用于美沙芬快速检测的电喷雾离化离子迁移率谱技术研究

李泳明，高晓光，李建平，贾　建，李艳志，何秀丽

(1．中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室，北京　100190；2．中国科学院大学，北京　100190)

0　引言

离子迁移率谱(Ion Mobility Spectrometry，IMS)是20世纪60年代末发展起来的一项基于气相离子在电场中迁移速率的差异对物质进行表征的分析技术[1]。与传统的色谱和质谱等检测技术相比具有设备结构相对简单，易于小型化和便携化，操作方便等特点，在各种现场检测中优势明显，已成为全世界最常用的快速检测技术，被广泛应用到爆炸物、化学药物及毒品的检测中[1]。将样品有效离化是进行IMS检测的首要过程，电喷雾离化(Electrospray Ionization，ESI)早在20世纪60年代就得到广泛关注，并在1984年被用作质谱离化源[2]，进而得到普及应用。作为一种“软电离”方法，电喷雾离化可以在不破坏样品分子结构的前提下，直接将液体样品离化成气相离子。电喷雾离化的离子迁移率谱技术(ESI-IMS)非常适合对水、体液等液体样品中痕量化学物质的检测，已经成功应用于体液中戊唑辛[3]以及自然水体中无机离子[4]的快速检测。

美沙芬(Dextromethorphan)是一种有效的中枢性镇咳药物，因其效果明显、毒副作用小而在感冒、镇咳等药品中大量使用。由于美沙芬在大剂量使用情况下会出现类似毒品的迷幻效果，使得美沙芬的快速高效检测成为药品安全领域的研究热点。但传统的色谱、质谱等检测方法分析周期长、操作复杂，不适合现场快速检测。Roberto等利用ESI-IMS实现美沙芬的快速检测并首次给出其约化迁移率，但所检测样品浓度较高(0.5 mM，～135 mg/L)，而且没有给出检测限等定量信息[5]。

采用ESI-IMS进行美沙芬检测，研究样品流量、电喷液成分和漂移管温度等工作参数的影响，实现美沙芬的快速、高灵敏检测，并使用纯中药止咳片剂验证系统对实际样品中美沙芬检测的可行性。

1　实验部分

1．1药品

美沙芬样品(氢溴酸右美沙芬，Dextromethorphan Hydrobromide)购于中国食品药品检定研究院。高效液相色谱纯甲醇(MeOH)和分析纯乙酸(Ac)购于国药集团北京试剂公司。超纯水由超纯水净化系统(美诚，MW-D20)制得。纯中药止咳片剂购买于药店。

1．2电喷雾离化离子迁移率谱装置

电喷雾离化离子迁移率谱装置为实验室自制，主要由电喷雾离化源、漂移管及辅助设备3部分组成。其结构如图1所示。

图1　电喷雾离化离子迁移率谱装置结构示意图

电喷雾离化源主要由电喷雾接插件、零死体积不锈钢直通和石英毛细管(320 μm×75 μm，外径×内径)组成。具体结构参数如文献[6]所述。漂移管是离子迁移率谱装置的主体部分，主要包括离化区、离子门、漂移区和法拉第盘区。离化区和漂移区均使用不锈钢金属环(36 mm×50 mm，内径×外径)和聚四氟乙烯环(38 mm×48 mm，内径×外径)交错重叠而成，离子门采用Bradbury-Nielsen离子栅门。为提高系统的信噪比，将表面镀金的法拉第盘安装于栅网后的金属屏蔽壳内，以达到良好的屏蔽效果。辅助设备主要包括注射泵、直流高压电源、分压电路、离子门驱动电路、气路、恒温装置、信号放大及采集装置。电喷液在注射泵驱动下通过离化源以带电液滴的形式进入漂移管的离化区，经历去溶剂过程生成气相样品离子，然后通过离子门进入漂移区，不同的气相离子由于质量、碰撞截面及带电情况的差异，到达法拉第盘所用时间不同，通过对比离子到达法拉第盘所用时间区分被测物离子。

实验中电喷雾离化离子迁移率谱装置的参数如表1所示。

表1　ESI-IMS参数

2　结果与讨论

2．1美沙芬谱图与约化迁移率

为了有效地判断美沙芬特征峰的位置，对比了空白图谱和美沙芬样品图谱(图2所示)。

图2　空白溶液与美沙芬样品的ESI-IMS谱图

其中空白图谱所用的电喷液为甲醇、水(体积比为9∶1)和乙酸(1%，体积分数)混合而成的溶剂，即空白溶液，而美沙芬图谱所用电喷液为利用上述溶剂配制的9 mg/L的美沙芬样品。根据文献[7]报道，甲醇、水和乙酸混合液经电喷雾离化形成水合质子((H2O)nH+，n≥1)及质子化乙酸甲酯(C3H7O2+)，在谱图中表现为A和B两个离子峰，通常称其为溶剂峰。对比美沙芬样品谱图和空白谱图可知，C为美沙芬的特征离子峰，其漂移时间为16.7 ms．为了准确得到美沙芬特征离子的约化迁移率，使用四丁基溴化铵作为系统标定物，计算出水合质子和质子化乙酸甲酯的约化迁移率分别为2.40 cm2/Vs和2.22 cm2/Vs，美沙芬特征离子的约化迁移率为1.23 cm2/Vs，与Hill[5，7]和Saraji[8]所报道的约化迁移率一致。

2．2漂移管温度对特征峰强度的影响

电喷雾离化离子迁移率谱系统漂移管温度决定了离子簇的扩散速度及系统的去溶剂化效果，对美沙芬检测效果有着重要的影响。图3是5 mg/L的美沙芬样品在不同漂移管温度(100 ℃、120 ℃、150 ℃、180 ℃和200 ℃)下的离子迁移率谱图。

图3　不同漂移管温度下美沙芬的ESI-IMS谱图

由图3可知，不同漂移管温度下美沙芬的特征离子峰强度基本上无变化，这与文献[9]所报道的温度对被测物峰值无明显影响一致。当温度低于150 ℃时，溶剂峰A和B成为一个单峰，这主要是由于温度过低时，系统的去溶剂化效果差，溶剂峰所对应的离子簇无法有效分开。通过比较不同温度下美沙芬的约化迁移率发现，当漂移管温度在150 ℃以上时，美沙芬的约化迁移率基本不变，而当温度低于150 ℃时，美沙芬的约化迁移率随温度降低而减小。Hill[9]等认为温度过低时，由于去溶剂化不彻底，样品特征离子携带了大量溶剂分子，增加了离子的碰撞截面，进而降低了样品特征离子的约化迁移率。为了得到准确的样品特征离子约化迁移率，系统温度不得低于150 ℃．

2．3样品流量对特征峰强度的影响

为了在稳定电喷雾条件下得到美沙芬的最强产物离子峰，比较了不同流量下5 mg/L美沙芬样品的ESI-IMS谱图(图4所示)。

图4　不同样品流量下5 mg/L美沙芬的ESI-IMS谱图

在低流量下(0～2 μL/min)，随着样品流量的增大，美沙芬特征峰强度得到显著提高，当流量从2 μL/min提高到4 μL/min时，美沙芬特征峰强度变化不明显。当样品流量达到3 μL/min及以上时，谱图信号出现抖动现象，电喷雾电流较大且变化强烈，这主要是由于大流量下电喷雾过程去溶剂化不彻底，使得大量未完全去溶剂化的液滴簇直接碰撞到法拉第盘上，从而导致采集的电流信号不稳定。因此，为了得到高效、稳定的电喷雾离化，美沙芬检测中将样品流量设置为2 μL/min．

2．4电喷液成分对特征峰强度的影响

通常情况下，电喷液中有机溶剂(甲醇或乙腈)和水的比例为1∶1，并含有0.1%～5%(体积分数)的助离子化试剂(甲酸、乙酸等)。其中助离子化试剂主要是通过改变溶液的酸碱度来提高离化效率[10]，实验发现1%和5%的乙酸含量对美沙芬特征峰强度无明显影响，在进一步实验中选取1%乙酸含量的电喷液。电喷液中甲醇与水的比例对检测效果有一定影响。由于甲醇比水表面张力小，增加甲醇比例有助于电喷雾中带电液滴的分裂，从而提高离化效率，且有机溶剂挥发性好，可以提高系统的去溶剂化效果。为了得到美沙芬检测中最优的电喷液成分，利用甲醇跟水比例分别为1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1、99∶1的溶剂配制3 mg/L美沙芬样品溶液的离子迁移率图谱如图5所示。

图5　不同溶剂配制美沙芬样品的ESI-IMS谱图

当电喷液中水含量过高(甲醇∶水=1∶9)时，由于电喷液的表面张力大，ESI需要较高的电压以形成稳定电喷雾[11]，从而容易导致空气击穿产生放电现象。从图5中可知，美沙芬离子峰C的强度随着甲醇浓度的提高而增大，在甲醇与水的比例为9∶1时达到极大值，当甲醇与水的比例继续增大到99∶1时，美沙芬离子峰C的强度又有所减小。这可能是由于水分子比甲醇分子具有更强的氢键，容易形成离子簇[12]，因此水作为电喷雾溶液的有效成分是很有必要的。

2．5样品检测

针对美沙芬检测，优化后的ESI-IMS系统参数如表2所示。

表2　ESI-IMS系统工作参数

图6为美沙芬特征离子峰及溶剂峰强度与样品中美沙芬浓度的关系曲线。随着浓度的提高，美沙芬特征离子峰强度也逐渐增大，当浓度达到11 mg/L左右时，美沙芬特征离子峰强度达到饱和。在0～10 mg/L的浓度范围内，美沙芬特征峰强度与浓度有良好的线性关系，根据三倍噪声计算检测限为～40 μg/L；随着美沙芬浓度提高和特征离子峰强度的增大，溶剂峰的强度明显降低，这是因为被测物与溶剂分子存在电荷竞争关系[10]，随着样品浓度的增加，溶剂离子所得到的电荷数量相对减少，造成溶剂峰强度降低。

图6　美沙芬特征离子峰及溶剂峰强度与样品浓度关系

为了进一步验证系统对实际样品中美沙芬的检测效果，对市场上购买的一种纯中药止咳片剂用甲醇溶解并过滤后进行ESI-IMS检测。图7为止咳药实际样品及在其中加入美沙芬标准溶液后的ESI-IMS谱图。

图7　加入美沙芬前后的止咳药样品的ESI-IMS谱图

实际样品图谱中离子峰C所对应的约化迁移率为1.23 cm2/Vs，与美沙芬的约化迁移率一致；而且峰C强度在加入美沙芬标准溶液后增大，从而判定离子峰C为美沙芬的特征离子峰，说明该中药止咳片剂中含有美沙芬成分。

3　结束语

文中研究了用于美沙芬快速检测的电喷雾离化离子迁移率谱技术，从漂移管温度、样品流量及电喷液成分3个方面对ESI-IMS系统工作参数进行优化，实现美沙芬的快速高灵敏检测，得到的美沙芬特征离子约化迁移率为

1.23 cm2/Vs，与文献报道一致，通过三倍噪声计算得到美沙芬的检测限为～40 μg/L．利用ESI-IMS系统在市售的一种纯中药止咳片剂中检测到美沙芬成分，验证了系统对实际样品中美沙芬检测的可行性。

参考文献：

[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，FENN 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]万历．用于离子迁移率谱仪的电喷雾离化源及其在抗生素检测中的应用：[学位论文]．北京：中国科学院大学，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．