用于美沙芬快速檢測的電噴霧離化離子遷移率譜技術研究

李泳明，高曉光，李建平，賈　建，李艷志，何秀麗

(1．中國科學院電子學研究所傳感技術國家重點實驗室，北京　100190；2．中國科學院大學，北京　100190)

0　引言

離子遷移率譜(Ion Mobility Spectrometry，IMS)是20世紀60年代末發(fā)展起來的一項基于氣相離子在電場中遷移速率的差異對物質進行表征的分析技術[1]。與傳統(tǒng)的色譜和質譜等檢測技術相比具有設備結構相對簡單，易于小型化和便攜化，操作方便等特點，在各種現(xiàn)場檢測中優(yōu)勢明顯，已成為全世界最常用的快速檢測技術，被廣泛應用到爆炸物、化學藥物及毒品的檢測中[1]。將樣品有效離化是進行IMS檢測的首要過程，電噴霧離化(Electrospray Ionization，ESI)早在20世紀60年代就得到廣泛關注，并在1984年被用作質譜離化源[2]，進而得到普及應用。作為一種“軟電離”方法，電噴霧離化可以在不破壞樣品分子結構的前提下，直接將液體樣品離化成氣相離子。電噴霧離化的離子遷移率譜技術(ESI-IMS)非常適合對水、體液等液體樣品中痕量化學物質的檢測，已經(jīng)成功應用于體液中戊唑辛[3]以及自然水體中無機離子[4]的快速檢測。

美沙芬(Dextromethorphan)是一種有效的中樞性鎮(zhèn)咳藥物，因其效果明顯、毒副作用小而在感冒、鎮(zhèn)咳等藥品中大量使用。由于美沙芬在大劑量使用情況下會出現(xiàn)類似毒品的迷幻效果，使得美沙芬的快速高效檢測成為藥品安全領域的研究熱點。但傳統(tǒng)的色譜、質譜等檢測方法分析周期長、操作復雜，不適合現(xiàn)場快速檢測。Roberto等利用ESI-IMS實現(xiàn)美沙芬的快速檢測并首次給出其約化遷移率，但所檢測樣品濃度較高(0.5 mM，～135 mg/L)，而且沒有給出檢測限等定量信息[5]。

采用ESI-IMS進行美沙芬檢測，研究樣品流量、電噴液成分和漂移管溫度等工作參數(shù)的影響，實現(xiàn)美沙芬的快速、高靈敏檢測，并使用純中藥止咳片劑驗證系統(tǒng)對實際樣品中美沙芬檢測的可行性。

1　實驗部分

1．1藥品

美沙芬樣品(氫溴酸右美沙芬，Dextromethorphan Hydrobromide)購于中國食品藥品檢定研究院。高效液相色譜純甲醇(MeOH)和分析純乙酸(Ac)購于國藥集團北京試劑公司。超純水由超純水凈化系統(tǒng)(美誠，MW-D20)制得。純中藥止咳片劑購買于藥店。

1．2電噴霧離化離子遷移率譜裝置

電噴霧離化離子遷移率譜裝置為實驗室自制，主要由電噴霧離化源、漂移管及輔助設備3部分組成。其結構如圖1所示。

圖1　電噴霧離化離子遷移率譜裝置結構示意圖

電噴霧離化源主要由電噴霧接插件、零死體積不銹鋼直通和石英毛細管(320 μm×75 μm，外徑×內徑)組成。具體結構參數(shù)如文獻[6]所述。漂移管是離子遷移率譜裝置的主體部分，主要包括離化區(qū)、離子門、漂移區(qū)和法拉第盤區(qū)。離化區(qū)和漂移區(qū)均使用不銹鋼金屬環(huán)(36 mm×50 mm，內徑×外徑)和聚四氟乙烯環(huán)(38 mm×48 mm，內徑×外徑)交錯重疊而成，離子門采用Bradbury-Nielsen離子柵門。為提高系統(tǒng)的信噪比，將表面鍍金的法拉第盤安裝于柵網(wǎng)后的金屬屏蔽殼內，以達到良好的屏蔽效果。輔助設備主要包括注射泵、直流高壓電源、分壓電路、離子門驅動電路、氣路、恒溫裝置、信號放大及采集裝置。電噴液在注射泵驅動下通過離化源以帶電液滴的形式進入漂移管的離化區(qū)，經(jīng)歷去溶劑過程生成氣相樣品離子，然后通過離子門進入漂移區(qū)，不同的氣相離子由于質量、碰撞截面及帶電情況的差異，到達法拉第盤所用時間不同，通過對比離子到達法拉第盤所用時間區(qū)分被測物離子。

實驗中電噴霧離化離子遷移率譜裝置的參數(shù)如表1所示。

表1　ESI-IMS參數(shù)

2　結果與討論

2．1美沙芬譜圖與約化遷移率

為了有效地判斷美沙芬特征峰的位置，對比了空白圖譜和美沙芬樣品圖譜(圖2所示)。

圖2　空白溶液與美沙芬樣品的ESI-IMS譜圖

其中空白圖譜所用的電噴液為甲醇、水(體積比為9∶1)和乙酸(1%，體積分數(shù))混合而成的溶劑，即空白溶液，而美沙芬圖譜所用電噴液為利用上述溶劑配制的9 mg/L的美沙芬樣品。根據(jù)文獻[7]報道，甲醇、水和乙酸混合液經(jīng)電噴霧離化形成水合質子((H2O)nH+，n≥1)及質子化乙酸甲酯(C3H7O2+)，在譜圖中表現(xiàn)為A和B兩個離子峰，通常稱其為溶劑峰。對比美沙芬樣品譜圖和空白譜圖可知，C為美沙芬的特征離子峰，其漂移時間為16.7 ms．為了準確得到美沙芬特征離子的約化遷移率，使用四丁基溴化銨作為系統(tǒng)標定物，計算出水合質子和質子化乙酸甲酯的約化遷移率分別為2.40 cm2/Vs和2.22 cm2/Vs，美沙芬特征離子的約化遷移率為1.23 cm2/Vs，與Hill[5，7]和Saraji[8]所報道的約化遷移率一致。

2．2漂移管溫度對特征峰強度的影響

電噴霧離化離子遷移率譜系統(tǒng)漂移管溫度決定了離子簇的擴散速度及系統(tǒng)的去溶劑化效果，對美沙芬檢測效果有著重要的影響。圖3是5 mg/L的美沙芬樣品在不同漂移管溫度(100 ℃、120 ℃、150 ℃、180 ℃和200 ℃)下的離子遷移率譜圖。

圖3　不同漂移管溫度下美沙芬的ESI-IMS譜圖

由圖3可知，不同漂移管溫度下美沙芬的特征離子峰強度基本上無變化，這與文獻[9]所報道的溫度對被測物峰值無明顯影響一致。當溫度低于150 ℃時，溶劑峰A和B成為一個單峰，這主要是由于溫度過低時，系統(tǒng)的去溶劑化效果差，溶劑峰所對應的離子簇無法有效分開。通過比較不同溫度下美沙芬的約化遷移率發(fā)現(xiàn)，當漂移管溫度在150 ℃以上時，美沙芬的約化遷移率基本不變，而當溫度低于150 ℃時，美沙芬的約化遷移率隨溫度降低而減小。Hill[9]等認為溫度過低時，由于去溶劑化不徹底，樣品特征離子攜帶了大量溶劑分子，增加了離子的碰撞截面，進而降低了樣品特征離子的約化遷移率。為了得到準確的樣品特征離子約化遷移率，系統(tǒng)溫度不得低于150 ℃．

2．3樣品流量對特征峰強度的影響

為了在穩(wěn)定電噴霧條件下得到美沙芬的最強產(chǎn)物離子峰，比較了不同流量下5 mg/L美沙芬樣品的ESI-IMS譜圖(圖4所示)。

圖4　不同樣品流量下5 mg/L美沙芬的ESI-IMS譜圖

在低流量下(0～2 μL/min)，隨著樣品流量的增大，美沙芬特征峰強度得到顯著提高，當流量從2 μL/min提高到4 μL/min時，美沙芬特征峰強度變化不明顯。當樣品流量達到3 μL/min及以上時，譜圖信號出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，電噴霧電流較大且變化強烈，這主要是由于大流量下電噴霧過程去溶劑化不徹底，使得大量未完全去溶劑化的液滴簇直接碰撞到法拉第盤上，從而導致采集的電流信號不穩(wěn)定。因此，為了得到高效、穩(wěn)定的電噴霧離化，美沙芬檢測中將樣品流量設置為2 μL/min．

2．4電噴液成分對特征峰強度的影響

通常情況下，電噴液中有機溶劑(甲醇或乙腈)和水的比例為1∶1，并含有0.1%～5%(體積分數(shù))的助離子化試劑(甲酸、乙酸等)。其中助離子化試劑主要是通過改變溶液的酸堿度來提高離化效率[10]，實驗發(fā)現(xiàn)1%和5%的乙酸含量對美沙芬特征峰強度無明顯影響，在進一步實驗中選取1%乙酸含量的電噴液。電噴液中甲醇與水的比例對檢測效果有一定影響。由于甲醇比水表面張力小，增加甲醇比例有助于電噴霧中帶電液滴的分裂，從而提高離化效率，且有機溶劑揮發(fā)性好，可以提高系統(tǒng)的去溶劑化效果。為了得到美沙芬檢測中最優(yōu)的電噴液成分，利用甲醇跟水比例分別為1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1、99∶1的溶劑配制3 mg/L美沙芬樣品溶液的離子遷移率圖譜如圖5所示。

圖5　不同溶劑配制美沙芬樣品的ESI-IMS譜圖

當電噴液中水含量過高(甲醇∶水=1∶9)時，由于電噴液的表面張力大，ESI需要較高的電壓以形成穩(wěn)定電噴霧[11]，從而容易導致空氣擊穿產(chǎn)生放電現(xiàn)象。從圖5中可知，美沙芬離子峰C的強度隨著甲醇濃度的提高而增大，在甲醇與水的比例為9∶1時達到極大值，當甲醇與水的比例繼續(xù)增大到99∶1時，美沙芬離子峰C的強度又有所減小。這可能是由于水分子比甲醇分子具有更強的氫鍵，容易形成離子簇[12]，因此水作為電噴霧溶液的有效成分是很有必要的。

2．5樣品檢測

針對美沙芬檢測，優(yōu)化后的ESI-IMS系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2　ESI-IMS系統(tǒng)工作參數(shù)

圖6為美沙芬特征離子峰及溶劑峰強度與樣品中美沙芬濃度的關系曲線。隨著濃度的提高，美沙芬特征離子峰強度也逐漸增大，當濃度達到11 mg/L左右時，美沙芬特征離子峰強度達到飽和。在0～10 mg/L的濃度范圍內，美沙芬特征峰強度與濃度有良好的線性關系，根據(jù)三倍噪聲計算檢測限為～40 μg/L；隨著美沙芬濃度提高和特征離子峰強度的增大，溶劑峰的強度明顯降低，這是因為被測物與溶劑分子存在電荷競爭關系[10]，隨著樣品濃度的增加，溶劑離子所得到的電荷數(shù)量相對減少，造成溶劑峰強度降低。

圖6　美沙芬特征離子峰及溶劑峰強度與樣品濃度關系

為了進一步驗證系統(tǒng)對實際樣品中美沙芬的檢測效果，對市場上購買的一種純中藥止咳片劑用甲醇溶解并過濾后進行ESI-IMS檢測。圖7為止咳藥實際樣品及在其中加入美沙芬標準溶液后的ESI-IMS譜圖。

圖7　加入美沙芬前后的止咳藥樣品的ESI-IMS譜圖

實際樣品圖譜中離子峰C所對應的約化遷移率為1.23 cm2/Vs，與美沙芬的約化遷移率一致；而且峰C強度在加入美沙芬標準溶液后增大，從而判定離子峰C為美沙芬的特征離子峰，說明該中藥止咳片劑中含有美沙芬成分。

3　結束語

文中研究了用于美沙芬快速檢測的電噴霧離化離子遷移率譜技術，從漂移管溫度、樣品流量及電噴液成分3個方面對ESI-IMS系統(tǒng)工作參數(shù)進行優(yōu)化，實現(xiàn)美沙芬的快速高靈敏檢測，得到的美沙芬特征離子約化遷移率為

1.23 cm2/Vs，與文獻報道一致，通過三倍噪聲計算得到美沙芬的檢測限為～40 μg/L．利用ESI-IMS系統(tǒng)在市售的一種純中藥止咳片劑中檢測到美沙芬成分，驗證了系統(tǒng)對實際樣品中美沙芬檢測的可行性。

參考文獻：

[1]BORSDORF H，MAYER T，ZAREJOUSHEGHANI M，et al．Recent Developments in Ion Mobility Spectrometry．Applied Spectroscopy Reviews，2011，46(6)：472-521．

[2]YAMASHITA M，F(xiàn)ENN J B．Negative-ion production with the electrospray ion-source．Journal of Physical Chemistry，1984，88(20)：4671-4675．

[3]SARAJI M，JAFARI M T，SHERAFATMAND H．Hollow fiber-based liquid-liquid-liquid microextraction combined with electrospray ionization-ion mobility spectrometry for the determination of pentazocine in biological samples．Journal of Chromatography A，2010，1217(32)：5173-5178．

[4]DION H M，ACKERMAN L K，HILL H H．Detection of inorganic ions from water by electrospray ionization-ion mobility spectrometry．Talanta，2002，57(6)：1161-1171．

[5]FERN NDEZ-MAESTRE R，HILL H H．Ion mobility spectrometry for the rapid analysis of over-the-counter drugs and beverages．International Journal for Ion Mobility Spectrometry，2009，12(3)：91-102．

[6]萬歷．用于離子遷移率譜儀的電噴霧離化源及其在抗生素檢測中的應用：[學位論文]．北京：中國科學院大學，2013.

[7]WU C，SIEMS W F，HILL H H．Secondary electrospray ionization ion mobility spectrometry/mass spectrometry of illicit drugs．Analytical Chemistry，2000，72(2)：396-403．

[8]MIRMAHDIEH S，KHAYAMIAN T，SARAJI M．Analysis of dextromethorphan and pseudoephedrine in human plasma and urine samples using hollow fiber-based liquid-liquid-liquid microextraction and corona discharge ion mobility spectrometry．Microchimica Acta，2012，176(3-4)：471-478．

[9]CHEN Y H，HILL H H，WITTMER D P．Thermal effects on electrospray ionization ion mobility spectrometry．International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes，1996，154(1-2)：1-13．

[10]LEE D S，WU C，HILL H H．Detection of carbohydrates by electrospray ionization ion mobility spectrometry following microbore high-performance liquid chromatography．Journal of Chromatography A，1998，822(1)：1-9．

[11]SMITH D．The electrohydrodynamic atomization of liquids．Industry Applications，IEEE Transactions on，1986(3)：527-535．

[12]TANG X T，BRUCE J E，HILL H H，et al．Characterizing Electrospray Ionization Using Atmospheric Pressure Ion Mobility Spectrometry．Analytical Chemistry，2006，78(22)：7751-7760．