解析电喷雾电离质谱成像技术在口红类化妆品物证检验中的应用

王欣怡 ,黄 淼 ,吕小宝 ,梁建英 ,戴 维∗

(1.复旦大学 药学院,上海 201203;2.上海市公安局物证鉴定中心,上海 200083)

质谱成像(MSI)技术近年来发展迅速,在生命科学[1-2]、医学[3]、法医学[4]领域都有着重要应用。目前常用的分子质谱成像技术有基质辅助激光解析电离质谱成像(MALDI-MSI)[5]、二次离子质谱成像(SI-MSI)[6]、解析电喷雾电离质谱成像(DESIMSI)等[7-8]。DESI-MSI 是将解析电喷雾电离(DESI)的质谱离子扫描技术与专业图像处理软件相结合,对样品进行分析,产生任意质荷比(m/z)化合物的二维离子密度图,通过成像结果,从而可以得到样品的组成成分、空间分布等情况的一种分析技术。DESI-MSI 技术目前已应用于农残[9]、假劣药[10]、毒品[11]、爆炸物[12-15]、文档墨水[16]、皮肤表面微量分子[17]等检测。

化妆品是人们生活中常见的日用化学品,是犯罪现场非常常见的物证,也是犯罪嫌疑人极易接触的物证。目前对化妆品的研究主要集中在非法添加[18-19]、有毒有害物质[20]及质量研究[21]上,但将其作为法庭物证的研究尚属空白。对化妆品类复杂混合物中化合物的分析,目前主要以色谱技术为基础,结合质谱进行定性定量分析,如液相色谱-质谱法(LC-MS)[18]。该方法虽具有很高的灵敏度和特异性,但样品前处理较为复杂[22],且很难保证混合物中性质差别较大的多种成分在同一色谱条件下的响应都满足要求。

本工作采用DESI-MSI技术,建立适合口红类化妆品的检测方法,实现无需样品前处理的快速检测。通过检测不同品种的口红样品,初步建立口红质谱信息数据库。在实际案件中,将口红残留物证与已知口红样品或口红质谱信息数据库进行比对,实现初步定性鉴别。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

SYNAPTⓇG2-Si型飞行时间质谱仪,配DESI源、HDImaging v1.4数据采集软件;Prosolia DESI特制载玻片;Milli-Q 型纯水仪。

甲醇、三氯甲烷均为色谱纯;试验用水是由Milli-Q 型纯水仪制备的超纯水。

30种不同品牌的口红均为市购商品。

1.2 仪器工作条件

DESI源,在分离度模式下操作,正、负离子全扫描,扫描范围m/z50～1 500;空间分辨率200μm;喷雾电压3 kV;采样锥电压±30 V;喷雾器入射角65°,收集角10°;喷雾速率2μL·min－1;离子源温度150 ℃;喷雾溶剂为体积比90∶8∶2的甲醇-三氯甲烷-水的混合液。为测得准确的相对分子质量,仪器需经甲酸钠校正后使用。

1.3 试验方法

1.3.1 口红样品的检测

口红样品无需前处理,直接用毛细管蘸取少量口红样品,点涂于载玻片的1、3、6号位(即平行点样3次,见图1),分别于正、负离子模式下对其进行DESI-MSI检测。根据检测得到的成像结果,若在某一质荷比下仅1、3、6号位出现信号,则表明该口红样品中含有该质荷比的离子,见图2;若在某一质荷比下仅2、4、5号位出现信号或所有点位均出现信号,则表明该质荷比的离子并非来源于口红样品中。

图1 口红样品点样示意图Fig.1 Schematic diagram of lipstick sample spotting

图2 某口红在正离子模式下m/z 509.251 8处的信号Fig.2 Signal at m/z 509.251 8 of a lipstick in positive ion mode

1.3.2 模拟样品的制备

试验人员将口红涂于唇上,用玻璃杯正常喝水后,可见杯口处留有淡红色口红印记。分别用酒精棉棒和普通棉棒擦拭杯口处面积、颜色深度相似的口红印记进行提取。将棉棒置于微量离心管中,加入200μL甲醇,超声5 min,静置挥干至约20μL,即为模拟样品。用毛细管吸取微量离心管中的样品,分别点样于载玻片上(样品点样体积约为10μL)。用毛细管蘸取少量该口红纯品,直接点涂于载玻片上作为对照,与模拟样品一同检测。

2 结果与讨论

2.1 不同档次口红成分分析

市面上口红种类繁多、质量参差不齐,价格从几元到上百元不等。试验共选取30种不同品牌、不同价位的口红,按价格区间将口红分为低端(低于50元,以A品种为例)、中端(50～200元,以B品种为例)、高端(高于200元,以C品种为例)等3个档次。

比较30 种不同档次口红成分,从原料数量上看,低端口红所用的原料数量显著低于中、高端口红。从原料种类上看,低端口红常采用十三烷醇偏苯三酸酯、矿油、矿脂、石蜡等作为柔润剂,但在中、高端口红中较少添加上述原料。此外,低端产品的原料主要涵盖制作口红所必须的柔润剂、黏合剂、保湿剂、着色剂,且每种基本功能原料的种类都比较少,大多来自化工合成;而中高端产品则在基本功能原料的基础上增加了各种各样的肤感调节剂、抗氧化剂及植物提取物等,以改善产品的使用感受,原料来源也更倾向于植物提取。

按照仪器工作条件对不同品牌、不同色号的30种口红进行DESI-MSI检测,结果显示,大多数口红在正离子模式下出峰的数量和信号强度远高于负离子模式,故可将正离子模式的出峰信号作为定性鉴别的主要依据,负离子模式出峰信号作为辅助判断依据。

同一物质可能同时出现多种同位素信号峰及其对应的[M＋H]＋、[M＋Na]＋、[M＋NH4]＋、[M＋K]＋、[2M＋Na]＋、[2M＋NH4]＋和[2M＋K]＋等准分子离子峰,亦有可能出现碎片离子峰。以A、B、C品种为代表的不同档次口红在正离子模式下的质谱图见图3。

图3 以A、B、C品种为代表的3种不同档次口红的质谱图Fig.3 Mass spectra of three different grades of lipsticks represented by A,B and C

异壬酸异壬酯为口红A 使用的主要柔润剂之一,分析图3(a)质谱数据,m/z307.302 8与异壬酸异壬酯的[M＋Na]＋峰的精确m/z307.261 3 吻合。图3(b)中信号最强的峰为m/z661.577 4,与B 口红使用的主要柔润剂二异硬脂醇苹果酸酯的[M＋Na]＋峰的精确m/z661.574 7吻合。口红C采用蓖麻籽油作为主要柔润剂,但蓖麻籽油为混合物,无法获知其准确相对分子质量,故对蓖麻籽油原料进行单独检测,测得蓖麻籽油原料的最强信号为m/z955.707 2,与口红C 中最强信号m/z955.742 7吻合。口红A、B、C 中主要化学成分分析见表1。

表1 口红A、B、C中主要化学成分的分析Tab.1 Analysis of the main chemical components in lipstick A,B and C

上述结果表明,DESI-MSI能够对口红样品中含量较高的主要成分进行快速定性鉴别。由于不同档次、不同品牌口红产品在主要原料的选择、用量及其他辅料添加种类上有所不同,造成其质谱数据有明显差异,通过建立口红样品质谱数据库,可以分析不同品牌口红质谱信号的异同点。将未知口红样品的质谱信息与数据库进行比对,即可对未知样品的档次和品牌做出初步推测。试验所使用的DESI离子源外接SYNAPTⓇG2-Si飞行时间质谱仪,质荷比能够精确到0.001 Th,但即使是经过校正后,随着DESI-MSI使用时间的增加,质量轴偏差会越发明显,尤其是质量数较大时通常偏差更大。因此,试验将定性鉴别的质荷比容差值设置为0.05 Th,即实测m/z与理论m/z的绝对差值不应超过0.05。同时还应考察目标物的[M＋H]＋、[M＋Na]＋、[2M＋H]＋、[2M＋Na]＋等多个分子离子峰,若有2个或2个以上对应的分子离子峰同时出现,则目标物的定性可靠性大大提高。

2.2 未知口红样品的定性鉴别

选取市面上常见的不同品牌、不同色号的10种口红(A～J),并随机从中抽取一种作为未知样品(X),将其点样在同一块载玻片上,如图4所示,在上述检测条件下对10种已知口红样品和1种未知样品同时进行DESI-MSI检测,考察本法能否对未知口红样品进行快速、准确地定性鉴别。

图4 10种已知口红(A～J)和1种未知口红(X)的点样示意图Fig.4 Schematic diagram of 10 known lipsticks(A－J)and an unknown lipstick(X)spotting

通过对A～J口红MSI图的研究发现,各品牌口红中均含有一些与其他品牌口红相同的共性信号(如图5所示,二异硬脂醇苹果酸酯的[M＋Na]＋峰的理论m/z为661.574 7,实测m/z为661.584 5,可在口红C、D、G、H 中检测到),同时还含有其他品牌口红所没有的特征信号(如图6、图7所示,A～J口红 中,仅口红E 含 有m/z837.594 4、m/z1 057.729 2信号)。通过比对未知口红和已知口红的特征信号,可推测未知口红X 与口红E 为同一产品。上述试验结果显示,本方法能够对口红中含量较高的原料进行高效、灵敏检测;除常用原料外,本方法还能一目了然地区分多种品牌口红的特异性成分,并以此为依据对未知口红进行定性鉴别。

图5 口红中二异硬脂醇苹果酸酯在正离子模式下的[M＋Na]＋峰信号Fig.5 Signal of[M＋Na]＋of diisostearyl malate in lipstick in positive ion mode

图6 各种口红在正离子模式下m/z 837.594 4处的信号Fig.6 Signal at m/z 837.594 4 of various lipsticks in positive ion mode

图7 各种口红在正离子模式下m/z 1 057.729 2处的信号Fig.7 Signal at m/z 1 057.729 2 of various lipsticks in positive ion mode

2.3 口红产品的真伪鉴别

因口红属于典型的“低成本、高溢价”消费品,由此催生了大量假冒高档品牌的伪劣产品。尽管目前部分仿品从外包装及口红颜色上已与正品接近,但在其原料的种类、用量以及制作工艺上却难以和正品保持一致。试验以某品牌的正品口红与同色号伪劣口红为研究对象,分别用毛细管蘸取口红纯品,点样于同一块载玻片上,比对二者在正离子模式下的质谱检测结果,即可进行真伪鉴别。

正品口红和伪劣口红虽然在包装和颜色上十分接近,但二者的质谱图(图8)有显著差异。在正品口红质谱图上,m/z629.198 7～1 372.414 6内可看到11个等间距峰,相邻峰间依次相差约74.02,与聚二甲基硅氧烷单体的精确相对分子质量74.018 8吻合,表明这11个等间距的峰即为正品口红中某未知成分与常用柔润剂聚二甲基硅氧烷形成的聚合物,而伪劣口红的质谱图无该特征。以该系列聚合物中信号最强的m/z777.233 2为例,如图9所示,正品口红在m/z777.233 2处有强信号,但伪劣口红中未见该信号,从二者成像图中能更加直观、快速地分辨其差异,亦能达到鉴定真伪的目的。尤其是在鉴别复杂基质生物样品(如指纹或唇印上的口红)时,大量内源性干扰导致质谱图信号复杂,难以鉴别真伪差异,此时对具体的特征信号采用DESI成像会更加直观,真伪差异一目了然。除此之外,对于指纹上残留的口红直接进行DESI成像,还能够揭示口红印迹在指纹上的大致位置等信息。

图8 正品口红和伪劣口红在正离子模式下的质谱图Fig.8 Mass spectra of genuine lipstick and fake lipstick in positive ion mode

图9 正离子模式下正品口红和伪劣口红在m/z 777.233 2处的信号Fig.9 Signal at m/z 777.233 2 of genuine lipstick and fake lipstick in positive ion mode

2.4 模拟样品的检验

按1.3.2节方法制备模拟样品,按照1.2节仪器工作条件进行检测,将普通棉棒提取物、酒精棉棒提取物信号与口红纯品信号进行比对,若口红纯品信号都能在提取物中找到,则表明本法可对杯口/瓶口残留的口红印记进行定性鉴别比对。通过对比普通棉棒和酒精棉棒提取样品的信号强度及数量,考察二者的提取效果,可为后续实际案件取证方式提供参考。

结果显示,在正离子模式下,口红纯品共检测到76个碎片离子,酒精棉棒提取物中能够检测到其中的70个,普通棉棒提取物中能够检测到其中的68个,表明DESI-MSI能够对杯口残留口红印记进行有效检测。另外,无论是酒精棉棒还是普通棉棒提取物,都检测到了非口红纯品信号,可能为人体嘴唇上的内源性物质或杯口残留的其他物质。

在保持进样体积基本一致的情况下,观察到酒精棉棒提取物的信号强度明显高于普通棉棒(如图10所示),推测可能是乙醇对口红中大量脂溶性成分的提取效率更高。这也提示在实际案件中提取口红类微量物证时,可优先考虑使用酒精棉棒擦拭。

图10 酒精棉棒提取物、普通棉棒提取物、口红纯品在正离子模式下m/z 999.309 0处的信号Fig.10 Signal at m/z 999.309 0 of alcohol cotton swab extract,ordinary cotton swab extract,and lipstick sample in positive ion mode

本工作提出了适用于口红类化妆品物证检验的DESI-MSI检测方法,并用于检测30种不同品牌口红样品,根据正、负离子模式下得到的准分子离子峰及碎片离子质荷比初步建立了口红质谱信息数据库。该方法重复性好、定性能力强,无需复杂的样品前处理即可对口红中的主要成分进行快速定性检测。根据不同品种口红的特征碎片离子质荷比数据及质谱成像分布图的差异,可对口红进行准确、高效、直观地真伪鉴别。口红物证模拟样品试验结果表明,对于犯罪现场提取到的口红残留物,可利用DESI-MSI检测将其与已知口红纯品进行比对检验,从而为刻画嫌疑人及确定侦查方向提供思路。此外,酒精棉棒提取物和普通棉棒提取物的成像结果提示,在实际案件中提取化妆品类物证时可优先考虑使用酒精棉棒。