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Detection of adulterated herbal medicines by attenuated total reflectance (ATR) fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy: a simulation study
extraction solvent optimization for HPTLC fingerprinting
Moshira Abdelmajeed
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Studium für die Gleichwertigkeit Pharmazie
Betreuer*in
Johannes Saukel
DOI
10.25365/thesis.37455
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30390.81093.509066-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Hintergrund:
Die Qualitätskontrolle pflanzlicher Produkte ist für die Pharmaindustrie von außerordentlichem Interesse, da hier eine riesige Vielfalt vorliegt und stetig neue Erkenntnisse gewonnen werden. Die fortlaufende Entwicklung neuer innovativer Verfälschungsmethoden stellt hierbei eine der größten Herausforderungen an die Qualitätskontrolle. Verschiedene analytische Verfahren, wie die Infrarot-Spektroskopie oder die Hochleistungsdünnschichtchromatographie (HPTLC), wurden bereits vorgestellt um jede Pflanze über einen sogenannten „Fingerprint“ zu identifizieren. Ein Ziel meiner Arbeit war die Empfindlichkeit des Fourier-Transformations-Spektrometers in abgeschwächter Totalreflexion (ATR-FTIR) im Hinblick auf verunreinigte pflanzliche Arzneimittel zu testen. Der zweite Teil meiner Arbeit beschäftigt sich damit ein Extraktionsprotokoll zu erstellen um die Mehrheit sekundärer Metaboliten mittels HPTLC-Fingerprinting abzudecken.
Material und Methodik:
98 pflanzliche Proben unterschiedlicher Herkunft (Wurzel, Rinde, Blatt, Blüte, etc.) wurden mittels der ATR-FTIR gemessen. Um die Nachweisgrenze dieser vermeintlichen Verfälschungssubstanzen zu bestimmen wurden systematisch deren Spektra mit einem Datenset bestehend aus 157 Proben Baldrianwurzeln (Radix Valerianae) gemischt und anschließend statistisch mittels der SIMCA (soft independent modeling of class analogies)-Methode ausgewertet.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein validiertes, kommerzielles HPTLC-Gerät eingesetzt um auf ultraschall-basierende Extraktionsexperimente zu evaluieren. Das Ziel war eine ternäre Lösungsmittelzusammensetzung zu bestimmen, bestehend aus Methanol (MeOH), Wasser (H2O) und Dichlormethan (CH2Cl2), wobei sich hier der „Fingerprint“ der Flavanoide als ideal präsentiert. Zu diesem Zweck wurden 6 verschiedene medizinische Pflanzen (Schafgarbe, Thymian, Senna, Tollkirsche, Süßholz, und Hopfen) untersucht.
Ergebnisse:
Die chemometrische Analyse der ATR-FTIR-Spektren zeigte eine Nachweisgrenze im Sinne der „leave-one-out“-Kreuzvalidierung von 56,2%, 85,9% und 98,3% bei einer Kontamination von 5%/10% und 20%. In Bezug auf die Extraktionsoptimierung hat sich eine Lösungsmittelzusammensetzung aus 40-50% Methanol, 30-50% Dichloromethan und 10-20% Wasser als effizienteste Mischung zur Analyse flavonoider Fingerprints in den 6 untersuchten Pflanzen herauskristallisiert. Leider konnten die chromatographisch gewonnenen Daten nur visuell beurteilt werden, da bisher noch keine entspechende Software entwickelt wurde.
Conclusio:
Die Ergebnisse unserer Studie belegen, dass die Nachweisgrenze der ATR-FTIR nicht die Standardanforderungen des Europäischen Arzneibuchs erfüllt, welches ein Maximum von 5% Fremdmaterial für Baldrianwurzeln zulässt.
In Hinblick auf die Extraktionsoptimierung konnte kein universelles Lösungsmittel definiert werden. Jedoch können Empfehlungen für eine nahezu optimale Lösungsmittelzusammensetzung abgegeben werden, vergleichbar mit purem und 70% Methanol.
Abstract
(Englisch)
Background:
Quality control of herbal products represents a major concern in the pharmaceutical industry due to the huge variety of these species and their almost daily new scientific findings. The continuous development of innovative methods of adulteration is aggravating this dilemma in the quality control processes further. In order to identify a fingerprint for each plant, different analytical methods have been suggested such as infrared (IR) spectroscopy and high performance thin layer chromatography (HPTLC). One aim of this study was to investigate the sensitivity of ATR-FTIR spectroscopy for the detection of adulterated herbal medicines. The second part of my work was dedicated to the optimization of a solvent extraction protocol towards wide coverage of secondary metabolites for HPTLC fingerprinting.
Material and Method:
98 samples of different dried parts of medicinal plants (herbs, roots, leaf, bark, wood, flower) were measured by ATR-FTIR spectroscopy. The obtained data were evaluated using SIMCA (soft independent modeling of class analogies) in order to determine the detection limits for these putative adulterants when systematically mixing their spectra with a dataset comprising 157 batches of valerian root samples (Radix Valerianae). In the second part, a validated and commercially available HPTLC system was utilized to evaluate a series of ultrasound extraction experiments. The objective was to find the optimal ternary solvent composition consisting of methanol (MeOH), water (H2O) and dichloromethane (CH2Cl2) for which the flavonoid fingerprint (mobile phase: ethyl acetate/acetic acid/formic acid/water 100:11:11:27. Derivatization: Natural product reagent) is most comprehensive. 6 different medicinal plants (Yarrow, Thyme, Senna, Atropa Belladonna, Liquorice and Hop) were analyzed for this purpose.
Results:
With regard to the chemometric analysis of the ATR-FTIR spectra we found that for this particular dataset the overall detection rates computed from leave-one-out cross-validation were 56.2%, 85.9% and 98.3% at 5%/10% and 20% contamination levels, respectively. Concerning my work on the extraction optimization, I found that a mixture of 40-50% Methanol, 30-50% Dichloromethane and 10-20% water was most efficient for the analysis of the flavonoid patterns in the 6 plant systems under investigation. Unfortunately, the chromatographic data could be evaluated by visual inspection only due to the lack of suitable software.
Conclusion:
According to our study the detection limit of ATR-FTIR does not meet the standard requirements of the institutional reference (Ph.Eur), which permits a maximum of 5% foreign materials for valerian root. Concerning the extraction optimization, a universal solvent could not be defined exactly by response surface methodologies as reported in similar studies involving different analytical platforms (mostly high performance liquid chromatography) but suggestions for near optimal solvent compositions with competitive performances compared to pure and 70% methanol could be made.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Spectroscopy HPTLC herbal medicine fingerprinting adulteration
Schlagwörter
(Deutsch)
Spektroskopie HPTLC pflanzliche Arzneimittel Fingerprinting Verfälschung
Autor*innen
Moshira Abdelmajeed
Haupttitel (Englisch)
Detection of adulterated herbal medicines by attenuated total reflectance (ATR) fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy: a simulation study
Hauptuntertitel (Englisch)
extraction solvent optimization for HPTLC fingerprinting
Paralleltitel (Deutsch)
Nachweis verfälschter pflanzlicher Arzneimittel durch ATR-FTIR ; Extraktionsoptimierung von Lösungsmitteln für HPTLC-Fingerprinting
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
67 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Johannes Saukel
Klassifikationen
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines ,
33 Physik > 33.07 Spektroskopie
AC Nummer
AC12289507
Utheses ID
33194
Studienkennzahl
UA | 996 | 449 | |