敞开式电离质谱技术在法医毒物分析中的应用

崔婉莹，于忠山,常 靖，赵 鹏，王爱华，吴小军，李佳宜，张云峰*

(1.中国人民公安大学 侦查学院，北京 100038；2.公安部物证鉴定中心，北京 100038)

法医毒物分析中，不同案件性质和作案方式导致作为证据的检材样本高度多样化，其中可能包括血液、尿液、唾液、洗胃液、毛发、药物和潜指纹等。常见的仪器分析方法包括光谱分析法[1]、气相色谱-质谱联用法(GC-MS)[2-3]和液相色谱-质谱联用法(LC-MS)[4]等。光谱分析法利用物质对电磁辐射的吸收和发射来确定其结构和化学成分，常需要标准样品作为基准，因此实际应用具有一定的困难。色谱-质谱联用技术的样品前处理需经过分离、分析两个步骤，操作繁琐耗时，且对于难挥发、热稳定性差、极性大的物质，GC-MS技术也难以分析。

近年来基于直接离子化的敞开式电离质谱(Ambient ionization mass spectrometry，AIMS)技术发展迅速。该技术在大气压条件下只需进行简单的样品前处理或无需前处理就可对目标物进行快速分析，在食品安全[5]、药物分析[6-7]、环境检测[8-10]、生活用品分析[11]、法庭科学[12-15]等领域已取得广泛应用。本文对敞开式电离(Ambient ionization，AI)技术进行简单概述后，着重综述了AIMS技术在不同类型检材分析中的应用，同时对该技术在法医毒物分析领域中的发展方向进行了展望。

1 AI技术概述

2004年，Cooks等[16]提出了一种有别于传统电离的新电离方式——解吸电喷雾电离(DESI)，并将其用于检测金属、聚合物和矿物表面的多肽和蛋白质。其谱图与常规电喷雾电离(ESI)谱图相似，相比之下解吸电喷雾电离质谱(DESI-MS)技术可在非真空条件下完成样品分析。随后包括实时直接分析(DART)[17]、解吸大气压化学电离(DAPCI)[18]、敞开式超声喷雾电离(EASI)[19]、基质辅助激光解吸电喷雾电离(MALDESI)[20]、解吸大气压光电离(DAPPI)[21]、探针电喷雾电离(PESI)[22]等在内的几十种AI技术相继被提出。与传统的仪器分析技术相比，AI技术具有很多优点，如无需或只需简单的样品处理、电离条件温和、分析速度快和非真空条件下操作简单等。实际分析中，通常根据被测样品的化学结构、理化性质等因素选择合适的电离源。

按照解吸方式不同，AI技术可分为三大类[23]：液体萃取、等离子体解吸和激光剥蚀。3类AI技术代表性的AI源如图1所示。液体萃取电离技术利用溶剂从样品表面提取或解吸分子，通常用于分析基于ESI机制电离的极性分子，主要包括EASI、PESI、DESI、纸喷雾电离(PSI)、接触喷雾电离(TS)和萃取电喷雾电离(EESI)等。等离子体解吸电离技术与大气压化学电离(APCI)具有相同的化学原理，放电电极产生的等离子体与气化的样品分析物相互作用而发生电离，主要包括DART、DAPPI、DAPCI、低温等离子体探针(LTP)和微波等离子炬(MPT)等。由于分析物需在电离前处于气相，快速检测仅限于低分子量的挥发性化合物。激光剥蚀技术利用激光源使目标分析物从被测样品中解吸下来，电离效率低，因此大多数基于激光的AIMS技术均与二次电离源耦合以提高电离效率和灵敏度，如MALDESI、电喷雾辅助激光解吸电离(ELDI)、激光辅助解吸电喷雾电离(LADESI)、激光解吸电喷雾电离(LDESI)和激光剥蚀电喷雾电离(LAESI)等。激光剥蚀AIMS技术的最新发展，一是利用红外激光源来促进解吸和电离，二是与除电喷雾外的各种后电离方法集成。激光剥蚀与激光后电离相结合，具有高横向分辨率，在最大限度减少差异检测的同时实现高灵敏度和深度剖析等优势[24]。

图1 DESI源的原理图(A)[16]、DART源的剖面图(B)[17]与MALDESI源的原理图(C)[20]Fig.1 The schematic diagram of DESI(A)[16],clipped view of DART source(B)[17] and the schematic diagram of MALDESI(C)[20]

2 AIMS技术在法医毒物分析中的应用

法医毒物分析中，法医工作者通过对检材中有关毒物的鉴定分析，判断案件性质，为案件提供侦查线索和证据，为当事人是否承担法律责任提供依据。分析中涉及的检材类型多种多样，按照检材类型不同可分为体内检材和体外检材。体内检材也称为生物检材，包括血液、尿液、唾液等体液及毛发等组织。体外检材指未经人体代谢、吸收和分布的检材，包括案件现场发现的各种药片、潜指纹、洗胃液和植物材料等。AIMS技术因无需样品制备和色谱分离，操作简单、耗时短等优势，在法医毒物分析领域具有广泛应用。

2.1 体内检材

2.1.1 血 液血液是法医毒物分析中常用的体内检材，分析血液中的药物毒物浓度有利于解释中毒或死亡的原因。为释放与蛋白结合的药物毒物并防止测定干扰，传统上需要对血液检材进行去蛋白预处理，过程繁琐、耗时。AIMS技术可省去这一步骤进行直接分析，快速、简单、无需样品制备的优势使该技术成为毒物筛查的一种可行性方法。Minakata等[25]采用基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)对血液中4种苯丙胺进行快速定量分析，通过其在血液中的浓度估算死亡原因。Teunissen等[26]成功建立并验证了一种基于纸喷雾质谱(PS-MS)对全血中8种苯丙胺类化合物免分离的定量方法。该方法快速、灵敏、选择性高，1.3 min内即可完成定性定量分析，方法检出限为15～50 ng·mL-1，定量下限低于苯丙胺典型的生理和毒理学水平。Jett等[27]通过PSI技术与三重四极杆质谱联用对血液中常见的134种药物及其代谢物进行快速筛查。Usui等[28]使用探针电喷雾电离串联质谱(PESI-MS/MS)快速定量分析血清中的百草枯。该方法直接电离和测定百草枯，可在18 s内获得检测结果，检出限为0.004 μg·L-1，定量下限为0.015 μg·L-1。实际血清样品分析中，与液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)的结果相比无显著性差异。PESI-MS/MS技术无需使用连续的气体/液体流，且探针和样品板是一次性使用，可将污染风险降至最低。但由于此方法不涉及色谱柱分离，很难同时确定多个目标，且仅在9个中毒样本中得到验证，使得该技术具有一定局限性。

2.1.2 尿 液尿液中往往包含浓度较高的母体药物及其代谢物，其浓度可作为药物毒物滥用的判断依据。Kauppila等[29]应用DESI-MS对吸毒者的尿样进行药物及其代谢物的筛选，检出苯丙胺、鸦片类、大麻素和苯二氮卓类药物，研究表明DESI-MS技术是从吸毒者尿样中快速筛选滥用药物及其代谢物的有效工具。Kennedy等[30]使用纸喷雾串联质谱法(PS-MS/MS)和高分辨质谱法对药物滥用患者尿样中的芬太尼类似物及其它滥用药物进行定性定量分析，将10 μL尿样置于装有内标物的纸制喷雾筒上，干燥后进行直接分析。8种芬太尼类似物在0.5～50 ng·mL-1质量浓度范围内呈线性，与LC-MS相比表现出更好的定量结果。

由于尿液中盐浓度高、内源性有机物含量高等因素影响，可能会存在基质效应，从而影响被分析物的信号强度。采用微萃取技术对尿样进行简单样品前处理，不仅可以浓缩分析物，还可去除部分杂质减弱基质效应。Jagerdeo等[31]使用填充吸附剂微萃取对尿液进行预处理以浓缩分析物，而后采用实时直接分析飞行时间质谱(DART-TOF MS)分析尿样中的可卡因及其代谢物。信噪比为3∶1时芽子碱甲酯、苯甲酰基芽子碱、可卡因和古柯乙烯的检出限分别为22.9、23.7、4.0、9.8 ng·mL-1，与之前研究相比具有更高的灵敏度。该研究还表明若使用合适的内标物，有可能实现被检物的定量分析。Rodriguez-Lafuente等[32]将薄膜固相微萃取作为样品前处理步骤用于尿液中可卡因和美沙酮的快速筛选和定量，定量下限为1 μg·L-1。固相微萃取前处理过程可以预浓缩分析物，提高灵敏度，同时避免尿样中残留的盐分污染离子源。

2.1.3 唾 液近年来，唾液因操作简便、非入侵性、掺假或感染风险低等优势成为一种新兴的检测标本，唾液中的药物浓度与血液中的药物浓度密切相关[33]。AIMS技术可对唾液样本进行直接分析，快速得到检测结果。Jhang等[34]建立了一种新型的药物筛选系统，用于快速筛选和测定唾液样本中的4-氯苯丙胺。该系统可在PS-MS和毛细管电泳质谱(CE-ESI-MS)之间进行切换，具有简单、灵敏、经济互补的优点，两种方式的检出限分别为0.1 ppm和0.25 ppm。Pirro等[35]使用接触喷雾质谱(TS-MS)直接从医用拭子中鉴定出14种常见的滥用药物，对拭子的直接分析极大简化了唾液的采样和测试流程，为药物检测提供了一种简便快速的方法。Wang等[36]将低温等离子体探针质谱(LTP-MS)用于唾液中11种新精神活性物质的筛选和定量，采用热辅助解吸方法提高信号强度，进行串联质谱以排除假阳性信号并降低噪声。所有分析物均表现出良好的线性关系，检出限与免疫测定法相当。Morato等[37]使用新一代体积吸收微取样(VAMS)拭子进行采样，建立TS-MS法同时对唾液中30种常见的滥用药物(包括阿片类药物、苯二氮卓类药物、芬太尼衍生物、甲基苯丙胺、可卡因、取代亚甲基二氧基苯乙胺、卡西酮、抗抑郁药和抗精神病药物)进行定量分析。该方法仅需10 μL样品，生物基质中复杂药物混合物的检出限大多在5 ng·mL-1以下。

2.1.4 毛 发法医毛发分析被认为是识别慢性吸毒者的标准方法，可以显示药物的使用模式和持续时间。与血液、尿液等检材相比，毛发具有易获取、稳定、检出时限长等优势，常作为法医工作者的分析对象。Miki等[38]采用MALDI-TOF MS对人发中的甲基苯丙胺进行质谱成像。研究表明，头发中断续的不同强度的甲基苯丙胺阳性点，可能指示出被检测者的吸毒史和每次给药后的不同血药浓度。Deimler等[39]使用激光剥蚀电喷雾电离串联质谱(LAESI-MS/MS)对溶液、头发和植物中的预定药物进行分析。研究中用双面透明胶带将头发样本粘到显微镜载玻片上，水润湿后进行直接分析，成功识别出毛发样本中10 ng·mg-1的吗啡、可待因和可卡因。Cuypers等[40]采用基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI-MSI)研究过氧化氢处理对头发中掺入可卡因的影响。研究表明过氧化氢漂白会降低头发中可卡因的可检测性，这项发现对含有可卡因的法医毛发检验具有非常重要的作用。在检测中应注意被检毛发是否经过氧化处理，以免得出错误的鉴定结果。

2.2 体外检材

2.2.1 药 物AIMS技术可对完整样品进行快速直接分析，被证明适用于滥用药物的筛选和定性，为现场查获的一些非法药物毒物提供了一种快速可靠的分析方法。Kauppila等[41]证明了解吸大气压光离子化质谱(DAPPI-MS)用于片剂非法药物直接分析的可行性，从片剂药物中成功鉴定出3，4-亚甲基二氧甲基苯丙胺、苯丙胺、芬纳西泮和丁丙诺啡。Steiner等[42]使用精确质量飞行时间实时直接分析质谱新技术快速筛查法医分析中的常见滥用药物。通过分析553个病例样本，验证了该方法作为筛选工具的用途。与GC-MS分析相比，该技术不受仪器温度和时间的限制，可以同时检测更多样本，光谱信息也更加详细。Fedick等[43]将纸张表面增强拉曼光谱与PS-MS联用，现场快速识别和确认芬太尼及其类似物，帮助实时指导案件调查。Burr等[44]将表面增强拉曼散射与PS-MS集成到一个现场分析仪器操作平台用于毒品鉴定，并开发了一种两用等离子体纸。该研究构建的表面增强拉曼散射纸喷雾电离质谱(SERS-PS-MS)一体化系统对500种样品盲测达到99.8%的化学鉴定准确率，通过对合成大麻异构体JWH-018的成功鉴别，证明了SERS的分析识别能力，而PS-MS/MS无法区分合成的大麻异构体。

AIMS技术可直接从片状药物表面取样，通过是否含有药物活性成分来鉴别药物真伪。Nyadong等[45]将二维扩散有序1H核磁共振谱与实时直接分析质谱(DART-MS)、DESI-MS相结合用于检测假冒抗疟药的化学成分。16个样品仅在6种制剂中检出预期的活性药物成分，此外还检测到蔗糖、乳糖、硬脂酸酯、糊精和淀粉等常见的有机赋形剂。Culzoni等[46]使用DART-TOF MS技术分析常规药品鉴别和真伪药品鉴别案中的阿普唑仑，多种样品在规定的质量范围内准确检测到阿普唑仑的假分子离子和部分片段。

2.2.2 潜指纹潜指纹是内源和外源化学物质在特定形式下的分布，包含丰富、重要的法医信息，例如可能含有曾接触过的爆炸物、滥用药物及其代谢物。潜指纹分析为安全、高通量和无创检测滥用药物毒物提供了一条潜在途径。不同个体留下的重叠指纹很难用光学方法进行区分，而质谱成像根据每个人独特的化学品接触史可很容易区分所形成的印迹[47-48]。对指纹中生活特征成分的分析，有利于进行嫌疑人特征刻画，为案件侦查提供线索[49]。Ifa等[50]应用DESI-MS技术进行潜指纹成像，清楚识别到指纹的细节特征。在玻璃、纸张和塑料等普通平面上形成的潜指纹中成功识别出可卡因、D9-四氢大麻酚和高能炸药黑索金等外源性物质。Rowell等[51]首次使用表面辅助激光解吸电离飞行时间质谱(SALDI-TOF MS)在提取的潜指纹中检测到美沙酮及其代谢产物。Bailey等[52]采用MALDI、DESI和二次离子质谱(SIMS)3种敞开式电离表面质谱法对指纹中的可卡因及其代谢物进行检验，结果显示MALDI和DESI对潜指纹中可卡因、苯甲酰芽子碱和爱冈宁甲基酯的检测结果与口腔液检测结果具有良好的相关性。此外，AIMS技术的低破坏性使其可对同一指纹进行多次重复分析。

2.2.3 其它体外检材除药物、潜指纹外，洗胃液、植物材料也是案件中常见的体外检材，实时、原位的检测优势可使AIMS技术在很短时间内获得检测结果。Su等[53]应用电喷雾辅助激光解吸电离质谱(ELDI-MS)实现了胃液中7种非挥发性家用农药的快速检测。研究中使用金属探针对胃液进行直接采样，在探针上进行激光解吸，高能量激光照射下胃液中的主要蛋白质和肽被分解，排除检测干扰后农药的检测灵敏度更高。取样、解吸、电离和检测整个过程所需时间不足30 s。Talaty等[54]采用DESI-MS技术，对毒参属(毒堇)、茄科曼陀罗属(曼陀罗)和颠茄属(颠茄)组织中的生物碱进行了原位检测，通过电喷雾将微小的溶剂液滴喷到植物组织表面后进行直接分析，与串联质谱检测结果具有一致性。Longo等[55]采用实时直接分析高分辨质谱(DART-HRMS-MS)快速检测和定量植物材料中的酶斯卡灵。为显示出与分析物相似的电离效率，研究中选用酶斯卡灵-D9作为定量分析的内标物，使用分析物与内标物的峰面积比来减轻环境因素的影响。建立的方法可有效定量1 100 ppm范围内的酶斯卡灵，几秒钟内可以确认其存在。

3 展 望

随着AI技术的不断成熟，AIMS技术已成为法庭毒物检测鉴定中一种强有力的工具，其中DART和DESI技术作为早期的AI技术应用最为广泛。虽然目前AI技术由最初的几种发展到了几十种，但其灵敏度、再现性和数据复杂性等方面仍面临诸多挑战[56]。许多研究致力于提高该技术的分析性能，主要包括提高其在定性和定量分析中的灵敏度和可靠性，降低检出限并实现痕量或复杂样品基质中化合物的定量分析。近年来，AIMS技术已被应用于非极性分子和复杂样品中大型生物聚合物的分析中。

天然样品中存在的多种分析物通常会导致AIMS质谱图成图复杂，分析物的离子识别和背景离子去除的自动化将是未来的一个研究方向。随着化学合成等技术水平的提高，法医毒物分析中毒物的种类也不断增加，新的毒物不断涌出，探索每种技术最适用的对象是一项需要长期进行的工作。AIMS技术与传统的GC-MS和LC-MS相比具有直接、快速的分析优势，可在法医药物毒物的快速筛查中建立合适的方法，不断扩充药物毒物库范围。基于小型便携式敞开式电离质谱的现场快速检测技术目前已在多个领域中得到应用[57-58]，简单、快速、实时的分析优势极大提高了分析效率。毒物案件现场中，应用小型便携式敞开式电离质谱仪进行现场快速分析，将为案件赢得时间和指明侦查方向。