小型化離子阱質譜儀在毒品快速采集與分析中的應用

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成全球性威脅，有學者研究全球性的毒品犯罪活動后認為，人類社會正在經歷一場席卷全球的“第三次世界大戰”[1]。毒品泛濫對我國社會、經濟和公共衛生事業的發展構成了嚴重威脅，我國一直致力于對毒品合成、走私及使用的打擊[2-3]。截至2014年底，全國累計登記吸毒人員295.5萬名，全國共破獲毒品犯罪案件14.59萬起，抓獲毒品犯罪嫌疑人16.89萬名，繳獲各類毒品合計68.95 t[4]。打擊毒品犯罪活動離不開毒品檢測技術的支持，常規方法有化學檢驗法、色譜法、色譜-質譜聯用法以及免疫學檢測法等[5-10]，這些方法雖然能夠滿足毒品定性、定量的要求，但同時也存在一定的缺陷。如，需要對樣品進行復雜的預處理，耗時較長；需要大量昂貴的儀器，檢測成本較高。因此，這些傳統的毒品分析方法只適合于實驗室，難以應用于現場快速檢測。就我國目前嚴峻的禁毒形勢而言，毒品案件偵破中急需體積小、質量輕、快速、準確、操作簡便的現場檢測，鑒定毒品的取證設備和技術。

離子阱質譜技術的發展起步于20世紀50年代，先后經歷了質量挑選檢測、質量挑選貯存、質量挑選噴射和離子阱的小型化四個主要階段[11-14]。盡管離子阱的質量分辨率比飛行時間質量分析器(TOF)差，但其具有靈敏度高、分析速度快、對真空要求較低、控制簡單、極易實現時間串聯等特點，使其在小型化方面的優勢明顯[14-18]，適合現場檢測或在線分析。目前，離子阱質譜在現場環境監測、國防、刑偵、安檢、工業過程控制等領域均發揮著重要作用[19-23]。

離子阱的小型化主要從縮小離子阱的尺寸和簡化結構兩方面入手[18]。目前，圓柱形四極離子阱(CIT)和矩形離子阱(RIT)在小型離子阱質譜儀中較常見。相比于CIT，RIT的離子捕獲效率和離子存儲容量顯著提高，因此具有更高的靈敏度、更大的質量分析范圍和更好的分辨率。常見的RIT質譜儀的質量分析范圍為m/z80～450，質量分辨率為1.5 u。

本研究自行設計并搭建小型化離子阱質譜儀，該儀器的尺寸與行李箱相當，質量僅30 kg。將該儀器用于檢測8種毒品，希望為毒品的現場分析提供新途徑。

1 實驗部分

1.1 小型化離子阱質譜儀介紹

1.1.1結構 小型化離子阱質譜儀的結構主要包括熱解吸進樣器、大氣壓下光致電離(DAPP)電離源、非連續大氣壓接口(DAPI)、矩形離子阱質量分析器、正負離子探測器和真空泵組6個部分，其結構和實物示于圖1。本研究研制的小型化離子阱質譜儀以氪燈作為DAPP電離源，光子能量為10.6 eV，光強度為1011photo/s。DAPI只有在接收特定的脈沖信號時才能打開，使樣品離子進入質譜系統。相比于連續進樣，DAPI脈沖進樣能夠有效地減少質譜真空系統的進氣量，在相同的目標真空度下，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現儀器的小型化。RIT質量分析器由2個射頻高壓電極、2個共振激發電極和2個端蓋電極構成，其電極之間的距離分別為8、10、43.2 mm。離子阱質譜儀工作時，通過在2個射頻高壓電極上施加射頻電壓構成1個四極電場，將離子儲存在阱里；然后，通過掃描射頻電壓的幅值將不同質荷比的離子彈出阱外進行檢測。

正負離子探測器是1個帶有轉換打拿極的電子倍增器(Model 397, Detector Technology, Inc., Palmer, MA)，可以檢測正、負離子。真空泵組由1個抽速為80 L/s的分子泵(Pfeiffer HiPace 80, Pfeiffer Vacuum Inc., Nashua, NH)和1個抽速為15 L/min的膜片泵(前級泵)(Pfeiffer MVP 015-2, Pfeiffer Vacuum Inc., Nashua, NH)構成。質譜儀腔體內的真空度由微皮拉尼與冷陰極復合真空規(MKS972, MKS Instruments, Inc., Wilmington, MA)測量。

1.1.2工作流程及樣品分析過程電壓時序

小型化離子阱質譜儀的工作流程示于圖2a。該儀器的整個工作過程主要包括參數設置、信號轉換、電氣控制及數據采集、處理與反饋4個部分，各個部分之間的順暢配合是儀器正常工作的保障。

對于樣品檢測，從點樣到最終獲得質譜圖，需要經過以下4個階段：離子引入(ion introduction，即進樣階段)、離子碰撞冷卻(cooling)、離子掃描檢測(scan)和離子阱清空(zero)。各個階段中DAPI和質量分析器(即矩形離子阱)上所施加的電壓及所需時間示于圖2b，可以看出，單個樣品的質譜分析時間在500 ms以內。

1.2 實驗樣品

本研究選擇8種毒品進行檢測，其基本信息列于表1。其中，可卡因、海洛因、嗎啡和可待因屬于麻醉藥品；亞甲基二氧吡咯戊酮(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 小型化離子阱質譜儀的結構圖(a)和實物圖(b)Fig.1 Schematic diagram (a) and image (b) of the portable rectilinear ion trap mass spectrometer

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

種類Classification序號No.樣品名稱Analyte結構式Structuralformula分子式Molecularformula相對分子質量Relativemolecular mass測試濃度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

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

1.4 毒品樣品的檢測

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

2 結果與討論

2.1 儀器參數優化

本實驗采用控制單一變量法優化儀器參數，所用的測試樣品為10 mg/L的甲基苯丙胺甲醇溶液，進樣量均為0.5 μL，結果示于圖3。

2.1.1固體樣品熱解吸溫度及載氣流量 小型化離子阱質譜的熱解吸進樣器由加熱模塊和進樣器開關模塊組成。其中，載氣流量和熱解吸溫度是影響儀器穩定性和靈敏度的關鍵參數。實驗首先對這2個參數進行優化，其結果示于圖3a、3b。在一定的熱解吸溫度下，如果載氣的流量太小，解吸出的氣態樣品分子不能及時到達電離區；如果載氣的流量太大，在DAPI打開前，電離后的樣品離子已被載氣帶出電離區，最終會影響樣品信號強度。因此，從圖3a可以看出，樣品的信號強度隨載氣流量的增大出現先增大后減小的趨勢。在一定的載氣流量下，如果熱解吸溫度過低，樣品的解吸速率低，解吸出的氣態分子不能及時到達電離區；如果熱解吸溫度過高，樣品的解吸速率過快，導致樣品分解，同樣會造成樣品離子的損失。從圖3b也可以看出，樣品的信號強度隨熱解吸溫度的升高出現先增大后減小的趨勢。總體來看，當載氣流量為300 mL/min，熱解吸溫度為180 ℃時，小型化離子阱質譜儀具有最佳的響應信號。

2.1.2氣相離子進樣及冷卻時間 樣品經過DAPP電離源電離后，氣相樣品離子需通過DAPI進入處于真空的質量分析器。而DAPI夾管閥的打開時間直接決定了腔體內氣壓的變化和檢測器電壓的加載時間，因此需要優化進樣時間，其結果示于圖3c。當進樣時間為7 ms時，夾管閥并未開啟，樣品信號為零；當進樣時間為8 ms時，進樣閥開啟，此時樣品信號較弱；當進樣時間為9 ms時，閥完全開啟，樣品信號最強；進一步延長進樣時間會導致進氣量過大，大量氣體在離子阱質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，導致樣品信號下降。故本實驗選擇的脈沖進樣時間為9 ms。

氣相離子通過DAPI脈沖進入質譜真空系統后，需要有碰撞冷卻時間使離子阱質量分析器的氣壓下降至0.133 Pa以下，才能開啟電子倍增器進行檢測。冷卻時間的長短對離子信號強度有較大的影響。當冷卻時間過短，真空腔體內氣壓過高，氣體攜帶進來的離子在離子阱內發生碰撞的次數少，離子能量高，在共振檢出時效率低，而且氣壓高會導致電子倍增器噪音大，因而信號強度低。由于實驗室自行研制的離子阱不是純凈的四極電場，當冷卻時間過長，離子與中性分子之間的碰撞易造成離子的碎裂、損失，同樣會使信號強度降低。從圖3d可以看出，樣品信號強度隨冷卻時間的延長出現先增大后減小的趨勢，因此實驗選擇離子碰撞冷卻時間為200 ms。

圖3 儀器參數優化曲線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系統接收到信號的放大倍數。電子倍增器電壓過低，會導致樣品信號強度降低；電子倍增器電壓過高，會減小檢測器的使用壽命。實驗中發現，倍增器電壓每升高100 V，信號強度增加約5倍。為了保證儀器的靈敏度，同時延長檢測器的使用時間，實驗最終選擇電子倍增器電壓為1 300 V。

2.2 樣品檢測

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

本研究同時考察了小型化離子阱質譜儀的精密度，測得甲基苯丙胺、海洛因和嗎啡3種毒品在6次重復測試下的相對標準偏差(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，檢出質量為5 ng時，根據信噪比3∶1，計算檢出限在100 pg量級。由此可見，小型化離子阱質譜儀用于毒品檢測是一種快速、靈敏、準確且穩定的方法。

2.3 串聯質譜(MS/MS)分析

串聯質譜分析能同時獲得毒品的準分子離子和特征碎片離子信息，通過同時分析母離子和特征碎片離子，提高了儀器的定性準確性，降低了誤檢率。對于小型化離子阱質譜儀來說，首先需要通SWIFT電壓選取目標化合物的母離子，然后采用共振激發AC電壓產生離子共振激發電場，目標母離子通過共振獲得能量與中性分子碰撞，母離子與中性分子碰撞發生碰撞誘導解離，產生目標化合物的特征碎片離子。可卡因的質譜圖和不同共振激發AC電壓下的串聯質譜圖示于圖6。可以看出，當AC電壓為0.1 V時，卡可因出現碎片離子m/z182，它是由可卡因分子脫去1個C6H5-COO基團產生的；當AC電壓升至0.2 V時，可卡因的準分子離子峰強度逐漸減弱，而碎片離子峰強度不斷增強；當AC電壓為0.3 V時，可卡因[M+H]+母離子幾乎全部轉化為碎片離子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)的質譜圖Fig.5 Mass spectra of MDPV (a), AM-2201 (b), methamphetamine (c) and ketamine (d)

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

3 結論

實驗室研制了配置有熱解吸進樣器、大氣壓光致電離源、非連續大氣壓接口和矩形離子阱質量分析器的小型化離子阱質譜儀。將該質譜儀用于毒品檢測，無需復雜的樣品前處理，固體和液體樣品均可以直接進樣；可在2 min內完成單個樣品的分析；可以同時獲得毒品的準分子離子[M+H]+及特征碎片離子；對于麻醉類和精神類毒品均有較高的響應，pg級樣品多次檢測的精密度在20%左右。該小型化離子阱質譜儀體積小、質量輕，為毒品檢測提供了一種快速、靈敏、準確且穩定的方法，有望成為未來毒品現場快速檢測的有力武器。