DART-MS在公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用研究

王 強(qiáng)，朱鶴云，鄭明善，馮 波*

(1.延邊大學(xué)藥學(xué)院，吉林 延吉 133002；2.吉林醫(yī)藥學(xué)院藥學(xué)院，吉林 吉林 132013)

直接實(shí)時(shí)分析-質(zhì)譜(direct analysis in real time-mass spectrometry，DART-MS)是一種敞開式離子化質(zhì)譜(ambientionization mass spectrometry，AIMS)技術(shù)。2005年DART商品化以來[1]，DART-MS作為一種嶄新的質(zhì)譜分析技術(shù)被快速?gòu)V泛地應(yīng)用于藥物研究與發(fā)展、食品藥品安全檢測(cè)、材料分析及相關(guān)化學(xué)和生物化學(xué)分析等多個(gè)領(lǐng)域[2]，全球大型制藥企業(yè)(如Roche、Merck、Amgen、GSK、Pfizer、Eli Lilly)、美國(guó)執(zhí)法部門(如FBI、FDA、EPA)等相繼采用。目前多用于環(huán)境應(yīng)急事件監(jiān)測(cè)[3]、食品藥品安全檢測(cè)、理化檢驗(yàn)與取證分析[4]等公共安全領(lǐng)域。

DART-MS允許在不需要任何準(zhǔn)備的情況下對(duì)不同類型的樣品進(jìn)行快速、非接觸分析。在大多數(shù)情況下用固體物鉗、玻璃或聚合物棒分析樣品，直接引入離子源，從而被電離時(shí)熱氣的流動(dòng)從樣品表面解吸。相對(duì)低分子量的極性或非極性分析物(通常不超1000)可以被DART-MS離子化。DART具有操作簡(jiǎn)便，無任何預(yù)處理，快速、直接分析樣品，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)等特點(diǎn)。即使有高濃度鹽和基質(zhì)的存在，仍能生成強(qiáng)的離子信號(hào)。無論樣品溶解于任何溶劑，均可直接分析。用于開放環(huán)境下小分子的快速電離，與各種質(zhì)譜儀相結(jié)合，或與現(xiàn)有的常規(guī)樣品制備方法相結(jié)合。

本文針對(duì)DART-MS技術(shù)廣泛應(yīng)用的公共安全領(lǐng)域(食品監(jiān)測(cè)、藥品檢測(cè)、違禁品檢查)綜合論述，并探討DART-MS在該領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)和局限性。

1 DART的基本原理

DART離子源的工作原理主要分為兩個(gè)部分：氣體的等離子化和待測(cè)物的離子化。

首先，在大氣壓條件下，中性或惰性氣體(通常是氦、氮?dú)饣驓?流經(jīng)一個(gè)腔室，其中穿孔的圓盤電極形成激發(fā)態(tài)原子和離子的等離子體。隨后激發(fā)態(tài)原子或離子進(jìn)行快速加熱和電場(chǎng)加速，使樣品表面的特征性化合物或待測(cè)化合物瞬間離子化，大部分帶電粒子在氣體通過柵極時(shí)被移除，只有中性氣體分子保留,進(jìn)入MS檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)樣品的實(shí)時(shí)直接分析。

DART-MS在檢測(cè)過程中會(huì)受到大氣壓、溫度、空氣濕度等因素的干擾[5]，需要適時(shí)調(diào)整各個(gè)參數(shù)，以達(dá)到最佳狀態(tài)。

大氣壓界面通過增加從表面解吸的離子的收集量來維持MS在正常工作壓力下的真空，從而對(duì)腔內(nèi)壓力產(chǎn)生影響。界面腔內(nèi)的壓力對(duì)大氣壓界面壓力和MS分析儀壓力都有一定的影響。膜泵的腔內(nèi)壓力可以通過膜泵的閥來調(diào)節(jié)，并以更多的載氣量連接到接口室，從而使離子通過界面的陶瓷離子轉(zhuǎn)移管傳輸?shù)組S入口，并使背景信號(hào)最小化。如果腔內(nèi)壓力太低，離子會(huì)被吸出;而在高壓下，離子不會(huì)到達(dá)MS入口。通過減少氣體的隨機(jī)擴(kuò)散和增加氣體分析的碰撞反應(yīng)概率，將DART出口和MS取樣孔連接起來，與一個(gè)額外的真空泵相結(jié)合，使DART的電離效率更高。

氣體進(jìn)入DART源的溫度在整個(gè)分析中是相當(dāng)重要的。對(duì)于大多數(shù)熱穩(wěn)定分析，推薦溫度為350 ℃。然而，溫度依賴性化合物的釋放受溫度的影響，通常環(huán)境溫度高達(dá)500 ℃。較低的溫度適合揮發(fā)性有機(jī)化合物。較高的溫度有利于更高的沸點(diǎn)化合物和更長(zhǎng)的糖鏈。值得注意的是，DART源內(nèi)部的溫度與電離區(qū)的實(shí)際溫度(即DART源與質(zhì)譜儀入口之間的間隙)不同。加熱氣體的冷卻過程，溫度梯度和DART氣體溫度可以用來優(yōu)化源條件。

DART出口與陶瓷管入口的間距也很重要，通常約為8～10 mm，陶瓷管出口與加熱毛細(xì)管入口的距離一般為2 mm。允許對(duì)DART出口與毫秒孔之間的距離進(jìn)行5～90 mm的調(diào)整，以適應(yīng)不同的DART源或質(zhì)量分析儀?？梢酝ㄟ^松開陶瓷絕緣子蓋來實(shí)現(xiàn)更近或更寬的間距，或者通過松開DART源并將其移離MS來實(shí)現(xiàn)。樣品始終保存在距離DART出口約2～5 mm的間隙處。

2 DART-MS在食品安全方面的應(yīng)用

近些年為了應(yīng)對(duì)各種食品化學(xué)污染物、致病微生物帶來的新挑戰(zhàn)，為了解決食品安全和質(zhì)量問題，各種基于質(zhì)譜的傳統(tǒng)方法已經(jīng)被廣泛采用。液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)和氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)仍然是流行的方法。然而，這些方法面臨著許多不足。LC-MS和GC-MS都顯示了儀器操作和維護(hù)的復(fù)雜性和專業(yè)性。此外，LC-MS分析中的離子抑制現(xiàn)象一直存在。GC-MS還需要復(fù)雜的樣品制備，同時(shí)通常需要分析物具有良好的揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性[6]。

DART-MS技術(shù)可以對(duì)不同形態(tài)、不同類型的食品進(jìn)行檢測(cè)，如：牛奶[7]、茶葉[8]、飲料[9]、蜂膠[10]等，已在食品供應(yīng)鏈中廣泛應(yīng)用，包括生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)?，為解決各種食品成分、污染物、真實(shí)性和可追溯性提供了全面的解決方案。VACLAVIK等[11]基于DART-MS分析預(yù)測(cè)餅干中丙烯酰胺的生成，采用偏最小二乘回歸(PLSR)方法建立了丙烯酰胺含量的回歸模型。對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(PCA)，該方法可用于餅干的快速篩選，評(píng)估加工條件的變化對(duì)丙烯酰胺形成的影響。

食品中有害成分的精準(zhǔn)定量對(duì)保證食品安全尤其重要，目前多采用內(nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法定量。ZHANG等[12]采用實(shí)時(shí)直接分析四極桿串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜(DART-Q-TOF-MS)結(jié)合外標(biāo)法實(shí)現(xiàn)了奶粉中雙氰胺的定性和定量分析。得到線性范圍為0.1～10 mg/kg的雙氰胺限值為0.1 mg/kg，滿意的相關(guān)系數(shù)為0.999 7，達(dá)到了良好的回收率(80.08%～106.47%)和重復(fù)性(RSD=3%～5.4%)。BUSMAN等[13]采用DART-MS結(jié)合13C內(nèi)標(biāo)法對(duì)玉米中黃曲霉毒素AFB1進(jìn)行定量分析，用同位素稀釋法測(cè)定玉米提取物。線性范圍為4～1000 μg/kg，回收率94%～110%，重復(fù)性RSD=0.7%～6.9%。黃曲霉毒素AFB1的最低校準(zhǔn)水平為4 μg/kg。

DART-MS尤其對(duì)農(nóng)殘的檢測(cè)發(fā)揮了重要的作用。GUO等[14]利用DART-MS對(duì)紅酒中殘留農(nóng)藥和非法摻假物的快速分析。建立一種快速、簡(jiǎn)便的分析紅葡萄酒中殘留農(nóng)藥和違法添加劑的方法。農(nóng)藥和摻假物的檢出限分別在0.5～50 μg/L和5～50 μg/L之間，對(duì)農(nóng)藥和摻假品的檢出限分別在1～100 μg/L和10～250 μg/L之間。FARRE等[15]利用高分辨軌道光質(zhì)譜(DART-HRMS)分析水果皮中存在的異物，并考察了DART氣體加熱器的溫度、壓力、源到MS距離、樣品速度等變量。在正離子模式下對(duì)果實(shí)果皮中的殺菌劑、抗氧化劑和糖類進(jìn)行了鑒定，提出了標(biāo)記成分的可能化學(xué)結(jié)構(gòu)。該體系所能檢測(cè)到的最低咪唑濃度為1 ng(相當(dāng)于約300 μg/kg)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最大殘留限量。

3 DART-MS在藥品安全方面的應(yīng)用

藥品安全問題直接關(guān)系著人們的健康，貫穿于藥品研發(fā)、生產(chǎn)、流通和使用的整個(gè)周期。DART-MS技術(shù)具有很大的藥物分析潛力，包括快速篩選假藥、麻醉藥品鑒別及生物樣品的定量。LI等[16]建立了一種基于DART-Q-TOF-MS快速測(cè)定中藥制劑熱毒寧注射液中梔子苷含量的方法，該方法可用于天然藥物和中藥制劑的原料和產(chǎn)品的快速評(píng)價(jià)。不需要樣品清洗或色譜分離，就能直接從復(fù)雜中草藥制劑樣品中解吸分析物。并與傳統(tǒng)的高效液相色譜-二極管陣列檢測(cè)器(HPLC-DAD)的結(jié)果進(jìn)行了比較，兩者測(cè)定結(jié)果一致。GAO等[17]應(yīng)用DART-Q-TOF-MS直接測(cè)定注射液中5-羥甲基糠醛的含量。采用超高效液相色譜結(jié)合三重四極質(zhì)譜(UHPLC-QQQ-MS)實(shí)驗(yàn)。注射樣品UHPLC-QQQ-MS的結(jié)果吻合較好，證明該方法可作為中草藥注射劑中5-HMF快速監(jiān)測(cè)的替代方法。

此外，對(duì)于中藥原材料成分的定性和定量，DART-MS也發(fā)揮了重要的作用。LIU等[18]使用DART-MS解決了人參皂苷的快速定量方法。采用固相甲基化方法對(duì)人參皂苷進(jìn)行快速衍生化，根據(jù)其特征片段串聯(lián)質(zhì)譜進(jìn)行鑒別，以氘化的人參皂苷為內(nèi)標(biāo)，用DART-MS對(duì)人參中人參皂苷Rb1、Re和Rg1進(jìn)行快速定量分析。ZHOU等[19]用實(shí)時(shí)質(zhì)譜法(DAT-MS)直接對(duì)烏頭藥材進(jìn)行原位分析。幾乎所有烏頭堿類生物堿都能被解吸和離子化，精密度可作為阿可尼制劑質(zhì)量控制的初步定性檢驗(yàn)?？紤]到該方法對(duì)生物堿分析的有效性，可在其他含有生物堿的植物中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析。

4 DART-MS在社會(huì)安全領(lǐng)域的應(yīng)用

社會(huì)安全領(lǐng)域的檢測(cè)工作，其特殊性要求檢測(cè)工作在開放環(huán)境下簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確的完成，為現(xiàn)場(chǎng)取證提供執(zhí)法依據(jù)。DART-MS能滿足實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣品高通量分析的需求和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)、無損、快速、低碳、原位、直接分析的需求。目前已應(yīng)用于法檢物證分析中爆炸物、毒品、濫用藥物及油跡指紋等多項(xiàng)目檢驗(yàn)。

自從2002年開始，美國(guó)軍方已經(jīng)利用DART-MS檢測(cè)物質(zhì)表面的化學(xué)戰(zhàn)劑[20]?？焖?、安全和準(zhǔn)確的化學(xué)制劑檢測(cè)方法對(duì)國(guó)防安全至關(guān)重要。SWIDER等[21]使用DART-MS優(yōu)化了22種有機(jī)炸藥殘留物的分析方法，為快速篩選爆炸物成分提供了指導(dǎo)。并引入樣品作為純?nèi)芤汉晚樞蛳♂尫?，以確定最佳儀器條件和最低可檢測(cè)濃度。大多數(shù)化合物在250 ℃下以負(fù)離子模式優(yōu)化。用干凈的擦拭物直接從其表面和萃取物中檢測(cè)出混合物，并檢測(cè)出在土壤中和在加標(biāo)表面混合的化合物。ROWELL等[22]利用DART-SALDI-TOF-MS檢測(cè)潛手印中的硝化-有機(jī)和過氧化物爆炸物。結(jié)果發(fā)現(xiàn)每種爆炸物在納克級(jí)仍然可以被檢測(cè)到。這些爆炸物可從6種常見物質(zhì)表面(紙、塑料袋、金屬飲料、木層壓板、膠帶和白色瓷磚)提取到的潛在標(biāo)記中被檢測(cè)到。MICHAEL等[23]對(duì)固體基質(zhì)和液體基質(zhì)中爆炸物的DART離子化效果進(jìn)行評(píng)估。

盡管國(guó)內(nèi)和國(guó)際的限制，但非法合成大麻素產(chǎn)品仍不斷出現(xiàn)。這些產(chǎn)品含有多種化學(xué)成分。而且在許多情況下可能含有多個(gè)活性成分，常規(guī)方法很難檢測(cè)。MUSAH等[24]使用DART-MS通過測(cè)定[M+H]+離子的精確質(zhì)量和利用碰撞誘導(dǎo)裂解產(chǎn)生的產(chǎn)物離子峰，可以快速分析合成大麻素化學(xué)物。結(jié)果表明DART-MS可以快速識(shí)別人造大麻類似物AM-251和JWH-015。對(duì)于每種大麻素，使用質(zhì)譜可以檢測(cè)出低于300 μg的物質(zhì)。LESIAK等[25]證明了DART-MS可作為高通量快速篩查6種市售“草藥香”產(chǎn)品，檢測(cè)5種合成大麻素多種混合物的方法。它的主要優(yōu)勢(shì)在于，當(dāng)物證非常有限時(shí)能檢測(cè)微量樣品。DUNHAM等[26]使用飛行時(shí)間質(zhì)譜(TOF)結(jié)合DART，開發(fā)了從毒品“香料”(草藥大麻替代品)中快速識(shí)別、提取和定量分析合成大麻素JWH-018的方法。

對(duì)于濫用藥物的檢測(cè)通常采取尿檢的方式進(jìn)行，如尿樣中興奮劑的快速初篩[27]。KAWAMURA等[28]使用DART-TOF-MS篩查尿液中冰毒和3,4-亞甲二氧基甲基安非他明及其代謝物。由于尿液中尿素產(chǎn)生基體效應(yīng)使目標(biāo)化合物的電離被抑制，需使用吸頭型固相萃取進(jìn)行預(yù)處理，添加到對(duì)照尿液中樣本的4個(gè)化合物的檢測(cè)限為0.25 mg/L。呈現(xiàn)良好線性范圍：0.5～5 mg/L。RODRIGUEZ等[29]使用薄層固相萃取(SPME)結(jié)合DART串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)測(cè)定尿液中可卡因和美沙酮。結(jié)果表明，SPME能夠改善化合物的檢測(cè)能力，避免尿液中殘留的鹽類污染離子源。當(dāng)其與96孔板結(jié)合并與DART技術(shù)聯(lián)用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較短時(shí)間和高通量樣本分析。JAGERDEO等[30]利用填充吸附微量萃取技術(shù)結(jié)合DART-TOFMS進(jìn)行尿液中可卡因及其代謝物的篩查。

5 展 望

DART-MS技術(shù)解決了以往質(zhì)譜對(duì)樣品前處理過程的依賴，提高了檢測(cè)速度，將檢測(cè)對(duì)象拓展到氣體、液體和固體，使用免接觸的方式，實(shí)現(xiàn)了樣品的直接實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)公共安全領(lǐng)域的檢驗(yàn)工作提供了一個(gè)新檢測(cè)技術(shù)平臺(tái)。DART-MS技術(shù)相比于現(xiàn)行通用的液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)，對(duì)各種樣品有很好的適用性，分析不再需要繁雜的樣品制備和耗時(shí)的色譜分離。作為一種“綠色”分析檢測(cè)技術(shù)，在無損耗定性和定量分析方面表現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

盡管DART-MS技術(shù)仍然存在一定的局限性，檢測(cè)過程中會(huì)受到周圍環(huán)境如溫度、空氣濕度等因素的干擾，但通過引入精確的進(jìn)樣裝置、合適的內(nèi)標(biāo)化合物、與其他解吸附或者離子化方法結(jié)合、引入促進(jìn)離子化的添加劑等，將極大地提高DART-MS應(yīng)用范圍和準(zhǔn)確性。