電噴霧萃取電離-四極桿飛行時間質譜快速分析一次性注射器中的揮發性有機物殘留

周文釗，陸 燕，夏 磊，黃超群，沈成銀，儲焰南

(1.中國科學院合肥物質科學研究院，醫學物理與技術中心，醫學物理與技術安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.中國科學技術大學，安徽 合肥 230026)

一次性注射器是一種使用極為廣泛的醫療器械，在其生產制作過程中，會使用一些有機溶劑，如殺菌劑、粘合劑、以及橡膠活塞生產過程中添加的各種橡膠助劑等。這些殘留在注射器內的有機物具有一定的毒性，進行靜脈注射時，這些有機物殘留會隨著注射藥物進入人體血液，從而危害人體健康。例如，用作粘合劑的環己酮進入人體會抑制中樞神經，并導致全身性血壓、心率的降低[1]。

目前，檢測一次性注射器等醫療器械中的揮發性有機物殘留的方法有氣相色譜法[2]、氣相色譜-質譜法[3]、液相色譜法[4]等。但這些方法需要對樣品進行預處理，過程耗時相對較長，無法實現快速檢測分析。相比之下，在線質譜技術能夠實現樣品的快速檢測，如質子轉移反應質譜是一種快速在線分析技術，具有響應速度快、檢測靈敏度高等特點，已成功用于快速檢測分析一次性輸液管中的環己酮[5]。電噴霧萃取電離質譜技術(EESI-MS)是最近發展起來的一種在線分析方法，該方法無需樣品預處理，能夠對氣體樣品進行快速分析[6-7]。本課題組采用電噴霧萃取電離-三重四極桿質譜法分析檢測了一次性輸液管中的環己酮[8]。

本工作擬在商用ESI離子源的基礎上搭建一套EESI離子源，采用電噴霧萃取電離技術，并結合四極桿飛行時間質譜，對不同品牌、不同體積的一次性醫用注射器進行快速質譜分析。利用飛行時間質譜的高分辨率，得到化合物的準確質荷比，結合串聯質譜分析，實現待測物質的定性，希望為一次性注射器的質量控制提供技術參考。

1 實驗部分

1.1 儀器裝置與進樣

圖1 電噴霧萃取離子源示意圖Fig.1 Schematic diagram of EESI source

本實驗所使用的EESI離子源是在商用ESI離子源基礎上改造而成，其結構示于圖1。實驗中，首先使用一次性注射器抽入實驗室空氣，然后，利用注射泵把混合了揮發性有機物的空氣作為樣品氣體直接推入三通管路中。樣品氣體經過長80 cm、內徑1.5 mm的聚四氟乙烯管進入離子源內，被電噴霧萃取電離，產生的離子被引入質譜系統進行檢測。電噴霧萃取電離所用電噴霧溶液的流量設置為5 μL/min，霧化氣壓力為60 Pa。為了減少質譜入口的污染，簾氣流量和溫度分別為4.0 L/min和200 ℃。整個進樣管路和三通管都采用聚四氟乙烯材料，管路外包裹加熱帶，溫度維持在100 ℃，以防止樣品黏附在管路內壁。另外，由于一次性注射器通常在常溫下使用，因此控制實驗溫度約25 ℃，以考察注射器中有機物的揮發情況。這與一次性注射器的實際使用環境基本相符，可以確保實驗結果的可信度。

質譜儀為四極桿飛行時間質譜(Micro-TOF-QⅢ, Bruker Daltonics Inc., Fremont, CA, USA)。實驗中，分別利用正、負離子兩種檢測模式對樣品氣體進行檢測分析。結果表明：正離子模式下的離子種類和信號強度均優于負離子模式，因此后續實驗選取正離子模式進行分析。質譜的掃描范圍設置為m/z20～200，對化合物進行串聯質譜分析時，碰撞誘導解離(CID)的碎裂能量設置為(20±10) eV。

1.2 樣品與試劑

一次性注射器樣品：醫用級注射器，購自當地醫院。離子源的電噴霧試劑：含0.1%甲酸的甲醇水溶液(1∶1，V/V)；甲醇、甲酸：均為色譜級，德國Sigma公司產品；實驗用水：由Thermo Barnstead Micro-Pure純水系統制得。

1.3 數據處理

由于樣品以空氣作為載氣，因此在數據處理過程中，需對采集到的原始譜扣除空氣背景。質譜數據采用DataAnalysis 4.0軟件進行處理。

2 結果與討論

2.1 儀器參數的優化

2.1.1載氣流量 環己酮是一次性醫療器械中常見的殘留有機物，為了考察載氣流量對離子強度的影響，選取環己酮作為檢測對象，進行載氣流量優化。首先，用500 μL玻璃注射器抽取環己酮標準樣品頂空氣體，通過注射泵以60 μL/min的速度推入三通管路中，保持其他參數不變，調節載氣流量依次為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 L/min，監測環己酮離子(m/z99.080 2)強度的變化，檢測結果示于圖2a?？梢钥闯?，環己酮離子信號強度隨載氣流量增大而增大，但當載氣流量大于3.5 L/min時，環己酮離子強度反而降低。因此，本實驗選取的載氣流量為3.5 L/min。

2.1.2毛細管電壓 毛細管電壓的大小會影響樣品的電離效率，因此有必要對其進行優化。用500 μL的玻璃注射器抽取環己酮頂空氣體，通過注射泵以60 μL/min的速度推入三通管路中，載氣流量為3.5 L/min，毛細管電壓依次設置為3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 V，監測環己酮離子強度的變化，結果示于圖2b?？梢?，環己酮離子的信號強度隨毛細管電壓增大而增大，但當毛細管電壓大于4 000 V后，環己酮離子強度趨于穩定。因此，本實驗設置毛細管電壓為4 000 V。

圖2 不同的載氣流量(a)和毛細管電壓(b)下環己酮離子強度的變化趨勢Fig.2 Dependence of ion intensity of cyclohexanone on sampling flow rate (a) and capillary voltage (b)

2.2 不同品牌注射器的快速質譜分析

首先選取3種不同品牌(分別標示為①，②，③)、體積均為10 mL的一次性注射器各3個，抽取10 mL實驗室空氣，再用注射泵以60 μL/min注入離子源，進行質譜檢測分析。

扣除空氣本底后，從品牌①的2支注射器中得到的質譜圖示于圖3?？梢钥闯?，m/z74.060 2、109.101 6、136.021 9離子的信號強度相對較高，除此之外，還檢測到m/z79.021 1、88.076 5、99.080 2、107.085 9、127.075 6、158.154 5離子。結果表明，在這2支一次性注射器中檢測到的離子種類及強度較為接近。

隨后，對3種品牌注射器分別進行檢測分析，各自的特征質譜圖示于圖4?？梢钥闯?，在不同品牌的一次性注射器中檢測到的物質種類和強度差別較大。如前所述，品牌①注射器中，m/z74.060 2、109.101 6、136.021 9離子的信號強度相對較高；品牌②注射器的m/z74.060 2、88.076 5、136.021 9離子的相對強度較高；而在品牌③注射器中，m/z136.021 9離子的相對強度較高?？梢?，不同品牌注射器中檢測到的離子種類及相對強度存在較大差異，這可能是由不同廠家的生產工藝不同、生產過程中添加的有機物種類不同導致的。

根據離子準確質荷比以及同位素豐度，利用串聯質譜得到的CID碎片，并結合已有的文獻研究結果，可實現檢測物質的定性分析。如Chen等[9]利用EESI-Q TOF分析檢測了人體皮膚等各種活體生物樣品表面的化合物，并對其中的物質進行了定性分析。本研究在3個品牌的一次性注射器中檢測到較多離子，選出信號強度大于5 000的10種離子，利用上述方法，并結合在線數據庫(HMDB、Metlin、Massbank)做定性分析。以m/z136.021 9離子為例，根據同位素豐度和準確質荷比，可確定其為[C7H5NS+H]+離子，進一步對該離子做串聯質譜分析，示于圖5?？梢?，在20 eV碎裂能量下只得到1個碎片離子[C6H5S]+(m/z109.011 1)，在30 eV碎裂能量下進一步得到碎片離子[C5H5]+(m/z65.039 1)，由此認為該化合物是苯并噻唑。據報道，該物質可能來源于注射器橡膠活塞在生產過程中添加的硫化促進劑[10]。以同樣的方法，對其他9種離子進行鑒別分析，對應的化合物信息列于表1。

注：a.第1支注射器；b.第2支注射器圖3 2支品牌①的10 mL注射器的質譜圖Fig.3 Mass spectra of two 10 mL syringes with brand ①

注：a.品牌①；b.品牌②；c.品牌③圖4 3種不同品牌10 mL注射器的質譜圖Fig.4 Mass spectra of 3 brands syringe with capacity of 10 mL

注：a.碎裂能量20 eV；b.碎裂能量30 eV圖5 離子m/z 136.021 9的串聯質譜圖Fig.5 Tandem MS spectra of m/z 136.021 9

2.3 不同體積注射器的快速質譜分析

為了考察不同體積注射器的有機物殘留情況，分別對品牌③的10、20、50 mL注射器進行快速檢測，結果示于圖6。隨著注射器體積的增大，檢測到的m/z136.021 9、99.080 2、88.076 5、74.060 2等主要離子的濃度均有所增高，這是由于一次性注射器體積越大，所用到的粘合劑以及活塞橡膠材料越多，釋放出來的苯并噻唑、環己酮、嗎啉等有機物殘留越多。

2.4 環己酮半定量分析

為了考察注射器中有機物的殘留量，以環己酮為例，配制了濃度分別為0.26、0.53、2.63、5.25 μg/L的環己酮標準樣品氣體，標準曲線示于圖7。

離子強度和環己酮濃度的擬合方程為y=-3 124.52+30 598.51x，相關系數R2=0.993。根據文獻[11]，該方法的檢出限LOD可由式(1)計算。

表1 一次性注射器中檢測到的10種揮發性有機物Table 1 10 volatiles detected in disposable syringe

圖6 4種碎片離子信號強度隨注射器體積的變化Fig.6 Relationship of ion intensity with injector volume

圖7 環己酮標準曲線Fig.7 Calibration curve of cyclohexanone

(1)

對濃度C為0.26 μg/L的環己酮樣品氣體進行檢測，獲得的平均離子強度S為5 455(n=10)，標準偏差σ為890，由此計算得到的檢出限約為0.13 μg/L。

不同品牌的10 mL注射器中環己酮離子強度范圍在8 890～16 480，根據擬合方程，計算得到環己酮在10 mL注射器中的濃度范圍為0.39～0.64 μg/L，在50 mL注射器中其殘留量最高(對應離子強度為74 113)，達到2.52 μg/L。盡管我國對一次性注射器中的環己酮殘留限量并沒有明確的標準，但研究表明，這些揮發性有機物對人體具有潛在的危害[12-19]，因此對這類醫療器械中的有機物殘留的監測應該引起足夠的重視。

3 結論

本研究采用電噴霧萃取電離技術結合四極桿飛行時間質譜，對一次性醫用注射器進行了快速檢測分析。通過優化載氣流量和毛細管電壓等參數，獲得最佳的實驗條件。在對3個不同品牌的一次性醫用注射器檢測研究中發現：同一品牌注射器中殘留的有機物種類及含量較為接近；而不同品牌注射器中殘留的有機物種類及含量差異明顯。選取信號強度大于5 000的10個離子，根據離子準確質荷比以及同位素豐度，利用串聯質譜得到其CID碎片，結合在線數據庫的CID碎裂譜和已有的文獻報道，對這些物質進行了定性分析。最后，對注射器中的環己酮進行了半定量分析，得到該方法下環己酮的檢出限約為0.13 μg/L，不同品牌的10 mL注射器中環己酮的含量為0.39～0.64 μg/L，50 mL注射器中環己酮的殘留濃度約為2.52 μg/L。本研究可為一次性注射器中揮發性有機物殘留的快速檢測提供技術參考。

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