第39卷2011年11月分析化学(FEN XI H U A XU E) 研究简报Chinese Journal o f Analytical Chemistr y 第11期1743~1747
DOI:10.3724/SP.J.1096.2011.01743
空气动力辅助离子化新型质谱技术
用于药物快速实时分析的研究
贺玖明 罗志刚 李秾 张瑞萍 何菁菁 再帕尔 阿不力孜*
(中国医学科学院/北京协和医学院药物研究所,天然药物活性物质与功能国家重点实验室,北京100050)摘 要 采用自主研制的新型空气动力辅助离子化质谱技术(A FA I -M S)及其装置,对违法饲料添加的未知
药片进行了快速实时质谱分析,并对其中的药效成分进行了结构鉴定研究。通过本技术快速、高效地获取了药片中有效成分的一级质谱、二级质谱、分子离子的精确质量数等关键结构信息。在此基础上,结合 抗胆碱
的药理作用以及网络数据库搜索结果,分析推断出该药效成分为山莨菪碱;并结合对照品比对分析,最终确定
该未知药片为山莨菪碱片。本方法为药物相关领域中复杂样品的快速实时检测提供了有效的分析途径,并为
打击药品违法添加提供了重要的分析依据。
关键词 空气动力辅助离子化技术;质谱分析;复杂样品;快速实时分析;山莨菪碱
2011-02-23收稿;2011-04-28接受
本文系国家自然科学基金(No.20827007)和国家科技重大专项综合平台(No.2009ZX09301-003-7-1)资助
*E -mail:zeper@https://www.doczj.com/doc/5417433467.html,
1 引 言
复杂样品的快速实时分析是现代分析化学所面临的难点问题,也是已经引起广泛关注的关键课题。目前,对于复杂样品的分析常采用萃取、纯化、色谱分离等复杂的前处理手段,同时结合在线检测技术进行分析,耗时耗材。其中,液相色谱与质谱联用技术(LC -M S 及LC -M S/M S)是复杂混合物分析的有效手段之一,并已发挥了重要作用[1,2]。对于绝大多数质谱技术而言,从待测物离子产生到获得离子的响应信号仅需要毫秒级的时间,但是样品的前处理过程已成为制约现代质谱技术分析效率的关键因素[3]。
近年来,无需复杂前处理、在样品原始环境、离子源敞开条件下实现离子化的质谱技术(Ambie nt mass spec -trometry)已成为质谱学领域的前沿而备受关注,其中敞开式离子化技术(Ambient ionization)及其装置是最关键部分[4,5]。自2004年美国Cooks 教授研究小组和2005年日本电子(美国)公司分别开发出解吸电喷雾技术(DE -SI)[6,7]和实时直接分析技术(DART)[8]以来,该类新型离子化技术的研制取得了迅速发展。例如,已相继研发出大气压介质阻挡放电电离(DBDI)[9],萃取电喷雾电离(EESI)[10]、低温等离子探头(LTP)[11,12],解吸大气压化学电离(DAPCI)[13],电喷雾辅助激光解吸电离(ELDI)[14]、基质辅助激光解吸电喷雾电离(MALDESI)[15],大气压固体分析探头(ASAP)[16]和激光消融电喷雾电离(LAESI)[17]等离子化技术。这些新型离子化技术实现了离子源敞开式操作,省去了复杂的样品前处理过程,对样品的直接原位分析具有重要意义,并已在国家安全、公共安全、医药和商检等领域展现出广泛的应用前景。
本课题组设计并开发出一种可用于远距离质谱分析的敞开式空气动力辅助离子化技术及其装置(Air flow assisted ionization,AFAI)[18]。该技术可在敞开条件下,提高带电液滴的采集与传输效率、增加带电液滴的传输距离、同时促进带电液滴脱溶剂,并在质谱仪采集口富集后最终实现高效率的离子化。这种新型AFAI 技术提高了远距离敞开式样品的离子化效率和检测灵敏度,扩展了样品分析的空间和灵活性,增强了对大体积物品和远距离目标物的分析能力。
药物快速分析是药品质量控制、药品打假、监控保健品非法添加、药物滥用控制、法医等研究领域的重要环节。采用上述多种敞开式离子化质谱技术对一些不同类型的已知药片进行快速质谱分析,取得了很好的研究进展[18~20],获取的信息与其中药效成分的结构一致。本研究采用无需前处理的快速质谱技术AFAI -M S 直接分析并鉴定未知药片。该未知药片被非法用于生猪出栏前饲喂,减少排尿,以提高猪肉中的水分含量。本研究快速获取了该药片中有效成分的一级质谱(M S)、二级质谱(MS/M S)、高分
辨质谱分析的精确质量数,分析推断所含未知药物的可能结构,并利用对照品进行比对分析,最终确定了该药片的有效成分及其结构。
2 实验部分
2.1 仪器与试剂
采用自主研制的AFAI 离子源装置,其详细的设计参数与搭建过程请参考文献[18]。AFAI 离子源装置分别安装在QT RAP TM 型四极杆-线性离子阱串联质谱仪(Applied Bio system s/M DS SCIEX,美国AB 公司)和AccuT OF CS 质谱仪(JM S T 100CS,日本电子公司)上,原商业离子源被移除后,直接安装AFAI 离子源。在敞开模式下,采用ESI 毛细管产生初始带电液滴,并将其直接作用于药片上,样品解析后产生的二次带电液滴经高速空气流带入传输管,并传输至质谱仪采集锥,然后进入分析器实现质谱分析。数据分析在Analyst 1.5和M asscenter 1.3数据处理系统中进行。
喷雾溶剂体系选用甲醇(色谱纯,德国M erk 公司)-水(纯净水)+0.1%甲酸(色谱纯,德国M erk 公司,体积比为80 20。未知药片是从饲养场获取的非法饲料添加剂。对照品山莨菪碱购自中国药品生物制品检定所。
2.2 样品分析及测试条件
质谱条件:两台质谱仪均采用正离子检测方式,扫描质量范围m/z 50~1000,每张谱的采集时间2s 。在Q TRA P 质谱仪上,采用Q1和子离子(Pr oduct ion)扫描模式,分别采集MS 和M S/MS 谱数据,分辨率为单位质量分辨。喷雾电压5.5kV;电压80V,原离子源加热参数、GS1和GS2均设为0值,即关闭加热和气流;Inter face heater 设定为ON 。M S/M S 碰撞能量(CE)42eV 。在AccuT OF CS 质谱上,采用TOFMS 扫描模式采集高分辨质谱数据,分辨率大于6000(50%峰);喷雾电压4kV,锥孔1电压和温度分别为80V 和80 。锥孔2电压和环形透镜电压分别为5和20V 。
采用AFADESI 对未知药片进行了直接实时分析。如图1所示,将被测药片固定于载物台上,其中心点与传输管前端的距离约为4m m;喷嘴轴线与水平面呈60 角放置,且其尖端置于药片上方约1mm,距传输管前端约3mm 。喷雾溶剂经Peek 管路由蠕动注射泵推出至电喷雾喷嘴,流速20m L/min;雾化气采用氮气,压力0.7M Pa 。AFAI 的抽气流速25L/min 。对照品山莨菪碱的质谱分析选用QTRAP 型质谱仪,采用常规的ESI 离子化方式,溶液浓度为50ng/L,喷雾溶剂及质谱仪参数与未知药片的AFA -DESI -M S
谱分析一致。
图1 采用A FA -DESI -M S 技术快速实时分析未知药片的装置图。A FA -DESI 离子源装
置固定于QT RA P 质谱仪上,插图展示了药品与喷嘴、传输管的相对位置
F ig.1 Photo show ing the fast and direct air flo w assisted deso rption electrospray io niza -
tio n (A FA -DESI)-M S ana lysis of unkno wn tablet.Inser ted is its posit ion t o spray er and
tr anspor t tube.Ion source was fix ed on QT RA P mass spectro meter
3 结果与讨论
采用自制的AFAI 技术在DESI 模式下对未知药片进行了快速直接质谱分析(图2a)。由图2a 可1744 分析化学第39卷
以观察到非常明显的m/z 306离子和其它离子,其中,m/z 279、205和149是常见的背景离子。该结果提示,m/z 306离子可能与未知药片中的药效成分相关,且为[M+H ]+
离子峰,则推断该化合物的相对分子质量为305Da 。在AFAI -DESI 方式下,对m/z 306进行了M S/M S 谱分析,其结果见图2b,
可以图2 分别采用AFA -DES-I MSAFA -DES-I M S/MS 方法获得的未知药片的M S 谱(a)和m/z 306离
子的M S/M S 谱(b)
Fig.2 M S spectrum (a)and product ion spectrum of ion at m/z 306(b)of unknown tablet analyzed
directly by AFA -DES-I MS and MS/M S methods
观察到m/z 158、140、122、109和103的子离子。根据质谱氮规则,表明该化合物中含有奇数个氮原子。由于该未知药片作为非法饲料添加剂,用于生猪出栏前饲喂减少排尿,因此该药片应具有 抗胆碱 的药理作用。 图3 采用AFA -DES-I MS 方法快速直接高分辨质谱(HRMS)分析未知药片获得的精确质量数结果Fig.3 Accurate mass measurement results of unknown tab -let analyzed directly by A FA -DES-I HRMS method
在获得上述信息的基础上,以分子量305Da 和 抗胆
碱 为关键词在网络数据库上进行检索,该化合物可
能为山莨菪碱,其分子式为C 17H 23NO 4。
采用AFA -DES-I MS 方法进一步对该未知药片
进行了高分辨质谱分析及精确质量数的测定,以已知
背景离子m/z 301.1416(C 16H 22O 4Na)为内标进行质
量校正,获得如图3所示的结果。经测定该未知药片
中主要成分m/z 306离子的精确质量数为306.1715,
山莨菪碱的[M +H ]+离子理论精确质量数为
306.1705,二者的相对误差为3.26ppm 。本分析结果
进一步表明该未知药片的药效成分为山莨菪碱。图4 采用常规ES-I M S 和ES-I M S/MS 方法分析对照品山莨菪碱获得的一级质谱(a)及其
m/z 306离子的子离子谱(b)
Fig.4 M S spectrum (a)and pr oduct ion spectrum of ion at m/z 306(b)of reference compound,
raceanisodamine analyzed by conventio nal ES-I M S and MS/M S methods
1745第11期贺玖明等:空气动力辅助离子化新型质谱技术用于药物快速实时分析的研究
为了证实及确认该药效成分的结构,采用山莨菪碱对照品进行了比对分析。图4是采用常规ES-I MS 及其ES-I MS/MS 方法对对照品溶液进行分析获得的MS 谱和MS/MS 谱结果,其中MS/MS 谱中各子离子的解析及其裂解途径如图5所示。比较图2与图4可见,无论分子离子峰,还是子离子的质量数及其相对强度,均可发现二者的MS/MS 谱一致。因此,通过上述分析及证明,最终确定该未知药片的药效成分 图5 由山莨菪碱[M +H ]+离子(m/z 306)获得的MS/M S 谱中各子离子的可能裂解途径Fig.5 Fragment pathway of [M +H ]+ion at m/z 306for raceanisodamine pro posed on the basis of M S/M S spectrum 为山莨菪碱。
以上结果表明,AFA-I MS 新技术可以药品中辅料
等基质干扰存在的情况下,简便、快速地获得药片中药
效成分的结构信息,实现无需前处理的直接实时质谱
分析。另外,从本研究的过程及经验来看,对于复杂样
品中未知组分的结构分析,首先可采用AFA-I MS 等敞
开式离子化质谱技术,快速发现及确定混合物中的目标分析成分,并结合H RMS,MS/MS(MS n )谱等手段
分析获取目标成分的相对分子质量及化学式、子离子
等关键结构信息;其次,了解样品的相关药理作用、用途和来源等重要化学背景信息;然后根据相对分子质量、化学式、MS/MS(MS n )裂解特征等信息,分析推断目标成分的可能结构;最终通过对照品比较分析其MS 、H RMS 、M S/M S 谱,予以确证。
本研究以自主研制的新型空气动力辅助离子化质谱技术(AFAI -M S)为主要手段,实现了未知药片的快速、直接实时分析。根据获得的一级质谱、二级质谱、精确质量数等关键结构信息,并结合相关的药理作用和网络数据库搜索,分析推断出该药片所含药效成分为山莨菪碱;并利用对照品比对分析,最终确定了该未知药片为山莨菪碱片。本研究结果为打击药品非法添加提供了重要的分析依据,并显示出AFAI -M S 新技术具有简便、快速的分析优势。
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Fast and Direct Analysis of Active Ingredient in Unknown Tablet Using
Air Flow Assisted Ionization -Mass Spectrometry
H E Jiu -M ing,LU O Zh-i G ang ,L I N ong ,ZH A NG Ru-i P ing ,H E Jing -Jing,ZEPER A BLIZ *
(State K ey L abor atory of Bioactive Substances and Functions of N atur al M edicines ,I nstitute of M ater ia M edica,
Chinese A cad emy of M edical S ciences and P ek ing Union M edical College,Beij ing 100050)
Abstract A procedure w as descr ibed for the fast and dir ect str uctural identification of active ing red-i ents in an unknow n tablet,w hich w as illeg ally used as feed additiv e.T he mass spectra,product ion spectra and accur ate mass measurement results were acquired by the fast and direct MS analysis of the tablet w ith a homemade air flo w assisted io nization (AFAI)coupling w ith co mmercial available mass spectrometer s.Fro m these r esults,the key str ucture inform ation (mo lecular w eight and formula)of the active ing redient w as pr opo sed,and then "cho linoly tic effect"and "mo lecular w eight 305"w ere used as the key w ord fo r the inform ation search on the inter net.T he search r esults indicated that the active ingr edient is raceanisodam ine.Finally,the com parison betw een the MS/M S spectra o f the unknow n tablet and that o f reference raceanisodamine w as carried out,and it w as confir med that the unknow n tablet is raceanisodamine.The results pro vided an im por tant evidence to deal w ith the illegal usage pharmaceuticals as feed additive.AFA I -M S w ould be a rapid and effective method fo r the analy -sis of co mplex m ixture in the field related to pharm aceuticals.
Keywords Air flo w assisted ionization;M ass spectrom etry ;Co mplex mix ture;Fast analy sis;Race -anisodamine.
(Received 23Febru ary 2011;accepted 28April 2011)
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