新型直接采样电离方法研究及其毒品快速质谱分析应用

吴俊函，董林沛，梁丽军，薛锦峰，张云峰，张文鹏，欧阳证

(1.清华大学精密仪器系，北京 100084；2.公安部物证鉴定中心，北京 100038； 3.浙江省嘉兴市公安局刑侦支队，浙江 嘉兴 314001)

毒品滥用已经成为一个全球性问题，不仅影响人们身体健康，而且危及社会稳定。全球每年约有2.7亿人吸毒，近3 500万人成瘾，近60万人直接死于毒品滥用。截至2019年底，我国吸毒人员达214.8万[1]，除了传统毒品，新型毒品的不断出现给毒品监管、现场快速检测提出了更高要求。

常用的毒品快速检测方法，如免疫胶体金方法[2]，在新型毒品检测方面存在一定的局限性。质谱因灵敏度高、通用性强，且具备结构鉴定能力等特点，在新型毒品检测中拥有独特优势。目前，气相色谱-质谱[3-4]和液相色谱-质谱[5-6]联用技术广泛用于毒品检测，但存在样品处理过程复杂、分析耗时长、分析步骤繁琐等问题，无法满足安全检查、海关查验、毒驾检测等现场快速检测的需求。

直接采样电离技术的兴起使复杂样品的快速质谱分析成为可能[7]。自解吸电喷雾法[8]、实时直接分析法[9]出现以来，发展了大量的直接采样电离技术，如纸喷雾电离[10]、低温等离子体电离[11]、介质阻挡放电[12]等。其中纸喷雾作为一种低成本、高分析性能的直接采样电离方法，已被用于药物、毒品、生物组织等的检测[13-15]。纸喷雾方法的装置简便、易与不同的质谱仪匹配，目前已发展成试剂盒进行应用。为进一步提升电离效果，发展了微管纳嵌纸喷雾试剂盒[16-17]、结合固相萃取的纸喷雾试剂盒[18]、3D打印快速润湿纸喷雾试剂盒[19]等，其依赖小型质谱系统的发展，可实现现场分析[20-21]。纸喷雾和基于纸喷雾的试剂盒与小型质谱相结合，已初步用于复杂基质中毒品、药物、代谢物、脂质等的快速检测。然而，在纸喷雾中，部分强极性、离子型化合物与纸基间存在强吸附力，导致化合物在通过萃取溶剂转移到纸尖时发生损失，回收率下降[22-23]；在基质效应和不规则纸基尖端的进一步影响下，电喷雾电离效率较低，这些问题影响了小型质谱系统对毒品在复杂基质中的准确鉴定和定量分析。

针对以上问题，本研究拟开发一种基于萃取电喷雾的新型直接毛细管喷雾方法(direct capillary spray, DCS)及相应的试剂盒。采用兼具采样和导电一体化设计的采样手柄对表面的待测目标样品进行收集，完成采样后，放入样品槽中洗脱，再施加电压进行萃取电喷雾-质谱分析。

1 实验部分

1.1 直接毛细管喷雾试剂盒

试剂盒由采样手柄和试剂盒下底组成，示于图1。采样手柄分为两部分：手持塑料部分为聚丙烯(PP)材料，使用3D打印技术制作，上有防滑纹易于手持操作；导电金属片部分用不锈钢薄片通过冲压成型，后端与塑料部分装配，前端向下弯折，便于将采样后的前端部分放入样品槽底，且在前端弯折后的平面上采用双孔设计，便于纸质及其他材质采样条依次交叉穿过双孔拉紧进行固定。

图1 基于直接毛细管喷雾电离试剂盒的质谱分析流程Fig.1 Workflow MS analysis by DCS ionization cartridge

试剂盒下底部分后端设计定位孔，便于手柄嵌入后固定；前部是样品槽，用陶瓷切刀将有聚酰亚胺涂层的石英毛细管(外径150 μm，内径75 μm)切成长11.5 mm的小段，从下底前端贴着样品槽底部插入样品槽3 mm，并用环氧树脂胶在试剂盒最前端固定，毛细管用于对洗脱后的溶剂进行直接电喷雾；试剂盒下底最前端有4个保护触角，避免操作过程中折断毛细管。

使用DCS试剂盒时，先用采样手柄在目标表面采样约5 s，然后将手柄扣入试剂盒下底中，再加入洗脱溶剂，放入小型质谱系统进样口前端，待质谱仪施加喷雾电压给导电金属片，金属片将电压通过洗脱溶剂传递至毛细管针尖产生喷雾，进行质谱分析，整个过程可在1 min内完成。每个采样手柄和试剂盒只针对1个目标物进行采集和分析，不重复使用。

1.2 小型质谱系统

本研究使用北京清谱科技公司的Mini β小型质谱系统。该系统采用非连续大气压接口(DAPI)控制样品离子的注入，线性离子阱进行质量分析，离子阱的谐振频率为962 kHz。仪器整体质量小于20 kg，功耗低于100 W。在使用直接采样电离试剂盒分析时，整个离子源在室温(25 ℃)、常压(101.325 kPa)下工作，如无特殊说明，喷雾电压设置为4 500 V；DAPI每次打开时间设置为20 ms，每次分析总时间为3.7 s。质量扫描范围为m/z50～1 000，出射AC频率为350 kHz，出谱扫速为4 000 u/s。使用PMS Client Pro软件(北京清谱科技公司产品)采集质谱数据，使用MATLAB软件(美国MathWorks公司产品)对目标峰进行相对强度归一化和峰选择处理，无特殊说明均使用峰面积作为峰强指标；使用Origin Pro绘制数据图。

1.3 试剂和样品

毒品化合物标准品：包括麻黄碱、可卡因、氯胺酮、甲基苯丙胺、亚甲基二氧甲基苯丙胺(MDMA)、1-(3-氯苯基)哌嗪(mCPP)、奥芬太尼，由中国浙江嘉兴市公安局提供；甲醇：HPLC级，美国Fisher Scientific公司产品；果汁和可乐：购于当地超市；唾液：由健康志愿者提供；兔血：由清华大学实验动物研究中心提供。

1.4 样品制备

所有毒品标准品用甲醇配制成1 g/L的标准溶液，储存备用。使用甲醇将标准溶液稀释至相应浓度，用移液枪吸取5 μL稀释后的溶液，涂抹在1 cm2带有灰尘的密封包装袋上，常温放置10 min，待所有溶液挥发干后进行表面擦拭实验。在复杂基质毒品检测实验中，使用对应的复杂基质(果汁、可乐、唾液、血液)对可卡因和甲基苯丙胺进行稀释，使用一次性小型胶头滴管吸取约5 μL样品溶液，滴在采样手柄前端的采样色谱小纸条上，然后放入试剂盒干燥器中干燥30 s，完成后将手柄扣入试剂盒下底，并滴加洗脱溶剂进行实验。所有实验均使用纯甲醇作为洗脱溶剂，无特别说明滴加的洗脱溶剂体积均为50 μL。

2 结果与讨论

2.1 参数优化和性能评估

DCS试剂盒的整个采样分析过程示于图1。用采样手柄在目标表面1 cm2的区域内快速来回擦拭5 s，将采样完成后的手柄扣入试剂盒下底，采样头部分正好落入试剂盒样品槽中。向样品槽中滴加洗脱溶剂对样品进行洗脱，然后将试剂盒放入小型质谱系统进样口并施加喷雾电压。高压将通过金属片和洗脱溶剂传递至毛细管尖端，溶液在尖端形成泰勒锥并产生喷雾，开始质谱分析。

本实验考察了电喷雾电压对离子强度的影响。在保持滴加50 μL洗脱溶剂的情况下，使用1 ng/cm2麻黄碱([M+H]+，m/z166)作为待测化合物，以二级质谱碎片m/z148的强度为指标，在1～5 kV喷雾电压范围内，喷雾电压与信号强度的关系示于图2a。该试剂盒在2 kV以下时无法产生喷雾；在2.5～4.5 kV范围内，信号强度与喷雾电压呈正相关，在4.5 kV时达到最大值；进一步提高电压至5 kV，质谱信号强度减弱，可能是由高电压下毛细管尖端放电所致。该结果表明，直接采样试剂盒的最优喷雾电压为4.5 kV，高于通常的纳升电喷雾电压(1.5～2.5 kV)，这是由于作为试剂盒喷雾针尖的石英毛细管外径为150 μm，远大于纳升电喷雾的针尖外径尺寸3～10 μm，导致产生正常电喷雾的电压较高。此电压与同使用石英毛细管作为喷雾的纸-微管电喷雾试剂盒相当[16]。

本实验进一步考察了洗脱溶剂体积对质谱信号强度的影响，结果示于图2b。当溶剂体积小于15 μL时，由于体积过少无法形成电喷雾。进一步增加溶液体积，在30～200 μL范围内，使用50 μL洗脱溶液获得的信号强度最高，且5个试剂盒的平行实验强度相对标准偏差(RSD)小于20%。当洗脱溶剂为30 μL时，由于体积减少，洗脱能力下降，信号强度减少且稳定性变差，RSD接近40%；当大于50 μL时，随着体积的增加，信号强度因为稀释效应逐渐降低。以1 ng/cm3麻黄碱为例，擦试采样后向试剂盒添加50 μL洗脱溶剂且喷雾电压为4.5 kV时，可连续扫描150次，一级质谱中麻黄碱母离子(m/z166[M+H]+) 的峰强度示于图2c，信号强度变化为RSD小于20%。与纸喷雾电离方法相比，以甲基苯丙胺(50 μg/L)为例，DCS方法对二级碎片离子(m/z119)的信号强度增加了约5倍。另外，实验重复性得到显著提升，这主要是由于洗脱步骤完成后有充足的溶剂聚集在喷雾毛细管口，可保证液流的持续和稳定。

图2 喷雾电压(a)和洗脱溶剂体积(b)的优化，以及单个试剂盒连续喷雾的情况(c)Fig.2 Optimization of spray voltage (a), volume of solvents (b) and fluctuation of ion intensity using cartridge (c)

2.2 表面毒品快速采样检测

采用4种常见的传统毒品(可卡因、氯胺酮、甲基苯丙胺、MDMA)和2种新型毒品(1-(3-氯苯基)哌嗪、芬太尼)对DCS试剂盒的快速采样能力进行验证。将6种毒品分别用甲醇稀释至200 μg/L，再用移液枪吸取5 μL(1 ng)溶液涂抹于带有灰尘的密封包装袋1 cm2区域内，在常温下等待溶液挥发后进行采样检测。对6种毒品进行二级质谱分析，结果示于图3，均能获得信噪比良好的二级质谱图，与文献[20]对比，可以定性确认这6种毒品。进一步梯度稀释样品溶液，得到6种毒品在表面采样检测中的检出限(LODs)和定量限(LOQs)，结果列于表1。其中甲基苯丙胺和亚甲基二氧甲基苯丙胺的检出限均达到0.1 ng/cm2，表明该方法具有良好的特异性和灵敏度，可用于现场检测需表面擦拭的毒品。

表1 6种毒品在带有灰尘的包装袋上的检出限和定量限Table 1 LODs and LOQs of six drugs on dusty sealed bag

图3 在1 cm2带有灰尘的包装袋上对可卡因(a)、氯胺酮(b)、甲基苯丙胺(c)、MDMA(d)、1-(3-氯苯基)哌嗪(e)、奥芬太尼(f)检测的二级质谱图Fig.3 MS/MS spectra of 1 ng cocaine (a), ketamine (b), methamphetamine (c), MDMA (d), 1-(3-chlorophenyl) piperazine (e), olfentanil (f) were detected on a 1 cm2 seal bag with dust

2.3 复杂液体基质中的毒品检测

在常规毒品检测中，除了对固体粉末残留的外包装或可疑表面进行快速采样分析外，毒品还可能出现在一些复杂液体基质中，如饮料、吸毒者的唾液和血液中。常规实验室在对复杂基质样品进行直接质谱分析时，基质效应会干扰质谱信号，所以需进行复杂的样品前处理步骤，且经过色谱分离后才能进入质谱检测。采用DCS试剂盒，使用色谱纸进行采样，可对基质中的干扰物质进行吸附；对液体基质样品采样后烘干，用洗脱溶剂进行洗脱复溶，可进一步降低基质效应对质谱检测的影响。

以可卡因和甲基苯丙胺为例。分别用果汁、可乐稀释可卡因标准品至100 μg/L，用唾液、血液稀释甲基苯丙胺标准品至100 μg/L。用一次性塑料滴管将约5 μL稀释后的样品滴加在采样手柄前端，在实际采样过程中可以直接使用手柄蘸取收集目标基质液体。上样完成后，将手柄扣入试剂盒下底中，并将其放入试剂盒烘干器中用加热气体快速烘干30 s。烘干后按照上述步骤滴加洗脱溶剂进行检测，分析流程示于图4a。不同基质中可卡因和甲基苯丙胺的二级质谱图示于图4b～4e。可以看出，由于不同基质的干扰，二级质谱的背景杂质峰和信噪比略有不同，基质效应会导致目标离子丰度存在差别。在二级质谱分析时，目标峰母离子与气体分子碰撞概率存在差异，导致碎片离子信号比例不一致，但是都能在二级质谱中检测到对应毒品的特征碎片峰，能够鉴定出对应的毒品化合物，表明DCS方法适用于液体复杂基质中毒品的检测。

注：b、c.分别为果汁和可乐中可卡因的二级质谱图；d、e.分别为唾液和血液中甲基苯丙胺的二级质谱图图4 复杂液体基质分析流程和质谱图Fig.4 Workflow of complex liquid sample analysis (a) and MS/MS spectra (b-e)

2.4 毒品快速定量分析应用

为验证该方法的定量分析能力，使用200 μg/L维拉帕米作为洗脱溶剂，加入DCS试剂盒中作为内标进行定量分析实验。分别配制不同浓度的甲基苯丙胺甲醇溶液(10 mg/L、5 mg/L、1 mg/L、200 μg/L、40 μg/L)，再用移液枪吸取5 μL(分别为50、25、5、1、0.2 ng)溶液，涂抹到带有灰尘的密封包装袋上1 cm2区域内，常温下待溶液挥发后，进行直接采样及小型质谱检测。在0.2～50 ng/cm2范围内，甲基苯丙胺质谱峰强度同内标峰强度的比值与甲基苯丙胺绝对量呈良好的线性关系(R2=0.996 3)，示于图5。表明该方法在毒品定量分析方面具有一定的应用潜力。

图5 包装袋表面甲基苯丙胺的定量分析曲线Fig.5 Quantitation of methamphetamine on the bag surfaces

3 结论

直接采样电离和小型质谱技术的快速发展有效支撑了质谱在现场快速检测领域的应用。在实际应用过程中，需综合考虑电离、采样、萃取洗脱等因素对检测结果的影响。本工作针对目前直接电离采样方法对部分毒品电离效率低的问题，开发了一种基于萃取电喷雾的新型直接毛细管喷雾方法及相应的试剂盒，该方法操作简便、样品洗脱效率高、大大减弱了采样纸对化合物的吸附。通过与小型质谱联用，可以快速检测包装袋表面、饮料、血液等基质中多种毒品，且能够对定性和定量分析性能进行验证。结果表明，本方法呈现良好的稳定性和较高的检测灵敏度，有效扩宽了直接采样电离质谱对毒品的适用范围，有望用于环境表面、食品、生物体液等复杂基质中多种毒品的现场快速检测。