顶空-气相色谱/质谱法检验血液中的氧化亚氮
胡浩男, 蒋国军, 唐志龙, 历洪光, 梁栋
徐州市公安局刑警支队,江苏 徐州 221000

第一作者简介:胡浩男,男,江苏徐州人,学士,助理工程师,研究方向为毒物、毒品分析。E-mail:517559105@qq.com

摘要

目的 建立氧化亚氮中毒案件中血液检材氧化亚氮的快速、准确的定性定量检验方法。方法 血样1mL置于20mL顶空瓶中,加入内标二氯甲烷1μL密封,置室温下平衡10min后,放入顶空器70℃加热10min后抽取上层气体300μL进样气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)。结果 血液中氧化亚氮在0.02~5.0mL/mL浓度范围内线性关系良好,检出限为0.005mL/mL血,并在两起氧化亚氮中毒案件中成功应用。结论 本文建立的方法快捷、科学、有效,可应用于血液检材中氧化亚氮的定性定量检验。

关键词: 法医毒物学; 氧化亚氮; 中毒案件; 顶空-气相色谱/质谱
中图分类号:DF795.1 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2020)04-0250-05
Determination of Nitrous Oxide in Blood Using Headspace Gas Chromatography-mass Spectrometry
HU Haonan, JIANG Guojun, TANG Zhilong, LI Hongguang, LIANG Dong
Criminal Police Detachment of Xuzhou Public Security Bureau, Xuzhou 221000, Jiangsu, China
Abstract

Objective To establish a fast and accurate method for determination of nitrous oxide in blood from the related poisoning cases.Methods 1 mL blood sample was collected into a 20mL headspace bottle that was afterwards added of 1μL dichloromethane, the internal standard, having successively been sealed and left for 10 min at room temperature. The sample-contained headspace bottle was heated under 70℃ for another 10 min to make the relevant substance gasify, with the 300μL bottled upper gas being injected into the GC-MS for analysis.Results A good linearity was observed at the mass concentration of nitrous oxide within 0.02-5.0mL/mL in blood, with the limit of detection (LOD) being 0.005mL/mL. Applied with the established method, nitrous oxide was detected successfully from the victims’ blood samples of two cases of sulfide poisoning. Conclusion The method is fast, scientific and effective, applicable for rapid detection of nitrous oxide from the involving poisoning cases.

Key words: forensic toxicology; nitrous oxide; poisoning cases; headspace-gas chromatography/mass spectrometry

氧化亚氮(N2O)别名“ 笑气” 、一氧化二氮, 是无色气体, 无显著臭, 味微甜, 较空气为重。吸入笑气后, 会产生镇痛、人格解体、非真实感、头晕、欣快、僵硬和声音失真的体验[1], 吸入过多, 则可发生呼吸、循环抑制[2]。但当前, 在严厉打击毒品违法犯罪以及滥用药物的严格监管下, 氧化亚氮作为一种低廉的、尚未列入管制的精神类药物替代品, 已有滥用趋势, 并造成了一定的严重后果。在英美等西方国家, 笑气的滥用呈年轻化与普及化[3, 4], 有报告显示欧美地区青少年笑气滥用率为12% ~ 20%[4]。2016 年世界毒品调查(Global Drug Survey)报告显示, 笑气已经成为全球第七大流行滥用药物 [5], 流行趋势越发严重。因此, 建立生物检材中氧化亚氮的检验方法, 显得尤为重要和迫切。

现有的氧化亚氮检验方法基本有分光光度法、气相色谱法、气质联用法等[6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13], 但均集中在环境监测领域。目前我国刑事理化检验中, 尚未见有关生物检材中氧化亚氮的检验报道。国外相关检材的检验可见Poli等[14]在2010年报导的一起氧化亚氮吸入性死亡意外事件。本文参照Poli等人的研究, 建立血液中氧化亚氮的顶空-气相色谱/质谱(顶空/GC-MS)的测定方法, 并在实际案例中成功应用。

1 材料与方法
1.1 仪器与试剂

Agilent7890A/5975C型GC-MS, 配有电子轰击离子源(EI源)、Agilent Chemstation工作站; Agilent 7694E顶空器。Agilent 1 mL手动进样针(带锁止阀)、PoraPLOT Q毛细管柱、Agilent 20 mL顶空瓶。氧化亚氮标准气体(徐州特种气体有限公司), 纯度> 99.99%。高纯氦气(上海BOC气体有限公司), 纯度> 99.999%。二氯甲烷, 分析纯(上海凌峰化学试剂有限公司)。空白血液, 采集自健康人及非氧化亚氮相关的不同死因的死者。

1.2 仪器条件

色谱条件:Agilent PoraPLOT Q(30 m× 0.25 mm× 8 μ m)毛细管柱; 柱温程序为初始温度50 ℃, 保持1 min后, 以2 ℃/min 升至60 ℃, 40 ℃/min升至220 ℃, 保持10 min; 载气为高纯氦气, 流速为3.0 mL/min; 进样口温度200 ℃; 传输线温度200 ℃; 分流比15:1。

质谱条件:电子轰击离子源(EI), 电子能量70 eV; 离子源温度230 ℃, 四级杆温度150 ℃, 接口温度200 ℃; 扫描模式为全扫描(SCAN), 扫描质量数范围10~450 amu 。

1.3 前处理

取检材血液1 mL置于20 mL顶空瓶中, 加入1 μ L内标二氯甲烷, 压盖密封, 置室温下平衡10 min, 放入顶空加热器70 ℃下加热10 min, 抽取瓶中上层气体300 μ L手动进样GC-MS。

1.4 方法验证

1.4.1 氧化亚氮及二氯甲烷色质谱图

将氧化亚氮标准气体充气于500 mL气体采集袋, 从气体采集袋中抽取相应体积的氧化亚氮添加于空白血液制得1 mL/mL的样品, 按1.3操作后经GC-MS分析。

1.4.2 空白对照

取10份空白血液按1.3操作后进GC-MS分析。

1.4.3 线性关系及检测限

将氧化亚氮标准气体充满500 mL气体采集袋, 抽取相应体积氧化亚氮气体添加于空白血液中, 分别制得0.02、0.05、0.1、0.5、1.0、2.0、5.0 mL/mL的系列样品, 按1.3处理后进样GC-MS, 每个体积浓度点2个重复样品。以氧化亚氮定量碎片离子m/z 44与二氯甲烷碎片离子m/z 49峰面积之比为自变量(x), 以氧化亚氮的浓度(mL/mL血)为因变量(y), 进行线性回归计算。以信噪比(S/N)=3为最低检出限(LOQ), 以S/N=10为最低定量限(LOD)。

1.4.4 精密度及准确度

分别制得2.0、0.5、0.06 mL/mL血3个依次对应高、中、低体积浓度样品, 每个体积浓度点6个重复样品, 按1.3操作后经GC-MS分析, 以每种浓度的相对标准偏差为日内精密度。该实验连续3 d, 以每种浓度的相对标准偏差为日间精密度。分别计算每种浓度样品的氧化亚氮m/z 44峰面积与二氯甲烷m/z 49峰面积比值, 代入工作曲线计算出实际浓度, 以实测浓度与理论浓度的比值为准确度。

2 结果
2.1 氧化亚氮及二氯甲烷色质谱图

经标准添加样品进样后确定, 氧化亚氮相对保留时间(Rt)为8.620 min, 特征碎片离子为m/z 44、30、28等; 内标二氯甲烷相对保留时间为17.071 min, 特征碎片离子为m/z 49、28、64等(见图1)。

图1 氧化亚氮及二氯甲烷色质谱图(a:色谱图; b:氧化亚氮质谱图; c:二氯甲烷质谱图)Fig.1 Mass spectrogram and chromatogram of nitrous oxide and dichloromethane (a: chromatograms of two substances; b/c: mass spectrogram of nitrous oxide/dichloromethane)

2.2 空白对照

所有空白血液样品色谱图中在8.620 min均未出现氧化亚氮峰, 17.071 min内标正常出峰, 空白无干扰。

2.3 线性关系、检测限、精密度及准确度

经实验, 血液中氧化亚氮在0.02~5.0 mL/mL血体积浓度内具有良好的线性关系, 线性方程为y = 2.361 3x - 0.042 3(R² = 0.999 4), LOQ为0.005 mL/mL血, LOD为0.016 mL/mL血; 日内精密度与日间精密度均小于15%, 准确度均在(100± 15)%之内, 均在可接受范围内(见表1)。

表1 方法精密度及准确度 Table 1 Precision and accuracy of the method
3 案件应用

本文将建立的方法应用于两起疑似因过量吸食氧化亚氮气体死亡的案件中, 两起案件均提取了死者的心血及肺部血液, 并均检出氧化亚氮, 检验结果详见表2

表2 两起案件血液检材检验结果 Table 2 Results tested from the blood samples of two cases
4 讨论
4.1 检材的选择与提取

4.1.1 检材的选择

在上述两起案件中, 除血液检材外, 尸体解剖时均提取了气体检材及组织检材。气体检材抽取300 μ L进样GC-MS。组织检材因为基质各不相同, 不同组织检材中氧化亚氮的准确定量需要进一步研究。本文对组织检材的处理参照1.3步骤, 取各类组织检材2 g, 剪碎后放入顶空瓶中压盖密封, 室温下平衡10 min后, 放入顶空加热器70 ℃下加热10 min, 吸取上层空气300 μ L进样GC-MS, 对案件2中检出氧化亚氮的组织检材提取m/z 44离子并记录峰面积, 以此比较各组织检材一次顶空过程中释放出氧化亚氮的量。从表2及图2~4可以看出:案件2检材除口腔气体中未检出氧化亚氮外, 气管气体、右肺支气管气体、左肺支气管气体、胃内气体、肺血、心血、脾组织、肺组织、肾组织、脑组织、胆囊组织中、胰组织、肝组织中均检出氧化亚氮成分, 肺组织一次顶空过程释放出的氧化亚氮的量大于其他组织检材; 案件1气管内气体、口腔气体均未检出氧化亚氮, 胃内气体、肺血、肺组织、心血均检出氧化亚氮。

图2 案件1提取检材检验结果Fig.2 Results tested of the samples extracted from various tissues of the victim of case 1

图3 案件2提取检材检验结果Fig.3 Results tested of the samples extracted from various tissues of the victim of case 2

图4 案件2组织检材中m/z 44峰面积相对大小Fig.4 Relative size of m/z 44 peak area from tissue samples of case 2

结合上述检验结果, 本文建议将肺部相关检材(肺组织, 肺支气管内空气、肺血)以及心血作为重点优先提取, 其他组织有条件地提取; 胃内气体也建议同步提取。

4.1.2 检材的提取

氧化亚氮性质稳定, 在体内仅有少部分氧化亚氮可经肠道细菌的作用进行生物氧化, 产生亚硝酸盐和氮等[15]。因此在提取检材时应避免氧化亚氮的流失。检材提取在解剖时同步进行, 血液检材按1 mL每瓶分装在20 mL顶空瓶中, 加入内标后密封待检; 气体检材用针筒抽取后, 针头伸入顶空瓶底部缓慢注入并密封待检; 组织检材切取小块放入顶空瓶中密封保存。

4.2 空气中氧化亚氮的干扰

氧化亚氮是大气中的痕量气体, 大气中N2O的排放源包括自然源和人为源, 自然源包括海洋、森林、草地等, 人为源包括生物质燃烧及工业排放[3]。对大气中氧化亚氮浓度的研究一直有很多, 经查阅资料, 氧化亚氮浓度随着环境、产业、季节、风向等因素均会有变化[16, 17, 18, 19, 20, 21], 本文曾在分流比5:1的情况下进样1 mL空气, 可检出极微量的氧化亚氮, 建议理化检验人员在开展氧化亚氮检验时应每次进行背景检测, 并根据当地实际环境情况, 采集本地空气样本, 调节分流比与进样体积, 排除背景干扰。

5 结论

氧化亚氮滥用案件持续增多, 对因氧化亚氮中毒死亡的案件检验是公安理化检验急需解决的难题。本方法成功建立了顶空-GC/MS检验血液中氧化亚氮的方法, 并成功在两起案件中应用, 为理化同行日后检验氧化亚氮相关案件提供了参考。

参考文献
[1] 王绪轶, 江海峰, 包涵, . “笑气”滥用的思考[J]. 中国药物滥用防治杂志, 2017, 23(5): 249-251.
(WANG Xuyi, JIANG Haifeng, BAO Han, et al. Thinking on the abuse of “laughing gas”[J]. Chinese Journal of Drug Abuse Prevention and Treatment, 2017, 23(5) : 249-251. ) [本文引用:1]
[2] 张彧. 急性中毒[M]. 西安: 第四军医大学出版社, 2008: 98.
(ZHANG Yu. Acute poisoning[M]. Xian: The Fourth Military Medical University press, 2008: 98. ) [本文引用:1]
[3] KAAR S, FERRIS J, WALDRON J, et al. Up: The rise of nitrous oxide abuse. An international survey of contemporary nitrous oxide use[J]. Journal of Psychopharmacology, 2016, 30(4): 395-401. [本文引用:2]
[4] GARLAND E L, HOWARD M O, PERRON B E, et al. Nitrous oxide inhalation among adolescents: prevalence, correlates, and co-occurrence with volatile solvent inhalation[J]. Journal of Psychoactive Drugs, 2009, 41(4): 337-347. [本文引用:2]
[5] WINSTOCK A R, MONICA B, FERRIS J, et al. The Global Drug Survey 2016 findings[R]. GDS. 2016. [本文引用:1]
[6] 潘旭. 气相色谱法一次进样分析大气中氧化亚氮、甲烷[J]. 地球科学进展, 2012, 27(S1): 524-525.
(PAN Xu. Single sample analysis of nitrous oxide and methane in atmosphere by gas chromatography[J]. Advances in Earth Science, 2012, 27(S1) : 524-525. ) [本文引用:1]
[7] 郭刚, 王亚宜, 张兆祥, . 气相色谱法测定污水处理产生的氧化亚氮的分析方法研究[J]. 分析测试学报, 2011, 30(9): 1050-1054.
(GUO Gang, WANG Yayi, ZHANG Zhaoxiang, et al. A gas chromatographic method for determination of nitrous oxide in wastewater treatment[J]. Journal of Instrumental Analysis, 2011, 30(9) : 1050-1054. ) [本文引用:1]
[8] 臧昆鹏, 王菊英, 赵化德, . 顶空平衡-双通道气相色谱法测定海水中溶解态甲烷和氧化亚氮[J]. 环境化学, 2014, 33(12): 2094-2101.
(ZANG Kunpeng, WANG Juying, ZHAO Huade, et al. Simultaneous determination of dissolved CH4 and N2O in seawater using head space-dual channel GC system[J]. Environmental Chemistry, 2014, 33(12): 2094-2101. ) [本文引用:1]
[9] 陈勇, 袁东星, 李权龙. 常温吹扫捕集-气相色谱法测定海水中氧化亚氮[J]. 分析化学, 2007, 35(6): 897-900.
(CHEN Yong, YUAN Dongxing, LI Quanlong . Determination of nitrous oxide in seawater by room temperature purge and trap-gas chromatography. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2007, 35(6): 897-900. ) [本文引用:1]
[10] 王德发, 周泽义, 刘沂玲, . 利用傅立叶变换红外光谱法检测一氧化氮纯气中的氧化亚氮杂质[J]. 化学分析计量, 2008, 17(6): 18-21.
(WANG Defa, ZHOU Zeyi, LIU Yiling, et al. Determination of impurity N2O gas in pure NO by FTIR[J]. Chemical Analysis and Meterage, 2008, 17(6) : 18-21. ) [本文引用:1]
[11] 李春瑛, 韩桥, 杜秋芳, . 氧化亚氮标准气体GC-μECD分析方法的研究[J]. 化学分析计量, 2004, 13(5): 5-8.
(LI Chunying, HAN Qiao, DU Qiufang, et al. Study on GC-μECD analysis method for nitrous oxide calibration gases[J]. Chemical Analysis and Meterage, 2004, 13(5): 5-8. ) [本文引用:1]
[12] 韦桂欢, 张洪彬, 龙庆云, . 气相色谱/质谱法测定三氟化氮中痕量一氧化二氮[J]. 低温与特气, 2009, 27(2): 29-31.
(WEI Guihuan, ZHANG Hongbin, LONG Qingyun, et al. Determination of trace nitrous oxide in nitrogen trifluoride by gas chromatography-mass spectrometry[J]. Low Temperature and Specialty Gases, 2009, 27(2) : 29-31. ) [本文引用:1]
[13] ISHIMURA Y, GAO Y T, PANDA S P, et al. Detection of nitrous oxide in the neuronal nitric oxide synthase reaction by gas chromatography-mass spectrometry[J]. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2005, 338(1): 543-549. [本文引用:1]
[14] POLI D, GAGLIANOCANDELA R, STRISCIULLO G, et al. Nitrous oxide determination in postmortem biological samples: a case of serial fatal poisoning in a public hospital[J]. Journal of Forensic Sciences, 2010, 55(1): 258-264. [本文引用:1]
[15] 沈敏, 向平. 法医毒物学手册[M]. 北京: 科学出版社, 2012: 751-752.
(SHEN Min, XIANG Ping. Forensic toxicology hand book[M]. Beijing: Science press, 2012 : 751-752. ) [本文引用:1]
[16] 郭宁, 张建, 孔强, . 温度对亚硝化及氧化亚氮释放的影响[J]. 环境工程学报, 2013, 7(4): 1308-1312.
(GUO Ning, ZHANG Jian, KONG Qiang, et al. Effect of temperature on ammoxidation and nitrous oxide emission in partial nitrification[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2013, 7(4): 1308-1312. ) [本文引用:1]
[17] 陈卫洪, 漆雁斌. 农业生产中氧化亚氮排放源的影响因素分析[J]. 四川农业大学学报, 2011, 29(2): 280-285.
(CHEN Weihong, QI Yanbin. Analysis of the influencing factors related to nitrous oxide emission in agricultural production[J]. Journal of Sichuan Agricultural University, 2011, 29(2): 280-285. ) [本文引用:1]
[18] 刘强, 王跃思, 王明星, . 北京大气中主要温室气体近10年变化趋势[J]. 大气科学, 2005(2): 267-271.
(LIU Qiang, WANG Yuesi, WANG Mingxing, et al. Trends of greenhouse gases in recent 10 years in Beijing[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2005(2): 267-271. ) [本文引用:1]
[19] 王少彬. 大气中氧化亚氮的源、汇和环境效应[J]. 环境保护, 1994(4): 23-27.
(WANG Shaobin. Source, sink and environmental effects of nitrous oxide in the atmosphere[J]. Environmental Protection, 1994 (4) : 23-27. ) [本文引用:1]
[20] 王少彬. 中国大气中氧化亚氮浓度及土壤排放通量的测定[J]. 中国科学(B辑化学生命科学地学), 1994(12): 1275-1280.
(WANG Shaobin. Determination of nitrous oxide concentration and soil emission fluxes in the atmosphere in China[J]. Science in China Series B-Chemistry, Life Sciences & Earth Sciences, 1994(12): 1275-1280. ) [本文引用:1]
[21] 刘云松, 周凌晞, 臧昆鹏, . 光腔衰荡光谱法走航连续观测海表大气中氧化亚氮[J]. 环境科学学报, 2018, 38(9): 3482-3487.
(LIU Yunsong, ZHOU Lingxi, ZANG Kunpeng, et al. Continuous measurement of atmospheric nitrous oxide by cavity ring-down spectroscopy technique over the China seas[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2018, 38(9): 3482-3487. ) [本文引用:1]