基于超声雾化联用快速气相色谱-声表面波传感器的氯胺酮检测系统*

王莹莹,董 浩,张冯江,王福园,陈 璟,陈首名,严 敏,陈 星

(浙江大学生物传感器国家专业实验室,生物医学工程教育部重点实验室,生仪学院,杭州 310027)

氯胺酮(ketamine),全名为2-邻-氯苯基-2-甲氨基环已酮,是苯环已哌啶(PCP)的衍生物。因为其物理形状通常呈白色粉末,而英文名称的第1个字母是K,故俗称“K”粉。氯胺酮为非竞争性NMDA受体阻断剂,目前在医学临床上一般用于小儿外科手术的麻醉[1];但是近年来,由于其具有一定的致幻作用而被滥用于各种娱乐场所,在各个城市中的一些娱乐场所氯胺酮的滥用问题严重,是目前药物滥用中的一个新问题[2]。

一般氯胺酮的摄取方法有鼻吸和静脉注射,氯胺酮进入人体后主要代谢为去甲氯胺酮和脱氢去甲氯胺酮[3];有研究表明,在单剂量给氯胺酮后,72 h内从尿样中排出的药物中,约有2.3%的原体药物、1.6%的去甲氯胺酮、16.2%的脱氢去甲氯胺酮[4]。因此如何能够快速准确检测尿液等生物检材中氯胺酮及其两种主要代谢物成为氯胺酮毒品检测中的首要问题。

氯胺酮检测的传统方法主要包括薄层色谱分析法(TLC)、气相色谱(GC)及气相色谱-质谱联用(GC-MS)、高效液相色谱法(HPLC)、毛细管电泳(CE)、酶联免疫吸附测定法(ELISA)、上转发光技术(UPT-LF)等[5]。其中TLC色谱操作繁琐,需时较长[6];GC及GC-MS需要一定的衍生化处理[7];HPLC在实验中需要消耗大量的有机试剂,对于有些分子量较大的物质,难以分离[8];CE克服了GC和HPLC的一部分缺点,分离度高、低成本,但也需较复杂的样品前处理[9];而ELISA及UPT-LF测试需要制作免疫层析试纸,操作复杂,常常出现假阳性,需进一步分析确证[10]。

图1 系统结构及实物图

本文针对现有检测方法的不足,介绍一种基于超声雾化,快速气相色谱和声表面波传感器联用的快速、简便检测尿液中氯胺酮的方法,此方法样品前处理简单,可在1 min内完成氯胺酮的快速检测,适合毒品检测中一些特定场合氯胺酮的快检。本系统创新点在于用超声雾化技术处理氯胺酮样品,突破了传统复杂样品前处理技术时间及技术上的局限,缩短了氯胺酮检测时间,并在特异性和灵敏度上满足使用要求。

1 系统和方法

1.1 硬件系统设计

本系统通过超声雾化装置,气相色谱及声表面波传感器结合的方式,实现对溶液中氯胺酮的快速检测,系统的结构图如图1(a)所示,主要由雾化装置,六通阀,金属毛细管柱,声表面波传感器以及显示器组成。其中,雾化装置将待测样品由液体转换为气雾均匀分布于雾化装置的腔体中。雾化装置结构图如图1(c)所示,主要由雾化腔体,超声雾化片,雾化电路板,进样口等构成,通过调整雾化电路板参数,控制超声雾化片雾化功率,在雾化腔体中形成浓度恒定的气雾态样品,从进样口中通过载气氦气进入金属毛细管柱进行分离,实物图如图1(d)所示。实验过程中通过控制六通阀实现进样和分析两种状态,在进样状态下,气雾样品从进样口抽入,吸附于Tenex TA吸附管;在分析状态下,Tenex TA吸附管被瞬间加热,在载气氦气的作用下,待测样品被吹出,进入金属毛细管柱进行分离,先后进入传感器气室进行检测,检测结果将通过计算机分析显示[11],本系统实物图如图1(b)所示。

1.1.1 雾化装置

在检测开始,首先需要将待检测的液体样品通过雾化装置转化为可被抽入检测的气雾态。雾化装置包括雾化执行器件,雾化电路,进样口以及雾化腔体,本系统所用雾化执行器件为超声雾化片,雾化装置的结构如图1(c)、图1(d)为雾化装置实物图。

本系统所用的超声雾化片,利用电子高频振荡,将液体的结构打散形成气雾态,可将原本不易挥发的液体雾化形成一定浓度气雾状。雾化电路通过调节电压可控制输出的谐振功率,从而达到控制雾化速度的作用。液体样品经过雾化执行器件雾化后将从下方小孔进入雾化腔体,雾化腔体的结构适合气体的流动,一段时间后,将在雾化腔体形成流速恒定的气雾状样品。当通过雾化控制器件设置电压恒定时,雾化腔体内的样品浓度与所用液体样品浓度呈函数关系。雾化装置侧面有进样孔,将进样针插入一定深度便可用于样品的进样。在进样孔对面设计有抽气接口,在一次检测完成后,启动抽气泵抽气20 s,抽出腔体中的残余样品。

1.1.2 快速气相色谱及声表面波传感器部分

待测液体样品经过雾化装置的雾化作用,在雾化腔体中形成流速恒定的气雾态样品后,经过载气氦气导入快速气相色谱及声表面波传感器部分进行分离及检测。该部分包括用于控制气路状态的六通阀,用于对物质进行吸附的内填Tenax TA多孔聚合物材料的吸附管,GC金属毛细管柱以及声表面波传感器气室等;通过六通阀改变气路连接可将系统工作分为物质富集及检测两个阶段;在物质富集阶段,气泵从进样口抽气,气雾态样品进入Tenax TA吸附管进行富集,吸附过程结束后,通过控制六通阀转向,进入检测阶段。在检测阶段,为了保证样品几乎同时进入GC金属毛细管柱,降低分离误差,对吸附管在50 ms内加高温到约250 ℃,将吸附物脱附,在载气吹扫下,脱附的混合物进入GC金属毛细管柱分离,最后分离出的物质在声表面波传感器上进行检测[12]。最终的物质曲线横轴为保留时间,代表不同物质,纵轴为声表面波传感器响应频率,代表每种物质的质量。

气相色谱采用直热式毛细管柱加热方式,通过直接在毛细管柱两端加电压进行加热,毛细管柱为石英材料,外套金属管,对金属管进行直流电加热,并利用温度传感器进行温度反馈控制。Tenax TA吸附管对物质的富集作用可大大提高了传感器的检测下限,并且可以消除一些高挥发性气体及永久气体如O2,N2,H2,He等的影响,提高检测效率[13]。声表面波器件的一个显著特点是声表面波在晶体表面传播时,声表面波器件本身频率相位等参数易受到外界条件影响而发生变化,常利用此特点进行气体物质的检测,如声表面波瓦斯传感器对甲烷气体的检测[14],本文利用此特点进行溶液中氯胺酮的物质检测[15]。

本部分基于气相色谱分离,可以使待检测的物质独立于其他干扰物质,具有较高的特异性。本系统使用的声表面波传感器为36 ℃ Y-X切型石英,中心频率500 MHz,当传感器上有物质沉积时,传感器震荡频率发生变化;为了降低检测信号的频率,使用参比传感器,通过混频器将两个传感器频率进行差频处理,得到差频测量曲线[16]。

1.2 标准样品中氯胺酮检测

1.2.1 仪器与试剂

实验所用的雾化片为超声波微孔雾化片,频率108 kHz,直径为16 mm,;系统所用的金属毛细管柱型号为瑞斯泰康MXT-5;使用盐酸氯胺酮注射液(浙江九旭)配置标准溶液,规格为10 mL:0.1 g;使用IntegraVision 功率计测量雾化装置功率,型号为PA2201A。

1.2.2 气相色谱条件

MXT-5金属毛细管色谱柱长30 m,内径为0.25 mm,膜厚0.1 um;进样口,六通阀,毛细管柱,传感器温度分别为200 ℃、180 ℃、40 ℃、30 ℃;载气流量为3 mL/min;色谱柱温的初温为40 ℃,维持1 s,然后以10 ℃/s的速率升至180 ℃;实验室环境温度控制在22 ℃左右。

1.2.3 氯胺酮标准浓度溶液的配置

使用盐酸氯胺酮注射液和纯水,分别配0.1 μg/mL、0.25 μg/mL、1.25 μg/mL、2.5 μg/mL、5 μg/mL、12.5 μg/mL、25 μg/mL、75 μg/mL、100 μg/mL、150 μg/mL的标准溶液。

2.2.4雾化装置参数测量

雾化装置工作电压在4 V～7 V之间,使用IntegraVision功率计测量电压在4.0 V～6.5 V之间时雾化装置的功率,并得出功率电压变化关系。

1.2.5实验方法

打开仪器开关,根据2.2.2小节所述气相色谱条件设置参数,开始预热。等待仪器预热完成后,空抽 3次消除基线。为了降低检测下线,在测量0.1 μg/mL～12.5 μg/mL的浓度范围时,设置抽气时间为30 s,在测量12.5 μg/mL～150 μg/mL的浓度范围时,设置抽气时间为10 s。用移液管吸取所需标准浓度溶液30 ml,打开雾化装置开关,滴于超声雾化片上,开始雾化,等待5 s后雾化腔体中气雾态样品分布均匀,操作分析仪器开始抽气,进行分析。

在一次检测完成后,空抽3次去除雾化腔体中的残留样品后开始下一次检测。整个实验过程在40 s内完成;每个浓度的氯胺酮标准液,重复测量20次。

2 实验结果与讨论

在用标准溶液实验前,首先需要确定实验中所使用的雾化装置的供电电压。图2为实验中所用雾化装置的电压功率测量曲线,当电压较低时,雾化装置功率较小,雾化速率低,当电压逐渐增加,雾化装置功率增加,在电压为5 V附近,功率先升后降,在电压为5.9 V以后,功率逐渐稳定。

图2 化装置功率电压测量曲线

当设置雾化装置的供电电压为6 V时,雾化装置功率较高,且当电压有微小波动时,功率维持稳定,保证雾化装置的雾化速率一定,因此选择6 V为雾化装置的供电电压,在此电压下,雾化装置电流116 mA,功率0.7 W,频率108 kHz,单位时间雾化量为450 mL/h。

使用系统进行检测,当样品中含有氯胺酮时,可以看到在12 s时传感器上出现物质沉积,振荡频率有明显变化,如图3(a)所示。当绘制出传感器响应的差分曲线,如图3(b)所示,可以看出在对应位置有明显出峰,而雾化产生的水气以及其余干扰物质如O2,N2,H2,He等对检测结果没有影响。其他物质如苯环己哌啶,由于和氯胺酮分子量并不接近,通过气相色谱可实现氯胺酮及苯环己哌啶等物质的分离[17],通过与Gentili等人研究的对比,我们发现,通过调节色谱柱膜厚、管径、长度以及载气流量和升温速率等参数可以实现氯胺酮及苯环己哌啶等物质的分离。

图3 传感器响应曲线

图4 氯胺酮检测结果

将不同浓度氯胺酮样品的检测曲线绘制在一张图上,如图4(a)左图所示,可以看出随着样品浓度的增加,氯胺酮峰的峰高不断增加,峰面积不断增大;对测量结果的平均值进行一次曲线拟合,相关系数R2可达0.971 9,如图4(a)右图所示;图4(a)检测所设置的抽气时间为10 s,在氯胺酮样品浓度低于25 μg/mL时,传感器响应较小,为了提高传感器的响应,在测量浓度为0.1、0.25、1.25、2.5、5、12.5 μg/mL氯胺酮样品时,将抽气时间设置为30 s,检测结果如图4(b)所示。低浓度组氯胺酮样品检测结果与高浓度组相似,线性相关系数R2为0.948 1,检出限为0.1 μg/mL。

在本次实验中,选择了6 V为雾化装置的供电电压,该电压下,雾化装置雾化功率较高,稳定性良好,雾化速率高且稳定。因为实际吸毒患者的尿液等样本难以获得,所以本实验只检测了氯胺酮标准溶液;气相色谱利用不同物质沸点,极性及吸附差异,可以对混合物做很好的分离,所以对于实际的生物样本,通过本系统,经过气相色谱的分离,不会对氯胺酮的测量结果有较大影响。本系统对氯胺酮样品的检出限为0.1 μg/mL,在0.1 μg/mL～150 μg/mL范围内线性关系良好,相关系数R2在0.948 1以上,检测特异性高,检测所需时间短,可作为一种快速判断样品溶液中是否含有氯胺酮的方法完全满足实际工作需要。

3 结论

本文提出了一种基于雾化装置、快速气相色谱及声表面波传感器联用的氯胺酮快速检测系统和方法。和传统的GC,GC-MS,HPLC等检测方法相比,本系统通过超声雾化技术处理液体样品,样品的前处理简单,检测操作简单,操作员无需专业训练,而且从开始检测到得到结论可在1 min之内完成,检测结果线性关系良好,相关系数R2在0.948 1以上,检出限为0.1 μg/mL,不失为一种可以快速检测溶液中是否含有氯胺酮的方法,用于现场氯胺酮的快速检测。

参考文献:

[1] Sassano-Higgins Sean,Baron Dave,Esmaili Neevon,et al. A Review of Ketamine Abuse and Diversion[J]. Depression and Anxiety,2016,33(8).

[2] 刘志民,宫秀丽,王子云. 中国氯胺酮滥用问题调查报告[J]. 中国药物依赖性志,2014,23(05):321-323,330.

[3] Mion G,Villevieille T. Ketamine Pharmacology:An Update(Pharmacodynamics and Molecular Aspects,Recent Findings)[J]. CNS Neuroscience and Therapeutics,2013,19(6):370-380.

[4] Tamsin Kelly. Clarke’s Analysis of Drugs and Poisons. Fourth Edition[J]. Australian Journal of Forensic Sciences,2012,44(2).

[5] 朱鹤. 氯胺酮及其代谢产物检测方法进展[J]. 中国城乡企业卫生,2015,30(01):37-39.

[6] 王玉瑾,刘玲,王英元. 氯胺酮的薄层层析和气相色谱质谱分析[J]. 中国医院药学杂志,2005(6):497-499.

[7] 蒋娟娟,刘娟,李一石. LC-MS/MS法测定人血浆中氯胺酮及其代谢物去甲基氯胺酮对映异构体浓度及药代动力学研究[J]. 药物分析杂志,2017,37(1):97-104.

[8] 李进,李继印,黄垒. 超高效液相色谱-串联质谱法测定唾液中氯胺酮[J]. 刑事技术,2017,42(01):48-51.

[9] 刘心,付饶,李敏. 离子液体分散液相微萃取-毛细管电泳法检测尿液中的毒品[J/OL]. 分析化学,2013,41(12):1919-1922.

[10] 张凯,罗海峰,胡秋实. 上转发光技术快速检测尿液中氯胺酮[J/OL]. 刑事技术,2016,41(2):103-106.

[11] Chen X,Zhang X L,Liu L,et al. Gas Chromatograph-Surface Acoustic Wave for Quick Real-Time Assessment of Blood/Exhaled Gas Ratio of Propofol in Humans[J]. BJA:British Journal of Anaesthesia,2014,113(5):807-814.

[12] 张轩朗,邹莹畅,陈星. 直热式毛细管柱升温系统的设计[J]. 传感技术学报,2013,26(7):912-916.

[13] 朱小,潘红,马二琴. 吸附剂Tenax-TA和活性炭对空气中苯的吸附性能比较[J]. 化学建材,2006:12-3.

[14] 胡浩亮,王文,何世堂,等. 一种采用穴番-A敏感膜的新型声表面波瓦斯传感器的研究[J]. 传感技术学报,2016,29(2):166-170.

[15] 文常保,党双欢,朱博,等. 基于WIFI的无线声表面波传感器信号采集系统[J]. 传感技术学报,2015,28(10):1552-1557.

[16] Dong H,Zhang F J,Chen X. Simultaneous on-Line Monitoring of Propofol and Sevoflurane in Balanced Anesthesia by Direct Resistive Heating Gas Chromatography[J]. Journal of Chromatography A,2017.

[17] Gentili S,Torresi A,Marsili R,et al. Simultaneous Detection of Amphetamine-Like Drugs with Headspace Solid-Phase Microextraction and Gas Chromatography-Mass Spectrometry[J]. Journal of Chromatography B,2002,780(1):183-192.