一种根据芬太尼类似物的保留时间、迁移率和质谱碎裂模式筛选芬太尼类似物的方法。
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一种根据芬太尼类似物的保留时间、迁移率和质谱碎裂模式筛选芬太尼类似物的方法。
近几十年来,芬太尼的使用和芬太尼类似物的出现已成为整个社区越来越关注的问题。芬太尼及其类似物是美国致命和非致命过量服用的主要因素。最近与芬太尼相关的过量病例与非法制造的芬太尼及其相关的极端效力有关。在本工作中,我们描述了一种用于筛选芬太尼类似物的高通量分析方案。使用互补液相色谱法、捕获离子淌度质谱法和串联质谱法,可以在一次扫描中从单个样品中分离和分配数百种芬太尼类似物。所描述的方法利用了最近发展的数据依赖性采集和数据非依赖性采集,使用迁移阱中的平行积累,然后使用碰撞诱导解离进行顺序碎裂。芬太尼类似物的保留时间、淌度和 MS 碎裂模式可可靠分配。
芬太尼及其类似物是美国致命和非致命过量服用的主要因素 1,2。疾病控制和预防中心 (CDC) 报告称,从 2013 年到 2021 年,与合成阿片类药物相关的过量死亡人数超过 258,000 人。仅在 2021 年,就有超过 68,000 人因合成阿片类药物过量死亡,占全国所有与过量相关的死亡人数的 82%3。自 2013 年以来,已鉴定出数百种芬太尼类似物,具有不同的效力4。随着非法制造的芬太尼类似物的出现,附表 II 合成阿片类药物本身仍然是美国最受欢迎的合成阿片类药物3。根据法医科学研究和教育中心 (CFSRE) 的数据,2022 年报告最多的芬太尼类似物是氟芬太尼,其他非芬太尼相关的合成阿片类药物现在正以快速的速度引入不稳定的药物市场供应5。
由于药物市场上流通的芬太尼和芬太尼相关类似物数量庞大,DEA 实施了一项名为"死亡龙行动"的芬太尼特征分析计划,以跟踪用于合成这些化合物的方法,希望将药物缉获追溯到其来源6。2018 年,94% 的药物缉获被确定为由 Janssen 方法合成,而其余 6% 是用 Siegfried 方法合成的 6。两种方法之间的主要区别在于芬太尼类似物苄基芬太尼的存在,在 Janssen 方法中被检测为杂质,而去丙酰芬太尼 (4-ANPP)(芬太尼的代谢物/前体)的存在是用齐格弗里德方法合成时检测到的杂质7。
毒理学实验室定期使用气相色谱和液相色谱与质谱(分别为 GC-MS 和 LC-MS)对合成阿片类药物进行靶向筛查和定量。GC-MS 被认为是检测生物样本中滥用药物的金标准。获得公开的质谱库8 和以即插即用系统9 形式销售的仪器是 GC-MS 在实验室中成为全面筛查和靶向定量不可或缺的一部分 9,10 的一些原因。然而,文献中目前的 GC-MS 定量方法往往分析物范围有限11,并且很快就会过时,不适用于当前的案件。更重要的是,其检测限和定量限无法与 LC-MS 方法相媲美 (< 1 ng/mL)12,因此增加了假阴性结果的可能性。GC-MS 和 LC-MS 之间的一项此类比较研究了尸检标本,指出在 134 例卡芬太尼(迄今为止最有效的合成阿片类药物之一)的阳性病例中,其中 104 例使用 GC-MS13 筛查出卡芬太尼阴性。在药物分析实验室中,由于分析样品的浓度较高,GC-MS 更频繁地用于合成阿片类药物,并且可对其进行修改。然而,GC-MS 仍与傅里叶变换红外光谱 (FT-IR) 和扫描电子显微镜 (SEM) 等其他技术结合使用,以确认这些化合物14。在法医毒理学中,将 GC-MS 应用于生物标本分析,需要采用样品制备方法,包括使用液液萃取 (LLE) 或固相萃取 (SPE) 萃取这些化合物15。LLE 可以使用多种溶剂进行,但在高产量实验室中,LLE 可能不具有成本效益或不及时。LLE 消耗大量溶剂和样品量,而替代方案 SPE 可以自动化,并且需要最少样品量16。最近的一项 GC-MS 研究报告了使用三个独立的 GC 热程序分离 20 种不同的芬太尼异构体类似物17。虽然异构体之间的基线分离是成功的,但该方法对相关法医案件和工作流程的适用性有限。
LC-MS 在法医检测中越来越受欢迎,特别是由于 GC-MS 在处理非挥发性和热敏性化合物方面的局限性18,19。使用三重四极杆 (QQQ) 和离子阱仪器的 LC-MS 筛查已成功检测低浓度 (<1 ng/mL) 的合成阿片类药物12,20,21,22,23,24。通常,这些 LC-MS 方法用作免疫测定和/或 GC-MS 结果的补充的二级确认方法。2017 年,迈阿密戴德县法医部门 (MDME) 毒理学实验室的 Shoff 等人开发了一种使用超高压液相色谱 (UHPLC)-离子阱-MSn 44 对 13 种阿片类药物相关化合物进行综合筛选的方法。与靶向MRM方法类似,该离子阱方法采用预定的母离子列表(SPL),其中包含保留时间、母离子目标离子以及MS3谱图碎裂的初级子离子(尽可能)。这种筛选方法与在三重四极杆和线性四极杆离子阱上开发的方法的不同之处在于光谱数据中提供的额外细节。这种筛查方法无法提供定量分析(这在离子阱仪器上很少开发)以及未知物的鉴定13。合成阿片类药物的 LC-QQQ 方法可以同时筛选和定量预定义的目标列表。使用多反应监测 (MRM) 离子对化合物进行鉴定和定量是一种值得信赖的数据采集技术,也是文献中用于合成阿片类药物检测的最常见技术12,20。据报道,一系列合成阿片类药物定量的线性范围为 0.01-100 ng/mL,更有效的合成阿片类药物,如卡芬太尼,在亚 ng/mL 范围内检测到1 1,24,25,26,27。
LC-MS 方法解决了合成阿片类药物的异构体分离问题。一种这样的方法使用联苯柱 28 在 16 min 运行时间内分离了174 个芬太尼异构体类似物。此外,色谱柱效、流动相 pH 值和压力变化等液相色谱相关参数的波动会产生保留时间漂移,在具有一致监测和更大收集窗口(>0.4 min)的靶向分析中必须考虑到这些保留时间漂移,这可能会导致这些一旦分离的异构体出现重叠。已经探索了用于分离异构体的其他色谱技术,包括使用 2 维液相色谱 (2D-LC)29;虽然该技术确实能够提供化合物的正交分离,但与其他分离方法相比,其缺点包括运行时间过长、成本高、方法开发难度大和有用性30。
高分辨率质谱 (HRMS) 在鉴定合成阿片类药物方面越来越可靠。几家仪器公司已经销售了为鉴定复杂生物基质中的广泛合成阿片类药物而开发的靶向方法 19,28,31。与前面讨论的方法不同,这些方法可以存储分析数据以进行追溯分析。因此,以前分析但结果不确定的标本可以在以后重新访问以发现新鉴定的化合物。HRMS 与 QQQ 的区别在于准确的质量数鉴定。虽然两种 MS 技术都可以在低浓度下准确定量,但 HRMS 已被证明对未知化合物的初始筛选和发现更有效 32,33,34。HRMS,特别是飞行时间 (TOF) MS 分析仪,一直处于 NPS 发现的最前沿,使法医检测实验室能够向执法部门和科学界提供新化合物的时间敏感数据,以扩大其中一些化合物的传播,同时提高认识和教育33。TOF 在检测滥用药物中的应用已变得非常全面,在 10 min 色谱程序中分离出 600 多种化合物的方法。以前的研究报道了囚禁离子淌度质谱 (TIMS) 与 TOF 联用在检测和分离异构体阿片类药物方面的优势35。
利用液相色谱、捕获离子淌度质谱和质谱之间的正交性,该方法基于保留时间、同位素模式、淌度和碎裂模式提供了芬太尼类似物的广泛表征。
1. 样品制备
2. HPLC 流动相制备
3. HPLC 方法开发
4. HPLC 的初始化
5. timsTOF MS/MS 方法开发
6. 迁移率和质量校准
7. 创建数据非依赖型采集 (DIA) 并行累积-串行碎裂方法
8. HPLC 离子淌度 TOF 数据处理
将 250 种类似物标准品的芬太尼类似物筛选试剂盒分为 14 组:12 组 17 种类似物和 2 组 16 种类似物,以避免 m/z 干扰。每种类似物的 m/z、保留时间 (RT)、淌度 (K) 和 MS/MS 碎裂模式进一步表征。
图 3 和图 4 分别显示了 C22H28N2O2 和 C21H28N2OS 化学式的异构体分离示例。
芬太尼类似物筛选试剂盒包含四种异构体,化学式为 C22H28N2O2 (见 图 3)。图 4 的检查显示了 [M+H]+ 提取的离子色谱图、移动图、同位素模式和 MS/MS 碎裂模式。甲氧基乙酰芬太尼和芬太尼氨基甲酸酯在 LC 和迁移率结构域中与对甲氧基乙酰芬太尼和 B-羟基芬太尼分离良好。然而,对甲氧基乙酰芬太尼和 B-羟基芬太尼之间的明确分离是通过它们的碎裂模式实现的。
芬太尼类似物筛选试剂盒包含三种异构体,化学式为 C21H28N2OS。图 4 的检查显示了 [M+H]+ 提取的离子色谱图、移动图、同位素模式和 MS/MS 碎裂模式。a-甲基硫芬太尼和 (±)-反式-3-甲基硫芬太尼在 LC 结构域中分离,但在淌度结构域中分离。此外,(±)-反式-3-甲基硫芬太尼和 (±)-顺式-3-甲基硫芬太尼在迁移域中分离,而不是在 LC 结构域中分离。这表明液相色谱和淌度分离的互补性通过结构域的正交性改善了对异构体物质的鉴定。 图 4D 总结了 LC 和迁移率提供的这一结果。

图 1:软件中的梯度斜坡。 "ICF 系统"方法对话框:分离过程中应用的梯度时间点取决于 B 浓度的百分比。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 2:dia-PASEF 窗口设置。 在 dia-PASEF MS 方法中,MS/MS 设置是唯一的。左图显示了根据 dda-PASEF 方法中记录的数据调整的窗口多边形。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 3:异构体阿片类药物的典型提取离子色谱图、提取移动量图和扩增的 MS 投影。 (A) 甲氧基乙酰芬太尼、对甲氧基乙酰芬太尼、β-羟基芬太尼、芬太尼氨基甲酸酯的结构及其各自的 (B) 典型保留时间,(C) 典型迁移率,(D) 异构信号,(E) 主要碎片和 (F) 碎片化表示。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 4:异构体阿片类药物的典型提取离子色谱图和提取移动图。 (A) α-甲基硫吩太尼、(±)-反式-3-甲基硫吩太尼和 (±)-顺式-3-甲基硫吩太尼的结构。对于相应的异构体,(B) 典型保留时间,(C) 典型淌度,(D) 保留时间和淌度之间的正交性。 请单击此处查看此图的较大版本。
补充表 1:混合组。 下表概述了为该程序创建的 14 种混合物中的每一种都含有哪些阿片类药物。 请点击此处下载此文件。
对含有高异构体含量的生物样品进行分析分离可能具有挑战性。在本文中,所描述的方法旨在表征 29 种异构体组,来自 250 种阿片类药物标准试剂盒的总共 185 种类似物。在测试组准备过程中,重要的是要确保没有两个无法通过实验区分的 m/z 类似物。此处描述的数据使用的标准品不是来自基于人类的基质,如果要在现场实验中使用这种方法;为确保方法的适用性,有必要使用感兴趣的矩阵进行额外的试验。基质可能导致分析物的电离方式与无基质实验中的电离方式不同,因此必须确定将观察到哪些普遍的离子形式。在分析中,鉴定基于最丰富形式的同位素模式(例如,[M+H]+1 和 [M+Na]+1)。
在异构体在淌度域中未分离的情况下,液相色谱程序的选择至关重要。减小梯度的斜率可以通过增加色谱峰之间的差异来提高方法的特异性。
在数据分析过程中,在确定保留时间和淌度时忽略不相关的信号非常重要。HRMS 的优点允许较窄的 m/z 窗口(典型质量分辨率为 ~50,000)和额外的迁移率过滤,从而降低化学噪音。
此处描述的方法为从未知样品中筛选芬太尼类似物提供了参考库。报告的 RT、K、同位素和 MS 碎裂模式在数据处理和未知分配过程中用作限定符。与传统的 MRM LC-QQQ 分析相比,虽然可以实现相似的 LOD 13,19,27,但其独特的优势是可以筛选使用 FID 试剂盒生成的数据库中未包含的替代阿片类药物。每种新的阿片类药物都需要使用合成标准品进行分析以进行最终验证。
Matthew Willetts 和 Melvin A. Park 是 timsTOF Pro2 商用仪器制造商 Bruker Daltonics Inc 的员工。所有其他作者均声明没有利益冲突。
作者要感谢 Cesar Ramirez 博士在初始方法开发过程中的初步支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 用于 HPLC 的甲酸铵 | Fluka | 17843-50G | |
| Eppendorf Snap-Cap 微量离心机 Safe-Lock 管 | Fisher | 05-402-25 | |
| ESI-L 低浓度调谐混合物 | Agilent | G1969-85000 | |
| 芬太尼类似物筛选 (FAS) 套件 | Cayman Chemical | 9003237、9003286、9003380 9003381 | 试剂盒,包含 250 种合成阿片类药物、210 种芬太尼类似物,分为一个试剂盒和紧急面板版本 1-4 |
| 甲酸 Optima LC/MS | Fisher | A117-50 | |
| Onyx 保护柱 (5 x 4.6 mm) | 用于 C18 色谱柱 | Phenomenex | CHO-7649 |
| Onyx 整体式 C18 HPLC 色谱柱 (100 x 4.6 mm) | Phenomenex | CHO-7643 | 反相 C18 液相色谱柱 |
| Optima 级乙腈 | Fisher | A996-4 | |
| Optima 级甲醇 | Fisher | A454-4 | |
| Optima 级水 | Fisher | W7-4 | |
| 移液器 | Fisher | 05-719-510 | 套件 1-10 和微量;L、10-100 和微量;L 和 100-1000 µL pipette |
| 移液器吸头 10µL | Fisher | 94060100 | |
| 移液器吸头 1000µL | Fisher | 94056710 | |
| 移液器吸头 200µL | Fisher | 94060310 | |
| 板式混合机 | IKA | MS 3 D S1 | IKA MS 3 数字 |
| 突出 LC-20 CE 超快液相色谱仪 | 日本岛津 | 配备 DGU-20A5、LC-20AD、SIL-20AC、CTO-20A、SPD-M20A、CBM-20A、SPD-20A | |
| timsTOF Pro | Bruker Daltonics Inc., Billerica, MA | timsTOF 仪器配备 PASEF |
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