The Identification of Controlled Substances by TLC-SERS SUMMER€¦ ·...

Post on 20-May-2020

3 views 0 download

transcript

           The  illicit  drugs  were  not  detectable  on  the  TLC  plates  using  normal  Raman  spectroscopy.  When  the  TLC  spots  of  the  drugs  were  analyzed  with  SERS,  the  spectrum  was  enhanced  thus  enabling  direct  drug  iden@fica@on.    

The Identification of Controlled Substances by TLC-SERS Kasey Cargill and Brooke W. Kammrath, Ph.D.

Henry C. Lee College of Criminal Justice and Forensic Sciences

Theory

Methods and Materials

Results Conclusions

References

Acknowledgements

                   Thin  layer  chromatography  (TLC)  combined  with  surface-­‐enhanced  Raman  spectroscopy  (SERS)  proved  to  be  an  ideal  method  for  separa@ng  and  iden@fying  controlled  substances  and  mixtures.  This  combined  method  adheres  to  the  standards  set  forth  by  the  Scien@fic  Working  Group  for  the  Analysis  of  Seized  Drugs  (SWGDRUG)  and  is  a  rapid,  reliable,  and  repeatable  method  of  drug  analysis.                        TLC  is  a  separa@on  method  used  as  a  screening  test  in  forensic  laboratories.  This  technique  involves  deposi@ng  sample  onto  a  planar  sta@onary  phase  then  using  a  liquid  mobile  phase  that  travels  up  the  sta@onary  phase  by  capillary  ac@on.  The  ending  result  is  a  plate  of  spots  that  are  the  separated  components  of  the  mixture.                    Raman  spectroscopy  is  an  iden@fica@on  method  that  examines  the  frequency  change  of  a  light  source  due  to  its  interac@on  with  the  sample.  The  major  limita@ons  to  Raman  spectroscopy  are  low  sensi@vity  and  fluorescence  interference.                        SERS  enhances  the  scaOering  procedure  of  Raman  spectroscopy  and  corrects  the  disadvantages  of  normal  Raman  spectroscopy.  The  procedure  mirrors  that  of  normal  Raman—the  main  difference  being  the  addi@on  of  a  silver  nanopar@cle  colloid.                        TLC-­‐SERS  is  completed  on  a  TLC  plate  by  adding  a  metallic  colloid  to  a  separated  TLC  spot,  and  then  directly  analyzing  the  spot  using  Raman  spectroscopy.  

1)  Szabo,  N.  J.,  &  Winefordner,  J.  D.  (1997).  Evalua@on  of  two  commercially  available  TLC  materials  as  SERS  substrates.  Applied  Spectroscopy,  51(7),  965-­‐975.  2)  Rana,  V.,  Canamares,  M.  V.,  Kubic,  T.,  Leona,  M.,  &  Lombardi,  J.  R.  (2011).  Surface-­‐Enhanced  Raman  spectroscopy  for  trace  iden@fica@on  of  controlled  substances:  morphine,  codeine,  and  hydrocodone.  Journal  of  Forensic  Sciences,  56(1),  200-­‐207.  3)  Smith,  E.,  &  Dent,  G.  (2005).  Modern  Raman  Spectroscopy-­‐  A  Prac=cal  Approach.  (pp.  113-­‐127).  West  Sussex,  England:  John  Wiley  &  Sons  Ltd.  4)  Pozzi,  F.,  Shibayama,  N.,  Leona,  M.,  &  Lombardi,  J.  R.  (2012).  TLC-­‐SERS  study  of  syrian  rue  (peganum  harmala)  and  its  main  alkaloid  cons@tuents.  Journal  of  Raman  Spectroscopy.  5)  United  States  Department  of  Jus@ce,  Drug  Enforcement  Administra@on.  (2011).  Scien@fic  working  group  for  the  analysis  of  seized  drugs  (SWGDRUG)  recommenda@ons.  Retrieved  from  website:  hOp://www.swgdrug.org/Documents/SWGDRUG  Recommenda@ons  6.pdf    

                   The  authors  would  like  to  thank  the  University  of  New  Haven  Summer  Undergraduate  Research  Fellowship  for  financially  suppor@ng  this  research.  We  would  also  like  to  thank  Dr.  Chris  Palenik  (Microtrace)  for  sharing  his  knowledge  on  metallic  colloids  and  Dr.  John  Lombardi  (CCNY)  for  his  meaningful  discussions  on  the  subject  of  TLC-­‐SERS.  Last,  we  greatly  appreciate  all  of  the  faculty  of  UNH’s  Forensic  Science  Department,  and  would  like  to  especially  thank  Norma  Hollender-­‐Celico,  the  Forensic  Science  laboratory  manager,  for  all  of  her  help  making  this  research  a  reality.  

SUMMER  UNDERGRADUATE  

RESEARCH    FELLOWSHIP  

                   This  research  analyzed  the  illicit  drugs  cocaine,  codeine,  methamphetamine,  and  3,4-­‐methylenedioxy-­‐N-­‐methylamphetamine  (MDMA).  The  drugs  were  mixed  with  caffeine  for  the  drug  mixture  analysis.  The  same  procedure  was  carried  out  on  all  of  the  above  drugs.  A  sample  of  0.100g  was  weighted  out  and  placed  in  a  glass  vial.  From  the  0.100g  of  sample,  0.0100g  was  combined  with  2.5mL  of  methanol  to  make  a  liquid  solu@on.                        To  confirm  that  the  dispersive  Raman  spectrometer  equipped  with  a  780  nm  frequency-­‐stabilized  single  mode  diode  laser  was  working  properly,  a  polystyrene  reference  standard  was  analyzed  daily.  Substrate  tests  were  also  conducted  using  aluminum  plates  and  silica  gel  on  glass  TLC  plates.  The  solid  samples  and  dried  residues  from  the  liquid  solu@ons  were  tested  using  normal  Raman  spectroscopy  and  SERS  using  the  following  collec@on  parameters:  auto  exposure  with  the  signal  to  noise  ra@o  set  to  500  and  a  maximum  collec@on  @me  of  3  minutes.  The  normal  Raman  and  SERS  spectra  were  used  as  comparisons  for  the  TLC-­‐SERS  spectra  of  the  drugs  and  mixtures.  To  analyze  using  TLC-­‐SERS,  the  liquid  solu@on  was  spoOed  on  a  TLC  plate,  then  separated  using  a  9:1  chloroform  to  methanol  TLC  bath.  The  spots  were  found  using  a  short  wave  UV  light.  The  sample  spots  were  analyzed  using  normal  Raman  spectroscopy.    To  perform  the  SERS  analysis,  a  drop  of  silver  colloid  was  placed  directly  onto  the  TLC  plate  spot  then  analyzed  with  the  Raman  spectrometer.  This  procedure  was  conducted  for  all  four  drugs  and  for  the  separated  drug  mixtures.    

Future Work                  Addi@onal  research  experiments  will  be  conducted  using  different  illicit  drugs  and  drug  mixtures.  An  inves@ga@on  into  the  use  of  gold  colloids,  rather  than  silver  colloids,  for  SERS  enhancement  will  be  explored.  Also,  the  authors  will  evaluate  the  limits  of  detec@on  for  this  technique.  Last,  research  focusing  on  the  detec@on  of  illicit  drugs  in  body  fluids  using  both  normal  Raman  and  SERS  spectroscopy  will  be  explored.    

                   TLC-­‐SERS  proved  to  be  a  successful  method  for  the  separa@on  and  iden@fica@on  of  controlled  substances  and  controlled  substance  mixtures.  This  combined  technique  has  the  poten@al  to  greatly  benefit  the  forensic  science  community  because  it  requires  less  sample,  @me,  and  money  when  compared  to  other  methods  of  illicit  drug  analysis  and  conforms  to  the  currently  accepted  standards  of  drug  iden@fica@on  set  forth  by  SWGDRUG.    

Cocaine:  normal  Raman  vs.  SERS  

Figure  2  shows  two  spectra  for  the  analysis  of  cocaine.    The  top  is  the  normal  Raman  spectrum  of  cocaine  while  the  boOom  is  the  SERS  spectrum  of  cocaine.  

MDMA:  TLC-­‐normal  Raman  vs.  TLC-­‐SERS  vs.  SERS    

80

813

42

14

69

MDMA TLC 15July2013 auto

10

20

30

40

Int

33

941

3

52

3

63

2

70

9

76

68

06

93

4

10

29

12

46

13

6414

40

14

9715

37

MDMA TLC Ag6_18 16July2013 auto

400

600

800

1000

1200

1400

Int

24

4

34

6

53

171

5

77

481

2

10

3611

02

12

53

13

6814

44

15

01

16

07

29

30

MDMA Ag5 19Aug2013 auto

500

1000

1500

2000

Int

500 1000 1500 2000 2500 3000 Raman shift (cm-1)

Figure  4  shows  three  spectra  for  the  analysis  of  MDMA.  The  top  is  a  normal  Raman  spectrum  of  a  MDMA  spot  on  a  separated  TLC  plate.  The  middle  is  a  SERS  spectrum  of  a  MDMA  spot  on  a  separated  TLC  plate.  The  boOom  is  a  SERS  spectrum  of  MDMA  on  an  aluminum  slide.    

Cocaine:  TLC-­‐normal  Raman  vs.  TLC-­‐SERS  vs.  SERS  

10

06

13

52

TLC Cocaine 25June2013 auto

100

200

300

Int

62

26

85

78

68

43

89

5

10

07

10

30

11

85

12

81

13

91

14

55

16

04

17

21

29

65

TLC Cocaine Ag unrep 25June2013 auto

100

200

300

Int

62

26

85

78

5

85

98

95

12

79

13

95

14

56

16

04

17

23

29

84

Cocaine Ag unrep 24June2013 50s 4

100

200

300

Int

500 1000 1500 2000 2500 3000 Raman shift (cm-1)

Figure  3  shows  three  spectra  for  the  analysis  of  cocaine.    The  top  is  a  normal  Raman  spectrum  of  a  cocaine  spot  on  a  separated  TLC  plate.  The  middle  is  a  SERS  spectrum  of  a  cocaine  spot  on  a  separated  TLC  plate.  The  boOom  is  a  SERS  spectrum  of  cocaine  on  an  aluminum  slide.  

84

11

61

73

34

2

58

561

6

78

787

1

10

01

10

25

12

77

14

60

15

99

17

16

29

04

29

60

30

25

30

71

33

50

33

70

Cocaine1 14June2013 auto

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Int

23

9

62

26

85

78

58

59

89

5

10

06

10

30

12

79

13

95

14

56

16

04

17

23

29

84

30

71

30

75

Cocaine Ag unrep 24June2013 50s 4

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Int

500 1000 1500 2000 2500 3000 Raman shift (cm-1)

!!

! ! ! ! !!

Silver  Colloid  Prepara@on  

Figure  1  shows  the  silver  colloid  being  prepared.  The  pictures  were  taken  in  10  minute  increments.  The  colloid  is  composed  of  two  solu@ons:  the  first  being  0.170g  silver  nitrate  and  1.00L  deionized  water  and  the  second  being  1.00g  sodium  citrate  and  0.100L  deionized  water.  50.0mL  of  the  silver  nitrate  solu@on  was  heated  to  a  boil,  and  then  1.00mL  of  sodium  citrate  solu@on  was  added.  The  solu@on  was  heated  for  one  hour.