電噴霧萃取電離-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜快速分析一次性注射器中的揮發(fā)性有機(jī)物殘留

周文釗，陸 燕，夏 磊，黃超群，沈成銀，儲焰南

(1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，醫(yī)學(xué)物理與技術(shù)中心，醫(yī)學(xué)物理與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026)

一次性注射器是一種使用極為廣泛的醫(yī)療器械，在其生產(chǎn)制作過程中，會使用一些有機(jī)溶劑，如殺菌劑、粘合劑、以及橡膠活塞生產(chǎn)過程中添加的各種橡膠助劑等。這些殘留在注射器內(nèi)的有機(jī)物具有一定的毒性，進(jìn)行靜脈注射時(shí)，這些有機(jī)物殘留會隨著注射藥物進(jìn)入人體血液，從而危害人體健康。例如，用作粘合劑的環(huán)己酮進(jìn)入人體會抑制中樞神經(jīng)，并導(dǎo)致全身性血壓、心率的降低[1]。

目前，檢測一次性注射器等醫(yī)療器械中的揮發(fā)性有機(jī)物殘留的方法有氣相色譜法[2]、氣相色譜-質(zhì)譜法[3]、液相色譜法[4]等。但這些方法需要對樣品進(jìn)行預(yù)處理，過程耗時(shí)相對較長，無法實(shí)現(xiàn)快速檢測分析。相比之下，在線質(zhì)譜技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)樣品的快速檢測，如質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜是一種快速在線分析技術(shù)，具有響應(yīng)速度快、檢測靈敏度高等特點(diǎn)，已成功用于快速檢測分析一次性輸液管中的環(huán)己酮[5]。電噴霧萃取電離質(zhì)譜技術(shù)(EESI-MS)是最近發(fā)展起來的一種在線分析方法，該方法無需樣品預(yù)處理，能夠?qū)怏w樣品進(jìn)行快速分析[6-7]。本課題組采用電噴霧萃取電離-三重四極桿質(zhì)譜法分析檢測了一次性輸液管中的環(huán)己酮[8]。

本工作擬在商用ESI離子源的基礎(chǔ)上搭建一套EESI離子源，采用電噴霧萃取電離技術(shù)，并結(jié)合四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜，對不同品牌、不同體積的一次性醫(yī)用注射器進(jìn)行快速質(zhì)譜分析。利用飛行時(shí)間質(zhì)譜的高分辨率，得到化合物的準(zhǔn)確質(zhì)荷比，結(jié)合串聯(lián)質(zhì)譜分析，實(shí)現(xiàn)待測物質(zhì)的定性，希望為一次性注射器的質(zhì)量控制提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器裝置與進(jìn)樣

圖1 電噴霧萃取離子源示意圖Fig.1 Schematic diagram of EESI source

本實(shí)驗(yàn)所使用的EESI離子源是在商用ESI離子源基礎(chǔ)上改造而成，其結(jié)構(gòu)示于圖1。實(shí)驗(yàn)中，首先使用一次性注射器抽入實(shí)驗(yàn)室空氣，然后，利用注射泵把混合了揮發(fā)性有機(jī)物的空氣作為樣品氣體直接推入三通管路中。樣品氣體經(jīng)過長80 cm、內(nèi)徑1.5 mm的聚四氟乙烯管進(jìn)入離子源內(nèi)，被電噴霧萃取電離，產(chǎn)生的離子被引入質(zhì)譜系統(tǒng)進(jìn)行檢測。電噴霧萃取電離所用電噴霧溶液的流量設(shè)置為5 μL/min，霧化氣壓力為60 Pa。為了減少質(zhì)譜入口的污染，簾氣流量和溫度分別為4.0 L/min和200 ℃。整個(gè)進(jìn)樣管路和三通管都采用聚四氟乙烯材料，管路外包裹加熱帶，溫度維持在100 ℃，以防止樣品黏附在管路內(nèi)壁。另外，由于一次性注射器通常在常溫下使用，因此控制實(shí)驗(yàn)溫度約25 ℃，以考察注射器中有機(jī)物的揮發(fā)情況。這與一次性注射器的實(shí)際使用環(huán)境基本相符，可以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。

質(zhì)譜儀為四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜(Micro-TOF-QⅢ, Bruker Daltonics Inc., Fremont, CA, USA)。實(shí)驗(yàn)中，分別利用正、負(fù)離子兩種檢測模式對樣品氣體進(jìn)行檢測分析。結(jié)果表明：正離子模式下的離子種類和信號強(qiáng)度均優(yōu)于負(fù)離子模式，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)選取正離子模式進(jìn)行分析。質(zhì)譜的掃描范圍設(shè)置為m/z20～200，對化合物進(jìn)行串聯(lián)質(zhì)譜分析時(shí)，碰撞誘導(dǎo)解離(CID)的碎裂能量設(shè)置為(20±10) eV。

1.2 樣品與試劑

一次性注射器樣品：醫(yī)用級注射器，購自當(dāng)?shù)蒯t(yī)院。離子源的電噴霧試劑：含0.1%甲酸的甲醇水溶液(1∶1，V/V)；甲醇、甲酸：均為色譜級，德國Sigma公司產(chǎn)品；實(shí)驗(yàn)用水：由Thermo Barnstead Micro-Pure純水系統(tǒng)制得。

1.3 數(shù)據(jù)處理

由于樣品以空氣作為載氣，因此在數(shù)據(jù)處理過程中，需對采集到的原始譜扣除空氣背景。質(zhì)譜數(shù)據(jù)采用DataAnalysis 4.0軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 儀器參數(shù)的優(yōu)化

2.1.1載氣流量 環(huán)己酮是一次性醫(yī)療器械中常見的殘留有機(jī)物，為了考察載氣流量對離子強(qiáng)度的影響，選取環(huán)己酮作為檢測對象，進(jìn)行載氣流量優(yōu)化。首先，用500 μL玻璃注射器抽取環(huán)己酮標(biāo)準(zhǔn)樣品頂空氣體，通過注射泵以60 μL/min的速度推入三通管路中，保持其他參數(shù)不變，調(diào)節(jié)載氣流量依次為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 L/min，監(jiān)測環(huán)己酮離子(m/z99.080 2)強(qiáng)度的變化，檢測結(jié)果示于圖2a?？梢钥闯?，環(huán)己酮離子信號強(qiáng)度隨載氣流量增大而增大，但當(dāng)載氣流量大于3.5 L/min時(shí)，環(huán)己酮離子強(qiáng)度反而降低。因此，本實(shí)驗(yàn)選取的載氣流量為3.5 L/min。

2.1.2毛細(xì)管電壓 毛細(xì)管電壓的大小會影響樣品的電離效率，因此有必要對其進(jìn)行優(yōu)化。用500 μL的玻璃注射器抽取環(huán)己酮頂空氣體，通過注射泵以60 μL/min的速度推入三通管路中，載氣流量為3.5 L/min，毛細(xì)管電壓依次設(shè)置為3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 V，監(jiān)測環(huán)己酮離子強(qiáng)度的變化，結(jié)果示于圖2b?？梢?，環(huán)己酮離子的信號強(qiáng)度隨毛細(xì)管電壓增大而增大，但當(dāng)毛細(xì)管電壓大于4 000 V后，環(huán)己酮離子強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。因此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置毛細(xì)管電壓為4 000 V。

圖2 不同的載氣流量(a)和毛細(xì)管電壓(b)下環(huán)己酮離子強(qiáng)度的變化趨勢Fig.2 Dependence of ion intensity of cyclohexanone on sampling flow rate (a) and capillary voltage (b)

2.2 不同品牌注射器的快速質(zhì)譜分析

首先選取3種不同品牌(分別標(biāo)示為①，②，③)、體積均為10 mL的一次性注射器各3個(gè)，抽取10 mL實(shí)驗(yàn)室空氣，再用注射泵以60 μL/min注入離子源，進(jìn)行質(zhì)譜檢測分析。

扣除空氣本底后，從品牌①的2支注射器中得到的質(zhì)譜圖示于圖3?？梢钥闯?，m/z74.060 2、109.101 6、136.021 9離子的信號強(qiáng)度相對較高，除此之外，還檢測到m/z79.021 1、88.076 5、99.080 2、107.085 9、127.075 6、158.154 5離子。結(jié)果表明，在這2支一次性注射器中檢測到的離子種類及強(qiáng)度較為接近。

隨后，對3種品牌注射器分別進(jìn)行檢測分析，各自的特征質(zhì)譜圖示于圖4?？梢钥闯?，在不同品牌的一次性注射器中檢測到的物質(zhì)種類和強(qiáng)度差別較大。如前所述，品牌①注射器中，m/z74.060 2、109.101 6、136.021 9離子的信號強(qiáng)度相對較高；品牌②注射器的m/z74.060 2、88.076 5、136.021 9離子的相對強(qiáng)度較高；而在品牌③注射器中，m/z136.021 9離子的相對強(qiáng)度較高?？梢?，不同品牌注射器中檢測到的離子種類及相對強(qiáng)度存在較大差異，這可能是由不同廠家的生產(chǎn)工藝不同、生產(chǎn)過程中添加的有機(jī)物種類不同導(dǎo)致的。

根據(jù)離子準(zhǔn)確質(zhì)荷比以及同位素豐度，利用串聯(lián)質(zhì)譜得到的CID碎片，并結(jié)合已有的文獻(xiàn)研究結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)檢測物質(zhì)的定性分析。如Chen等[9]利用EESI-Q TOF分析檢測了人體皮膚等各種活體生物樣品表面的化合物，并對其中的物質(zhì)進(jìn)行了定性分析。本研究在3個(gè)品牌的一次性注射器中檢測到較多離子，選出信號強(qiáng)度大于5 000的10種離子，利用上述方法，并結(jié)合在線數(shù)據(jù)庫(HMDB、Metlin、Massbank)做定性分析。以m/z136.021 9離子為例，根據(jù)同位素豐度和準(zhǔn)確質(zhì)荷比，可確定其為[C7H5NS+H]+離子，進(jìn)一步對該離子做串聯(lián)質(zhì)譜分析，示于圖5?？梢?，在20 eV碎裂能量下只得到1個(gè)碎片離子[C6H5S]+(m/z109.011 1)，在30 eV碎裂能量下進(jìn)一步得到碎片離子[C5H5]+(m/z65.039 1)，由此認(rèn)為該化合物是苯并噻唑。據(jù)報(bào)道，該物質(zhì)可能來源于注射器橡膠活塞在生產(chǎn)過程中添加的硫化促進(jìn)劑[10]。以同樣的方法，對其他9種離子進(jìn)行鑒別分析，對應(yīng)的化合物信息列于表1。

注：a.第1支注射器；b.第2支注射器圖3 2支品牌①的10 mL注射器的質(zhì)譜圖Fig.3 Mass spectra of two 10 mL syringes with brand ①

注：a.品牌①；b.品牌②；c.品牌③圖4 3種不同品牌10 mL注射器的質(zhì)譜圖Fig.4 Mass spectra of 3 brands syringe with capacity of 10 mL

注：a.碎裂能量20 eV；b.碎裂能量30 eV圖5 離子m/z 136.021 9的串聯(lián)質(zhì)譜圖Fig.5 Tandem MS spectra of m/z 136.021 9

2.3 不同體積注射器的快速質(zhì)譜分析

為了考察不同體積注射器的有機(jī)物殘留情況，分別對品牌③的10、20、50 mL注射器進(jìn)行快速檢測，結(jié)果示于圖6。隨著注射器體積的增大，檢測到的m/z136.021 9、99.080 2、88.076 5、74.060 2等主要離子的濃度均有所增高，這是由于一次性注射器體積越大，所用到的粘合劑以及活塞橡膠材料越多，釋放出來的苯并噻唑、環(huán)己酮、嗎啉等有機(jī)物殘留越多。

2.4 環(huán)己酮半定量分析

為了考察注射器中有機(jī)物的殘留量，以環(huán)己酮為例，配制了濃度分別為0.26、0.53、2.63、5.25 μg/L的環(huán)己酮標(biāo)準(zhǔn)樣品氣體，標(biāo)準(zhǔn)曲線示于圖7。

離子強(qiáng)度和環(huán)己酮濃度的擬合方程為y=-3 124.52+30 598.51x，相關(guān)系數(shù)R2=0.993。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，該方法的檢出限LOD可由式(1)計(jì)算。

表1 一次性注射器中檢測到的10種揮發(fā)性有機(jī)物Table 1 10 volatiles detected in disposable syringe

圖6 4種碎片離子信號強(qiáng)度隨注射器體積的變化Fig.6 Relationship of ion intensity with injector volume

圖7 環(huán)己酮標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.7 Calibration curve of cyclohexanone

(1)

對濃度C為0.26 μg/L的環(huán)己酮樣品氣體進(jìn)行檢測，獲得的平均離子強(qiáng)度S為5 455(n=10)，標(biāo)準(zhǔn)偏差σ為890，由此計(jì)算得到的檢出限約為0.13 μg/L。

不同品牌的10 mL注射器中環(huán)己酮離子強(qiáng)度范圍在8 890～16 480，根據(jù)擬合方程，計(jì)算得到環(huán)己酮在10 mL注射器中的濃度范圍為0.39～0.64 μg/L，在50 mL注射器中其殘留量最高(對應(yīng)離子強(qiáng)度為74 113)，達(dá)到2.52 μg/L。盡管我國對一次性注射器中的環(huán)己酮?dú)埩粝蘖坎]有明確的標(biāo)準(zhǔn)，但研究表明，這些揮發(fā)性有機(jī)物對人體具有潛在的危害[12-19]，因此對這類醫(yī)療器械中的有機(jī)物殘留的監(jiān)測應(yīng)該引起足夠的重視。

3 結(jié)論

本研究采用電噴霧萃取電離技術(shù)結(jié)合四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜，對一次性醫(yī)用注射器進(jìn)行了快速檢測分析。通過優(yōu)化載氣流量和毛細(xì)管電壓等參數(shù)，獲得最佳的實(shí)驗(yàn)條件。在對3個(gè)不同品牌的一次性醫(yī)用注射器檢測研究中發(fā)現(xiàn)：同一品牌注射器中殘留的有機(jī)物種類及含量較為接近；而不同品牌注射器中殘留的有機(jī)物種類及含量差異明顯。選取信號強(qiáng)度大于5 000的10個(gè)離子，根據(jù)離子準(zhǔn)確質(zhì)荷比以及同位素豐度，利用串聯(lián)質(zhì)譜得到其CID碎片，結(jié)合在線數(shù)據(jù)庫的CID碎裂譜和已有的文獻(xiàn)報(bào)道，對這些物質(zhì)進(jìn)行了定性分析。最后，對注射器中的環(huán)己酮進(jìn)行了半定量分析，得到該方法下環(huán)己酮的檢出限約為0.13 μg/L，不同品牌的10 mL注射器中環(huán)己酮的含量為0.39～0.64 μg/L，50 mL注射器中環(huán)己酮的殘留濃度約為2.52 μg/L。本研究可為一次性注射器中揮發(fā)性有機(jī)物殘留的快速檢測提供技術(shù)參考。

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