectrum with each of the compound reference spectra. This gives correlation distances for the test compound from each compound reference spectrum. The test compound is then identified as the psychoactive substance that relates to the compound reference spectrum with the smallest correlation distance from the normalized full fingerprint range of the measurement spectrum (hence corresponding to the most correlated reference spectrum). Optionally, a threshold can be implemented for the distance above which the test compounds are considered too dissimilar to the reference compounds. Such test connections can be displayed as "unknown" or "unseen before".
In dem Fall, in dem sich die Testverbindung auf eine neue, bislang nicht gemeldete psychoaktive Substanz bezieht, kann es gegebenenfalls nicht möglich sein, die Verbindung zu identifizieren, auf welche sich die psychoaktive Substanz gemäß den Schritten 107b-109b bezieht. In diesem Fall sollte es dennoch möglich sein, eine Klasse der in der Probe vorliegenden psychoaktiven Substanz gemäß den Schritten 107a-109a zu identifizieren.In the case where the test compound relates to a new, previously unreported psychoactive substance, it may not be possible to identify the compound to which the psychoactive substance relates according to
Die Ergebnisse der Schritte 109a und 109b werden einem Benutzer im Schritt 110 zum Beispiel mittels eines Computermonitors angezeigt. Eine Konfidenzbewertung wird typischerweise neben jedem Ergebnis bereitgestellt, insbesondere wenn die Bezeichnung der Testverbindung identifiziert wird. Der Konfidenzbewertung kann ein Korrelationsabstand sein, wobei in diesem Fall eine niedrigere Zahl eine höhere Konfidenzbewertung angibt. Optional kann eine Mehrzahl wahrscheinlicher Verbindungen und/oder Klassen in Übereinstimmung mit ihrer Konfidenzbewertung identifiziert und in eine Rangfolge gebracht werden. Darüber hinaus können die Auswirkungen der durch eine Person eingenommenen Testverbindung ausgegeben werden, so dass der Benutzer, der ein Sicherheits- oder Strafverfolgungsbeamter, oder ein praktizierender Arzt sein kann, in die Lage versetzt wird, geeignete Maßnahmen zu ergreifen. Falls das Vorhandensein mehrerer unterschiedlicher psychoaktiver Substanzen innerhalb der Probe detektiert wird, können anschließend die jeweiligen Klassen und Verbindungsbezeichnungen (sofern verfügbar) für jede der Substanzen angezeigt werden. Optional können auch die relativen Mengen dieser Substanzen angegeben werden.The results of
Die Verbindungsreferenzspektren und die Klassenreferenzspektren können jeweils lokal innerhalb des Computers 10 oder des Spektrometers 2 gespeichert werden. Bevorzugt werden diese aber in einer entfernten Datenbank abgelegt, auf welche durch den Computer 10 über das Internet zugegriffen wird. Dies ermöglicht der Datenbank kontinuierlich mit weiteren Referenzspektren von einem entfernten Ort aktualisiert zu werden.The compound reference spectra and the class reference spectra can be stored locally within the
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird nun mit Bezug zu dem Flussdiagramm in
Das Verfahren läuft wie in den in
Das Verfahren wird anschließend in Schritt 202 fortgeführt, an welchem Punkt die Korrelationen zwischen jedem der verschobenen Spektren und jedem der Mehrzahl von Verbindungsreferenzspektren berechnet wird. Dieser Prozess wird unter Verwendung einer Sammlung direkter Matrizen-Operationen ausgeführt. Für jedes der Verbindungsreferenzspektren wird nur der höchste Korrelationswert für den Satz verschobener Spektren behalten. Anschließend wird in Schritt 203 eine Einzelverbindungsübereinstimmungsliste zurückgegeben, welche die Verbindungsreferenzspektren (und/oder ihre korrespondierenden Verbindungen) basierend auf einer absteigenden Reihenfolge der Korrelation einordnet.The method then continues at
Das Verfahren wird anschließend von Schritt 203 bis Schritt 204 fortgeführt, wobei die aus Schritt 203 zurückgegebene Rangfolge verwendet wird, um „Gemischreferenzspektren“ auf Basis von Paaren von Verbindungsreferenzspektren auszubilden. Die Gemischreferenzspektren werden bevorzugt berechnet, anstatt experimentell gemessen zu werden, und korrespondieren mit möglichen Gemischen der Referenzverbindungen. Insbesondere werden die spektralen Komponenten unterschiedlicher Verbindungsreferenzspektren hinzugefügt, in diesem Fall in Verhältnissen von 1:1 (alternative Gewichtungen werden später betrachtet). Die Tiefe der Suche wird durch Auswählen einer geeigneten Anzahl möglicher Verbindungskombinationen festgelegt, wobei die verfügbare Rechenleistung berücksichtigt wird. Diese Anzahl kann variiert in Übereinstimmung mit den Korrelationswerten variiert werden, welche von Schritt 203 ausgegeben werden. Wenn Schritt 203 beispielsweise eine starke Korrelation für bestimmte Testverbindungen anzeigt, werden nur diese Testverbindungen als das Gemisch bildende Teile betrachtet. Falls Schritt 203 nur eine schwache Korrelation für die unterschiedlichen betrachteten Testverbindungen anzeigt, kann eine höhere Anzahl möglicher Kombinationen von Gemischen in Betracht gezogen werden. In der Praxis kann dies umgesetzt werden, indem nur jene Verbindungen betrachtet werden, für welche der Korrelationsabstand unterhalb eines Schwellenwertes lag. Alternativ wird nur eine feste Anzahl von Untermengen von Verbindungen in Schritt 204 ausgewählt, um die Gemischreferenzspektren auszubilden, zum Beispiel korrespondierend mit den zehn niedrigsten Korrelationsabständen, die in Schritt 203 berechnet wurden. Optional werden bestimmte Kombinationen von Verbindungen zum Ausbilden eines Gemischreferenzspektrums (z. B. synthetische Cannabinoide mit Steroiden) in Anbetracht der Tatsache, dass diese Kombinationen in der Praxis niemals anzutreffen sind, nicht kombiniert. Dies verbessert die Genauigkeit des Screening-Prozesses und reduziert die Verarbeitungszeit.The method then continues from
Als Nächstes werden in Schritt 205 die Gemischreferenzspektren normalisiert. Zum Beispiel kann ein Bereichsnormalisierungsprozess verfolgt werden, in welchem diese Spektren normalisiert werden, so dass ihre integrierte Intensität eins entspricht. Alternativ kann ein „Protonen-Anzahl-Normalisierungs-“ Prozess verfolgt werden (wo möglich), in welchem die integrierte Fläche jedes Spektrums auf die Anzahl von Protonen festgelegt wird, von welchen bekannt ist, dass sie zum Messsignal beitragen. Dies hilft bei der Identifikation von Gemischen von Verbindungen mit sehr unterschiedlichen Anzahlen von Protonen (z. B. verfügt Paracetamol über 9 Protonen und Heroin weist 23 Protonen auf). Alternative mögliche Normalisierungen können weitere Faktoren in Betracht ziehen, welche einen gesamten spektralen Betrag beeinflussen wie unterschiedliche Verbindungslöslichkeiten.Next, in
Korrelationen der jeweiligen verschobenen Spektren mit jeweiligen Gemischreferenzspektren werden anschließend in Schritt 206 berechnet. Es werden Funktionen zur schnellen Matrizenberechnung eingesetzt, um die Verarbeitungszeit zu reduzieren. Gemischübergreifende Korrelationen (umfassend die vielen „nicht korrekten“ Übereinstimmungen) liegen allgemein etwas höher, als bei den Einzelverbindungen in Schritt 203. Mit anderen Worten erzeugt Schritt 206 mit höherer Wahrscheinlichkeit falsch positive Ergebnisse, als Schritt 202. Eine „überanpassende Strafe“ wird daher in Schritt 207 auf die Korrelationen aus Schritt 206 angewendet, um dies zu kompensieren. Die Festlegung eines effektiven Strafwertes kann basierend auf den vorliegenden Eigenschaften der Datenbank ausgewählt werden, und falls erforderlich empirisch angepasst werden.Correlations of the respective shifted spectra with respective mixture reference spectra are then calculated in
Die Verhältnisse der Verbindungsreferenzspektren, welche das Gemischreferenzspektrum bilden, werden anschließend in Schritt 208 angepasst. In der Praxis kann dies erreicht werden durch Berechnen neuer Gemischreferenzspektren (hier als „angepasste Gemischreferenzspektren“ bezeichnet) unter Verwendung unterschiedlicher Gewichte der aus Schritt 203 zurückgegebenen übereinstimmenden Verbindungsreferenzspektren. Die Schritte 204 bis 207 korrespondieren mit einem ersten Durchlauf zur Identifizierung beliebiger Gemische in der Probe. Ihre Leistungsfähigkeit reduziert die gesamte Rechenleistung und die erforderliche Zeit zur Abschätzung der in der Probe vorliegenden Testverbindung(en). Insbesondere kann die Ausgabe aus Schritt 206 genutzt werden, um darüber zu informieren, welche Referenzspektren in Schritt 208 zu betrachten sind. Zum Beispiel werden Gemischreferenzspektren in Schritt 208 nur aus Kombinationen von Verbindungsreferenzspektren gebildet, welche, wenn sie in Schritt 204 kombiniert werden, Gemischreferenzspektren erzeugten, die einen Korrelationsabstand zu einem der angepassten Spektren aufwiesen, welcher unterhalb eines Schwellenwertes lag. Prinzipiell wäre es möglich, Schritt 203 zu Schritt 208 zu verschieben, aber auf Kosten einer längeren Analysezeit, da Schritt 208 dann rechenintensiver wäre.The ratios of the compound reference spectra that make up the mixture reference spectrum are then adjusted in
Die Verhältnisse der Verbindungsreferenzspektren, welche die Gemischreferenzspektren ausbilden, können angepasst werden, indem eine eingeschränkte (nicht-negative) kleinste Quadrate Spektralanpassung der verschobenen Spektren auf eine Untermenge von Paaren am stärksten korrelierter Verbindungsreferenzspektren ausgeführt wird, welche in Schritt 203 identifiziert wurden. Ein schneller Algorithmus wird für diese Anpassung verwendet (z. B. wie beschrieben durch „Fast algorithm for the solution of large-scale non-negativity-constrained least squares problems“, Benthem & Keenan, J. Chemometrics 2005). Dieses Verfahren gibt Regressionskoeffizienten zurück, welche nur positive Werte annehmen können und welche die Verhältnisse der unterschiedlichen vorliegenden Referenzverbindungen grob angeben. Die Korrelation jedes verschobenen Spektrums mit jedem der angepassten Mischspektren wird berechnet. Eine Gemischübereinstimmungsliste wird anschließend in Schritt 209 zurückgegebenen, welche für jedes der erzeugten angepassten Gemischreferenzspektren die Gewichte der psychoaktiven Verbindungen die verwendet wurden, um die angepassten Gemischreferenzspektren ausbilden, und seine Korrelation mit wenigstens einem der verschobenen Probenspektren angibt.The ratios of the compound reference spectra that form the mixture reference spectra can be adjusted by performing a constrained (non-negative) least squares spectral fit of the shifted spectra to a subset of pairs of most strongly correlated compound reference spectra identified in
Das Verfahren wird anschließend bei Schritt 210 fortgeführt, an welchem Punkt die gesamte in die Rangfolge gebrachte Identifikationsliste erzeugt wird. Hier werden die Korrelationslisten der in den Schritten 203 und 209 ausgegebenen Einzelverbindung und Gemischübereinstimmungen verkettet und sortiert, um die gesamte in die Rangfolge gebrachte Identifikationsliste zu erzeugen. Die beste Übereinstimmung (mit dem geringsten Korrelationsabstand, gewichtet, um alle angewendeten Straffaktoren einzuschließen) wird anschließend an den Benutzer als die identifizierte(n) Testverbindung(en) zurückgegeben. In dem Fall, in dem diese Übereinstimmung ein Gemisch psychoaktiver Substanzen ist, können die relativen Mengen dieser Verbindungen basierend auf der Gewichtung der Verbindungsreferenzspektren geschätzt werden, welche zum Ausbilden des korrespondierenden Gemischreferenzspektrums oder des angepassten Gemischreferenzspektrums verwendet werden. Die Klasse der psychoaktiven Substanz in der Probe kann anschließend identifiziert werden als korrespondierend mit der Klasse der psychoaktiven Substanz mit der besten Übereinstimmung.The method then continues at
Die Schritte 201 bis 209 können in drei Hauptstufen verallgemeinert werden. Stufe eins (Schritte 201-203) betrifft die Korrelation des Messspektrums mit den Verbindungsreferenzspektren, Stufe zwei (Schritte 204-207) betrifft die Korrelation des Messspektrums mit den Gemischreferenzspektren und Stufe drei (Schritte 208 und 209) betrifft das Optimieren der Verhältnisse in den Gemischreferenzspektren. Es wurde festgestellt, dass die Kombination dieser drei Stufen besonders effektiv hinsichtlich einer akkuraten Identifizierung in einer Probe vorliegender psychoaktiver Verbindungen ist. Konkret wurde festgestellt, dass dieser Prozess die Verbindung beliebiger in einer Probe vorliegender psychoaktiver Substanzen mit einer Erfolgsrate von über 90% in weniger als 10 Minuten identifizieren kann.
In einer alternativen Ausführungsform können einer oder mehrere der oben mit Bezug zu
Ein ähnlicher Prozess wie oben mit Bezug zu
In noch einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren zusätzlich die verschobenen Spektren mit einem oder mehreren Referenzspektren vergleichen, welche mit nicht-psychoaktiven Substanzen korrespondieren. Zum Beispiel kann der Prozess in
Wie zu begrüßen ist, wird eine verbesserte Methode für das Screening auf psychoaktive Substanzen bereitgestellt. Vorteilhaft kann die Klasse einer in der Probe vorliegenden psychoaktiven Substanz in einer kürzeren Zeit identifiziert werden, als in einigen bestehenden Methoden und typischerweise in weniger als einer Stunde. Darüber hinaus ist das Verfahren unkompliziert anwendbar und empfindlich gegenüber geringen Mengen psychoaktiver Substanzen in einem Gemisch. Des Weiteren ist das Verfahren geeignet zur Identifizierung des Vorhandenseins von neuen oder bislang nicht gemeldeten psychoaktiven Substanzen. NPS sowie herkömmlichere psychoaktive Substanzen wie Heroin, Kokain und Steroide können daher detektiert werden.It is to be welcomed that an improved method for screening for psychoactive substances is provided. Advantageously, the class of psychoactive substance present in the sample can be identified in less time than some existing methods, typically less than an hour. In addition, the method is easy to use and sensitive to small amounts of psychoactive substances in a mixture. Furthermore, the method is suitable for identifying the presence of new or previously unreported psychoactive substances. NPS as well as more traditional psychoactive substances such as heroin, cocaine and steroids can therefore be detected.
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