敞開式電離質譜技術在法醫毒物分析中的應用

崔婉瑩，于忠山,常 靖，趙 鵬，王愛華，吳小軍，李佳宜，張云峰*

(1.中國人民公安大學 偵查學院，北京 100038；2.公安部物證鑒定中心，北京 100038)

法醫毒物分析中，不同案件性質和作案方式導致作為證據的檢材樣本高度多樣化，其中可能包括血液、尿液、唾液、洗胃液、毛發、藥物和潛指紋等。常見的儀器分析方法包括光譜分析法[1]、氣相色譜-質譜聯用法(GC-MS)[2-3]和液相色譜-質譜聯用法(LC-MS)[4]等。光譜分析法利用物質對電磁輻射的吸收和發射來確定其結構和化學成分，常需要標準樣品作為基準，因此實際應用具有一定的困難。色譜-質譜聯用技術的樣品前處理需經過分離、分析兩個步驟，操作繁瑣耗時，且對于難揮發、熱穩定性差、極性大的物質，GC-MS技術也難以分析。

近年來基于直接離子化的敞開式電離質譜(Ambient ionization mass spectrometry，AIMS)技術發展迅速。該技術在大氣壓條件下只需進行簡單的樣品前處理或無需前處理就可對目標物進行快速分析，在食品安全[5]、藥物分析[6-7]、環境檢測[8-10]、生活用品分析[11]、法庭科學[12-15]等領域已取得廣泛應用。本文對敞開式電離(Ambient ionization，AI)技術進行簡單概述后，著重綜述了AIMS技術在不同類型檢材分析中的應用，同時對該技術在法醫毒物分析領域中的發展方向進行了展望。

1 AI技術概述

2004年，Cooks等[16]提出了一種有別于傳統電離的新電離方式——解吸電噴霧電離(DESI)，并將其用于檢測金屬、聚合物和礦物表面的多肽和蛋白質。其譜圖與常規電噴霧電離(ESI)譜圖相似，相比之下解吸電噴霧電離質譜(DESI-MS)技術可在非真空條件下完成樣品分析。隨后包括實時直接分析(DART)[17]、解吸大氣壓化學電離(DAPCI)[18]、敞開式超聲噴霧電離(EASI)[19]、基質輔助激光解吸電噴霧電離(MALDESI)[20]、解吸大氣壓光電離(DAPPI)[21]、探針電噴霧電離(PESI)[22]等在內的幾十種AI技術相繼被提出。與傳統的儀器分析技術相比，AI技術具有很多優點，如無需或只需簡單的樣品處理、電離條件溫和、分析速度快和非真空條件下操作簡單等。實際分析中，通常根據被測樣品的化學結構、理化性質等因素選擇合適的電離源。

按照解吸方式不同，AI技術可分為三大類[23]：液體萃取、等離子體解吸和激光剝蝕。3類AI技術代表性的AI源如圖1所示。液體萃取電離技術利用溶劑從樣品表面提取或解吸分子，通常用于分析基于ESI機制電離的極性分子，主要包括EASI、PESI、DESI、紙噴霧電離(PSI)、接觸噴霧電離(TS)和萃取電噴霧電離(EESI)等。等離子體解吸電離技術與大氣壓化學電離(APCI)具有相同的化學原理，放電電極產生的等離子體與氣化的樣品分析物相互作用而發生電離，主要包括DART、DAPPI、DAPCI、低溫等離子體探針(LTP)和微波等離子炬(MPT)等。由于分析物需在電離前處于氣相，快速檢測僅限于低分子量的揮發性化合物。激光剝蝕技術利用激光源使目標分析物從被測樣品中解吸下來，電離效率低，因此大多數基于激光的AIMS技術均與二次電離源耦合以提高電離效率和靈敏度，如MALDESI、電噴霧輔助激光解吸電離(ELDI)、激光輔助解吸電噴霧電離(LADESI)、激光解吸電噴霧電離(LDESI)和激光剝蝕電噴霧電離(LAESI)等。激光剝蝕AIMS技術的最新發展，一是利用紅外激光源來促進解吸和電離，二是與除電噴霧外的各種后電離方法集成。激光剝蝕與激光后電離相結合，具有高橫向分辨率，在最大限度減少差異檢測的同時實現高靈敏度和深度剖析等優勢[24]。

圖1 DESI源的原理圖(A)[16]、DART源的剖面圖(B)[17]與MALDESI源的原理圖(C)[20]Fig.1 The schematic diagram of DESI(A)[16],clipped view of DART source(B)[17] and the schematic diagram of MALDESI(C)[20]

2 AIMS技術在法醫毒物分析中的應用

法醫毒物分析中，法醫工作者通過對檢材中有關毒物的鑒定分析，判斷案件性質，為案件提供偵查線索和證據，為當事人是否承擔法律責任提供依據。分析中涉及的檢材類型多種多樣，按照檢材類型不同可分為體內檢材和體外檢材。體內檢材也稱為生物檢材，包括血液、尿液、唾液等體液及毛發等組織。體外檢材指未經人體代謝、吸收和分布的檢材，包括案件現場發現的各種藥片、潛指紋、洗胃液和植物材料等。AIMS技術因無需樣品制備和色譜分離，操作簡單、耗時短等優勢，在法醫毒物分析領域具有廣泛應用。

2.1 體內檢材

2.1.1 血 液血液是法醫毒物分析中常用的體內檢材，分析血液中的藥物毒物濃度有利于解釋中毒或死亡的原因。為釋放與蛋白結合的藥物毒物并防止測定干擾，傳統上需要對血液檢材進行去蛋白預處理，過程繁瑣、耗時。AIMS技術可省去這一步驟進行直接分析，快速、簡單、無需樣品制備的優勢使該技術成為毒物篩查的一種可行性方法。Minakata等[25]采用基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(MALDI-TOF MS)對血液中4種苯丙胺進行快速定量分析，通過其在血液中的濃度估算死亡原因。Teunissen等[26]成功建立并驗證了一種基于紙噴霧質譜(PS-MS)對全血中8種苯丙胺類化合物免分離的定量方法。該方法快速、靈敏、選擇性高，1.3 min內即可完成定性定量分析，方法檢出限為15～50 ng·mL-1，定量下限低于苯丙胺典型的生理和毒理學水平。Jett等[27]通過PSI技術與三重四極桿質譜聯用對血液中常見的134種藥物及其代謝物進行快速篩查。Usui等[28]使用探針電噴霧電離串聯質譜(PESI-MS/MS)快速定量分析血清中的百草枯。該方法直接電離和測定百草枯，可在18 s內獲得檢測結果，檢出限為0.004 μg·L-1，定量下限為0.015 μg·L-1。實際血清樣品分析中，與液相色譜-串聯質譜(LC-MS/MS)的結果相比無顯著性差異。PESI-MS/MS技術無需使用連續的氣體/液體流，且探針和樣品板是一次性使用，可將污染風險降至最低。但由于此方法不涉及色譜柱分離，很難同時確定多個目標，且僅在9個中毒樣本中得到驗證，使得該技術具有一定局限性。

2.1.2 尿 液尿液中往往包含濃度較高的母體藥物及其代謝物，其濃度可作為藥物毒物濫用的判斷依據。Kauppila等[29]應用DESI-MS對吸毒者的尿樣進行藥物及其代謝物的篩選，檢出苯丙胺、鴉片類、大麻素和苯二氮卓類藥物，研究表明DESI-MS技術是從吸毒者尿樣中快速篩選濫用藥物及其代謝物的有效工具。Kennedy等[30]使用紙噴霧串聯質譜法(PS-MS/MS)和高分辨質譜法對藥物濫用患者尿樣中的芬太尼類似物及其它濫用藥物進行定性定量分析，將10 μL尿樣置于裝有內標物的紙制噴霧筒上，干燥后進行直接分析。8種芬太尼類似物在0.5～50 ng·mL-1質量濃度范圍內呈線性，與LC-MS相比表現出更好的定量結果。

由于尿液中鹽濃度高、內源性有機物含量高等因素影響，可能會存在基質效應，從而影響被分析物的信號強度。采用微萃取技術對尿樣進行簡單樣品前處理，不僅可以濃縮分析物，還可去除部分雜質減弱基質效應。Jagerdeo等[31]使用填充吸附劑微萃取對尿液進行預處理以濃縮分析物，而后采用實時直接分析飛行時間質譜(DART-TOF MS)分析尿樣中的可卡因及其代謝物。信噪比為3∶1時芽子堿甲酯、苯甲酰基芽子堿、可卡因和古柯乙烯的檢出限分別為22.9、23.7、4.0、9.8 ng·mL-1，與之前研究相比具有更高的靈敏度。該研究還表明若使用合適的內標物，有可能實現被檢物的定量分析。Rodriguez-Lafuente等[32]將薄膜固相微萃取作為樣品前處理步驟用于尿液中可卡因和美沙酮的快速篩選和定量，定量下限為1 μg·L-1。固相微萃取前處理過程可以預濃縮分析物，提高靈敏度，同時避免尿樣中殘留的鹽分污染離子源。

2.1.3 唾 液近年來，唾液因操作簡便、非入侵性、摻假或感染風險低等優勢成為一種新興的檢測標本，唾液中的藥物濃度與血液中的藥物濃度密切相關[33]。AIMS技術可對唾液樣本進行直接分析，快速得到檢測結果。Jhang等[34]建立了一種新型的藥物篩選系統，用于快速篩選和測定唾液樣本中的4-氯苯丙胺。該系統可在PS-MS和毛細管電泳質譜(CE-ESI-MS)之間進行切換，具有簡單、靈敏、經濟互補的優點，兩種方式的檢出限分別為0.1 ppm和0.25 ppm。Pirro等[35]使用接觸噴霧質譜(TS-MS)直接從醫用拭子中鑒定出14種常見的濫用藥物，對拭子的直接分析極大簡化了唾液的采樣和測試流程，為藥物檢測提供了一種簡便快速的方法。Wang等[36]將低溫等離子體探針質譜(LTP-MS)用于唾液中11種新精神活性物質的篩選和定量，采用熱輔助解吸方法提高信號強度，進行串聯質譜以排除假陽性信號并降低噪聲。所有分析物均表現出良好的線性關系，檢出限與免疫測定法相當。Morato等[37]使用新一代體積吸收微取樣(VAMS)拭子進行采樣，建立TS-MS法同時對唾液中30種常見的濫用藥物(包括阿片類藥物、苯二氮卓類藥物、芬太尼衍生物、甲基苯丙胺、可卡因、取代亞甲基二氧基苯乙胺、卡西酮、抗抑郁藥和抗精神病藥物)進行定量分析。該方法僅需10 μL樣品，生物基質中復雜藥物混合物的檢出限大多在5 ng·mL-1以下。

2.1.4 毛 發法醫毛發分析被認為是識別慢性吸毒者的標準方法，可以顯示藥物的使用模式和持續時間。與血液、尿液等檢材相比，毛發具有易獲取、穩定、檢出時限長等優勢，常作為法醫工作者的分析對象。Miki等[38]采用MALDI-TOF MS對人發中的甲基苯丙胺進行質譜成像。研究表明，頭發中斷續的不同強度的甲基苯丙胺陽性點，可能指示出被檢測者的吸毒史和每次給藥后的不同血藥濃度。Deimler等[39]使用激光剝蝕電噴霧電離串聯質譜(LAESI-MS/MS)對溶液、頭發和植物中的預定藥物進行分析。研究中用雙面透明膠帶將頭發樣本粘到顯微鏡載玻片上，水潤濕后進行直接分析，成功識別出毛發樣本中10 ng·mg-1的嗎啡、可待因和可卡因。Cuypers等[40]采用基質輔助激光解吸電離質譜成像(MALDI-MSI)研究過氧化氫處理對頭發中摻入可卡因的影響。研究表明過氧化氫漂白會降低頭發中可卡因的可檢測性，這項發現對含有可卡因的法醫毛發檢驗具有非常重要的作用。在檢測中應注意被檢毛發是否經過氧化處理，以免得出錯誤的鑒定結果。

2.2 體外檢材

2.2.1 藥 物AIMS技術可對完整樣品進行快速直接分析，被證明適用于濫用藥物的篩選和定性，為現場查獲的一些非法藥物毒物提供了一種快速可靠的分析方法。Kauppila等[41]證明了解吸大氣壓光離子化質譜(DAPPI-MS)用于片劑非法藥物直接分析的可行性，從片劑藥物中成功鑒定出3，4-亞甲基二氧甲基苯丙胺、苯丙胺、芬納西泮和丁丙諾啡。Steiner等[42]使用精確質量飛行時間實時直接分析質譜新技術快速篩查法醫分析中的常見濫用藥物。通過分析553個病例樣本，驗證了該方法作為篩選工具的用途。與GC-MS分析相比，該技術不受儀器溫度和時間的限制，可以同時檢測更多樣本，光譜信息也更加詳細。Fedick等[43]將紙張表面增強拉曼光譜與PS-MS聯用，現場快速識別和確認芬太尼及其類似物，幫助實時指導案件調查。Burr等[44]將表面增強拉曼散射與PS-MS集成到一個現場分析儀器操作平臺用于毒品鑒定，并開發了一種兩用等離子體紙。該研究構建的表面增強拉曼散射紙噴霧電離質譜(SERS-PS-MS)一體化系統對500種樣品盲測達到99.8%的化學鑒定準確率，通過對合成大麻異構體JWH-018的成功鑒別，證明了SERS的分析識別能力，而PS-MS/MS無法區分合成的大麻異構體。

AIMS技術可直接從片狀藥物表面取樣，通過是否含有藥物活性成分來鑒別藥物真偽。Nyadong等[45]將二維擴散有序1H核磁共振譜與實時直接分析質譜(DART-MS)、DESI-MS相結合用于檢測假冒抗瘧藥的化學成分。16個樣品僅在6種制劑中檢出預期的活性藥物成分，此外還檢測到蔗糖、乳糖、硬脂酸酯、糊精和淀粉等常見的有機賦形劑。Culzoni等[46]使用DART-TOF MS技術分析常規藥品鑒別和真偽藥品鑒別案中的阿普唑侖，多種樣品在規定的質量范圍內準確檢測到阿普唑侖的假分子離子和部分片段。

2.2.2 潛指紋潛指紋是內源和外源化學物質在特定形式下的分布，包含豐富、重要的法醫信息，例如可能含有曾接觸過的爆炸物、濫用藥物及其代謝物。潛指紋分析為安全、高通量和無創檢測濫用藥物毒物提供了一條潛在途徑。不同個體留下的重疊指紋很難用光學方法進行區分，而質譜成像根據每個人獨特的化學品接觸史可很容易區分所形成的印跡[47-48]。對指紋中生活特征成分的分析，有利于進行嫌疑人特征刻畫，為案件偵查提供線索[49]。Ifa等[50]應用DESI-MS技術進行潛指紋成像，清楚識別到指紋的細節特征。在玻璃、紙張和塑料等普通平面上形成的潛指紋中成功識別出可卡因、D9-四氫大麻酚和高能炸藥黑索金等外源性物質。Rowell等[51]首次使用表面輔助激光解吸電離飛行時間質譜(SALDI-TOF MS)在提取的潛指紋中檢測到美沙酮及其代謝產物。Bailey等[52]采用MALDI、DESI和二次離子質譜(SIMS)3種敞開式電離表面質譜法對指紋中的可卡因及其代謝物進行檢驗，結果顯示MALDI和DESI對潛指紋中可卡因、苯甲酰芽子堿和愛岡寧甲基酯的檢測結果與口腔液檢測結果具有良好的相關性。此外，AIMS技術的低破壞性使其可對同一指紋進行多次重復分析。

2.2.3 其它體外檢材除藥物、潛指紋外，洗胃液、植物材料也是案件中常見的體外檢材，實時、原位的檢測優勢可使AIMS技術在很短時間內獲得檢測結果。Su等[53]應用電噴霧輔助激光解吸電離質譜(ELDI-MS)實現了胃液中7種非揮發性家用農藥的快速檢測。研究中使用金屬探針對胃液進行直接采樣，在探針上進行激光解吸，高能量激光照射下胃液中的主要蛋白質和肽被分解，排除檢測干擾后農藥的檢測靈敏度更高。取樣、解吸、電離和檢測整個過程所需時間不足30 s。Talaty等[54]采用DESI-MS技術，對毒參屬(毒堇)、茄科曼陀羅屬(曼陀羅)和顛茄屬(顛茄)組織中的生物堿進行了原位檢測，通過電噴霧將微小的溶劑液滴噴到植物組織表面后進行直接分析，與串聯質譜檢測結果具有一致性。Longo等[55]采用實時直接分析高分辨質譜(DART-HRMS-MS)快速檢測和定量植物材料中的酶斯卡靈。為顯示出與分析物相似的電離效率，研究中選用酶斯卡靈-D9作為定量分析的內標物，使用分析物與內標物的峰面積比來減輕環境因素的影響。建立的方法可有效定量1 100 ppm范圍內的酶斯卡靈，幾秒鐘內可以確認其存在。

3 展 望

隨著AI技術的不斷成熟，AIMS技術已成為法庭毒物檢測鑒定中一種強有力的工具，其中DART和DESI技術作為早期的AI技術應用最為廣泛。雖然目前AI技術由最初的幾種發展到了幾十種，但其靈敏度、再現性和數據復雜性等方面仍面臨諸多挑戰[56]。許多研究致力于提高該技術的分析性能，主要包括提高其在定性和定量分析中的靈敏度和可靠性，降低檢出限并實現痕量或復雜樣品基質中化合物的定量分析。近年來，AIMS技術已被應用于非極性分子和復雜樣品中大型生物聚合物的分析中。

天然樣品中存在的多種分析物通常會導致AIMS質譜圖成圖復雜，分析物的離子識別和背景離子去除的自動化將是未來的一個研究方向。隨著化學合成等技術水平的提高，法醫毒物分析中毒物的種類也不斷增加，新的毒物不斷涌出，探索每種技術最適用的對象是一項需要長期進行的工作。AIMS技術與傳統的GC-MS和LC-MS相比具有直接、快速的分析優勢，可在法醫藥物毒物的快速篩查中建立合適的方法，不斷擴充藥物毒物庫范圍。基于小型便攜式敞開式電離質譜的現場快速檢測技術目前已在多個領域中得到應用[57-58]，簡單、快速、實時的分析優勢極大提高了分析效率。毒物案件現場中，應用小型便攜式敞開式電離質譜儀進行現場快速分析，將為案件贏得時間和指明偵查方向。