李泳明，高曉光，李建平，賈　建，李艷志，何秀麗

(1．中國科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100190；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100190)

0　引言

離子遷移率譜(Ion Mobility Spectrometry，IMS)是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的一項(xiàng)基于氣相離子在電場(chǎng)中遷移速率的差異對(duì)物質(zhì)進(jìn)行表征的分析技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的色譜和質(zhì)譜等檢測(cè)技術(shù)相比具有設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于小型化和便攜化，操作方便等特點(diǎn)，在各種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中優(yōu)勢(shì)明顯，已成為全世界最常用的快速檢測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用到爆炸物、化學(xué)藥物及毒品的檢測(cè)中[1]。將樣品有效離化是進(jìn)行IMS檢測(cè)的首要過程，電噴霧離化(Electrospray Ionization，ESI)早在20世紀(jì)60年代就得到廣泛關(guān)注，并在1984年被用作質(zhì)譜離化源[2]，進(jìn)而得到普及應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shù)(ESI-IMS)非常適合對(duì)水、體液等液體樣品中痕量化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)，已經(jīng)成功應(yīng)用于體液中戊唑辛[3]以及自然水體中無機(jī)離子[4]的快速檢測(cè)。

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(huì)出現(xiàn)類似毒品的迷幻效果，使得美沙芬的快速高效檢測(cè)成為藥品安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但傳統(tǒng)的色譜、質(zhì)譜等檢測(cè)方法分析周期長(zhǎng)、操作復(fù)雜，不適合現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。Roberto等利用ESI-IMS實(shí)現(xiàn)美沙芬的快速檢測(cè)并首次給出其約化遷移率，但所檢測(cè)樣品濃度較高(0.5 mM，～135 mg/L)，而且沒有給出檢測(cè)限等定量信息[5]。

采用ESI-IMS進(jìn)行美沙芬檢測(cè)，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(shí)現(xiàn)美沙芬的快速、高靈敏檢測(cè)，并使用純中藥止咳片劑驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)實(shí)際樣品中美沙芬檢測(cè)的可行性。

1　實(shí)驗(yàn)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(tuán)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(shí)驗(yàn)室自制，主要由電噴霧離化源、漂移管及輔助設(shè)備3部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　電噴霧離化離子遷移率譜裝置結(jié)構(gòu)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(xì)管(320 μm×75 μm，外徑×內(nèi)徑)組成。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如文獻(xiàn)[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(nèi)徑×外徑)和聚四氟乙烯環(huán)(38 mm×48 mm，內(nèi)徑×外徑)交錯(cuò)重疊而成，離子門采用Bradbury-Nielsen離子?xùn)砰T。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(nèi)，以達(dá)到良好的屏蔽效果。輔助設(shè)備主要包括注射泵、直流高壓電源、分壓電路、離子門驅(qū)動(dòng)電路、氣路、恒溫裝置、信號(hào)放大及采集裝置。電噴液在注射泵驅(qū)動(dòng)下通過離化源以帶電液滴的形式進(jìn)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(jìn)入漂移區(qū)，不同的氣相離子由于質(zhì)量、碰撞截面及帶電情況的差異，到達(dá)法拉第盤所用時(shí)間不同，通過對(duì)比離子到達(dá)法拉第盤所用時(shí)間區(qū)分被測(cè)物離子。

實(shí)驗(yàn)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(jié)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(duì)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?jǐn)?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(xiàn)[7]報(bào)道，甲醇、水和乙酸混合液經(jīng)電噴霧離化形成水合質(zhì)子((H2O)nH+，n≥1)及質(zhì)子化乙酸甲酯(C3H7O2+)，在譜圖中表現(xiàn)為A和B兩個(gè)離子峰，通常稱其為溶劑峰。對(duì)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(shí)間為16.7 ms．為了準(zhǔn)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(biāo)定物，計(jì)算出水合質(zhì)子和質(zhì)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(bào)道的約化遷移率一致。

2．2漂移管溫度對(duì)特征峰強(qiáng)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(kuò)散速度及系統(tǒng)的去溶劑化效果，對(duì)美沙芬檢測(cè)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(qiáng)度基本上無變化，這與文獻(xiàn)[9]所報(bào)道的溫度對(duì)被測(cè)物峰值無明顯影響一致。當(dāng)溫度低于150 ℃時(shí)，溶劑峰A和B成為一個(gè)單峰，這主要是由于溫度過低時(shí)，系統(tǒng)的去溶劑化效果差，溶劑峰所對(duì)應(yīng)的離子簇?zé)o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(dāng)漂移管溫度在150 ℃以上時(shí)，美沙芬的約化遷移率基本不變，而當(dāng)溫度低于150 ℃時(shí)，美沙芬的約化遷移率隨溫度降低而減小。Hill[9]等認(rèn)為溫度過低時(shí)，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(jìn)而降低了樣品特征離子的約化遷移率。為了得到準(zhǔn)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(duì)特征峰強(qiáng)度的影響

為了在穩(wěn)定電噴霧條件下得到美沙芬的最強(qiáng)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(qiáng)度得到顯著提高，當(dāng)流量從2 μL/min提高到4 μL/min時(shí)，美沙芬特征峰強(qiáng)度變化不明顯。當(dāng)樣品流量達(dá)到3 μL/min及以上時(shí)，譜圖信號(hào)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，電噴霧電流較大且變化強(qiáng)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(dǎo)致采集的電流信號(hào)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(cè)中將樣品流量設(shè)置為2 μL/min．

2．4電噴液成分對(duì)特征峰強(qiáng)度的影響

通常情況下，電噴液中有機(jī)溶劑(甲醇或乙腈)和水的比例為1∶1，并含有0.1%～5%(體積分?jǐn)?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?nèi)芤旱乃釅A度來提高離化效率[10]，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1%和5%的乙酸含量對(duì)美沙芬特征峰強(qiáng)度無明顯影響，在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中選取1%乙酸含量的電噴液。電噴液中甲醇與水的比例對(duì)檢測(cè)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(jī)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(cè)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(dāng)電噴液中水含量過高(甲醇∶水=1∶9)時(shí)，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(dǎo)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(qiáng)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(shí)達(dá)到極大值，當(dāng)甲醇與水的比例繼續(xù)增大到99∶1時(shí)，美沙芬離子峰C的強(qiáng)度又有所減小。這可能是由于水分子比甲醇分子具有更強(qiáng)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(cè)

針對(duì)美沙芬檢測(cè)，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(qiáng)度與樣品中美沙芬濃度的關(guān)系曲線。隨著濃度的提高，美沙芬特征離子峰強(qiáng)度也逐漸增大，當(dāng)濃度達(dá)到11 mg/L左右時(shí)，美沙芬特征離子峰強(qiáng)度達(dá)到飽和。在0～10 mg/L的濃度范圍內(nèi)，美沙芬特征峰強(qiáng)度與濃度有良好的線性關(guān)系，根據(jù)三倍噪聲計(jì)算檢測(cè)限為～40 μg/L；隨著美沙芬濃度提高和特征離子峰強(qiáng)度的增大，溶劑峰的強(qiáng)度明顯降低，這是因?yàn)楸粶y(cè)物與溶劑分子存在電荷競(jìng)爭(zhēng)關(guān)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(duì)減少，造成溶劑峰強(qiáng)度降低。

圖6　美沙芬特征離子峰及溶劑峰強(qiáng)度與樣品濃度關(guān)系

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)實(shí)際樣品中美沙芬的檢測(cè)效果，對(duì)市場(chǎng)上購買的一種純中藥止咳片劑用甲醇溶解并過濾后進(jìn)行ESI-IMS檢測(cè)。圖7為止咳藥實(shí)際樣品及在其中加入美沙芬標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際樣品圖譜中離子峰C所對(duì)應(yīng)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(qiáng)度在加入美沙芬標(biāo)準(zhǔn)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(jié)束語

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

1.23 cm2/Vs，與文獻(xiàn)報(bào)道一致，通過三倍噪聲計(jì)算得到美沙芬的檢測(cè)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(cè)到美沙芬成分，驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)實(shí)際樣品中美沙芬檢測(cè)的可行性。

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