傅立叶变换离子回旋共振质谱在兽药未知物筛查中的应用

郭国贤,王丽娜,兰雨濛,高 铎,孙玉飞

(辽宁省检验检测认证中心,辽宁 沈阳 110036)

近年来,随着国家对食品安全的重视,兽药检测行业飞速发展,越来越多的检测设备及分析仪器应用于兽药监察系统。但要面对越来越复杂的兽药违法添加物的结构确证及定量,就需要高灵敏度、高分辨率、高准确度的要求。而傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)的发展,为兽药未知物的筛查及确证提供了一种途径。

1 兽药中非法添加物的近况

兽药非法添加,极易造成药物滥用的情况,存在动物源性食品的药物残留和耐药性的生物安全风险[1],依据农业农村部的《农业农村部办公厅关于2023年第一期兽药质量监督抽检情况的通报》,兽药非法添加仍屡禁不止,省级监督抽检发现改变组方非法添加其他药物成分的产品4批,涉及3家生产企业,非法添加药物为双氯芬酸钠和乙酰甲喹。而现有关于兽药非法添加的检测方法共50余种,其中大部分检测设备都为高效液相色谱-二极管阵列检测器。面对越来越复杂的兽药非法添加现状,如何建立一种高适应性、高效的检测方法,具备定量定性特性,并有较高的准确度与灵敏度,来提升兽药检测行业水平,是亟待破解的问题。

2 FT-ICR MS在兽药未知物筛查中的应用前景

要想解决目前兽药非法添加乱相,就需要引入高通量、高分辨率、谱图特性强、易定性定量的检测设备。目前具备以上特点的检测仪器主要包括飞行时间质谱、拉曼光谱、傅立叶变换离子回旋共振质谱。飞行时间质谱主要通过检测信号开始与离子撞击到检测器产生脉冲之间的时间差,来测量不同物质产生的碎片离子以及产生的时间差;拉曼光谱是采用激光激发被测样品,通过高效光信号采集及处理系统获得拉曼散射信号,从而反映物质分子振动光谱和微观结构。但由于飞行时间质谱及拉曼光谱对未知物的定性较多依赖于已知对照品或者质谱数据库光谱图库的参照,在未知物筛查过程中存在较多不确定性,而傅立叶变换离子回旋共振质谱具有超高的宽带检测分辨率 (m/⊿m50%>106,m/z=400) 和质量准确度(外标法,<1.0 ppm)、高分辨检测模式下可获得化合物的同位素精细结构从而将分子量极其接近的物质很好地分开等优势。结合其通用的多级质谱功能,FT-ICR MS可准确地获得复杂体系中各个化学成分的元素组成进而阐明其化学结构[2],从而达到不需要已知对照品或质谱数据库光谱图库的情况下对未知物进行结构确证与定量分析。

在中药学领域,ESI-FT-ICR MS早已在中药单体化学成分的结构鉴定研究中取得了非常广泛的应用。早年,Xiong等[3]就曾采用ESI-FT-ICR MS模式对脱水淫羊藿素糖苷进行了化学结构鉴定,并对脱水淫羊藿素糖苷及其甲基化衍生物的裂解规律进行了研究,为该类化合物的结构鉴定研究奠定了基础。随后,刘春明等[4]也采用ESI-FT-ICR MS多级串联质谱法对朝鲜淫羊藿中一种新的生物碱类化合物进行了结构确认和裂解规律分析,并确证其为淫羊藿碱A。周莉莉等[5]利用ESI-FT-ICR MS和SORI-CID技术对马钱苷进行了质谱研究,并对其质谱碎裂机理进行了验证,建立了其同系物的质谱鉴定新方法。由于FT-ICR MS具有质量范围宽、灵敏度高、可提供母离子和碎片离子的精确质量数及可能的元素组成等优点,近年来,LC-ESI-FT-ICR MS在中药及其复方体外化学成分的鉴定中也得到了广泛的应用,Han等[6]利用UHPLC-FT-ICR-MS方法对栀子大黄汤药效物质基础进行了研究,在大鼠血清中确定了18个可能的活性成分,包括9个环烯醚萜苷类化合物、5个单萜类化合物和4个黄烷酮类化合物,基本确定了体内产物的结构及含量。FT-ICR MS技术在动物体内检测药物残留检测方面的应用,为兽药非法添加在动物源性食品中残留量的测定提供了实验基础,也为中药学领域中主要化学成分与药理活性之间关系的应用,特别是复杂中药组分的检测与结构鉴定以及为兽药未知物筛查提供了可供参考的应用基础以及可行的检测方法。

3 傅立叶变换离子回旋共振质谱仪主要构造

FT-ICR MS基本包括离子源、串联四极杆、碰撞池、分析池和超导冷冻磁体。其中,离子源产生离子,串联四极杆和碰撞池选择、传输和/或裂解离子,分析池分离并检测离子。从结构功能上讲,分析池是FT-ICR MS的关键结构单元,它结合了传统质谱的质量分析器和离子检测器的双重功能,将离子分离和离子检测两种功能合二为一。

3.1离子源 目前,质谱最常用的离子源包括电喷雾电离源(ESI)[7]、大气压化学电离源(APCI)[8]和基质辅助激光解吸电离源(MALDI)[9]等。其中,ESI源和MALDI源是目前生命科学研究领域应用最多的两种离子源[10]。小分子化合物分析时(分子量<1000 Da),ESI源应用范围最广,主要适合分析中等极性和极性化合物分子;APCI源是ESI源的补充,主要适合分析极性较小的化合物。而蛋白质分子分析时,ESI源能够形成多电荷离子,MALDI源则易于形成单电荷带电离子,但后者具有耐盐、灵敏度高和碎片离子少等特点。

3.2超导冷冻磁体 超导冷冻磁体是保证FT-ICR MS正常工作的核心部件,它为分析池提供了工作所必须的匀强磁场环境。随着超导冷冻磁体被应用于FT-ICR MS中,质谱仪的分辨率、质量精确度、质量范围、动态范围、测量速度、测量稳定性和灵敏度等一系列主要性能均得到了显著的提高,特别是近十年FT-ICR MS的进步与超导磁体技术的发展直接相关[11]。近年来,随着超导冷冻磁体研发技术的创新,FT-ICR MS推出了免维护超导冷冻磁体,利用一个超低温泵将挥发出来的液氦气体重新压缩成液氦灌回到超导磁体中,既不需要液氮对液氦降温,又减少了液氦的损耗,不但减少了日常维护成本,而且大大降低了超导磁体失超的危险。这也为FT-ICR MS在兽药未知物筛查领域的广泛应用提供了技术保障。

3.3分析池 分析池处在由超导冷冻磁体产生的高强磁场中,它集合了传统质谱的质量分析器和离子检测器的双重功能。当FT-ICR MS工作时,离子的分离和检测都在分析池内完成,只不过是在不同时间完成而已[12]。目前FT-ICR MS上对小分子模型化合物利血平(reserpine,m/z609) 进行测试,可获得高达2000万以上的超高分辨率[13-14]。在宽带模式下可获得电荷数从37到60的多电荷分布图,在窄带模式下对电荷数为49的同位素峰簇(m/z1357)进行测试,也可获得该峰簇的清晰分布,其分辨率高达120万[14],如此优秀的性能指标,极大地提高了兽药未知物筛查的准确性。

4 结论

本文对兽药非法添加现状以及检测方法进行了综述,结合高分辨质谱FT-ICR MS技术指标以及在中药基础研究中的应用,提出了高分辨质谱FT-ICR MS在兽药非法添加领域应用的可行性。可以看出,随着研究者对其工作原理和技术指标的深入了解,FT-ICR MS已成为在确定未知物结构以及含量测定中不可或缺的有效方法。截止目前,FT-ICR MS技术在中药检测领域应用比较广泛,但在兽药未知物检测领域还属于空白,国内目前尚无相关检测标准及方法。相信随着国家对兽药非法添加的重视以及FT-ICR MS新技术的发展和完善,该方法一定会被越来越广泛地应用于检测兽药非法添加物领域。