原位电离便携式质谱研究卡西酮类毒品的裂解规律和分析策略

李雅文，连 茹，王跨陡，夏 攀，卜杰洵，邱秉林，张玉荣

(1.中国医药工业研究总院，上海医药工业研究院，创新药物与制药工艺国家重点实验室，上海 200040；2.上海市公安局物证鉴定中心，上海市现场物证重点实验室，上海 200083；3.北京清谱科技有限公司，北京 100084)

新精神活性物质是在管制毒品结构的基础上设计和非法制造的毒品衍生物[1-2]，用于模仿管控毒品的精神作用，逃脱刑法制裁，以“合法高点”、“沐浴盐”、“植物食品”等名称进行销售[3-5]。截止2019年，所报道的新精神活性物质已经超过800种，涉及全球110多个国家且依然在不断增加，给全球公共安全带来极大的挑战，被描述为“全球范围内的流行病”[1,6-7]。合成大麻素和卡西酮类是新精神活性物质中数量最多的类别[8]。有数据表明，卡西酮类与大麻相比能更快地出现成瘾性和戒断综合征[9]。卡西酮类物质通过口服、吸入或注射的方式，产生类似苯丙胺、可卡因和摇头丸的作用，能够产生短暂的欣快感、刺激性、轻微的性唤醒等症状，使吸服者频繁服用[4,10-13]，造成癫痫发作，肾和肝功能衰竭等，进而导致死亡[14-15]。我国从2001年起就将氯胺酮列入管制，经过多次增补，至今已有170种新精神活性物质被列入管制，其中卡西酮类毒品共有51种[16]。

关于卡西酮类物质的质谱裂解规律已有报道[17-20]，但较为零散，且只有少数涉及我国列管目录，因此需要一套相对完整、涵盖范围广的研究作为补充以支持我国的禁毒工作。传统的研究方法有气相色谱-质谱法、超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱法等[21-22]，然而这些方法对进样和分析条件要求较高，且局限于设备所在地点，不能实现现场快速检测。近年来，原位电离技术发展迅速，如解吸电喷雾电离(DESI)、实时直接分析(DART)、低温等离子体(LTP)、纸喷雾电离(PSI)等，无需或仅需简单的前处理，即可在常温常压下对样品进行直接分析[23-25]。基于原位电离的便携式质谱更是突破了传统的质谱技术，具有体积小、质量轻、功率低、便携带等特点，可不受地点与环境的限制，实现现场快速检测，已经成功应用于食品安全、公共安全、生命科学、环境监测等领域[26-27]。纸毛细管喷雾(PCS)是在纸喷雾基础上做出改进[28]，便于发展成一次性试剂盒与便携式质谱联用，能够适应现场多种形态样品的快速检测技术。目前，未见使用PCS及便携式质谱进行卡西酮类毒品研究的报道。

本工作拟采用PCS原位电离便携式质谱分析国内列管的40种卡西酮类毒品，研究其裂解规律，建立筛查数据库并设计分析策略，将其应用于未知物的鉴定，希望为现场快速筛选卡西酮类可疑物质提供数据支持。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

B1001 Mini β小型质谱分析仪、PCS开发专用盒：中国清谱(上海)分析仪器有限公司产品，示于图1。

图1 卡西酮类毒品的化学结构(a)，PCS试剂盒(b)及Mini β小型质谱分析仪装置图(c)Fig.1 Chemical structure of cathinones (a), PCS cartridge (b) and equipment diagram of Mini β mass spectrometer (c)

2-氟甲卡西酮(2-FMC)、2-甲基甲卡西酮(2-MMC)、3,4-二甲基甲卡西酮(3,4-DMMC)、3-氯甲卡西酮(3-CMC)、3-甲氧基甲卡西酮(3-MeOMC)、3-甲基甲卡西酮(3-MMC)、4-溴甲卡西酮(4-BMC)、4-氯甲卡西酮(4-CMC)、4-氟甲卡西酮(4-FMC)、1-(4-氟苯基)-2-(N-吡咯烷基)-1-戊酮(4-F-α-PVP)、1-(4-甲基苯基)-2-甲氨基-1-丁酮(4-MeBP)、1-(4-甲氧基苯基)-2-(N-吡咯烷基)-1-戊酮(4-MeO-α-PVP)、1-苯基-2-甲氨基-1-丁酮(buphedrone)、2-甲氨基-1-[3,4-(亚甲二氧基)苯基]-1-丁酮(butylone)、2-二甲氨基-1-[3,4-(亚甲二氧基)苯基]-1-丙酮(dimethylone)、3,4-亚甲二氧基乙卡西酮(ethylone)、1-[3,4-(亚甲二氧基)苯基]-2-(N-吡咯烷基)-1-丁酮(MDPBP)、1-[3,4-(亚甲二氧基)苯基]-2-(N-吡咯烷基)-1-丙酮(MDPPP)、4-甲氧基甲卡西酮(methedrone)、1-苯基-2-乙氨基-1-丁酮(NEB)、1-苯基-2-甲氨基-1-戊酮(pentedrone)、1-苯基-2-(N-吡咯烷基)-1-丁酮(α-PBP)、1-苯基-2-(N-吡咯烷基)-1-己酮(α-PHP)、1-苯基-2-(N-吡咯烷基)-1-庚酮(α-PHPP)、1-苯基-2-(N-吡咯烷基)-1-戊酮(α-PVP)、1-(2-噻吩基)-2-(N-吡咯烷基)-1-戊酮(α-PVT)、4-氯乙卡西酮(4-CEC)、1-[3,4-(亚甲二氧基)苯基]-2-乙氨基-1-戊酮(N-ethylpentylone)、1-(4-氯苯基)-2-(N-吡咯烷基)-1-戊酮(4-Cl-α-PVP)、1-(4-氯苯基)-2-(N-吡咯烷基)-1-丙酮(4-Cl-α-PPP)、1-[2-(5,6,7,8-四氢萘基)]-2-(N-吡咯烷基)-1-戊酮(β-TH-naphyrone)、1-(4-氟苯基)-2-(N-吡咯烷基)-1-己酮(4-F-α-PHP)、1-[3,4-(亚甲二氧基)苯基]-2-(N-吡咯烷基)-1-己酮(MDPHP)、1-(4-甲基苯基)-2-甲氨基-1-戊酮(4-MPD)、1-(4-氯苯基)-2-乙氨基-1-戊酮(4-Cl-EAPP)、1-(4-氯苯基)-2-甲氨基-1-戊酮(4-Cl-pentedrone)、亚甲基二氧吡咯戊酮(MDPV)、4-甲基乙卡西酮(4-MEC)、4-甲基甲卡西酮(4-MMC)、3,4-亚甲二氧基甲卡西酮(methylone)、1-[3,4-(亚甲二氧基)苯基]-2-甲氨基-1-戊酮(pentylone)、1-(4-甲基苯基)-2-(N-吡咯烷基)-1-己酮(4-MPHP)、3,4-亚甲二氧基丙卡西酮(propylone)、奥芬太尼、1-己基-3-(1-萘甲酰基)吲哚(JWH-019)、N,N-二烯丙基-5-甲氧基色胺(5-MeO-DALT)、2,5-二甲氧基苯乙胺(2C-H)标准品：纯度大于98%，上海原思标物科技有限公司产品；甲醇：色谱级，德国Merck公司产品。各毒品标准品储备液用甲醇稀释配制成1 mg/L的甲醇溶液，供检测用。

1.2 实验条件

使用PMS Client Pro程序控制Mini β小型质谱分析仪在正离子模式下进行电离，喷雾电压4.5 kV，质量扫描范围m/z50～1 000。各毒品的碰撞诱导解离(CID)能量列于表1。

1.3 数据库的信息采集

取20 μL各毒品溶液至PCS试剂盒的样品窗口，取200 μL甲醇洗脱剂至溶剂窗口。收集全扫描模式(MS1)、选择离子扫描模式(MS1_ISO)、产物离子扫描模式(MS2)、盲筛产物离子扫描模式(MS2_DDA)谱图各3张，通过MS1与MS1_ISO判断待测物的[M+H]+准分子离子峰，通过MS2与MS2_DDA判断待测物的碎片离子峰及相对丰度比。

2 结果与讨论

2.1 一级质谱分析

在正离子模式下，40种卡西酮类毒品均存在[M+H]+准分子离子峰，其中4、7、8、29、30、35、36号含Br、Cl取代的物质存在明显的[M+2+H]+同位素峰。

2.2 串联质谱分析

本实验使用Mini β小型质谱分析仪在正离子模式下进行电离，所得部分卡西酮类毒品的MS2图及断裂位点，示于图2。

图2 1(a)、2(b)、3(c)、10(d)、14(e)、23(f)、31(g)、37(h)、40(i)号卡西酮类毒品MS2质谱图Fig.2 MS2 spectra of No.1 (a), 2 (b), 3 (c), 10 (d), 14 (e), 23 (f), 31 (g), 37 (h), 40 (i) cathinones

2.2.1丢失中性分子水 除15个化合物(10、12、15、17、18、22、23、24、25、26、29、31、32、33、37)外，其他毒品的二级质谱均存在失去18 u碎片离子，推测为失去1分子水，且绝大多数[M-H2O+H]+碎片为最强离子峰(7号和30号化合物除外，7号化合物的最强离子峰为m/z145[C10H11N]+，是[M-H2O+H]+失去苯环上H—Br所得，其他所有卡西酮类毒品均没有Br取代；30号化合物的最强离子峰为α位的C—N裂解所得)。这些失水且[M-H2O+H]+为最强离子峰的化合物存在仲胺结构，未失水化合物的共同特征为N上是叔胺结构。因此，可根据[M—H2O+H]+碎片是否为最强离子峰判断化合物是否存在仲、叔胺结构。

2.2.2α位的C—N裂解 卡西酮类毒品结构均含有1个氮原子，其二级质谱均存在质荷比为奇数的碎片离子，根据氮规则可判断失去了氮原子部分，失去的部分碎片离子均为m/z31(—CH5N)、m/z45(—C2H7N)和m/z71(—C4H9N)，表明卡西酮类毒品经过α位的C—N裂解失去R1—NH—R2结构产生[M—R1—NH—R2+H]+碎片离子。因此，α位的C—N裂解是卡西酮类毒品的质谱裂解特征。

虽然在40种卡西酮类毒品中没有观察到明显的共同特征碎片峰，但这些毒品具有共同的骨架和相似的分子结构，逐一对比后发现，其裂解途径存在高度的规律性。所涉及的卡西酮类毒品包含6组共计18种同分异构体，有些存在相同的特征碎片峰，可根据出现的不同特征碎片峰及相同特征碎片峰的相对丰度比进行区分。其中1和9号、2和39号、4和8号、5和19号苯环取代官能团相同但取代位点不同，因此仅使用此质谱技术无法区分。

2.3 特殊取代物质的裂解规律

2.3.1N上取代物质的裂解规律 N上取代基主要有氢、甲基、乙基以及C4H8与N形成的吡咯烷基。根据取代基不同可将卡西酮类毒品分为仲胺和叔胺结构，含有仲胺结构的卡西酮类毒品会失去1分子水形成[M-H2O+H]+碎片，与经过α位的C—N裂解失去R1—NH—R2结构产生[M—R1—NH—R2+H]+碎片。含有叔胺结构的卡西酮类毒品则不会失去1分子水，且含有吡咯烷基的卡西酮类毒品会形成m/z98[C6H12N]++CnH2n(即当n=0时，m/z98)的吡咯烷基特征峰，以及失去吡咯烷基的特征峰，因此是在α位C和β位C之间形成断裂。以1-苯基-2-(N-吡咯烷基)-1-庚酮为例，m/z260[C17H26NO]+为[M+H]+峰，一方面根据N上取代物质的裂解规律，经过C—C键断裂形成m/z154[C10H20N]+吡咯烷基峰；另一方面经过C—N裂解形成m/z189 [C13H17O]+，然后在α位C取代部位经过一系列的烷烃链断裂形成m/z133[C9H9O]+、m/z119 [C8H7O]+、m/z105[C7H5O]+，其可能的裂解途径示于图3。

图3 1-苯基-2-(N-吡咯烷基)-1-庚酮可能的裂解途径Fig.3 Proposed fragmentation pathways of α-PHPP

m/z98[C6H12N]+、m/z112[C7H14N]+、m/z126[C8H16N]+、m/z140[C9H18N]+、m/z154[C10H20N]+吡咯烷基系列特征峰在所测的系列化合物中均存在，根据这一特征可判断物质的N取代状态。

2.3.2苯环取代物质的裂解规律 苯环上取代基主要有烷基、甲氧基、F、Cl、Br和亚甲二氧基，其中烷基、甲氧基、F取代的物质裂解较简单，多数为失去1分子水形成[M—H2O+H]+碎片且为最强离子峰，经过α位的C—N裂解失去R1—NH—R2结构产生[M—R1—NH—R2+H]+碎片。苯环上取代则较稳定，苯环上的烷基、甲氧基、F均没有发生断裂，Cl、Br取代的物质会发生苯环上的断裂失去取代，其中失去HBr碎片峰为最强离子峰，失去Cl的碎片离子峰弱于[M—H2O+H]+峰。亚甲二氧基取代的物质最复杂，以1-[3,4-(亚甲二氧基)苯基]-2-乙氨基-1-戊酮(28号化合物)为例，m/z250 [C14H20NO3]+为[M+H]+峰失去1分子水形成m/z232[C14H18NO2]+最强离子峰，m/z205[C12H13O3]+为失去45 u的奇数碎片离子，由[M+H]+峰经过α位C—N裂解所得，m/z202[C13H16NO]+是[M+H]+峰失去48 u(CH4O2)所得，这是文献[18,20]中亚甲二氧基取代的裂解途径，在14和40号化合物中也观察到失去CH4O2碎片离子峰，但在同样具有亚甲二氧基取代的15、17、18、33、37号化合物中未观察到失去CH4O2碎片离子峰，但均存在失去30 u(CH2O)碎片离子峰，可能是苯环上亚甲二氧基裂解生成醚[29]。15、17、18、33、37号化合物不存在失去水的碎片，14和40号化合物存在失去水的碎片，因此在14和40号化合物中观察到的失去48 u(CH4O2)碎片离子峰既有可能是[M+H]+峰直接失去苯环取代的亚甲二氧基，也有可能是先失去苯环上18 u(1分子水)，再失去30 u (CH2O)所得，这与观察到的15、17、18、33、37号化合物一致。因此，m/z202[C13H16NO]+、m/z175[C11H11O2]+可能是m/z232[C14H18NO2]+和m/z205[C12H13O3]+分别失去CH2O所得。28号化合物的裂解途径示于图4。

图4 1-[3,4-(亚甲二氧基)苯基]-2-乙氨基-1-戊酮可能的裂解途径Fig.4 Proposed fragmentation pathways of N-ethylpentylene

2.4 分析策略及应用

本实验建立了用于Mini β小型质谱仪快速筛选40种卡西酮类毒品的数据库。该数据库包含40种卡西酮类毒品的名称、化学式、准分子离子峰(即[M+H]+峰)、至少2个特征碎片离子。通过对比未知物的一级质谱图确定[M+H]+峰，经MS2_DDA模式得到碎片离子，利用数据库与[M+H]+峰和碎片离子进行对比快速筛选目标物。

MS2是给予一定CID能量使[M+H]+峰碎裂为不同的碎片，但又保证[M+H]+峰不完全碎裂，因此MS2谱图中同时具有母离子和子离子。MS2_DDA则是使用程序内置的优化碎裂能量使[M+H]+峰完全碎裂，这个能量不需要探索，具有节省时间、普适性更高的特点。MS2与MS2_DDA所得的特征碎片离子是相同的，只是部分丰度不同。因此使用MS2与MS2_DDA确定待测物的特征碎片离子及推测裂解途径，检测未知物时可以结合MS1与MS2_DDA判断母离子和子离子。

结合数据库及裂解规律建立分析策略，将其应用于10种未知待测物A～J，流程图示于图5。

图5 分析策略流程图Fig.5 Flow chart of analysis strategy

根据以上方法判断，待测物A、B、C质谱信息满足步骤Ⅰ，与数据库中7、16、30号化合物一致，推测其分别为4-BMC、ethylone、4-Cl-α-PPP。待测物D、E、F、G质谱信息不符合步骤Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，推测其为非卡西酮类物质，即分别为奥芬太尼(芬太尼类)、JWH-019(合成大麻类)、5-MeO-DALT(色胺类)、2C-H(苯乙胺类)。

待测物H质谱信息未匹配到数据库信息，其[M+H]+峰为m/z236，无[M+2+H]+同位素峰，表明待测物不含Br、Cl。二级质谱图最强离子峰为m/z218，满足步骤Ⅲ且为仲胺结构。m/z205为m/z236失去31 u(—CH5N)，满足步骤Ⅳ，推测为卡西酮类毒品，且此物质R1=CH3，R2=H，存在m/z236失去48 u特征峰，满足步骤Ⅶ，表明R4苯环取代基为亚甲二氧基。以上信息综合所得的化合物结构与[M+H]+峰相差44 u，表明R3烷烃取代基为C3H7。

待测物I质谱信息未匹配到数据库信息，其[M+H]+峰为m/z260，无[M+2+H]+同位素峰，表明待测物不含Br、Cl。二级质谱图最强离子峰为m/z189，与[M+H]+峰相差71 u，且存在m/z140[C9H18N]+，满足步骤Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ，符合卡西酮类毒品的特征，推测含N部分结构为吡咯烷基，R3=C3H7，以上信息综合所得的化合物结构与[M+H]+峰相差15 u，表明R4取代基为CH3，但无法判断取代位点。

待测物J质谱信息未匹配到数据库信息，其[M+H]+峰为m/z236，无[M+2+H]+同位素峰。二级质谱图最强离子峰为m/z218，满足步骤Ⅲ且为仲胺结构。m/z177为m/z236失去59 u(—C3H9N)，满足步骤Ⅳ，推测为卡西酮类毒品，且此物质R1=C3H7，R2=H，存在m/z218失去30 u的m/z188特征峰，满足步骤Ⅶ，表明R4苯环取代基为亚甲二氧基，以上结构与[M+H]+峰相差15 u，表明R3烷烃取代基为CH3。

待测物H、I、J的推测信息列于表2。 10种未知物(包含常见的管制毒品类别)未发现干扰或误判，数据库可正常使用，使用分析策略推测的结构与实际结构相吻合，且涉及的同分异构体因其具有不同的碎片离子亦可区分，表明此方案可行。

表2 待测物H、I、J的结构信息Table 2 Structural information of analytes H, I, J

3 结论

本实验采用PCS原位电离Mini β小型质谱分析仪在正离子模式下对40种卡西酮类毒品进行质谱裂解规律分析，并建立质谱信息数据库用于卡西酮类毒品的快速筛查，研究其裂解规律，设计推断未知卡西酮类化合物的分析策略，并应用于10种待测物的结构推断。本方法只需简单的上样操作及一体化的小型质谱仪，不受地点与环境的限制，可以现场快速检测可疑物质，为快速、精确打击卡西酮类毒品犯罪发挥重要作用。