快速檢測毒藥物的大氣質譜系統

鄭思齊、謝建台/中山大學化學系

隨著工業化程度及現代科學的進步,現代人較前人擁有更便利的生活條件,然而伴隨生活的現代化,也產生不少不良的後遺症,近年來臺灣社會發生許多令人印象深刻且影響深遠的食品安全事件,就是最好的例子。俗語說「民以食為天」,然而當人民在「食的安全」上無法獲得最基本的保障時,如何去談論追求夢想,實現未來呢?要解決食安問題,除了強化管理之外,科學造成的毒果,仍需引進科學的方法或技術來協助解決,才是上策。而整合現代許多高科技於一身的質譜儀(mass spectrometry)就是尖端的科學檢測技術,目前已成為政府機關拿來監督,並管理食安的最佳利器。

表一:傳統質譜分析法與大氣質譜分析法的差異。

質譜儀檢測技術
質譜儀自從18世紀末期發展至今,已有100多年的歷史,並曾孕育出5位諾貝爾獎得主。質譜儀除了可提供各式化學物種的分子量及結構訊息,也是目前已知最靈敏的化學分析儀器。小到如元素、藥物或有機合成化合物,大到如蛋白質及高分子聚合物等,都可以使用質譜儀進行檢測。儘管如此,傳統質譜分析法尚有許多不盡完善之處,其中之一,即是所分析的樣品均需經過前處理,並無法直接分析樣品中的各種化學成份。主要原因在於一般樣品的組成複雜,當針對樣品中極微量的目標物進行檢測時,無可避免的會受樣品中其它成份的干擾,這個現象稱之為基質效應(matrix effect)。例如蔬果上若含有百萬分之一(ppm)到十億分之一(ppb)濃度的殘餘農藥,但來自蔬果的水、纖維、蛋白質、脂肪、醣類、維生素及礦物質等成份仍然是蔬果中的主要組成,其占比就會超過99.999999%。因此,以各式前處理方式,將微量目標物與大量樣品主成份分開是必要的,否則當樣品組成很複雜時,質譜儀對微量農藥的偵測能力及靈敏度亦會跟著變差。為了排除基質干擾,過去在眾多科學家的努力之下,有許多萃取、純化、濃縮及層析分離的前處理方法與儀器被開發出來。而其操作原理都是先將分析物(如農藥)從蔬果基質中分離出來,再進行層析質譜分析,如此才可以有效偵測到微量農藥的訊號。不可諱言的是,樣品前處理、層析分離及質譜分析這三個過程猶如一個大廈的樑柱,支撐起了現代分析化學的領域,也成為一般化學分析實驗室的標準作業程序。然而,複雜的前處理步驟也意味著分析時間的加長,以及人、物力成本的消耗,這些都會造成分析成本的增加。

傳統質譜分析法的困境
儘管現代的高效能質譜儀可在幾毫秒(千分之一秒)的時間內完成一次質譜分析,但為排除基質效應,樣品在進行質譜分析之前,不得不進行複雜的前處理,這也導致一個樣品分析的時間往往被拉長至數十分鐘到幾小時。在2011年,以傳統質譜分析方法所建構的檢測流程,在臺灣面臨了一次嚴重的考驗。當年3月爆發食品中被違法添加塑化劑的事件,商家為了自救,紛紛自費將各種食品送檢測以求自保,造成短時間內大量樣品湧進各地分析實驗室。但即使緊急徵召全臺所有合格的認證實驗室,儀器維持一天24小時運轉下,仍無法在1個月內檢測完所送驗的飲料、保健食品、酒類及其它種種的樣品。人民每天都在問:「實驗室什麼時候可以告訴我那個食品是安全的?」這個情形也凸顯出傳統質譜分析方法所面臨的問題:雖然解決了基質的干擾,但卻陷入了冗長分析時間的泥淖裡。

大氣質譜技術
近年來,分析化學界已經意識到這一個問題,並陸續開發出可縮短流程的分析策略,例如以QuEChERS法〔註一〕進行快速前處理,以超快速氣相及液相層析儀進行快速層析分離,以及發展不需要進行樣品前處理及層析分離的大氣質譜技術(Ambient Mass Spectrometry)。

大氣質譜法是一種結合方便取樣與快速質譜分析的技術,目前已知有使用雷射激發、熱脫附、液滴衝擊及電漿衝擊等方法來脫附存在於樣品表面的分析物,再將分析物游離後以質譜儀檢測。現行已知有數十種大氣質譜技術被報導出來,因為大氣質譜分析法避免使用層析分離步驟,且樣品僅需簡單或根本不需進行任何前處理,即可以直接進行分析,所以大氣質譜技術明顯具有分析時間短的優勢。由於篇幅有限,筆者無法一一討論不同的大氣質譜技術的特性及優點,在此僅闡述由我們實驗室所開發的熱脫附電噴灑游離質譜法(thermal desorption electrospray Ionization mass spectrometry, TD-ESI/MS)其構造及應用。熱脫附電噴灑游離質譜法的採樣方式是使用金屬取樣探針來吸附樣品溶液或刮取固體樣品表面上的微量待測物質,再將探針置入高溫爐的熱脫附裝置中,將探針表面的分析物氣化,這些氣相分析物再以氮氣流帶動並融入以電噴灑游離源所產生的噴霧中,與噴霧內的帶電荷溶劑物種,如H3O+、(CH3OH)H+、(H2O)2H+、(CH3OH)2H+、(H2O+CH3OH)H+等,進行分子—離子反應,產生分析物離子,它們再被導入質譜儀的真空腔內進行質譜偵測(圖一)。至於探針上少數的殘留樣品,可以使用高溫火焰很快將其燒掉,在如此快速且簡單的清潔過程下,探針馬上就可以被重覆用於採樣及質譜分析。而從樣品採集、脫附游離、質譜分析以及探針清潔的分析流程僅需要15秒鐘即可完成(圖二)。

圖一:熱脫附電噴灑游離質譜法(TD-ESI/MS)裝置示意圖。(作者提供)

圖二(下):TD-ESI/MS分析包括有探針取樣、進樣分析(熱脫附電噴灑游離)、質譜偵測,及以火焰清潔探針四步驟。(作者提供)
熱脫附電噴灑游離質譜法極適合檢測具揮發性及半揮發性的化學及生化物質,例如蔬果上的殘餘農藥、塑膠物件上的環境賀爾蒙(塑化劑)、食品中的防腐劑、毒藥物、皮膚上的代謝物、植物內的生物鹼、胺基酸以及具較低沸點的染劑等。雖然有些樣品中存在有分子量較大的蛋白質、無機鹽類及纖維等成份,但這些物質因無法被加熱氣化,所以在進行檢測時也不會有這類物質的干擾。但如果需要檢測血液、尿液等組成極為複雜的樣品中所含特定的分析物,如毒藥物或代謝物時,則樣品就不得不先進行快速液相萃取(liquid extraction),以去除大部分的基質,再以熱脫附電噴灑游離質譜法分析萃取溶液,儘管如此,此方式仍可於2分鐘內完成一個樣品分析。透過快速液相萃取配合探針取樣及熱脫附等過程,雖可有效去除來自樣品中的基質干擾,但不可避免的,在經溶劑萃取過程中,有一定比例的干擾物質也會進到分析系統中而被質譜儀檢測到,因而影響到偵測靈敏度。儘管如此,以現代高精密質譜儀所具有的質譜/質譜(MS/MS)功能,已足以檢測萃取溶液中的微量分析物。從實際測試結果顯示,此方法可在全血中檢測出毒品愷他命(Ketamine)、古柯鹼及安眠藥扎來普隆(Zaleplon),其偵測極限均在1~10 ppb之間,完全符合法規上判定檢體為陰性或陽性之藥物濃度閾值(100~500 ppb)的初篩要求。

熱脫附電噴灑游離質譜法的特色與優點
大氣質譜法,包括前述的熱脫附電噴灑游離質譜法,因為是最近十餘年來質譜界所開發的新技術,發展時間尚短,所以並未普遍被政府機關所採用。目前,政府相關機關認定的分析方法及標準操作程序仍是依循傳統樣品萃取、層析分離及質譜分析三個步驟。然而,大氣質譜法因具有快速、準確又靈敏的檢測能力,因此,可在突發的食安或緊急的中毒事件中扮演重要角色。以塑化劑事件為例,當大量樣品湧入分析實驗室時,大氣質譜法就可以擔負起在第一線把關的功能,快速篩檢出塑化劑訊號強度遠高於正常值的可疑檢體,再交由第二線人員依照萃取、層析、質譜分析標準程序決定樣品中的塑化劑正確濃度。對於塑化劑訊號強度與背景值相同,或強度略高但訊噪比仍小於3 (s∕n<3)的樣品則可快速被篩檢排除疑慮,此快篩流程的引入,將可以有效提高實驗室的分析效率,在短時間內公佈檢測結果以安定民心。結合大氣質譜快篩及傳統質譜檢測的分析流程,也可以應用在平日蔬果殘餘農藥及食品添加劑的檢測上。以葡萄為例,我們使用熱脫附電噴灑游離質譜法快速篩檢購自市場上葡萄表面的9種殘留農藥,包括益達胺、達滅芬、賽普洛、亞托敏、貝芬替、納乃得、護汰寧、凡殺同和依滅列,結果顯示葡萄表面篩檢出達滅芬、亞托敏、貝芬替這三種農藥,而農藥篩檢呈陽性的葡萄樣品,再依照標準作業程序進行傳統的質譜定量分析,以檢定殘留農藥的濃度是否合乎法規。我們預計此一流程,將可以提高至少10倍以上的樣品檢測數量,有效為食品安全把關。

熱脫附電噴灑游離質譜法的另一個特點是可以進行戶外大規模採樣,因為採樣探針體積小,且方便攜帶、保存及運送,因此檢測人員也可以帶數百到數千根探針至戶外進行採樣,如剛採收或尚未採收蔬果表面的農藥殘留、學校及幼兒園場所內玩具與學生用品表面的塑化劑、土壤中的農藥及毒化物等,再將探針送回實驗室進行快速分析。

除了在食品安全上的應用,熱脫附電噴灑游離質譜法也極適合應用在醫院急診毒物的快速檢測,以鑑定病人體液及皮膚上的農藥、毒藥物、植物鹼、及生物毒素等成分。根據世界衛生組織(World Health Organization, WHO)統計全球每年有超過15萬人死於農藥自殺,若比較農藥自殺占總自殺人數之比率,中國為48.3%,印度則為38.5%,顯示服用農藥已成為這兩地區人民主要的自殺方式。臺灣衛福部統計發現,2015年臺灣共有3675人自殺身亡,其中農藥自殺人數為479位,顯示以農藥自殺的比率為13%。除此之外,誤飲用農藥(如飲酒後)及因不當使用農藥所造成的急性中毒事件亦時有所聞;幼兒誤食家庭中的各種毒、藥物所導致的中毒事件則是另一個常見的急診狀況。根據全球兒童安全組織統計,美國每年有近6萬名兒童因為藥物中毒而被緊急送醫,在臺灣醫院也常遇見6歲以下兒童誤食藥物導致中毒的例子,其中急診室以2歲左右的幼兒最常見。眾所皆知,急診室搶救生命是分秒必爭,以往第一線的急診醫師都是依照中毒患者的臨床表現及個人經驗,來推判可能的中毒物質,並施予以治療。因此,一個化學分析實驗室若能適時提供科學的檢測結果,這將有助急診醫師做更正確的診斷,並給予患者適當的治療方法。然而,昏迷患者被送到醫院之後,傳統的毒藥物分析實驗室往往得花上將近1個小時的時間才能鑑定出中毒的物質,即使患者在被送進急診室時仍保持清醒,但有些患者可能會拒絕透露所服食之毒物,甚至患者是幼兒的話,也難以敘述究竟是誤食何種毒藥物。這些種種因素,將造成病患因此錯失最佳搶救時間。目前,熱脫附電噴灑游離質譜法已被證實可快速鑑定胃液及口水中的農藥種類,而從口水採集、質譜分析、資料庫比對到毒物確認,僅需40~60秒的時間即可完成。本技術也可快速分析農藥空瓶中,病患手指以及口角皮膚上的微量殘留農藥,這些結果都有助於提供急診醫師最即時且正確的病人毒、藥物訊息。另外,我們也曾將該技術應用在病人口水、胃液、血液及尿液中的毒、藥物快速檢測,這些結果不但有助於急診醫療救治,對於中毒死亡的病人,亦能在第一時間鑑定出毒性物質,以協助檢察官、法醫及刑事警察調查正確死亡的原因。

結語
大氣質譜法因具備簡單、快速、靈敏及準確的分析能力,且不需要經過樣品前處理過程,因此具備脫離實驗室,移動至現場進行檢測的能力。中山大學目前已成功地將大氣質譜系統以及電力、氣體等周邊設備裝置在一車輛中,開發出第一套移動式大氣質譜系統。此車載式大氣質譜系統可移動至農場、蔬果集散市場、商場、機場、海關、學校及環境汙染場址等地區,提供快速、高靈敏度及低偵測極限(ppb)的質譜分析,檢測毒品、濫用藥物、塑化劑、農藥、爆裂物及環境汙染物等物質,為食品安全、環境汙染管制、反毒及國家安全把關。

〔註一〕QuEChERS 為 Quick(快速)、Easy(簡單)、Cheap(便宜)、Effective(有效)、Rugged(耐用)及Safe(安全)的縮寫,讀音為 catchers,最早由美國農業部門阿納斯塔西亞德(Michelangelo Anastassiades)等人首先在2002年提出來的前處理技術。目前在臺灣,QuEChERS已是公告方法中所明訂的樣品前處理方法。

延伸閱讀
1. Huang MZ et al., Rapid characterization of chemical compounds in liquid and solid states using thermal desorption electrospray ionization mass spectrometry, Anal. Chem, Vol. 85: 8956-8963, 2013.
2. Shiea C et al., Rapid screening of residual pesticides on fruits and vegetables using thermal desorption electrospray ionization mass spectrometry, Rapid Commun Mass Spectrom, Vol. 29:  163–170, 2015.
3. Lee CW et al., Rapid identification of pesticides in human saliva for emergency management by thermal desorption electrospray ionization/mass spectrometry, J. Mass Spectrom, Vol. 51: 97-104, 2016.
4. Lee CW et al., Rapid point-of-care identification of mis-swallowed oral medications in gastric lavage content by ambient mass spectrometry in emergency room, Rapid Commun Mass Spectrom, Vol. 30: 1295-1303, 2016.
5. Lee CW et al., Rapid identification of psychoactive drugs in drained gastric lavage fluid and whole blood specimens of drug overdose patients using ambient mass spectrometry, Mass Spectrom (Tokyo), Vol. 6: S0056, 2017.

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