紙片-電噴灑質譜技術對4-氯安非他命快速篩選法的開發與研究

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(1)國立臺灣師範大學化學系碩士論文. 指導教授︰林震煌博士（Cheng-Huang Lin）. 紙片-電噴灑質譜技術對 4-氯安非他命快速篩選法的開發與研究. Rapid screening and determination of 4-chloroamphetamine by paper spray-mass spectrometry. 研究生：廖亞薇（Ya-Wei Liao）中華民國一百零二年六月.

(2) 謝誌兩年的研究生涯時間過得很快，這段時間受到很多人的幫助與鼓勵，如今希望能和你們分享我的喜悅。首先要感謝我的指導教授– 林震煌博士給予我許多實驗上的指導與建議，讓我順利完成論文。在口試期間，感謝呂家榮教授及丁望賢教授不辭辛勞在百忙之中抽空前來聆聽，並給予指正與建議，使得本論文更加完善。一路走來，很感謝實驗室各位學長姐在實驗上的幫助，特別感謝怡珊、建宏、李珣、冠甫、智勝你們總是提供我很多做實驗的方法與方向。感謝同屆的安安、華華、建霖和親愛的卉馨，謝謝你們總是跟我一起討論實驗一起瘋癲，很開心可以一起畢業。另外也很感謝實驗室的學弟范范、昕楷、本仁，你們總是帶給實驗室歡樂，也祝福你們學業、實驗順利。最後，我要感謝我的家人以及朋友，謝謝父父和爹地、媽咪的辛苦栽培，謝謝蓉蓉、阿姐、仙仙和俐俐的支持與陪伴。也要感謝我的朋友們，GL 女孩兒、阿嵐和曾經一起 CCW 的邱、柯、詹、陳，我很慶幸這兩年有你們的陪伴。再一次感謝所有給予我支持與鼓勵的人，謝謝你們。亞薇. I.

(3) 中文摘要本研究以 4-氯安非他命為測試樣品，探討紙噴灑-質譜法中，紙片材質對電噴灑效果及偵測靈敏度的影響。實驗中使用兩個系列的紙片來作討論，一個系列是以天然纖維製成的紙張，包括雁皮紙、典具帖紙、格拉辛紙及蟬翼紙。實驗結果發現，以雁皮紙效果最好，這是因為雁皮紙不僅韌且薄，厚度<20 µm。作為電噴灑片時，僅需~30 秒即可將樣品全部電噴灑釋放。這可使質譜儀瞬間接收到大量的離子，有助於提高偵測的靈敏度，比起傳統使用的層析濾紙低~1 個數量級。在相同條件下選用的濾紙其厚度則>100 µm，樣品會擴散至整張濾紙。樣品溶液需要 1.5 分鐘以上才能將部分紙片中的樣品噴灑完畢，部分樣品會殘留在紙片上，導致偵測極限較差。有鑑於天然纖維在實驗室中製作困難，因此本研究以電紡法噴製聚乳酸、聚碳酸及醋酸酯等 3 種微孔薄膜陣列來進行比較。實驗發現，薄、纖維規律排列且具疏水性的聚碳酸薄膜紙 (<70 μm)，比濾紙的偵測極限好了近 1 個數量級。這是因為疏水且較薄的紙，可以快速的將樣品電噴灑進入偵測器，且偵測時間少於 1 分鐘。後面將就各紙張利用掃描式電子顯微鏡拍攝的圖片來作討論。製作薄膜纖維的方法及唾液樣品的偵測在後續都會討論。. 關鍵字：紙片-電噴灑質譜法、4-氯安非他命、快速篩選法 II.

(4) Abstract Compared to the chromatography paper currently used in paper-spray mass spectrometry (PS-MS), two series of “papers” were examined, including the papers that were made from natural and synthetic fibers, respectively. In the former case, 4 types of Japanese paper (Washi) were used, including Gampi paper, Tengujou paper, Glassine paper and Cicada paper, and the findings show that the limit of detection can be dramatic improved only when Gampi paper was used. This is because Gampi paper is very toughness and extremely thin (thickness, <20 μm) rather than the chromatography paper (thickness, >100 μm) and the others, leading to the sample solution much easier to be ejected and ionized toward the mass inlet. Since ionization occurs within a very short period (less than 30 seconds), an abundance of ions is formed, leading to a dramatic improvement in the limit of detection, at least 10-fold than the use of the chromatography paper. Due to natural fibers are difficult prepared in laboratory, in the case of synthetic fibers, 3 types of microtube array membranes were synthesized from polycarbonate (PC), polylactic acid (PLA) and cellulose acetate (CA) respectively, by means of co-axial electrospinning technique. The findings show that the limit of detection also can be improved, almost 10-fold, when the PC membranes were used. This is because PC membranes were thin (thickness, <70 μm), hydrophobic and sequence with the directionality, resulting to ionization occurs within a very short period (less than 1 min). Hence, as a rapid screening tool based on the PS-MS, both of the uses of Gampi paper and PC membrane were very useful. Furthermore, clear SEM (scanning electron microscope) photos of Gampi paper, PC membrane and chromatography paper were shown and discussed. Detailed information on how to synthesize PC membranes, the optimized position for ionization and its application for the analysis of a saliva sample are also reported.. Keywords: paper-spray/MS, chloroamphetamine, rapid screening III.

(5) 目錄謝誌............................................................................................................. I 中文摘要................................................................................................... II Abstract .................................................................................................... III 目錄.......................................................................................................... IV 圖目錄.................................................................................................... VII 表目錄...................................................................................................... IX. 第一章緒論.............................................................................................. 1 1-1 研究目的 ............................................................................................ 1 1-2 研究介紹 ............................................................................................ 2 1-3 分析物簡介 ........................................................................................ 4. 第二章分析方法及原理 ......................................................................... 6 2-1 液相層析電噴灑串聯式質譜儀 LC/ESI-MS.................................... 6 2-1-1 電噴灑離子化 (ESI) 發展歷史 ............................................ 7 2-1-2 電噴灑離子化 (ESI) 原理及離子形成機制 ...................... 10 2-1-3 離子阱質量分析器簡介....................................................... 13 2-1-4 質量偵測器 ........................................................................... 14 2-2 靜電紡絲法 (Electrospinning) ........................................................ 15. 第三章儀器、藥品與實驗方法 ........................................................... 18 3-1 紙片電噴灑質譜法 (Paper spray/ESI-MS) .................................... 18 3-2 同軸電紡法 (Co-axial electrospinning) .......................................... 20 IV.

(6) 3-3 儀器及周邊設備列表 ...................................................................... 23 Paper spray 相關儀器...................................................................... 23 其他相關儀器及耗材 ..................................................................... 23 3-4 藥品列表 .......................................................................................... 25 使用藥品 ......................................................................................... 25 電紡材料 ......................................................................................... 26 3-5 PLA、PC 及 CA 介紹 ...................................................................... 27 3-6 唾液真實樣品前處理 ...................................................................... 28. 第四章結果與討論 ............................................................................... 29 4-1 標準品的偵測 .................................................................................. 29 4-1-1 實驗條件 ............................................................................... 29 4-1-2 樣品配置 ............................................................................... 29 4-1-3 偵測標準樣品....................................................................... 30 4-2 紙片不同長度對於訊號強度的影響 .............................................. 33 4-3 不同材質的比較 .............................................................................. 35 4-3-1 實驗條件 ............................................................................... 35 4-3-2 材質選擇 ............................................................................... 35 4-3-3 不同材質的實驗結果........................................................... 38 4-3-4 偵測極限 ............................................................................... 59 4-4 不同樣品偵測 .................................................................................. 61 4-5 真實樣品偵測 .................................................................................. 63 4-5-1 實驗條件 ............................................................................... 63 4-5-2 真實樣品配置與結果........................................................... 63 V.

(7) 第五章結論............................................................................................ 66. 參考文獻.................................................................................................. 67 論文申請與研究發表 ............................................................................. 73 附錄. VI.

(8) 圖目錄第一章緒論圖 1-1 安非他命類的基本結構 ............................................................... 5. 第二章分析方法及原理圖 2-1 電噴灑游離現象示意圖 ............................................................. 10 圖 2-2 靜電紡絲法示意圖 ..................................................................... 17. 第三章儀器、藥品與實驗方法圖 3-1 paper spray 儀器架設示意圖 ...................................................... 19 圖 3-2 紡頭示意圖 ................................................................................. 21 圖 3-3 紡頭實際圖 ................................................................................. 21 圖 3-4 電紡示意圖 ................................................................................. 22. 第四章結果與討論圖 4-1 0.5 mg/L 的 para-chloroamphetamine 質譜圖............................ 31 圖 4-2 時間和訊號強度 TIC 圖............................................................. 32 圖 4-3 濾紙長度和離子強度比的關係圖 ............................................. 34 圖 4-4 電紡 PLA (100 %)薄膜陣列示意圖........................................... 36 圖 4-5 濾紙的 SEM 圖 ........................................................................... 39 圖 4-6 雁皮紙的 SEM 圖 ....................................................................... 40 圖 4-7 典具帖紙的 SEM 圖 ................................................................... 41 圖 4-8 蟬翼紙的 SEM 圖 ....................................................................... 42 VII.

(9) 圖 4-9 格拉辛紙的 SEM 圖 ................................................................... 43 圖 4-10 藺草的 SEM 圖 ......................................................................... 44 圖 4-11 質譜圖與 TIC 圖 ....................................................................... 47 圖 4-12 質譜圖與 TIC 圖....................................................................... 48 圖 4-13 PC 薄膜的 SEM 圖 .................................................................... 50 圖 4-14 PLA 薄膜的 SEM 圖 ................................................................. 51 圖 4-15 CA 薄膜的 SEM 圖 ................................................................... 52 圖 4-16 質譜圖與 TIC 圖....................................................................... 55 圖 4-17 PLA 不同孔洞率的表面 SEM 圖 ............................................. 56 圖 4-18 60 % PLA 和 60 % PC 的質譜圖與 TIC 圖 ........................... 58 圖 4-19 偵測不同樣品的質譜圖 ........................................................... 62 圖 4-20 paper spray 真實樣品質譜圖 .................................................... 64 圖 4-21 paper spray 真實樣品質譜圖 .................................................... 65. VIII.

(10) 表目錄第一章緒論表 1-1 安非他命衍生物 ........................................................................... 5. 第二章分析方法及原理表 2-1 電噴灑質譜法的發展 ................................................................... 9. 第四章結果與討論表 4-1 不同材質的 LOD 估計值 ........................................................... 60. IX.

(11) 第一章. 緒論. 1-1 研究目的近幾年來，台灣濫用藥物 [1-4] 的趨勢愈來愈嚴重，本研究目的主要是希望能夠在短時間內快速篩選出受測者是否有吸食狡詐家安非他命化合物。以往在濫用藥物的檢測上都是使用 gas chromatography/mass spectrometer (GC/MS) [5-26] 或是 liquid chromatography/mass spectrometer (LC/MS) [27-37]，實驗過程所耗時間經常大於 30 分鐘，若要做為快速篩選藥品使用是較困難的。本研究利用 paper-spray (PS) 作為快速篩選藥品的游離源，並針對兩種類的紙片做研究，分別是纖維雜亂無排序的濾紙、雁皮紙、格拉辛紙、典具帖紙、天然植物藺草以及藉由同軸電紡絲技術電紡出具有排列整齊纖維的薄膜陣列 (polycarbonate、polylactic acid 與 cellulose acetate)，針對不同厚度、不同纖維排列、不同材質對於實驗結果的影響做討論。並利用已被列為第三級毒品的 para-chloroamphetamine (p-CA) 作為實驗測試樣品，對於各種紙片 ESI 的效果做研究。在真實樣品的檢測上，是利用唾液作為真實樣品添加 0.5 mg/L p-CA，期望可達到快速偵測 p-CA 的效果。. 1.

(12) 1-2 研究介紹近年來，毒梟濫用藥物的情形日益嚴重，許多不肖毒品製造者為了規避法規，合成了具有不同官能基，但主結構與安非他命一樣，的毒品，其毒性和藥性都更勝安非他命，此類基本架構一樣但所接官能基不同的藥品稱之為「狡詐家藥物 (designer drugs)」 [38]。台灣警方於前年發現毒梟大量合成氯安非他命，其藥性遠遠超過安非他命和甲基安非他命，因此本研究所選的狡詐家安非他命藥物為鹵化安非他命中的 para-chloroamphetamine，政府於 2011 年 4 月將其列為第三級毒品。一般常見的濫用藥物檢測法包含了比色法、氣相層析質譜法 [5-10, 39]、液相層析質譜法 [11, 35-37]、拉曼光譜法、薄層層析法、毛細管電泳……等。目前濫用藥物相關的檢測單位主要還是以氣相層析質譜法為主，因為其具有定性、定量、高準確度及精確度高的特性，藉由每種物質具有其獨特的滯留時間、離子強度比和離子碎片，目前已建立了許多標準物質的質譜圖庫可供比對。但是由於氣相層析質譜法的游離源大都是使用電子游離法 (electron ionization, EI) 作為游離源，而此游離法的能量比較高，因此容易使得樣品的結構斷裂，不易觀察到母離子訊號，所以當離子斷裂的碎片相同且化學結構類似時，不容易判定樣品結構。且氣相層析質譜儀只適合具有高揮發性、非極性與熱穩定的化合物，而藥物的結構常常含有極性官能基或不具揮發性，因此對於這些分析物進入氣相層析質譜儀前，需要經過處理才可進入分析。液相層析質譜儀近年來已逐漸被使用在對濫用藥物的分析上。相較於氣相層析質譜法，液相層析質譜法可以直接分析無揮發性、極性、熱不穩定與大分子的化合物且分析範圍廣。隨著串聯式 2.

(13) 質譜儀的出現，透過研究母離子 (precursor ion) 和子離子 (product ion) 的關係來獲得分析物斷裂過程的資訊，根據特徵峰來辨別同分異構物，避免同分異構物或基質的干擾，以降低背景訊號並提高訊雜比進而提高檢測的靈敏度。惟在實驗過程中，樣品的前處理以及層析時間經常大於 30 分鐘，對於快速篩選而言是較為不利的因素。 Paper-spray 為近年來興起的樣品游離技術，結合質譜儀能夠成功的檢測多種生物樣品，如尿液與血液等 [40-44]。經由 paper-spray 來獲得目標離子只需要提供一個高壓電，以及小體積的樣品量，就能夠快速得到分析物的質譜圖 (約數十秒)。此技術的優點在於可以快速在短短幾分鐘內得知受測者是否有吸食狡詐家安非他命化合物。在 PS 的噴灑過程中，往往受到電壓、溶劑、紙片與 MS 入口距離以及紙片使用的條件不同而影響到偵測結果。在先前的文獻中，已有對於紙片與 MS 入口距離位置的研究，也有對於紙片尖端角度的研究。在進行 PS 時，分析物的運輸是透過紙片材料上的纖維來作傳遞，使用高電壓進行游離時，分析物會順著強大的電壓差被引導到紙尖，若纖維是具有順向性的話，能夠加快電噴灑的時間。由於先前的文獻當中，都是使用濾紙做為實驗基材，為了找出更適合最為 PS 的實驗基材，本研究將會針對 paper-spray 所使用的紙片來作研究，分別使用兩種不同種類的紙片進行實驗，並針對紙片長度和紙片厚薄、纖維的排列及其性質對於 PS 的結果作討論。本實驗所使用的真實樣品為唾液 [45-49]，相較於血液不易取得且具侵入性，而尿液會有多種物質的干擾且運送過程可能有造假的嫌疑，唾液的取得快速、安全且不侵入人體，所以目前在濫用藥物的分析上，愈來愈常使用唾液來做為真實樣品。 3.

(14) 1-3 分析物簡介由於政府陸續將安非他命、甲基安非他命以及 MDMA 列為第二級毒品，因此國內許多毒品製造商為了規避法規，開始合成並販售結構和效果類似安非他命的新興毒品。而在這類新興毒品當中，鹵化安非他命在近幾年來較為氾濫，製造業者常以 3,4-亞甲基雙氧甲基安非他命的名義販賣，而在台灣自 98 年以來又以氯安非他命 (chloroamphetamine) 和氟安非他命 (fluoroamphetamine) 最為氾濫，其結構和作用類似安非他命和 MDMA。氟安非他命 (fluoroamphetamine) 就氟安非他命而言，作用和結構類似安非他命，是以氟作為取代基的狡詐家藥物，作用較氯安非他命低，外觀為黃色的圓形錠，立陶宛於 2009 年七月將其列為管制藥品，而瑞士則在 2010 年十二月列為管制藥品，其他像是波蘭以及瑞典均陸續將其列為管制藥品。台灣雖尚未立法，但其氾濫的情形也日趨嚴重。氯安非他命 (chloroamphetamine) 氯安非他命俗稱白 C、氯環，外觀為藍、綠、褐、白等色的圓形或是五星型錠，原本是應用在動物實驗中，於神經生物學研究中殺死神經性細胞，具有高毒性。服用後的症狀和 MDMA 類似，會導致血壓升高、情緒不穩、失眠焦慮、妄想、精神分裂及記憶衰退，值得令人擔憂的是毒性較 MDMA 強，造成致死的劑量範圍值小，具有高度危險性。雖目前無太多成癮性之相關研究文獻，但國內已有多起查獲案例，甚至破獲對-氯安非他命之製毒工廠，且本身亦不具有醫療用途，所以法務部於民國 100 年四月將其提列為第三級毒品，詳見附錄，本實驗亦用其作為實驗的分析物。 4.

(15) 圖 1-1 安非他命類的基本結構. 表 1-1 安非他命衍生物 Name. R1. R2. R3. ortho-fluoroamphetamine. F. H. H. meta-fluoroamphetamine. H. F. H. para-fluoroamphetamine. H. H. F. ortho-chloroamphetamine. Cl. H. H. meta-chloroamphetamine. H. Cl. H. para-chloroamphetamine (PCA). H. H. Cl.  PCA 為第三級毒品. 5.

(16) 第二章. 分析方法及原理. 2-1 液相層析電噴灑串聯式質譜儀 LC/ESI-MS 液相層析主要是利用動相 (mobile phase) 推動分析樣品進入層析管柱後，根據樣品中的不同分子與靜相 (stationary phase) 產生不同極性作用而達到分離的效果。液相層析電噴灑串聯式質譜儀 (LC/ESI-MS) 主要是將液相層析儀和質譜儀連接所組成的分析儀器，由質譜儀取代過去的 UV/Vis 及螢光等偵測器，以提升偵測的靈敏度。液相層析質譜儀可對無揮發性化合物、極性化合物、大分子量化合物和熱不穩定化合物進行分析測定，而且具有良好的選擇性和靈敏度。液相層析電噴灑串聯式質譜儀是樣品先在液相層析儀中分離後，在大氣壓力下，利用電噴灑過程將分析物溶液中的樣品離子化，形成帶有電荷的離子，再進入質譜儀中進行質荷比測量，藉由質荷比可以計算出分析物的分子質量。以下幾節將會簡單介紹電噴灑串聯式質譜儀所包含的主要儀器元件。. 6.

(17) 2-1-1 電噴灑離子化 (ESI) 發展歷史電噴灑的現象是藉由在毛細管出口端施加高電壓，當微量液體流經時出口端時，電荷會分佈在液體表面，當液體中的電荷斥力增加到庫侖作用力大於表面張力時，會產生許多帶電荷的液滴，並於毛細管的出口端形成噴灑的現象。此現象最早是在 1917 年被 Zeleny 等人提出 [50]，Zeleny 等人使用乙醇通入微米大小內徑的毛細管，當在毛細管出口端施加一高電壓時，可觀察到在毛細管出口端的液體會噴灑形成較小液滴的現象。在早期，這樣的電噴灑主要是應用在工業用途上，如高壓電噴漆技術、燃油霧化點火系統等。一直到電噴灑游離法與質譜儀串聯使用後，其應用性及優勢才逐漸被科學家所重視。而第一次以電噴灑做為一種游離方式是在 1968 年由 Malcom Dole 等人所發表，利用電噴灑游離法應用在具有高分子量分析物的游離，成功測量到玉米膠質 (Zein, 50 kDa) 與溶菌脢 (Lysozyme, 14.5 kDa) [51-52]，但是使用的偵測器為法拉第杯 (Faraday cage)，是以偵測電流訊號為主，在當時 Dole 推測高分子分析物經電噴灑游離後會產生帶有多電荷的離子，但由於設備不足以證實多價電荷離子的存在，因此整個游離化的過程也無法被確認。一直到 1984 年，美國耶魯大學的 M. Yamashita 與 J. B. Fenn 等人首度將電噴灑游離法和質譜儀結合，並成功的證明物質經電噴灑游離後會以多價電的離子形式存在 [53-54]，同一年中，M. L. Aleksandriv 等人也成功將電噴灑游離質譜儀與液相層析儀結合 [55]。J. B. Fenn 等人在 1988 年發表的論文中也指出，可藉由此方法成功分析帶有 23 個正電荷的高分子聚合物 PEG (poly ethylene glycol, 17.5 kDa) [56]。 7.

(18) 此種游離方法相較於現今其他的游離方法，是屬於比較軟性 (soft) 的游離源，能使液相離子轉換到氣相離子的過程中維持其完整性，面對高分子量分析物時，經由電噴灑游離法可讓樣品帶多重電荷，使分析物質荷比訊號可以落在質譜儀的偵測範圍內，也大幅提升了質譜儀在生化方面的應用 [57]。目前已經有許多商業儀器問世，是一發展很成熟的游離方法。在後面會針對電噴灑游離法的原理以及其如何在大氣壓力下產生離子的機制做簡單的介紹。. 8.

(19) 表 2-1 電噴灑質譜法的發展 1917 年. J. Zeleny 首先提出電噴灑的現象 [50]。. 1968 年. M. Dole 等人成功將大分子樣品游離，如玉米膠質和溶菌脢，但由於使用法拉第杯做為偵測器，只能偵測到電流，因此無法直接證明離子帶多價電荷。. 1984 年. J. B. Fenn 等人首度將電噴灑游離法和四極柱質譜儀結合，並成功證明物質經過電噴灑游離後會以多價電的離子形式存在 [53-54]。 M. L. Aleksandriv 等人在同年將 ESI 和 MS 與液相層析儀結合使用。. 1987 年. J. D. Henion 等人將電噴灑裝置改良並結合高效能液相層析技術 (high-performance liquid chromatography, HPLC)，在毛細管外套上不鏽鋼管，並在兩管壁間通入氮氣做為輔助氣流。此設計提高了電噴灑游離法能承載液體的流量 [58]。 R. D. Smith 等人在同年以電噴灑游離法與毛細管電泳和質譜儀結合 [59]。. 1988 年. J. B. Fenn 等人利用電噴灑游離質譜法偵測到 PEG，得到最高為帶 23 價正電荷的離子訊號。同年在蛋白質樣品上測得 45 價正電荷的離子訊號，使電噴灑游離質譜法逐漸在生化應用方面受到重視 [56]。. 1992 年. R. D. Smith 等人發現將電噴灑所使用的毛細管內徑縮小，可以得到較穩定的離子訊號譜峰，也能有效提高靈敏度 [60]。. 1994 年. M. Mann 等人使用理論計算方式同樣得到 R. D. Smith 的實驗結果，因此以內徑小於 1 μm 的毛細管進行電噴灑時稱為 nanospray。由結果發現 nanospray 的靈敏度高於一般傳統使用的電噴灑游離法且樣品用量少，因此廣泛應用在微量的生化分析上 [61-62]。. 9.

(20) 2-1-2 電噴灑離子化 (ESI) 原理及離子形成機制電噴灑游離法的詳細機制已在 1991 年時被 Kebarle 等人所提出 [63]，圖 2-1 為在毛細管出口端施加高電壓導致電噴灑游離的示意圖。. 圖 2-1 電噴灑游離現象示意圖. 10.

(21) 電噴灑游離法中主要包含了三部分，(1) 霧化過程、(2) 去溶劑化以及 (3) 游離化，以下將針對這三個部份做介紹：（1）霧化 (nebulization)：形成帶電液滴一般而言，當分析物溶液通過未施加高電壓的金屬毛細管出口端時，由於缺乏電場的作用，只會因溶液自身的表面張力而形成正負離子分佈均勻的液滴。但當分析物溶液流經一外加高電壓的金屬毛細管時，毛細管出口端會產生一強大的電場作用，使得溶液中的正負離子受到電場作用而產生電荷分離的現象。若施加的是一正電壓，則正離子會因為電場排斥的作用力往毛細管出口端移動，負離子會受正電場吸引而聚集在金屬毛細管壁，當溶液大量聚集出口端時，會在液滴表面累積大量正電荷。當正電荷累積到一定的數量，此時所產生的排斥力與電場作用力會將正電荷的液體表面往低電場方向拉長，在毛細管出口端形成一錐狀液滴，稱之為泰勒錐 (Taylor cone)，如圖 2-1 毛細管出口端所示。此時向外的庫倫排斥力和向內的表面張力呈現平衡狀態，稱為雷利極限 (Rayleigh limit)。當外加電場逐漸增強時，累積在溶液表面的正電荷排斥力大於表面張力，液滴的作用力就會突破雷利極限，由泰勒錐前端噴灑出表面帶有電荷的微小液滴，此即為電噴灑游離法中帶電液滴形成的過程 [64-66]。（2）去溶劑 (desovation)：電噴灑液滴的揮發與分裂從金屬毛細管出口端噴灑出來的帶正電荷液滴，因會受到質譜入口較低電場的吸引而進入質譜儀。在飛行過程中，帶電液滴不斷接觸大量的空氣，使得液滴中的溶劑分子快速揮發，造成液滴體積持續縮小，但液滴內電荷是固定的，因此液滴內電荷密度會逐漸增加，當體積縮小到一定程度時，電荷間的排斥力會大於液滴的表面張力，為 11.

(22) 了平衡內部的作用力，此時液滴會產生分裂現象，而分裂的程度會因液滴的半徑大小、溶劑的表面張力和液滴內所帶的電荷數而有所不同。相同的過程會在電噴灑端與質譜儀間不斷重複，帶電液滴經過多次分裂，體積不斷減少，最終便能去除溶劑。為了提高去除溶劑的效率，通常會在分析物溶液中添加揮發性較高的有機溶劑，降低溶液的表面張力以利電噴灑時的溶劑的揮發。也會利用霧化氣流來增加電噴灑的效率，或是在質譜儀入口端往電噴灑端施予一輔助氣流來幫助溶劑揮發。（3）游離 (ionization)：形成氣相離子目前為止並無法定論將帶電液滴形成氣相離子的機制，但是目前較為被科學家接受的理論主要有兩個，一個是在 1968 年由 M. Dole 所提出電荷殘留理論 [51]；另一個是在 1976 年由 B. A. Thomson 所提出的離子揮發理論 [67]。電荷殘留理論討論到當帶電液滴的溶劑經過不斷的揮發和多次分裂後，溶劑會完全揮發，使液滴無法再一次分裂，而原本液滴上的電荷會殘留在分析物分子上，使分析物形成帶多電荷的氣相離子。離子揮發理論則認為氣相離子不一定是溶劑揮發後才能形成，而是當帶電液滴的溶劑揮發到最後，液滴直徑縮小至 10-20 nm，造成液滴內部電荷不穩定，為了降低內部過大的向外排斥力，帶電的液滴就會突破液滴表面形成帶多電荷的氣態離子。1993 年 Fenn 將離子揮發理論改良並發表 [68]，用來解釋大分子會帶多電荷的現象，他認為液滴一開始就帶有多電荷，而這些液滴中同時包含異性電荷的離子。由於大分子在液滴中行布朗運動而移動到液滴的表面取代部分液滴表面的電荷，再藉由熱能驅動使大分子的部分帶電區域突破液滴表面，使分子與液滴脫離而形成多價電荷的氣相離子。 12.

(23) 2-1-3 離子阱質量分析器簡介 LCQ 所使用的質量分析器是離子阱分析器。在離子阱中可以形成陰離子或陽離子，並且可藉由電場和磁場的作用將分析物離子存放在阱內一段時間。離子阱分析器是以雙曲線型的一個環狀電極 (ring electrode) 和兩個端蓋電極 (end cap electrode) 所形成的一個捕捉室 (trap)，環狀電極內徑 (r0) 與兩個端蓋電極間的距離 (2Z0) 維持著 r02 =2Z02 的關係。當在環狀電極上施加一可變的無線電頻率 (radio frequency) 的電壓且端蓋電極接地時，帶電荷的離子可以從端蓋電極中的一個小孔進入捕捉室內。在環狀電極上通直流和無線電頻交流電位，使具有目標 m/z 值的樣品離子被捕捉至阱中以穩定的軌道運行。經過一段時間後再改變環狀電極的電壓，離子軌道會變得不穩定導致其碰撞環狀電極而消失，並且不同 m/z 值的離子可穿過端蓋電極小孔進入偵測器。如此一來便可以藉由改變環狀電極上的電壓來捕捉目標分析物離子。但由於離子阱的阱內電場不均勻，因此需通入少量的氦氣作為緩衝氣體，以阻撓離子的運動，使離子停留於阱中心運行，以增加解析度與靈敏度。. 13.

(24) 2-1-4 質量偵測器質量偵測器主要可分為兩種：(1) 光電倍增管 (photo multiplier, PMT) 以及 (2) 電子倍增管 (electron multiplier, EMT)。光電倍增管是將質量分析器出來的離子經過轉換極再透過光電倍增管放大訊號；而電子倍增管則是將質量分析器出來的離子撞擊到一銅/鈹合金表面 (dynode) 以轉換成電子，再提高電極間的電位，使電子束每撞擊一次，數量就成等倍數增加，經過多次反射而放大訊號，每次反射增加兩倍，所以放大的倍數是 2n。LCQ 使用的質量偵測器為電子倍增管。. 14.

(25) 2-2 靜電紡絲法 (Electrospinning) 靜電紡絲法 (電紡法) 主要是將高分子溶液利用高壓靜電場高速噴射成絲狀 [69]。大約在 1934 年時由 Formhals 等人所提出，而在近幾年才有比較大的發展。其基本原理是將高分子溶液或熔體在幾千到幾萬伏特的高電壓下，於紡絲噴嘴產生高速噴射至已接上地線的收集板 (collector) 上，利用此強大的電壓差形成電場，並且誘導電荷在流體的表面，使相同電荷產生排斥力相反於表面張力，促使球狀的液滴型成錐狀，即泰勒錐。當電場電壓大於溶液之表面張力時，高分子溶液隨即脫離泰勒錐尖端形成一噴射流。在噴射的過程中，由於與大量空氣接觸使得溶劑揮發，最後會在收集板上固化形成纖維結構物，一般電紡絲所得到的單根纖維直徑在幾十奈米到幾十微米之間。藉由控制高壓電的大小，可以使得高分子溶液在紡頭能夠順利形成液滴且不滴落，經由高電場的影響使得溶液在出紡頭時能形成穩定的泰勒錐，當溶液受到表面張力以及高電場的作用下，使溶液逐漸下拉變細變長成細條狀。但液滴在下落中受到外力的影響會使其產生變形狀態，即若高壓電場不穩定會使得高分子溶液在電紡過程中的噴射不穩定而形成非細條狀纖維。在電紡製程中，造成電紡過程中不穩定的因素主要有 3 個，(1) 高壓電場與高分子溶液表面電荷互相排斥，可能會使電紡的纖維呈現彎曲或是旋轉的現象。(2) 分裂的液滴間互相排斥，可能會使噴射出的高分子溶液呈現錐形放射而非直條狀。(3) 噴射過程與環境的作用，當高分子溶液噴射出來受到空氣介質的影響可能會使表面壓強改變，使得電紡結果較差。影響纖維形態的變因也可分為 3 個，(1) 溶液性質：高分子溶液的黏度、表面張力、導電度、高分子的分子量和其分子結構以及溶劑沸點和溶解度參數都 15.

(26) 會影響到纖維的形態。當高分子溶液的黏度增加或導電度增加，都會使得電紡的纖維趨於均勻。當高分子的分子量愈大，所形成的纖維直徑愈粗。若溶劑的沸點愈高，則纖維的直徑會愈細 [70-71]。(2) 操作變數：電場強度、溶液流速、工作距離與紡絲口直徑等的不同也會影響到纖維的形態。當高分子溶液流速提高時，纖維直徑會變粗 [71]。Baumgarten 等人發現當電壓升高時，纖維直徑會變細，但是當升到某一範圍電壓時，纖維直徑會變粗 [72]。推測是由於過高的電壓會使庫倫力大於黏著力，使得帶電溶液沒有經過展開的過程就直接斷裂，造成纖維較粗。而工作距離增加時，會造成纖維的直徑變細。 (3) 環境變因：溫度、濕度等都會影響到電紡的纖維。高分子溶液容易受到溫度的影響，當高溫時，高分子溶液的黏度會下降而影響到纖維的形態。若高分子溶於易吸收水氣的溶劑，則當環境中溼度愈高，會造成系統不穩定，而影響纖維的形成。. 16.

(27) 圖 2-2 靜電紡絲法示意圖. 17.

(28) 第三章. 儀器、藥品與實驗方法. 3-1 紙片電噴灑質譜法 (Paper spray/ESI-MS) 圖 3-1 為 paper spray 的儀器架設示意圖，paper spray 的技術主要是參考自近幾年來的文獻 [40-43, 73-81]。將 ESI 所使用的毛細管噴頭處改良成一個自製的銅平臺，並將高電壓施加於此銅平台上，並且在銅平台上製作一個凹槽，以方便溶劑通過，達到持續電噴灑的目的。利用銅平台上放置的紙片將樣品以電噴灑的形式游離化，以進入質譜儀進行分析。此方法結合市售的液相層析串聯質譜儀，使用的質譜儀型號為 Thermo Finnigan LCQ LC/MS。實驗時擺放銅平臺與質譜儀入口處的距離約 5-10 mm [82]，並將紙片剪成三角形，前端角度為 15° [83]，長度約 5 mm，分析前將紙片浸泡於樣品溶液內五秒鐘後放置到銅平臺上，或是直接滴加 5-10 µL 的樣品溶液到已放置在銅平臺上的紙片。LCQ 質譜儀的設定如下: 毛細管電壓 (capillary voltage) 設定為 3 kV，通以流速 6 µL/min 的鞘流液體甲醇。數據處理是使用 Xcalibur 質譜軟體程式。. 18.

(29) 圖 3-1 paper spray 儀器架設示意圖. 19.

(30) 3-2 同軸電紡法 (Co-axial electrospinning) 同軸電紡法是利用同軸紡嘴結合靜電紡絲技術製作複合纖維 (core-shell composite fibers) 的方法 [69]。將聚合物分子放在注射器內，當溶液經過通高電壓的金屬針頭，會使溶液在噴嘴的外圍形成泰勒錐，此時的聚合物液體被電場吸引到噴嘴下方的目標表面上，且噴出的聚合物經過延展後會變為微米甚至奈米尺寸的纖維。實驗中，為了製造出具有中空性質的纖維，使用了特殊設計的紡絲口 (sponneret)，使得纖維的內層與外層可以使用不同材料的聚合物分子，並利用下方的滾筒來收集電紡完成的纖維。將溶於去離子水的製孔劑 poly ethylene oxide (PEO) 及 poly ethylene glycol (PEG) 的混合溶液作為纖維內管溶液置於針筒內，外管針筒內則置放溶於 DCM/THF 的 PC、溶於 DCM/DMF 的 PLA 或 CA，將內、外管溶液分別以適當的流速流出後，進入特殊設計的紡絲口，如圖 3-2 所示，在其出口端施加一高電壓使內、外管中的高分子溶液成絲狀被噴射出來，收集一段時間後，將所得的纖維泡在去離子中，以超音波洗淨器振盪清洗內管的混合高分子材料，使纖維具有中空的性質。. 20.

(31) 圖 3-2 紡頭示意圖. 圖 3-3 紡頭實際圖 21.

(32) 圖 3-4 電紡示意圖. 22.

(33) 3-3 儀器及周邊設備列表 Paper spray 相關儀器名稱. 製造廠商. 型號. LC/MS. Thermo Finnigan. LCQ. 迴轉泵. EDWARDS. EM30. 示意圖及規格. 其他相關儀器及耗材名稱. 製造廠商. 型號. 掃描式電子顯微鏡. JEOL. JSM-6510. Syringe Pump. Harvard Apparatus. Model 22. 高壓電源供應器. Gamma, FL, USA. Model RR 30-2R. 23. 示意圖及規格. ± 0-30 kV, 0-2 mA, reversible.

(34) 電控移位台. DELTA ELECTRONICS, INC. 伺服馬達及驅動器. ORIENTAL MOTOR., LTD. No. NSK KR2602A 馬達：400 W DELTA ECMA-C10604PS 驅動器：DELTA ASD-A20421-L. 電子天秤. AND. ER-120A. 微量吸量管. Eppendorf. Research micropipet. 超音波洗淨器. BRANSON. 3510. Centrifugal evaporator. EYELA. Model: CVE-1000. 過濾器. Basic Life. PL-6054541. 濾紙雁皮紙典具帖紙格拉辛紙蟬翼紙藺草. Advantec -. NO. 1 -. 24. Max : 120 g d=0.1 mg 100-1000 µL 10-100 µL 0.5-10 µL. 13 mm syringe filter with 0.45 µm nylon membrance 90 mm; 100 circles -.

(35) 3-4 藥品列表使用藥品類藥名. 來源. 化學式/結構式. 別前憲兵司令部 o-chloroamphetamine. 刑事鑑識中心柳如宗中校提供. C9H12NCl. 前憲兵司令部 m-chloroamphetamine. 刑事鑑識中心柳如宗中校提供. 分. C9H12NCl. 析物 p-chloroamphetamine (PCA). 前憲兵司令部刑事鑑識中心柳如宗中校提供 C9H12NCl 前憲兵司令部. p-fluoroamphetamine. 刑事鑑識中心柳如宗中校提供 C9H12NF. 溶 Methyl alcohol 劑 (MeOH). Merck. 25. H3C OH.

(36) 電紡材料藥名製孔劑. 化學式/結構式. Poly ethylene Oxide (PEO) Poly ethylene glycol (PEG) Polycarbonate. CH3. O. C. 外 (PC). O. C. CH3. 管 Polylactic Acid. n. CH3. O. CH3. O. OH. HO. O. 材 (PLA). O. 料 Cellulose acetate. CH3. O. n. CH2OAc. CH2OAc. CH2OAc O. O. O O. OAc. O. AcO. (CA). HO HO. OAc. OAc. HO. n. Dichloromethane (DCM) 溶 Dimethylformamide 劑 (DMF) Tetrahydrofuran (THF). 26. OAc.

(37) 3-5 PLA、PC 及 CA 介紹 PLA 聚乳酸又名玉米澱粉樹酯，性質穩定原料可由玉米等澱粉類作物中取得，可完全分解成水及二氧化碳，依旋光性可分為聚-D乳酸 (poly-D-lactic acid)、聚-L-乳酸 (poly-L-lactic acid) 及聚-DL-乳酸(poly-DL-lactic acid) 三種型態。生產纖維時大多採用 PLLA，其密度為 1.27 g/cm3，熔點 173-178 ℃，伸長度為 25-35 %。 PC聚碳酸酯無色透明、耐熱、抗衝擊、阻燃，在普通使用溫度內都有良好的機械性能。燃燒時會發出熱解氣體，發出稀薄的苯酚氣味，溫度達 140 ℃開始軟化，220 ℃熔解，可吸紅外線光譜。聚碳酸酯的耐磨性差。其密度為 1.14 g/cm3，熔點為 220-230 ℃，伸長度為 40-60 %。 CA 醋酸纖維又稱醋酸纖維素，即纖維素醋酸酯。具有良好的吸附與吸濕性能，無毒無味，且有熱穩定性良好的性質，但是纖維在 140-150 ℃時會開始變形，約在 176 ℃纖維會黏結而不易使用。由於高溫會對纖維的強度和光澤等性能造成影響，因此在實驗時溫度不宜超過 85 ℃。其密度為 1.27 g/cm3，無明顯熔點，至 220 ℃時仍為軟化現象。. 27.

(38) 3-6 唾液真實樣品前處理由於無法直接取得使用濫用藥物者的生物檢體，因此在實驗上是以額外添加藥品的方式來做真實樣品的偵測。唾液樣品是取自健康且無不良嗜好的實驗室同學，並將 para-chloroamphetamine 標準品添加至唾液樣品中。 Paper spray 的真實樣品處理步驟 : 取 1000 µL 的唾液放置於微量離心管當中，以高速離心機離心 5 分鐘後，取上清唾液，將已溶於甲醇中的對氯安非他命溶於澄清唾液中，配製成 0.5 mg/L 的真實樣品分析液，直接滴加 10 µL 於紙上即可進行分析。. 28.

(39) 第四章. 結果與討論. 4-1 標準品的偵測 ESI-MS 結合 paper spray 技術，可以快速偵測分析物樣品，但並沒有層析分離樣品的效果，因此在分析物的選擇上是選用台灣從民國 100 年開始列入第三級毒品的 para-chloroamphetamine (M.W.=169)。在實際偵測真實樣品前，需要先配製 para-chloroamphetamine 標準溶液來進行實驗的一連串測試。. 4-1-1 實驗條件將濾紙剪成尖端角度 15°及長 5 mm 的三角形，放置在自製的銅製平臺上，直接滴加 10 µL 的樣品溶液，或是直接將濾紙浸泡到樣品溶液內 5 秒鐘，再放到銅平臺上。紙片尖端與質譜入口處距離為 8 mm，鞘流液體甲醇的流速設定為 6 µL/min，電噴灑的電壓設定為 3 kV，質譜儀的偵測範圍 m/z 為 100-200。. 4-1-2 樣品配置先將 para-chloroamphetamine 的固體粉末以溶劑甲醇配製成 1000 mg/L，接著再將藥品稀釋於甲醇中至欲分析的濃度。本實驗測試的樣品濃度大都使用台灣法定 para-chloroamphetamine 不可偵測超過的 0.5 mg/L。. 29.

(40) 4-1-3 偵測標準樣品為了能夠了解 para-chloroamphetamine 在經過紙片電噴灑後會得到的質譜圖，因此利用濾紙當作基材，使用濃度為 0.5 mg/L 的樣品 para-chloroamphetamine 來做測試。圖 4-1 為 0.5 mg/L 的 para-chloroamphetamine 質譜圖，在正電模式下，可以從圖中看到在 m/z 為 170 及 172 會有明顯的訊號，由於分析物結構中含有氯，因此可以藉由觀察 m/z 為 170 的離子強度與 172 的離子強度會呈現 3 : 1 的比例來確認是否為該分析物的訊號。在分析物進入質譜儀以後，分析物離子強度的訊號會達到高點，並隨著時間的增加，分析物的離子訊號強度會隨之減弱，圖 4-2 為在 m/z 170 的情況下所得到的 TIC (total ion current) 圖，使用樣品濃度為 0.5 mg/L 及 0.1 mg/L para-chloroamphetamine，可清楚觀察到隨著時間的增加，離子訊號強度愈來愈弱直到消失。. 30.

(41) Intensity. m/z. 圖 4-1 0.5 mg/L 的 para-chloroamphetamine 質譜圖. 紙片材質 : 濾紙樣品濃度 : 0.5 mg/L para-chloroamphetamine 甲醇流速 : 6 µL/min 噴灑電壓 : 3 kV. 31.

(42) Intensity. 0.5 mg/L. 0.1 mg/L. Time (s). 圖 4-2 時間和訊號強度 TIC 圖. 紙片材質 : 濾紙樣品濃度 : (a) 0.5 mg/L para-chloroamphetamine (b) 0.1 mg/L para-chloroamphetamine 甲醇流速 : 6 µL/min 噴灑電壓 : 3 kV. 32.

(43) 4-2 紙片不同長度對於訊號強度的影響在開始實驗前，需要對紙片的長度是否影響偵測時所獲得的訊號強度做測試，因此做了不同的濾紙長度是否對於偵測 para-chloroamphetamine 訊號強度有影響的測試，分別針對 0.4 公分、 0.5 公分、0.6 公分、0.7 公分、0.8 公分五種長度對於訊號強度的影響作圖。如圖 4-3 所示，實驗結果發現當濾紙長度大於 0.8 公分時，樣品的訊號強度會有很明顯下降的趨勢，推測是由於長度比較長的紙片，在樣品滴上去以後會擴散的面積會比較大，在電噴灑的過程中可能會因為樣品與紙張作用力較大而使樣品不一定從尖端噴灑出去，而是從三角形的兩邊，或是滯留於紙片上，進而造成分析物樣品量的損失，使偵測到的訊號強度會下降。雖然使用 0.4 公分的紙片能夠得到的訊號強度與使用 0.5 公分紙片相差不大，但是經過多次實驗發現使用 0.4 公分長度時，每次的訊號強度都不固定，推測是由於過短的紙片重量太輕，當施加高電壓時，紙片會移動無法固定在銅平台上，因此造成訊號大小不穩定的情形發生。因此在往後的實驗中，都是以 0.5 公分來作為使用紙片的最佳長度。. 33.

(44) Intensity. 長度 (cm). 圖 4-3 濾紙長度和離子強度比的關係圖. 紙片材質 : 濾紙樣品濃度 : 0.5 mg/L para-chloroamphetamine 甲醇流速 : 6 µL/min 噴灑電壓 : 3 kV. 34.

(45) 4-3 不同材質的比較 4-3-1 實驗條件將材料剪成三角形放置在自製的銅平臺上，直接滴加 10 µL 的樣品溶液，或將材料浸至樣品溶液 5 秒，再放到銅製平臺上。紙片尖端與質譜入口端的距離為 8 mm，鞘流液體甲醇的流速設定為 6 µL/min，電噴灑電壓 3 kV，質譜的偵測範圍為 m/z 100-200。. 4-3-2 材質選擇由於先前的文獻中，paper spray 都是使用濾紙作為實驗的基材，為了能夠找出適合用來進行快速篩選的紙片材質與性質，在實驗中除了使用了濾紙以外，還使用了其他市售非濾紙的材料，包括了藺草、雁皮紙、格拉辛紙、典具帖紙、蟬翼紙以及實驗室電紡出的 3 種材質與 2 種不同孔洞率的薄膜陣列材料，因此在本篇文章中會將所有材料分為三大部分來做探討。 Part 1 不規則性纖維紙張為了能夠了解使用濾紙及一般市售的各種類紙張在偵測第三級毒品 para-chloroamphetamine 的差別，因此實驗選用 6 種材料作為 paper spray 的基材，分別是一般的市售濾紙、藺草、雁皮紙、典具帖紙、格拉辛紙以及蟬翼紙。天然植物藺草質感柔，一般是作為編織草帽、草蓆的材料。雁皮紙 (德文: Gampi；學名: Diplomorpha sikokiana) 為瑞香科植物纖維，是書法常使用的紙張。典具帖紙為長纖維紙張，通常是用來作為畫圖或撕畫的用途。格拉辛紙是亞麻纖維填充上輕質碳酸鈣製作而成，是作為食品包裝紙等材料。蟬翼紙同樣是常用於書法寫作的紙張。 35.

(46) Part 2 規則性纖維電紡薄膜陣列因市售的紙張無法去控制其製造時的材料、過程、厚薄和材質親、疏水等特性，因此在此部分是利用實驗室自組裝之電紡儀來電紡薄膜陣列，可以藉由選擇不同的外管、內管材料以及紡嘴的大小來控制其材料性質及厚薄，因此實驗選用 3 種材料作為紙片電噴灑的基材，分別是實驗室所電紡出來的 3 種微孔薄膜陣列 100 % PLA、100 % PC 及 CA。100 % 是指在電紡薄膜陣列纖維的過程中，於外管溶液內無添加製孔劑。. 圖 4-4 電紡 PLA (100 %)薄膜陣列示意圖. 36.

(47) Part 3 不同孔洞率的電紡薄膜陣列為了能夠了解表面平滑或有孔隙時，是否會影響到實驗的結果，因此利用電紡法去製作具有孔洞性 (或孔隙) 的薄膜陣列。在實驗中選用了 2 種材料、2 種孔洞率的微孔薄膜陣列來當作紙片電噴灑的基材，分別是 100 % 與 60 % 的 PLA，以及 100 % 與 60 % 的 PC。 60 % 表示該薄膜陣列纖維在電紡的過程中，於外管溶液中含有 40 % 的 PEO/PEG 混合溶液製孔劑與 60 % 的電紡材料，此製孔劑經過去離子水洗滌後會使薄膜陣列表面上有孔隙的產生。. 37.

(48) 4-3-3 不同材質的實驗結果此部份將會藉由拍攝的 SEM 圖與實驗所得的質譜圖來做探討。同樣將使用的基材分為三部份，並針對材質的厚、薄及親、疏水性與其造成的質譜圖結果來做討論。 Part 1 不規則性纖維紙張首先藉由 SEM 拍攝 6 種材質的表面以及橫切面結構。從 SEM 圖中可以看見，除了藺草和格拉辛紙以外的其他種紙類的表面結構是差不多的，同樣是交錯排列且無方向性的纖維組成，其中可以很明顯看到濾紙 (圖 4-5) 的纖維並不是呈現直線狀，而是有彎曲的情形，且每根纖維的寬為 10-26 μm，其厚度大約為 130 μm。雁皮紙 (圖 4-6) 的纖維與濾紙不同點在於其纖維都是直線狀的，每根纖維寬為 8-16 μm，紙片厚度大約為 19 μm。與雁皮紙同樣是 19 μm 厚度的典具帖紙 (圖 4-7) 和其他種紙類有個明顯的不同是，其屬於半透明的紙類，由圖中可以清楚看到纖維下面有幫助固定的黑色碳膠，而每根纖維的寬度大約為 9-24 μm。蟬翼紙 (圖 4-8) 與雁皮紙同樣是直條狀纖維，其纖維是屬於較細的纖維，每根纖維寬度約為 2-11 μm，紙片厚度為 43 μm。格拉辛紙 (圖 4-9) 則是已無明顯的纖維形狀，其材質除了纖維以外還填充了輕質碳酸鈣，因此表面是呈現光滑的狀態，其厚度約為 22 μm。藺草 (圖 4-10) 的纖維結構較類似於網狀的結構一層一層的堆疊起來，且厚度不均勻，因此在使用上較難控制其紙片厚度，平均厚度為 596 μm。. 38.

(49) 圖 4-5 濾紙的 SEM 圖. 39.

(50) 圖 4-6 雁皮紙的 SEM 圖. 40.

(51) 圖 4-7 典具帖紙的 SEM 圖. 41.

(52) 圖 4-8 蟬翼紙的 SEM 圖. 42.

(53) 圖 4-9 格拉辛紙的 SEM 圖. 43.

(54) 圖 4-10 藺草的 SEM 圖. 44.

(55) 在質譜測量時所使用的樣品皆為 0.5 mg/L 的標準樣品 para-chloroamphetamine。從圖 4-11 中可以看見，使用雁皮紙作為實驗基材可以得到最好的偵測結果，因為雁皮紙的表面平滑，使得分析物可以很容易被帶到紙片尖端進行電噴灑並游離，減少樣品滯留在紙上的機會，且雁皮紙極薄，厚度約為濾紙的 1/10，當加入相同體積的樣品偵測時，分析物進入雁皮紙內層的體積會非常少，因此可以得到好的偵測結果。由使用雁皮紙偵測的 TIC (total ion chromatogram) 圖可以看到，大部分的樣品能夠在短時間內電噴灑出去，使得質譜系統可以在瞬間接收到較多的分析物離子，因此可以提高偵測的靈敏度得到較好的訊號強度。典具帖紙同樣極薄，但是其結構屬於半透明的樣式，使得加入樣品後只有部分會留在紙片上，且在傳遞至紙片尖端時很困難，因此反而不易於偵測分析物，得到的偵測結果也較差。由使用典具帖紙偵測得到的 TIC 圖中可以看到，分析物樣品被偵測到的訊號很低，因為分析物不容易傳遞到紙間進行電噴灑，因此 TIC 圖的訊號不強且得到的質譜訊號強度也不高。雖然格拉辛紙也是很薄的紙片，但是由於格拉辛紙質地較軟不利於實驗上操作，且紙張太輕，使得實驗時紙片容易晃動，導致實驗難以操作並且得到不穩定且不連續的結果。可以由使用格拉辛紙偵測的 TIC 圖中看到偵測時紙片會亂飄，導致偵測不到分析物樣品，圖譜在約 3 分多鐘時訊號消失了一陣子，且由多次實驗結果了解紙片會在不固定的時間移動，使得分析物的偵測訊號強度不固定，並且由於在材質中填充了輕質碳酸鈣，因此也會影響到樣品溶液的電噴灑效果。利用蟬翼紙做為基材時，雖然其厚度也屬於薄的紙張理應有不錯的偵測結果，但是由於其紙質軟，使得在偵測樣品時出現了與格拉辛紙相似的情形，由圖 4-12 45.

(56) 中可以看到，雖然當紙張穩定時可以偵測到不錯的訊號結果，但是實際上紙張在實驗過程中偶爾會出現晃動造成偵測訊號下降或偵測不到，從圖 4-12 可以看到較穩定的訊號與不穩定的訊號就相差了約 1 個數量級，雖然能夠得到不錯的訊號強度，但還是同樣較難以應用於實驗上。由 TIC 圖也可以明顯看到在偵測過程中紙張的晃動導致訊號的消失，因此在 paper spray 中蟬翼紙也是較不適用的紙張。使用濾紙偵測樣品時，由於其厚度與雁皮紙相比厚了許多，因此在偵測時會有許多樣品進入濾紙內層，且分析物溶液與濾紙作用力較大，造成分析物容易滯留在濾紙內，造成偵測到的訊號強度較低。從濾紙的 TIC 圖中可以發現，圖譜看似可以很快將樣品釋放完，但實際上是由於部分的分析物留在濾紙中，被釋放的體積較少且速度較慢，因此實際獲得的圖譜中，後面時間的訊號才會很雜亂。使用天然植物藺草作偵測，因其表面不平整、纖維構成紊亂且厚度極厚而造成偵測結果相比於其他的材質還要差，其中圖譜上打“ * ”的訊號經多次實驗後證實了是藺草材質的訊號 (m/z 156)。藺草的纖維結構以及厚度使得在偵測樣品時，分析物容易滯留在藺草內層，需要很長的時間才能將分析物傳遞到紙片尖端進行電噴灑，因此需要較高濃度的樣品才能夠偵測到。由於加入相同體積的樣品溶液，溶液擴散進入愈薄的紙片的體積會愈少，因此初步可以發現薄的紙張可以得到好的偵測結果，但是材質不夠韌的紙張穩定度不佳，會使偵測結果較差，同樣的紙張平整的紙片也能夠得到較好的偵測結果。. 46.

(57) Intensity. m/z. 圖 4-11 質譜圖與 TIC 圖. (a) 濾紙，(b) 雁皮紙，(c) 藺草，(d) 格拉辛紙，(e) 典具帖紙樣品濃度 : 0.5 mg/L para-chloroamphetamine (a, b, d, e) 10 mg/L para-chloroamphetamine (c) 甲醇流速 : 6 µL/min 噴灑電壓 : 3 kV. 47.

(58) Intensity. m/z. 圖 4-12 質譜圖與 TIC 圖. (a) 紙片穩定時的訊號，(b) 紙片晃動時的訊號使用材質 : 蟬翼紙樣品濃度 : 0.5 mg/L para-chloroamphetamine 甲醇流速 : 6 µL/min 噴灑電壓 : 3 kV. 48.

(59) Part 2 規則性纖維電紡薄膜陣列首先藉由 SEM 拍攝 4 種材質的表面以及橫切面結構。從圖 4-13 至圖 4-15 中的 (b) 圖可以發現，電紡薄膜陣列纖維與濾紙和其他種紙類的表面有著很大的不同，濾紙纖維是屬於雜亂無章的排序，而電紡薄膜陣列纖維明顯可以看出是具有方向性的規則排列著，而此一特性對於實驗結果有著些微的影響。從 (a) 圖中可以看到，CA 纖維與其他紙類纖維都是屬於實心的纖維，不同的是這兩種纖維的厚度與排列方式不同，濾紙厚度約 130 µm，CA 厚約 315 µm，而濾紙纖維是交錯著的排列，CA 薄膜陣列纖維是同一個方向排列的纖維，因此一特性也導致 CA 薄膜陣列能夠得到比濾紙好的偵測結果。由右圖中可看到 PLA 薄膜陣列與 PC 薄膜陣列的纖維排序都是具有方向性的，而左圖中可以看到 PLA 薄膜陣列纖維和 PC 薄膜陣列纖維同樣都是具有中空微孔的性質，厚度分別為 43 µm 及 72 µm，並且纖維皆是整齊具有方向性的規則性排列。. 49.

(60) 圖 4-13 PC 薄膜的 SEM 圖. 50.

(61) 圖 4-14 PLA 薄膜的 SEM 圖. 51.

(62) 圖 4-15 CA 薄膜的 SEM 圖. 52.

(63) 在質譜測量時所使用的樣品皆為 0.5 mg/L 的標準樣品 para-chloroamphetamine。從圖 4-16 中可以看見，相同的樣品濃度下，使用濾紙作為基材時得到的樣品訊號強度較低，而使用電紡薄膜陣列纖維所偵測到的訊號強度則是大了許多。會造成這樣的原因推測是由於在電紡薄膜陣列纖維中，不管是使用 PLA、PC 或是 CA 材質所紡出的薄膜陣列皆是具有順向性的特性，濾紙的纖維較雜亂無章，使得分析物在順著纖維進行電噴灑時不是直直的噴灑出去，因而造成結果上的影響。PLA 和 PC 是屬於疏水性的材質，CA 則與濾紙同為親水性的材質，因此當測量的樣品溶液為親水性時，使用親水性材質的基材來進行紙片電噴灑的話，材質會與樣品有較大的作用力，使得在實驗時樣品不容易脫附出來，因而降低了分析物訊號的強度。CA 與濾紙雖然同樣是屬於親水性的材質，儘管 CA 的厚度較濾紙厚，但是 CA 薄膜的纖維排列是具有方向性的整齊排列，因此當加入相同體積的樣品溶液時，液體能夠順著表面纖維被噴灑出去，即使 CA 薄膜陣列的厚度比濾紙還要厚，但是反而進入 CA 內層的體積會比進入濾紙內層的體積少，就算樣品溶液與親水性材質作用力較大，使用 CA 薄膜陣列纖維作為基材時也會得到不錯的訊號結果。而由兩者的 TIC 圖中可以看到噴灑的結果其實大同小異，只是利用 CA 作為基材在釋放分析物的能力上較濾紙為佳，因此能夠得到較好的偵測訊號。比較同樣是疏水性材質的 PLA 薄膜陣列纖維與 PC 薄膜陣列纖維可以發現，雖然 PLA 薄膜陣列纖維較 PC 薄，但是由於 PC 材質具有較強的疏水性，因此在加入樣品後能夠很快速的把分析物運送到紙片尖端電噴灑出去，由兩者的 TIC 圖中可以發現，由於 PLA 的結構與 PC 的結構相比較不疏水，會與親水性分析物有相對強的作用力，使得 PLA 53.

(64) 薄膜陣列纖維脫附樣品的時間較長，即使因為 PLA 薄膜陣列很薄，其偵測結果也沒有 PC 薄膜陣列佳。總結來說，當紙片具有薄、疏水性及表面平整且有順向性等特性，對於偵測 para-chloroamphetamine 能夠有較好的偵測結果。. 54.

(65) Intensity. m/z. 圖 4-16 質譜圖與 TIC 圖. (a) 濾紙，(b) 100 % PLA，(c) 100 % PC，(d) CA 樣品濃度 : 0.5 mg/L para-chloroamphetamine 甲醇流速 : 6 µL/min 噴灑電壓 : 3 kV. 55.

(66) Part 3 不同孔洞率的電紡薄膜陣列首先藉由 SEM 拍攝 100 % 與 60 % 材質的表面圖。從圖 4-17 中可以看見，最大的差異是在於外壁上的孔洞性質，若是 100 % (a) 的材質則在電紡時的外管溶劑中沒有添加製孔劑 (PEO/PEG) 混合溶液，因此在經過洗滌後表面為無孔洞，而 60 % (b) 的材質則在外管溶液中含有 40 % 的製孔劑混合溶液，因此在經過清洗纖維後會在表面產生孔洞或是孔隙。由於在電紡過程中，內管溶劑與外管溶劑在紡嘴會合時可能會有內管製孔劑混合溶液被外管溶液包覆不均勻的情況發生，因此在將製孔劑洗掉的過程中，會造成 100 % 材質的管壁會有一些小凹槽。. 圖 4-17 PLA 不同孔洞率的表面 SEM 圖. 56.

(67) 在測量 para-chloroamphetamine 得到的質譜圖中可以發現，使用 100 % 的 PC 或是 PLA 材質薄膜陣列纖維都可以得到比較好的偵測強度，而使用含有孔洞的 60 % 薄膜陣列纖維得到訊號強度都相對低。推測原因是由於表面孔洞及孔隙的存在，孔隙使得樣品可以很快藉由表面進入薄膜陣列纖維內，但此一行為卻阻礙了樣品的脫附，無法像 100 % 的材質一樣迅速沿著薄膜陣列纖維從表面電噴灑出去進行離子化，使得滴上去 60 % 薄膜陣列纖維的樣品並不會完全釋放出來。而較疏水的 PC 材質在有孔洞及孔隙的存在時，偵測分析物可以更明顯看到分析物訊號強度的減弱，推測是由於表面不平整且疏水的性質下降，造成訊號強度明顯減弱。從 TIC 圖中可以看見，不管是 60 % PC 還是 60 % PLA，得到的圖譜是類似的且與 100 % 材質的圖譜相差很多，原因就是因為表面的高孔洞性，使得 60 % 薄膜陣列纖維的性質不再與 100 % 的薄膜陣列性質相同，且由於孔隙的影響使樣品無法順著纖維電噴灑出去，因此得到的圖譜才會與 100 % 薄膜陣列纖維所得到的圖譜相差甚多。. 57.

(68) Intensity. m/z. 圖 4-18 60 % PLA 和 60 % PC 的質譜圖與 TIC 圖. (a) 60 % PLA，(b) 60 % PC 樣品濃度 : 0.5 mg/L para-chloroamphetamine 甲醇流速 : 6 µL/min 噴灑電壓 : 3 kV. 58.

(69) 4-3-4 偵測極限表 4-1 為統整出的各種材料偵測極限、厚度與訊號半衰期。偵測極限分別為濾紙 110 ± 3 ng/mL、60 % PLA 63 ± 5 ng/mL、100 % PLA 54 ± 1 ng/mL、60 % PC 70 ± 3 ng/mL、100 % PC 48 ± 6 ng/mL、藺草 3270 ± 50 ng/mL、雁皮紙 39 ± 3 ng/mL、格拉辛紙 146 ± 52 ng/mL、典具帖紙 227 ± 21 ng/mL、蟬翼紙 77 ± 19 ng/mL。由結果發現雁皮紙的偵測極限最好，即使雁皮紙是屬於親水性的紙片，但由於雁皮紙的紙質韌且表面平整、光滑又厚度極薄，使得 para-chloroamphetamine 樣品溶液可以快速經由表面電噴灑出去，在進行實驗時，雁皮紙不會因為強大的電壓差而使紙片發生移動或不穩定的情形，並且由於其厚度極薄，因此樣品溶液擴散進入雁皮紙內層的體積較少，大部分的分析物會在一瞬間被強大的電壓差帶到紙尖進行電噴灑，因此能夠得到最好的偵測結果。使用自製電紡的 PC 微孔薄膜陣列同樣是偵測 para-chloroamphetamine，能夠得到接近使用雁皮紙所得到的偵測結果，因其材質為疏水性且表面平整且纖維為整齊規則性排列，同樣能夠快速將樣品溶液傳輸到紙尖進行電噴灑，但是其厚度較雁皮紙厚了 3 倍多，即使是疏水性的材質，還是會造成樣品溶液進入至 PC 薄膜陣列內層的體積較使用雁皮紙多，因此偵測結果會較雁皮紙差一些。. 59.

(70) 表 4-1 不同材質的 LOD 估計值材質. LOD (ppb, n=3). 厚度 (μm). 藺草. 3270 ± 5. 596. 濾紙. 110 ± 3. 130. 雁皮紙. 39 ± 3. 19. 格拉辛紙. 146 ± 52. 22. 典具帖紙. 227 ± 21. 19. 蟬翼紙. 77 ± 19. 43. CA. 65 ± 4. 315. PC (100%). 48 ± 6. 72. PC (60%). 70 ± 3. 115. PLA (100%). 54 ± 1. 43. PLA (60%). 63 ± 2. 38. 60.

(71) 4-4 不同樣品偵測實驗中除了檢測已被列為第三級毒品的 para-chloroamphetamine 以外，為了想要知道若偵測其他的樣品溶液會不會也得到不錯的實驗結果，因此同時也測試了同樣為安非他命系列的其他狡詐家藥物，如 ortho-chloroamphetamine、meta-chloroamphetamine 和 para-fluoroamphetamine (M.W.=153)，並且使用實驗室電紡的 PC 微孔薄膜陣列來作為基材。如圖 4-19 可以看到，三種分析物在濃度為 0.5 mg/L 時都能夠得到良好的質譜圖。. 61.

(72) Intensity. 0.5 mg/L ortho-chloroamphetamine. 0.5 mg/L meta-chloroamphetamine. m/z. Intensity. 0.5 mg/L para-fluoroamphetamine. m/z. 圖 4-19 偵測不同樣品的質譜圖. 使用材質 : 100 % PC 薄膜陣列纖維甲醇流速 : 6 µL/min 噴灑電壓 : 3 kV. 62.

(73) 4-5 真實樣品偵測 4-5-1 實驗條件將 100 % PC 微孔薄膜陣列放置在自製的銅製平臺上，直接滴加 10 µL 的 para-chloroamphetamine 溶液，或是直接將 100 % PC 微孔薄膜陣列浸泡到 para-chloroamphetamine 溶液內 5 秒鐘，再放到銅平臺上。鞘流液體甲醇的流速設定為 6 µL/min，電噴灑電壓設定為 3 kV，質譜的偵測範圍 m/z 100-200。. 4-5-2 真實樣品配置與結果由於未來希望能夠利用電紡不同材料的薄膜陣列來幫助快速脫附以及真實樣品的偵測，因此在真實樣品測試的實驗中，是以 100 % PC 微孔薄膜陣列以及雁皮紙做為基材，並將 1000 µL 的唾液經高速離心機離心後，取上層的澄清液，將溶於甲醇中的 para-chloroamphetamine 稀釋至欲分析的濃度。期望能有好的偵測結果。圖 4-20 中 (a) 圖為單打唾液的質譜圖；(b) 圖為含 0.5 mg/L para-chloroamphetamine 的唾液真實樣品所打出來的質譜圖，與 (a) 圖比對可以很清楚看見 para-chloroamphetamine 的特徵峰 (m/z 170, 172 與 153, 155)，也可以發現唾液中的特徵峰並不會影響到 para-chloroamphetamine 的偵測。以電紡材料做為實驗基材的偵測時間少一分鐘且不影響分析結果，並且利用 PC 薄膜陣列與使用雁皮紙做為實驗基材得到的實驗結果相同，證實了這兩種紙片的可用性。利用此方法偵測唾液樣品前處理方便，且偵測時間快速，並且能夠幫助快速篩選出受測者是否食用毒品。. 63.

(74) Intensity. m/z. 圖 4-20 paper spray 真實樣品質譜圖. a. 唾液未添加 para-chloroamphetamine b. 唾液含 0.5 mg/L para-chloroamphetamine 使用材質 : 100 % PC 薄膜陣列纖維甲醇流速 : 6 µL/min 噴灑電壓 : 3 kV. 64.

(75) Intensity. m/z. 圖 4-21 paper spray 真實樣品質譜圖. a. 唾液未添加 para-chloroamphetamine b. 唾液含 0.5 mg/L para-chloroamphetamine 使用材質 : 雁皮紙甲醇流速 : 6 µL/min 噴灑電壓 : 3 kV. 65.

(76) 第五章. 結論. 實驗結果發現，使用紙片厚度薄、表面平滑、纖維具規則排列、紙質韌且疏水的基材來偵測對-氯安非他命能夠得到良好的偵測結果。使用雁皮紙做為實驗基材，因其薄 (19 µm)、表面平滑且紙質韌，雖然為親水性的材質，仍可得到最佳的偵測結果。而使用實驗室自製的電紡 PC 薄膜陣列，因其表面平滑、纖維規則排列且為疏水材質，雖然厚度較厚 (72 µm)，仍可得到不錯的實驗結果。並且實驗中發現，若紙質過軟或紙張過薄呈半透明狀，都不利於實驗中樣品的偵測。在標準品的測試中發現，利用雁皮紙以及 PC 薄膜陣列作為實驗基材，因其紙張的特性，樣品溶液可以快速傳遞至紙尖，並在短時間內電噴灑出去以提高瞬間進入質譜系統的樣品離子數，進而提高偵測靈敏度。在真實樣品的檢測中，唾液樣品的前處理簡單，即使是法定偵測濃度 0.5 ppm 的對-氯安非他命都能夠快速被偵測到 (時間少於 1 分鐘)，有利於未來在藥品快速篩選的檢測上。. 66.

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