小型化離子阱質(zhì)譜儀在毒品快速采集與分析中的應(yīng)用

富 慶，尤曉明，金 潔

(公安部第三研究所，上海 200031)

毒品犯罪及毒品泛濫已構(gòu)成全球性威脅，有學(xué)者研究全球性的毒品犯罪活動(dòng)后認(rèn)為，人類社會(huì)正在經(jīng)歷一場(chǎng)席卷全球的“第三次世界大戰(zhàn)”[1]。毒品泛濫對(duì)我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和公共衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，我國(guó)一直致力于對(duì)毒品合成、走私及使用的打擊[2-3]。截至2014年底，全國(guó)累計(jì)登記吸毒人員295.5萬(wàn)名，全國(guó)共破獲毒品犯罪案件14.59萬(wàn)起，抓獲毒品犯罪嫌疑人16.89萬(wàn)名，繳獲各類毒品合計(jì)68.95 t[4]。打擊毒品犯罪活動(dòng)離不開(kāi)毒品檢測(cè)技術(shù)的支持，常規(guī)方法有化學(xué)檢驗(yàn)法、色譜法、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法以及免疫學(xué)檢測(cè)法等[5-10]，這些方法雖然能夠滿足毒品定性、定量的要求，但同時(shí)也存在一定的缺陷。如，需要對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，耗時(shí)較長(zhǎng)；需要大量昂貴的儀器，檢測(cè)成本較高。因此，這些傳統(tǒng)的毒品分析方法只適合于實(shí)驗(yàn)室，難以應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。就我國(guó)目前嚴(yán)峻的禁毒形勢(shì)而言，毒品案件偵破中急需體積小、質(zhì)量輕、快速、準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)便的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，鑒定毒品的取證設(shè)備和技術(shù)。

離子阱質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展起步于20世紀(jì)50年代，先后經(jīng)歷了質(zhì)量挑選檢測(cè)、質(zhì)量挑選貯存、質(zhì)量挑選噴射和離子阱的小型化四個(gè)主要階段[11-14]。盡管離子阱的質(zhì)量分辨率比飛行時(shí)間質(zhì)量分析器(TOF)差，但其具有靈敏度高、分析速度快、對(duì)真空要求較低、控制簡(jiǎn)單、極易實(shí)現(xiàn)時(shí)間串聯(lián)等特點(diǎn)，使其在小型化方面的優(yōu)勢(shì)明顯[14-18]，適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)或在線分析。目前，離子阱質(zhì)譜在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)防、刑偵、安檢、工業(yè)過(guò)程控制等領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用[19-23]。

離子阱的小型化主要從縮小離子阱的尺寸和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)兩方面入手[18]。目前，圓柱形四極離子阱(CIT)和矩形離子阱(RIT)在小型離子阱質(zhì)譜儀中較常見(jiàn)。相比于CIT，RIT的離子捕獲效率和離子存儲(chǔ)容量顯著提高，因此具有更高的靈敏度、更大的質(zhì)量分析范圍和更好的分辨率。常見(jiàn)的RIT質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析范圍為m/z80～450，質(zhì)量分辨率為1.5 u。

本研究自行設(shè)計(jì)并搭建小型化離子阱質(zhì)譜儀，該儀器的尺寸與行李箱相當(dāng)，質(zhì)量?jī)H30 kg。將該儀器用于檢測(cè)8種毒品，希望為毒品的現(xiàn)場(chǎng)分析提供新途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 小型化離子阱質(zhì)譜儀介紹

1.1.1結(jié)構(gòu) 小型化離子阱質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)主要包括熱解吸進(jìn)樣器、大氣壓下光致電離(DAPP)電離源、非連續(xù)大氣壓接口(DAPI)、矩形離子阱質(zhì)量分析器、正負(fù)離子探測(cè)器和真空泵組6個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)和實(shí)物示于圖1。本研究研制的小型化離子阱質(zhì)譜儀以氪燈作為DAPP電離源，光子能量為10.6 eV，光強(qiáng)度為1011photo/s。DAPI只有在接收特定的脈沖信號(hào)時(shí)才能打開(kāi)，使樣品離子進(jìn)入質(zhì)譜系統(tǒng)。相比于連續(xù)進(jìn)樣，DAPI脈沖進(jìn)樣能夠有效地減少質(zhì)譜真空系統(tǒng)的進(jìn)氣量，在相同的目標(biāo)真空度下，減小了真空泵組的抽氣量，因此可以使用低抽速小型真空泵組實(shí)現(xiàn)儀器的小型化。RIT質(zhì)量分析器由2個(gè)射頻高壓電極、2個(gè)共振激發(fā)電極和2個(gè)端蓋電極構(gòu)成，其電極之間的距離分別為8、10、43.2 mm。離子阱質(zhì)譜儀工作時(shí)，通過(guò)在2個(gè)射頻高壓電極上施加射頻電壓構(gòu)成1個(gè)四極電場(chǎng)，將離子儲(chǔ)存在阱里；然后，通過(guò)掃描射頻電壓的幅值將不同質(zhì)荷比的離子彈出阱外進(jìn)行檢測(cè)。

正負(fù)離子探測(cè)器是1個(gè)帶有轉(zhuǎn)換打拿極的電子倍增器(Model 397, Detector Technology, Inc., Palmer, MA)，可以檢測(cè)正、負(fù)離子。真空泵組由1個(gè)抽速為80 L/s的分子泵(Pfeiffer HiPace 80, Pfeiffer Vacuum Inc., Nashua, NH)和1個(gè)抽速為15 L/min的膜片泵(前級(jí)泵)(Pfeiffer MVP 015-2, Pfeiffer Vacuum Inc., Nashua, NH)構(gòu)成。質(zhì)譜儀腔體內(nèi)的真空度由微皮拉尼與冷陰極復(fù)合真空規(guī)(MKS972, MKS Instruments, Inc., Wilmington, MA)測(cè)量。

1.1.2工作流程及樣品分析過(guò)程電壓時(shí)序

小型化離子阱質(zhì)譜儀的工作流程示于圖2a。該儀器的整個(gè)工作過(guò)程主要包括參數(shù)設(shè)置、信號(hào)轉(zhuǎn)換、電氣控制及數(shù)據(jù)采集、處理與反饋4個(gè)部分，各個(gè)部分之間的順暢配合是儀器正常工作的保障。

對(duì)于樣品檢測(cè)，從點(diǎn)樣到最終獲得質(zhì)譜圖，需要經(jīng)過(guò)以下4個(gè)階段：離子引入(ion introduction，即進(jìn)樣階段)、離子碰撞冷卻(cooling)、離子掃描檢測(cè)(scan)和離子阱清空(zero)。各個(gè)階段中DAPI和質(zhì)量分析器(即矩形離子阱)上所施加的電壓及所需時(shí)間示于圖2b，可以看出，單個(gè)樣品的質(zhì)譜分析時(shí)間在500 ms以內(nèi)。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

本研究選擇8種毒品進(jìn)行檢測(cè)，其基本信息列于表1。其中，可卡因、海洛因、嗎啡和可待因?qū)儆诼樽硭幤?；亞甲基二氧吡咯戊?MDPV)、[1-(5-氟戊基)-1H-吲哚-3-基]-1-萘基甲酮(AM-2201)、甲基苯丙胺(俗稱冰毒)和氯胺酮(俗稱K粉)屬于精神類藥品。

圖1 小型化離子阱質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)圖(a)和實(shí)物圖(b)Fig.1 Schematic diagram (a) and image (b) of the portable rectilinear ion trap mass spectrometer

圖2 小型化離子阱質(zhì)譜儀的工作流程圖(a)和樣品分析過(guò)程電壓時(shí)序圖(b)Fig.2 Work flow chart (a) and the sequence of voltage (b) for portable ion trap mass spectrometer

種類Classification序號(hào)No.樣品名稱Analyte結(jié)構(gòu)式Structuralformula分子式Molecularformula相對(duì)分子質(zhì)量Relativemolecular mass測(cè)試濃度Concentration/(mg/L)麻醉藥品a可卡因C17H21NO4303.310b海洛因C21H23NO5369.410c嗎啡C17H19NO3285.410d可待因C18H21NO3299.410精神藥品eMDPVC16H21NO3275.350fAM-2201C24H22FNO359.410g甲基苯丙胺C10H15N149.210h氯胺酮C13H16ClNO237.7100

1.3 試劑與氣體

毒品標(biāo)樣：由云南省公安廳刑偵總隊(duì)提供，母液濃度為1 000 mg/L，使用時(shí)用甲醇將母液稀釋至所需濃度；甲醇、丙酮：均為分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；氦氣(99.999%)：大連特種氣體有限公司產(chǎn)品；干燥空氣：由壓縮空氣經(jīng)分子篩和活性炭處理獲得。

1.4 毒品樣品的檢測(cè)

用平頭進(jìn)樣針吸取0.5 μL樣品溶液，將其滴在采樣布(聚四氟乙烯材質(zhì)的長(zhǎng)方形織物)的特定位置，在室溫下使溶劑蒸發(fā)，然后將采樣布插入熱解吸進(jìn)樣器。熱解吸進(jìn)樣器可以提供240 ℃高溫，樣品在進(jìn)樣器內(nèi)熱解吸汽化，被載氣攜帶進(jìn)入電離區(qū)，電離后的氣相樣品離子通過(guò)DAPI接口進(jìn)入矩形離子阱質(zhì)譜分析器被檢測(cè)，得到質(zhì)譜圖或串聯(lián)質(zhì)譜圖。整個(gè)分析過(guò)程中，從樣品點(diǎn)樣到獲得樣品質(zhì)譜圖，總用時(shí)小于2 min，質(zhì)譜分析時(shí)間在500 ms以內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

2.1 儀器參數(shù)優(yōu)化

本實(shí)驗(yàn)采用控制單一變量法優(yōu)化儀器參數(shù)，所用的測(cè)試樣品為10 mg/L的甲基苯丙胺甲醇溶液，進(jìn)樣量均為0.5 μL，結(jié)果示于圖3。

2.1.1固體樣品熱解吸溫度及載氣流量 小型化離子阱質(zhì)譜的熱解吸進(jìn)樣器由加熱模塊和進(jìn)樣器開(kāi)關(guān)模塊組成。其中，載氣流量和熱解吸溫度是影響儀器穩(wěn)定性和靈敏度的關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)驗(yàn)首先對(duì)這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其結(jié)果示于圖3a、3b。在一定的熱解吸溫度下，如果載氣的流量太小，解吸出的氣態(tài)樣品分子不能及時(shí)到達(dá)電離區(qū)；如果載氣的流量太大，在DAPI打開(kāi)前，電離后的樣品離子已被載氣帶出電離區(qū)，最終會(huì)影響樣品信號(hào)強(qiáng)度。因此，從圖3a可以看出，樣品的信號(hào)強(qiáng)度隨載氣流量的增大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在一定的載氣流量下，如果熱解吸溫度過(guò)低，樣品的解吸速率低，解吸出的氣態(tài)分子不能及時(shí)到達(dá)電離區(qū)；如果熱解吸溫度過(guò)高，樣品的解吸速率過(guò)快，導(dǎo)致樣品分解，同樣會(huì)造成樣品離子的損失。從圖3b也可以看出，樣品的信號(hào)強(qiáng)度隨熱解吸溫度的升高出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。總體來(lái)看，當(dāng)載氣流量為300 mL/min，熱解吸溫度為180 ℃時(shí)，小型化離子阱質(zhì)譜儀具有最佳的響應(yīng)信號(hào)。

2.1.2氣相離子進(jìn)樣及冷卻時(shí)間 樣品經(jīng)過(guò)DAPP電離源電離后，氣相樣品離子需通過(guò)DAPI進(jìn)入處于真空的質(zhì)量分析器。而DAPI夾管閥的打開(kāi)時(shí)間直接決定了腔體內(nèi)氣壓的變化和檢測(cè)器電壓的加載時(shí)間，因此需要優(yōu)化進(jìn)樣時(shí)間，其結(jié)果示于圖3c。當(dāng)進(jìn)樣時(shí)間為7 ms時(shí)，夾管閥并未開(kāi)啟，樣品信號(hào)為零；當(dāng)進(jìn)樣時(shí)間為8 ms時(shí)，進(jìn)樣閥開(kāi)啟，此時(shí)樣品信號(hào)較弱；當(dāng)進(jìn)樣時(shí)間為9 ms時(shí)，閥完全開(kāi)啟，樣品信號(hào)最強(qiáng)；進(jìn)一步延長(zhǎng)進(jìn)樣時(shí)間會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣量過(guò)大，大量氣體在離子阱質(zhì)量分析器中形成反沖，使氣體中攜帶的離子碰撞到電極而淬滅，導(dǎo)致樣品信號(hào)下降。故本實(shí)驗(yàn)選擇的脈沖進(jìn)樣時(shí)間為9 ms。

氣相離子通過(guò)DAPI脈沖進(jìn)入質(zhì)譜真空系統(tǒng)后，需要有碰撞冷卻時(shí)間使離子阱質(zhì)量分析器的氣壓下降至0.133 Pa以下，才能開(kāi)啟電子倍增器進(jìn)行檢測(cè)。冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)離子信號(hào)強(qiáng)度有較大的影響。當(dāng)冷卻時(shí)間過(guò)短，真空腔體內(nèi)氣壓過(guò)高，氣體攜帶進(jìn)來(lái)的離子在離子阱內(nèi)發(fā)生碰撞的次數(shù)少，離子能量高，在共振檢出時(shí)效率低，而且氣壓高會(huì)導(dǎo)致電子倍增器噪音大，因而信號(hào)強(qiáng)度低。由于實(shí)驗(yàn)室自行研制的離子阱不是純凈的四極電場(chǎng)，當(dāng)冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，離子與中性分子之間的碰撞易造成離子的碎裂、損失，同樣會(huì)使信號(hào)強(qiáng)度降低。從圖3d可以看出，樣品信號(hào)強(qiáng)度隨冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，因此實(shí)驗(yàn)選擇離子碰撞冷卻時(shí)間為200 ms。

圖3 儀器參數(shù)優(yōu)化曲線Fig.3 Optimization of different parameters for the portable rectilinear ion trap mass spectrometer

2.1.3電子倍增器電壓 倍增器電壓的大小直接決定了檢測(cè)系統(tǒng)接收到信號(hào)的放大倍數(shù)。電子倍增器電壓過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致樣品信號(hào)強(qiáng)度降低；電子倍增器電壓過(guò)高，會(huì)減小檢測(cè)器的使用壽命。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，倍增器電壓每升高100 V，信號(hào)強(qiáng)度增加約5倍。為了保證儀器的靈敏度，同時(shí)延長(zhǎng)檢測(cè)器的使用時(shí)間，實(shí)驗(yàn)最終選擇電子倍增器電壓為1 300 V。

2.2 樣品檢測(cè)

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下(載氣流量300 mL/min；熱解吸溫度180 ℃；脈沖進(jìn)樣時(shí)間9 ms；離子碰撞冷卻時(shí)間200 ms；電子倍增器電壓1 300 V)對(duì)8種毒品進(jìn)行測(cè)定，所測(cè)樣品溶劑均為甲醇，測(cè)試濃度列于表1。所有樣品從進(jìn)樣到獲得質(zhì)譜圖，總用時(shí)小于2 min。8種毒品的特征離子均為質(zhì)子化的準(zhǔn)分子離子[M+H]+，其質(zhì)譜圖分別示于圖4和圖5。

本研究同時(shí)考察了小型化離子阱質(zhì)譜儀的精密度，測(cè)得甲基苯丙胺、海洛因和嗎啡3種毒品在6次重復(fù)測(cè)試下的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)分別為14.4%、21.4%和15.7%。甲基苯丙胺、可卡因和嗎啡等毒品的使用濃度為10 mg/L，加樣量為5 μg，檢出質(zhì)量為5 ng時(shí)，根據(jù)信噪比3∶1，計(jì)算檢出限在100 pg量級(jí)。由此可見(jiàn)，小型化離子阱質(zhì)譜儀用于毒品檢測(cè)是一種快速、靈敏、準(zhǔn)確且穩(wěn)定的方法。

2.3 串聯(lián)質(zhì)譜(MS/MS)分析

串聯(lián)質(zhì)譜分析能同時(shí)獲得毒品的準(zhǔn)分子離子和特征碎片離子信息，通過(guò)同時(shí)分析母離子和特征碎片離子，提高了儀器的定性準(zhǔn)確性，降低了誤檢率。對(duì)于小型化離子阱質(zhì)譜儀來(lái)說(shuō)，首先需要通SWIFT電壓選取目標(biāo)化合物的母離子，然后采用共振激發(fā)AC電壓產(chǎn)生離子共振激發(fā)電場(chǎng)，目標(biāo)母離子通過(guò)共振獲得能量與中性分子碰撞，母離子與中性分子碰撞發(fā)生碰撞誘導(dǎo)解離，產(chǎn)生目標(biāo)化合物的特征碎片離子。可卡因的質(zhì)譜圖和不同共振激發(fā)AC電壓下的串聯(lián)質(zhì)譜圖示于圖6?？梢钥闯?，當(dāng)AC電壓為0.1 V時(shí)，卡可因出現(xiàn)碎片離子m/z182，它是由可卡因分子脫去1個(gè)C6H5-COO基團(tuán)產(chǎn)生的；當(dāng)AC電壓升至0.2 V時(shí)，可卡因的準(zhǔn)分子離子峰強(qiáng)度逐漸減弱，而碎片離子峰強(qiáng)度不斷增強(qiáng)；當(dāng)AC電壓為0.3 V時(shí)，可卡因[M+H]+母離子幾乎全部轉(zhuǎn)化為碎片離子m/z182。

圖4 可卡因(a)、海洛因(b)、嗎啡(c)和可待因(d)的質(zhì)譜圖Fig.4 Mass spectra of cocaine (a), heroin (b), morphine (c) and codeine (d)

圖5 MDPV(a)、AM-2201(b)、甲基苯丙胺(c)和氯胺酮(d)的質(zhì)譜圖Fig.5 Mass spectra of MDPV (a), AM-2201 (b), methamphetamine (c) and ketamine (d)

圖6 可卡因的質(zhì)譜圖(a)和0.1 V(b)、0.2 V(c)、0.3 V(d) AC電壓下的串聯(lián)質(zhì)譜圖Fig.6 MS (a) and MS/MS spectra of 0.1 V (b), 0.2 V (c), 0.3 V (d) of cocaine

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室研制了配置有熱解吸進(jìn)樣器、大氣壓光致電離源、非連續(xù)大氣壓接口和矩形離子阱質(zhì)量分析器的小型化離子阱質(zhì)譜儀。將該質(zhì)譜儀用于毒品檢測(cè)，無(wú)需復(fù)雜的樣品前處理，固體和液體樣品均可以直接進(jìn)樣；可在2 min內(nèi)完成單個(gè)樣品的分析；可以同時(shí)獲得毒品的準(zhǔn)分子離子[M+H]+及特征碎片離子；對(duì)于麻醉類和精神類毒品均有較高的響應(yīng)，pg級(jí)樣品多次檢測(cè)的精密度在20%左右。該小型化離子阱質(zhì)譜儀體積小、質(zhì)量輕，為毒品檢測(cè)提供了一種快速、靈敏、準(zhǔn)確且穩(wěn)定的方法，有望成為未來(lái)毒品現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的有力武器。