小型化离子阱质谱仪在毒品快速采集与分析中的应用

富 庆，尤晓明，金 洁

(公安部第三研究所，上海 200031)

毒品犯罪及毒品泛滥已构成全球性威胁，有学者研究全球性的毒品犯罪活动后认为，人类社会正在经历一场席卷全球的“第三次世界大战”[1]。毒品泛滥对我国社会、经济和公共卫生事业的发展构成了严重威胁，我国一直致力于对毒品合成、走私及使用的打击[2-3]。截至2014年底，全国累计登记吸毒人员295.5万名，全国共破获毒品犯罪案件14.59万起，抓获毒品犯罪嫌疑人16.89万名，缴获各类毒品合计68.95 t[4]。打击毒品犯罪活动离不开毒品检测技术的支持，常规方法有化学检验法、色谱法、色谱-质谱联用法以及免疫学检测法等[5-10]，这些方法虽然能够满足毒品定性、定量的要求，但同时也存在一定的缺陷。如，需要对样品进行复杂的预处理，耗时较长；需要大量昂贵的仪器，检测成本较高。因此，这些传统的毒品分析方法只适合于实验室，难以应用于现场快速检测。就我国目前严峻的禁毒形势而言，毒品案件侦破中急需体积小、质量轻、快速、准确、操作简便的现场检测，鉴定毒品的取证设备和技术。

离子阱质谱技术的发展起步于20世纪50年代，先后经历了质量挑选检测、质量挑选贮存、质量挑选喷射和离子阱的小型化四个主要阶段[11-14]。尽管离子阱的质量分辨率比飞行时间质量分析器(TOF)差，但其具有灵敏度高、分析速度快、对真空要求较低、控制简单、极易实现时间串联等特点，使其在小型化方面的优势明显[14-18]，适合现场检测或在线分析。目前，离子阱质谱在现场环境监测、国防、刑侦、安检、工业过程控制等领域均发挥着重要作用[19-23]。

离子阱的小型化主要从缩小离子阱的尺寸和简化结构两方面入手[18]。目前，圆柱形四极离子阱(CIT)和矩形离子阱(RIT)在小型离子阱质谱仪中较常见。相比于CIT，RIT的离子捕获效率和离子存储容量显著提高，因此具有更高的灵敏度、更大的质量分析范围和更好的分辨率。常见的RIT质谱仪的质量分析范围为m/z80～450，质量分辨率为1.5 u。

本研究自行设计并搭建小型化离子阱质谱仪，该仪器的尺寸与行李箱相当，质量仅30 kg。将该仪器用于检测8种毒品，希望为毒品的现场分析提供新途径。

1 实验部分

1.1 小型化离子阱质谱仪介绍

1.1.1结构 小型化离子阱质谱仪的结构主要包括热解吸进样器、大气压下光致电离(DAPP)电离源、非连续大气压接口(DAPI)、矩形离子阱质量分析器、正负离子探测器和真空泵组6个部分，其结构和实物示于图1。本研究研制的小型化离子阱质谱仪以氪灯作为DAPP电离源，光子能量为10.6 eV，光强度为1011photo/s。DAPI只有在接收特定的脉冲信号时才能打开，使样品离子进入质谱系统。相比于连续进样，DAPI脉冲进样能够有效地减少质谱真空系统的进气量，在相同的目标真空度下，减小了真空泵组的抽气量，因此可以使用低抽速小型真空泵组实现仪器的小型化。RIT质量分析器由2个射频高压电极、2个共振激发电极和2个端盖电极构成，其电极之间的距离分别为8、10、43.2 mm。离子阱质谱仪工作时，通过在2个射频高压电极上施加射频电压构成1个四极电场，将离子储存在阱里；然后，通过扫描射频电压的幅值将不同质荷比的离子弹出阱外进行检测。

正负离子探测器是1个带有转换打拿极的电子倍增器(Model 397, Detector Technology, Inc., Palmer, MA)，可以检测正、负离子。真空泵组由1个抽速为80 L/s的分子泵(Pfeiffer HiPace 80, Pfeiffer Vacuum Inc., Nashua, NH)和1个抽速为15 L/min的膜片泵(前级泵)(Pfeiffer MVP 015-2, Pfeiffer Vacuum Inc., Nashua, NH)构成。质谱仪腔体内的真空度由微皮拉尼与冷阴极复合真空规(MKS972, MKS Instruments, Inc., Wilmington, MA)测量。

1.1.2工作流程及样品分析过程电压时序

小型化离子阱质谱仪的工作流程示于图2a。该仪器的整个工作过程主要包括参数设置、信号转换、电气控制及数据采集、处理与反馈4个部分，各个部分之间的顺畅配合是仪器正常工作的保障。

对于样品检测，从点样到最终获得质谱图，需要经过以下4个阶段：离子引入(ion introduction，即进样阶段)、离子碰撞冷却(cooling)、离子扫描检测(scan)和离子阱清空(zero)。各个阶段中DAPI和质量分析器(即矩形离子阱)上所施加的电压及所需时间示于图2b，可以看出，单个样品的质谱分析时间在500 ms以内。

1.2 实验样品

本研究选择8种毒品进行检测，其基本信息列于表1。其中，可卡因、海洛因、吗啡和可待因属于麻醉药品；亚甲基二氧吡咯戊酮(MDPV)、[1-(5-氟戊基)-1H-吲哚-3-基]-1-萘基甲酮(AM-2201)、甲基苯丙胺(俗称冰毒)和氯胺酮(俗称K粉)属于精神类药品。

图1 小型化离子阱质谱仪的结构图(a)和实物图(b)Fig.1 Schematic diagram (a) and image (b) of the portable rectilinear ion trap mass spectrometer

图2 小型化离子阱质谱仪的工作流程图(a)和样品分析过程电压时序图(b)Fig.2 Work flow chart (a) and the sequence of voltage (b) for portable ion trap mass spectrometer

种类Classification序号No.样品名称Analyte结构式Structuralformula分子式Molecularformula相对分子质量Relativemolecular mass测试浓度Concentration/(mg/L)麻醉药品a可卡因C17H21NO4303.310b海洛因C21H23NO5369.410c吗啡C17H19NO3285.410d可待因C18H21NO3299.410精神药品eMDPVC16H21NO3275.350fAM-2201C24H22FNO359.410g甲基苯丙胺C10H15N149.210h氯胺酮C13H16ClNO237.7100

1.3 试剂与气体

毒品标样：由云南省公安厅刑侦总队提供，母液浓度为1 000 mg/L，使用时用甲醇将母液稀释至所需浓度；甲醇、丙酮：均为分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司产品；氦气(99.999%)：大连特种气体有限公司产品；干燥空气：由压缩空气经分子筛和活性炭处理获得。

1.4 毒品样品的检测

用平头进样针吸取0.5 μL样品溶液，将其滴在采样布(聚四氟乙烯材质的长方形织物)的特定位置，在室温下使溶剂蒸发，然后将采样布插入热解吸进样器。热解吸进样器可以提供240 ℃高温，样品在进样器内热解吸汽化，被载气携带进入电离区，电离后的气相样品离子通过DAPI接口进入矩形离子阱质谱分析器被检测，得到质谱图或串联质谱图。整个分析过程中，从样品点样到获得样品质谱图，总用时小于2 min，质谱分析时间在500 ms以内。

2 结果与讨论

2.1 仪器参数优化

本实验采用控制单一变量法优化仪器参数，所用的测试样品为10 mg/L的甲基苯丙胺甲醇溶液，进样量均为0.5 μL，结果示于图3。

2.1.1固体样品热解吸温度及载气流量 小型化离子阱质谱的热解吸进样器由加热模块和进样器开关模块组成。其中，载气流量和热解吸温度是影响仪器稳定性和灵敏度的关键参数。实验首先对这2个参数进行优化，其结果示于图3a、3b。在一定的热解吸温度下，如果载气的流量太小，解吸出的气态样品分子不能及时到达电离区；如果载气的流量太大，在DAPI打开前，电离后的样品离子已被载气带出电离区，最终会影响样品信号强度。因此，从图3a可以看出，样品的信号强度随载气流量的增大出现先增大后减小的趋势。在一定的载气流量下，如果热解吸温度过低，样品的解吸速率低，解吸出的气态分子不能及时到达电离区；如果热解吸温度过高，样品的解吸速率过快，导致样品分解，同样会造成样品离子的损失。从图3b也可以看出，样品的信号强度随热解吸温度的升高出现先增大后减小的趋势。总体来看，当载气流量为300 mL/min，热解吸温度为180 ℃时，小型化离子阱质谱仪具有最佳的响应信号。

2.1.2气相离子进样及冷却时间 样品经过DAPP电离源电离后，气相样品离子需通过DAPI进入处于真空的质量分析器。而DAPI夹管阀的打开时间直接决定了腔体内气压的变化和检测器电压的加载时间，因此需要优化进样时间，其结果示于图3c。当进样时间为7 ms时，夹管阀并未开启，样品信号为零；当进样时间为8 ms时，进样阀开启，此时样品信号较弱；当进样时间为9 ms时，阀完全开启，样品信号最强；进一步延长进样时间会导致进气量过大，大量气体在离子阱质量分析器中形成反冲，使气体中携带的离子碰撞到电极而淬灭，导致样品信号下降。故本实验选择的脉冲进样时间为9 ms。

气相离子通过DAPI脉冲进入质谱真空系统后，需要有碰撞冷却时间使离子阱质量分析器的气压下降至0.133 Pa以下，才能开启电子倍增器进行检测。冷却时间的长短对离子信号强度有较大的影响。当冷却时间过短，真空腔体内气压过高，气体携带进来的离子在离子阱内发生碰撞的次数少，离子能量高，在共振检出时效率低，而且气压高会导致电子倍增器噪音大，因而信号强度低。由于实验室自行研制的离子阱不是纯净的四极电场，当冷却时间过长，离子与中性分子之间的碰撞易造成离子的碎裂、损失，同样会使信号强度降低。从图3d可以看出，样品信号强度随冷却时间的延长出现先增大后减小的趋势，因此实验选择离子碰撞冷却时间为200 ms。

图3 仪器参数优化曲线Fig.3 Optimization of different parameters for the portable rectilinear ion trap mass spectrometer

2.1.3电子倍增器电压 倍增器电压的大小直接决定了检测系统接收到信号的放大倍数。电子倍增器电压过低，会导致样品信号强度降低；电子倍增器电压过高，会减小检测器的使用寿命。实验中发现，倍增器电压每升高100 V，信号强度增加约5倍。为了保证仪器的灵敏度，同时延长检测器的使用时间，实验最终选择电子倍增器电压为1 300 V。

2.2 样品检测

在最佳实验条件下(载气流量300 mL/min；热解吸温度180 ℃；脉冲进样时间9 ms；离子碰撞冷却时间200 ms；电子倍增器电压1 300 V)对8种毒品进行测定，所测样品溶剂均为甲醇，测试浓度列于表1。所有样品从进样到获得质谱图，总用时小于2 min。8种毒品的特征离子均为质子化的准分子离子[M+H]+，其质谱图分别示于图4和图5。

本研究同时考察了小型化离子阱质谱仪的精密度，测得甲基苯丙胺、海洛因和吗啡3种毒品在6次重复测试下的相对标准偏差(RSD)分别为14.4%、21.4%和15.7%。甲基苯丙胺、可卡因和吗啡等毒品的使用浓度为10 mg/L，加样量为5 μg，检出质量为5 ng时，根据信噪比3∶1，计算检出限在100 pg量级。由此可见，小型化离子阱质谱仪用于毒品检测是一种快速、灵敏、准确且稳定的方法。

2.3 串联质谱(MS/MS)分析

串联质谱分析能同时获得毒品的准分子离子和特征碎片离子信息，通过同时分析母离子和特征碎片离子，提高了仪器的定性准确性，降低了误检率。对于小型化离子阱质谱仪来说，首先需要通SWIFT电压选取目标化合物的母离子，然后采用共振激发AC电压产生离子共振激发电场，目标母离子通过共振获得能量与中性分子碰撞，母离子与中性分子碰撞发生碰撞诱导解离，产生目标化合物的特征碎片离子。可卡因的质谱图和不同共振激发AC电压下的串联质谱图示于图6。可以看出，当AC电压为0.1 V时，卡可因出现碎片离子m/z182，它是由可卡因分子脱去1个C6H5-COO基团产生的；当AC电压升至0.2 V时，可卡因的准分子离子峰强度逐渐减弱，而碎片离子峰强度不断增强；当AC电压为0.3 V时，可卡因[M+H]+母离子几乎全部转化为碎片离子m/z182。

图4 可卡因(a)、海洛因(b)、吗啡(c)和可待因(d)的质谱图Fig.4 Mass spectra of cocaine (a), heroin (b), morphine (c) and codeine (d)

图5 MDPV(a)、AM-2201(b)、甲基苯丙胺(c)和氯胺酮(d)的质谱图Fig.5 Mass spectra of MDPV (a), AM-2201 (b), methamphetamine (c) and ketamine (d)

图6 可卡因的质谱图(a)和0.1 V(b)、0.2 V(c)、0.3 V(d) AC电压下的串联质谱图Fig.6 MS (a) and MS/MS spectra of 0.1 V (b), 0.2 V (c), 0.3 V (d) of cocaine

3 结论

实验室研制了配置有热解吸进样器、大气压光致电离源、非连续大气压接口和矩形离子阱质量分析器的小型化离子阱质谱仪。将该质谱仪用于毒品检测，无需复杂的样品前处理，固体和液体样品均可以直接进样；可在2 min内完成单个样品的分析；可以同时获得毒品的准分子离子[M+H]+及特征碎片离子；对于麻醉类和精神类毒品均有较高的响应，pg级样品多次检测的精密度在20%左右。该小型化离子阱质谱仪体积小、质量轻，为毒品检测提供了一种快速、灵敏、准确且稳定的方法，有望成为未来毒品现场快速检测的有力武器。