原位電離便攜式質(zhì)譜研究卡西酮類毒品的裂解規(guī)律和分析策略

李雅文，連 茹，王跨陡，夏 攀，卜杰洵，邱秉林，張玉榮

(1.中國醫(yī)藥工業(yè)研究總院，上海醫(yī)藥工業(yè)研究院，創(chuàng)新藥物與制藥工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200040；2.上海市公安局物證鑒定中心，上海市現(xiàn)場物證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；3.北京清譜科技有限公司，北京 100084)

新精神活性物質(zhì)是在管制毒品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和非法制造的毒品衍生物[1-2]，用于模仿管控毒品的精神作用，逃脫刑法制裁，以“合法高點(diǎn)”、“沐浴鹽”、“植物食品”等名稱進(jìn)行銷售[3-5]。截止2019年，所報道的新精神活性物質(zhì)已經(jīng)超過800種，涉及全球110多個國家且依然在不斷增加，給全球公共安全帶來極大的挑戰(zhàn)，被描述為“全球范圍內(nèi)的流行病”[1,6-7]。合成大麻素和卡西酮類是新精神活性物質(zhì)中數(shù)量最多的類別[8]。有數(shù)據(jù)表明，卡西酮類與大麻相比能更快地出現(xiàn)成癮性和戒斷綜合征[9]?？ㄎ魍愇镔|(zhì)通過口服、吸入或注射的方式，產(chǎn)生類似苯丙胺、可卡因和搖頭丸的作用，能夠產(chǎn)生短暫的欣快感、刺激性、輕微的性喚醒等癥狀，使吸服者頻繁服用[4,10-13]，造成癲癇發(fā)作，腎和肝功能衰竭等，進(jìn)而導(dǎo)致死亡[14-15]。我國從2001年起就將氯胺酮列入管制，經(jīng)過多次增補(bǔ)，至今已有170種新精神活性物質(zhì)被列入管制，其中卡西酮類毒品共有51種[16]。

關(guān)于卡西酮類物質(zhì)的質(zhì)譜裂解規(guī)律已有報道[17-20]，但較為零散，且只有少數(shù)涉及我國列管目錄，因此需要一套相對完整、涵蓋范圍廣的研究作為補(bǔ)充以支持我國的禁毒工作。傳統(tǒng)的研究方法有氣相色譜-質(zhì)譜法、超高效液相色譜-四極桿飛行時間質(zhì)譜法等[21-22]，然而這些方法對進(jìn)樣和分析條件要求較高，且局限于設(shè)備所在地點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測。近年來，原位電離技術(shù)發(fā)展迅速，如解吸電噴霧電離(DESI)、實(shí)時直接分析(DART)、低溫等離子體(LTP)、紙噴霧電離(PSI)等，無需或僅需簡單的前處理，即可在常溫常壓下對樣品進(jìn)行直接分析[23-25]。基于原位電離的便攜式質(zhì)譜更是突破了傳統(tǒng)的質(zhì)譜技術(shù)，具有體積小、質(zhì)量輕、功率低、便攜帶等特點(diǎn)，可不受地點(diǎn)與環(huán)境的限制，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測，已經(jīng)成功應(yīng)用于食品安全、公共安全、生命科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[26-27]。紙毛細(xì)管噴霧(PCS)是在紙噴霧基礎(chǔ)上做出改進(jìn)[28]，便于發(fā)展成一次性試劑盒與便攜式質(zhì)譜聯(lián)用，能夠適應(yīng)現(xiàn)場多種形態(tài)樣品的快速檢測技術(shù)。目前，未見使用PCS及便攜式質(zhì)譜進(jìn)行卡西酮類毒品研究的報道。

本工作擬采用PCS原位電離便攜式質(zhì)譜分析國內(nèi)列管的40種卡西酮類毒品，研究其裂解規(guī)律，建立篩查數(shù)據(jù)庫并設(shè)計(jì)分析策略，將其應(yīng)用于未知物的鑒定，希望為現(xiàn)場快速篩選卡西酮類可疑物質(zhì)提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

B1001 Mini β小型質(zhì)譜分析儀、PCS開發(fā)專用盒：中國清譜(上海)分析儀器有限公司產(chǎn)品，示于圖1。

圖1 卡西酮類毒品的化學(xué)結(jié)構(gòu)(a)，PCS試劑盒(b)及Mini β小型質(zhì)譜分析儀裝置圖(c)Fig.1 Chemical structure of cathinones (a), PCS cartridge (b) and equipment diagram of Mini β mass spectrometer (c)

2-氟甲卡西酮(2-FMC)、2-甲基甲卡西酮(2-MMC)、3,4-二甲基甲卡西酮(3,4-DMMC)、3-氯甲卡西酮(3-CMC)、3-甲氧基甲卡西酮(3-MeOMC)、3-甲基甲卡西酮(3-MMC)、4-溴甲卡西酮(4-BMC)、4-氯甲卡西酮(4-CMC)、4-氟甲卡西酮(4-FMC)、1-(4-氟苯基)-2-(N-吡咯烷基)-1-戊酮(4-F-α-PVP)、1-(4-甲基苯基)-2-甲氨基-1-丁酮(4-MeBP)、1-(4-甲氧基苯基)-2-(N-吡咯烷基)-1-戊酮(4-MeO-α-PVP)、1-苯基-2-甲氨基-1-丁酮(buphedrone)、2-甲氨基-1-[3,4-(亞甲二氧基)苯基]-1-丁酮(butylone)、2-二甲氨基-1-[3,4-(亞甲二氧基)苯基]-1-丙酮(dimethylone)、3,4-亞甲二氧基乙卡西酮(ethylone)、1-[3,4-(亞甲二氧基)苯基]-2-(N-吡咯烷基)-1-丁酮(MDPBP)、1-[3,4-(亞甲二氧基)苯基]-2-(N-吡咯烷基)-1-丙酮(MDPPP)、4-甲氧基甲卡西酮(methedrone)、1-苯基-2-乙氨基-1-丁酮(NEB)、1-苯基-2-甲氨基-1-戊酮(pentedrone)、1-苯基-2-(N-吡咯烷基)-1-丁酮(α-PBP)、1-苯基-2-(N-吡咯烷基)-1-己酮(α-PHP)、1-苯基-2-(N-吡咯烷基)-1-庚酮(α-PHPP)、1-苯基-2-(N-吡咯烷基)-1-戊酮(α-PVP)、1-(2-噻吩基)-2-(N-吡咯烷基)-1-戊酮(α-PVT)、4-氯乙卡西酮(4-CEC)、1-[3,4-(亞甲二氧基)苯基]-2-乙氨基-1-戊酮(N-ethylpentylone)、1-(4-氯苯基)-2-(N-吡咯烷基)-1-戊酮(4-Cl-α-PVP)、1-(4-氯苯基)-2-(N-吡咯烷基)-1-丙酮(4-Cl-α-PPP)、1-[2-(5,6,7,8-四氫萘基)]-2-(N-吡咯烷基)-1-戊酮(β-TH-naphyrone)、1-(4-氟苯基)-2-(N-吡咯烷基)-1-己酮(4-F-α-PHP)、1-[3,4-(亞甲二氧基)苯基]-2-(N-吡咯烷基)-1-己酮(MDPHP)、1-(4-甲基苯基)-2-甲氨基-1-戊酮(4-MPD)、1-(4-氯苯基)-2-乙氨基-1-戊酮(4-Cl-EAPP)、1-(4-氯苯基)-2-甲氨基-1-戊酮(4-Cl-pentedrone)、亞甲基二氧吡咯戊酮(MDPV)、4-甲基乙卡西酮(4-MEC)、4-甲基甲卡西酮(4-MMC)、3,4-亞甲二氧基甲卡西酮(methylone)、1-[3,4-(亞甲二氧基)苯基]-2-甲氨基-1-戊酮(pentylone)、1-(4-甲基苯基)-2-(N-吡咯烷基)-1-己酮(4-MPHP)、3,4-亞甲二氧基丙卡西酮(propylone)、奧芬太尼、1-己基-3-(1-萘甲酰基)吲哚(JWH-019)、N,N-二烯丙基-5-甲氧基色胺(5-MeO-DALT)、2,5-二甲氧基苯乙胺(2C-H)標(biāo)準(zhǔn)品：純度大于98%，上海原思標(biāo)物科技有限公司產(chǎn)品；甲醇：色譜級，德國Merck公司產(chǎn)品。各毒品標(biāo)準(zhǔn)品儲備液用甲醇稀釋配制成1 mg/L的甲醇溶液，供檢測用。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

使用PMS Client Pro程序控制Mini β小型質(zhì)譜分析儀在正離子模式下進(jìn)行電離，噴霧電壓4.5 kV，質(zhì)量掃描范圍m/z50～1 000。各毒品的碰撞誘導(dǎo)解離(CID)能量列于表1。

1.3 數(shù)據(jù)庫的信息采集

取20 μL各毒品溶液至PCS試劑盒的樣品窗口，取200 μL甲醇洗脫劑至溶劑窗口。收集全掃描模式(MS1)、選擇離子掃描模式(MS1_ISO)、產(chǎn)物離子掃描模式(MS2)、盲篩產(chǎn)物離子掃描模式(MS2_DDA)譜圖各3張，通過MS1與MS1_ISO判斷待測物的[M+H]+準(zhǔn)分子離子峰，通過MS2與MS2_DDA判斷待測物的碎片離子峰及相對豐度比。

2 結(jié)果與討論

2.1 一級質(zhì)譜分析

在正離子模式下，40種卡西酮類毒品均存在[M+H]+準(zhǔn)分子離子峰，其中4、7、8、29、30、35、36號含Br、Cl取代的物質(zhì)存在明顯的[M+2+H]+同位素峰。

2.2 串聯(lián)質(zhì)譜分析

本實(shí)驗(yàn)使用Mini β小型質(zhì)譜分析儀在正離子模式下進(jìn)行電離，所得部分卡西酮類毒品的MS2圖及斷裂位點(diǎn)，示于圖2。

圖2 1(a)、2(b)、3(c)、10(d)、14(e)、23(f)、31(g)、37(h)、40(i)號卡西酮類毒品MS2質(zhì)譜圖Fig.2 MS2 spectra of No.1 (a), 2 (b), 3 (c), 10 (d), 14 (e), 23 (f), 31 (g), 37 (h), 40 (i) cathinones

2.2.1丟失中性分子水 除15個化合物(10、12、15、17、18、22、23、24、25、26、29、31、32、33、37)外，其他毒品的二級質(zhì)譜均存在失去18 u碎片離子，推測為失去1分子水，且絕大多數(shù)[M-H2O+H]+碎片為最強(qiáng)離子峰(7號和30號化合物除外，7號化合物的最強(qiáng)離子峰為m/z145[C10H11N]+，是[M-H2O+H]+失去苯環(huán)上H—Br所得，其他所有卡西酮類毒品均沒有Br取代；30號化合物的最強(qiáng)離子峰為α位的C—N裂解所得)。這些失水且[M-H2O+H]+為最強(qiáng)離子峰的化合物存在仲胺結(jié)構(gòu)，未失水化合物的共同特征為N上是叔胺結(jié)構(gòu)。因此，可根據(jù)[M—H2O+H]+碎片是否為最強(qiáng)離子峰判斷化合物是否存在仲、叔胺結(jié)構(gòu)。

2.2.2α位的C—N裂解 卡西酮類毒品結(jié)構(gòu)均含有1個氮原子，其二級質(zhì)譜均存在質(zhì)荷比為奇數(shù)的碎片離子，根據(jù)氮規(guī)則可判斷失去了氮原子部分，失去的部分碎片離子均為m/z31(—CH5N)、m/z45(—C2H7N)和m/z71(—C4H9N)，表明卡西酮類毒品經(jīng)過α位的C—N裂解失去R1—NH—R2結(jié)構(gòu)產(chǎn)生[M—R1—NH—R2+H]+碎片離子。因此，α位的C—N裂解是卡西酮類毒品的質(zhì)譜裂解特征。

雖然在40種卡西酮類毒品中沒有觀察到明顯的共同特征碎片峰，但這些毒品具有共同的骨架和相似的分子結(jié)構(gòu)，逐一對比后發(fā)現(xiàn)，其裂解途徑存在高度的規(guī)律性。所涉及的卡西酮類毒品包含6組共計(jì)18種同分異構(gòu)體，有些存在相同的特征碎片峰，可根據(jù)出現(xiàn)的不同特征碎片峰及相同特征碎片峰的相對豐度比進(jìn)行區(qū)分。其中1和9號、2和39號、4和8號、5和19號苯環(huán)取代官能團(tuán)相同但取代位點(diǎn)不同，因此僅使用此質(zhì)譜技術(shù)無法區(qū)分。

2.3 特殊取代物質(zhì)的裂解規(guī)律

2.3.1N上取代物質(zhì)的裂解規(guī)律 N上取代基主要有氫、甲基、乙基以及C4H8與N形成的吡咯烷基。根據(jù)取代基不同可將卡西酮類毒品分為仲胺和叔胺結(jié)構(gòu)，含有仲胺結(jié)構(gòu)的卡西酮類毒品會失去1分子水形成[M-H2O+H]+碎片，與經(jīng)過α位的C—N裂解失去R1—NH—R2結(jié)構(gòu)產(chǎn)生[M—R1—NH—R2+H]+碎片。含有叔胺結(jié)構(gòu)的卡西酮類毒品則不會失去1分子水，且含有吡咯烷基的卡西酮類毒品會形成m/z98[C6H12N]++CnH2n(即當(dāng)n=0時，m/z98)的吡咯烷基特征峰，以及失去吡咯烷基的特征峰，因此是在α位C和β位C之間形成斷裂。以1-苯基-2-(N-吡咯烷基)-1-庚酮為例，m/z260[C17H26NO]+為[M+H]+峰，一方面根據(jù)N上取代物質(zhì)的裂解規(guī)律，經(jīng)過C—C鍵斷裂形成m/z154[C10H20N]+吡咯烷基峰；另一方面經(jīng)過C—N裂解形成m/z189 [C13H17O]+，然后在α位C取代部位經(jīng)過一系列的烷烴鏈斷裂形成m/z133[C9H9O]+、m/z119 [C8H7O]+、m/z105[C7H5O]+，其可能的裂解途徑示于圖3。

圖3 1-苯基-2-(N-吡咯烷基)-1-庚酮可能的裂解途徑Fig.3 Proposed fragmentation pathways of α-PHPP

m/z98[C6H12N]+、m/z112[C7H14N]+、m/z126[C8H16N]+、m/z140[C9H18N]+、m/z154[C10H20N]+吡咯烷基系列特征峰在所測的系列化合物中均存在，根據(jù)這一特征可判斷物質(zhì)的N取代狀態(tài)。

2.3.2苯環(huán)取代物質(zhì)的裂解規(guī)律 苯環(huán)上取代基主要有烷基、甲氧基、F、Cl、Br和亞甲二氧基，其中烷基、甲氧基、F取代的物質(zhì)裂解較簡單，多數(shù)為失去1分子水形成[M—H2O+H]+碎片且為最強(qiáng)離子峰，經(jīng)過α位的C—N裂解失去R1—NH—R2結(jié)構(gòu)產(chǎn)生[M—R1—NH—R2+H]+碎片。苯環(huán)上取代則較穩(wěn)定，苯環(huán)上的烷基、甲氧基、F均沒有發(fā)生斷裂，Cl、Br取代的物質(zhì)會發(fā)生苯環(huán)上的斷裂失去取代，其中失去HBr碎片峰為最強(qiáng)離子峰，失去Cl的碎片離子峰弱于[M—H2O+H]+峰。亞甲二氧基取代的物質(zhì)最復(fù)雜，以1-[3,4-(亞甲二氧基)苯基]-2-乙氨基-1-戊酮(28號化合物)為例，m/z250 [C14H20NO3]+為[M+H]+峰失去1分子水形成m/z232[C14H18NO2]+最強(qiáng)離子峰，m/z205[C12H13O3]+為失去45 u的奇數(shù)碎片離子，由[M+H]+峰經(jīng)過α位C—N裂解所得，m/z202[C13H16NO]+是[M+H]+峰失去48 u(CH4O2)所得，這是文獻(xiàn)[18,20]中亞甲二氧基取代的裂解途徑，在14和40號化合物中也觀察到失去CH4O2碎片離子峰，但在同樣具有亞甲二氧基取代的15、17、18、33、37號化合物中未觀察到失去CH4O2碎片離子峰，但均存在失去30 u(CH2O)碎片離子峰，可能是苯環(huán)上亞甲二氧基裂解生成醚[29]。15、17、18、33、37號化合物不存在失去水的碎片，14和40號化合物存在失去水的碎片，因此在14和40號化合物中觀察到的失去48 u(CH4O2)碎片離子峰既有可能是[M+H]+峰直接失去苯環(huán)取代的亞甲二氧基，也有可能是先失去苯環(huán)上18 u(1分子水)，再失去30 u (CH2O)所得，這與觀察到的15、17、18、33、37號化合物一致。因此，m/z202[C13H16NO]+、m/z175[C11H11O2]+可能是m/z232[C14H18NO2]+和m/z205[C12H13O3]+分別失去CH2O所得。28號化合物的裂解途徑示于圖4。

圖4 1-[3,4-(亞甲二氧基)苯基]-2-乙氨基-1-戊酮可能的裂解途徑Fig.4 Proposed fragmentation pathways of N-ethylpentylene

2.4 分析策略及應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)建立了用于Mini β小型質(zhì)譜儀快速篩選40種卡西酮類毒品的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫包含40種卡西酮類毒品的名稱、化學(xué)式、準(zhǔn)分子離子峰(即[M+H]+峰)、至少2個特征碎片離子。通過對比未知物的一級質(zhì)譜圖確定[M+H]+峰，經(jīng)MS2_DDA模式得到碎片離子，利用數(shù)據(jù)庫與[M+H]+峰和碎片離子進(jìn)行對比快速篩選目標(biāo)物。

MS2是給予一定CID能量使[M+H]+峰碎裂為不同的碎片，但又保證[M+H]+峰不完全碎裂，因此MS2譜圖中同時具有母離子和子離子。MS2_DDA則是使用程序內(nèi)置的優(yōu)化碎裂能量使[M+H]+峰完全碎裂，這個能量不需要探索，具有節(jié)省時間、普適性更高的特點(diǎn)。MS2與MS2_DDA所得的特征碎片離子是相同的，只是部分豐度不同。因此使用MS2與MS2_DDA確定待測物的特征碎片離子及推測裂解途徑，檢測未知物時可以結(jié)合MS1與MS2_DDA判斷母離子和子離子。

結(jié)合數(shù)據(jù)庫及裂解規(guī)律建立分析策略，將其應(yīng)用于10種未知待測物A～J，流程圖示于圖5。

圖5 分析策略流程圖Fig.5 Flow chart of analysis strategy

根據(jù)以上方法判斷，待測物A、B、C質(zhì)譜信息滿足步驟Ⅰ，與數(shù)據(jù)庫中7、16、30號化合物一致，推測其分別為4-BMC、ethylone、4-Cl-α-PPP。待測物D、E、F、G質(zhì)譜信息不符合步驟Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，推測其為非卡西酮類物質(zhì)，即分別為奧芬太尼(芬太尼類)、JWH-019(合成大麻類)、5-MeO-DALT(色胺類)、2C-H(苯乙胺類)。

待測物H質(zhì)譜信息未匹配到數(shù)據(jù)庫信息，其[M+H]+峰為m/z236，無[M+2+H]+同位素峰，表明待測物不含Br、Cl。二級質(zhì)譜圖最強(qiáng)離子峰為m/z218，滿足步驟Ⅲ且為仲胺結(jié)構(gòu)。m/z205為m/z236失去31 u(—CH5N)，滿足步驟Ⅳ，推測為卡西酮類毒品，且此物質(zhì)R1=CH3，R2=H，存在m/z236失去48 u特征峰，滿足步驟Ⅶ，表明R4苯環(huán)取代基為亞甲二氧基。以上信息綜合所得的化合物結(jié)構(gòu)與[M+H]+峰相差44 u，表明R3烷烴取代基為C3H7。

待測物I質(zhì)譜信息未匹配到數(shù)據(jù)庫信息，其[M+H]+峰為m/z260，無[M+2+H]+同位素峰，表明待測物不含Br、Cl。二級質(zhì)譜圖最強(qiáng)離子峰為m/z189，與[M+H]+峰相差71 u，且存在m/z140[C9H18N]+，滿足步驟Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ，符合卡西酮類毒品的特征，推測含N部分結(jié)構(gòu)為吡咯烷基，R3=C3H7，以上信息綜合所得的化合物結(jié)構(gòu)與[M+H]+峰相差15 u，表明R4取代基為CH3，但無法判斷取代位點(diǎn)。

待測物J質(zhì)譜信息未匹配到數(shù)據(jù)庫信息，其[M+H]+峰為m/z236，無[M+2+H]+同位素峰。二級質(zhì)譜圖最強(qiáng)離子峰為m/z218，滿足步驟Ⅲ且為仲胺結(jié)構(gòu)。m/z177為m/z236失去59 u(—C3H9N)，滿足步驟Ⅳ，推測為卡西酮類毒品，且此物質(zhì)R1=C3H7，R2=H，存在m/z218失去30 u的m/z188特征峰，滿足步驟Ⅶ，表明R4苯環(huán)取代基為亞甲二氧基，以上結(jié)構(gòu)與[M+H]+峰相差15 u，表明R3烷烴取代基為CH3。

待測物H、I、J的推測信息列于表2。 10種未知物(包含常見的管制毒品類別)未發(fā)現(xiàn)干擾或誤判，數(shù)據(jù)庫可正常使用，使用分析策略推測的結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu)相吻合，且涉及的同分異構(gòu)體因其具有不同的碎片離子亦可區(qū)分，表明此方案可行。

表2 待測物H、I、J的結(jié)構(gòu)信息Table 2 Structural information of analytes H, I, J

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用PCS原位電離Mini β小型質(zhì)譜分析儀在正離子模式下對40種卡西酮類毒品進(jìn)行質(zhì)譜裂解規(guī)律分析，并建立質(zhì)譜信息數(shù)據(jù)庫用于卡西酮類毒品的快速篩查，研究其裂解規(guī)律，設(shè)計(jì)推斷未知卡西酮類化合物的分析策略，并應(yīng)用于10種待測物的結(jié)構(gòu)推斷。本方法只需簡單的上樣操作及一體化的小型質(zhì)譜儀，不受地點(diǎn)與環(huán)境的限制，可以現(xiàn)場快速檢測可疑物質(zhì)，為快速、精確打擊卡西酮類毒品犯罪發(fā)揮重要作用。