創意化學實驗：高解析度質譜快速鑑定未知農藥 方銘志*、蔡佳芬、高雅敏、王德原 衛生福利部食品藥物管理署*fangmc@fda.gov.tw n  前言 未知物的分析如同尋寶一般，憑著一絲線索逐步發掘更多的線索，最後一步步、一塊塊得拼湊出未知物的樣貌，其過程有如大海撈針，充滿著冒險與挑戰。過去一項未知物質的鑑定工作，從找出可疑訊號開始，歷經可疑物質純化分離，最後面臨其結構鑑定與確認，所需要的時間至少超過半年甚至更久；而隨著現代質譜科技的進步，本文藉由二個不明粉末鑑定的實際案例，利用高解析度質譜逐步推敲出未知物質的結構，最後確認為違法的新興農藥，整個過程所需時間僅數星期，文中以化學元素精確分子量及元素間穩定同位素比例的觀念，快速解析出未知物質，是化學元素基礎理論實際應用的優良實例，現代化高解析度質譜是鑑驗一大利器，搭配專業人員的化學知識得以搭建高效率檢驗圍籬，阻絕危害物質進入國內，維護國民健康。 n  質譜儀 三稜鏡用於光的色散，可以把一束白光分出七彩，而這一道道不同顏色的光，是不同波長的光線因折射率不同，而在折射時偏轉不同角度，稱為光譜（spectrometry）。質譜（mass spectrometry）意思就是質量（mass）與光譜，原理亦如三稜鏡般，但不同的是使用磁場或是電場代替稜鏡，而帶電物質會因為其質量大小而影響其在磁場或是電場偏移的角度，因此能把物質依質量大小分開，也可以叫做質量分析器，可以想像質譜儀是一個秤，可以秤量化學分子的質量，解析度高的質譜儀可以量測質量至很精準的地步，如小數點下第四位統一原子質量單位（Unified atomic mass unit, u），這時就可以輕易地分辨出例如水（H2O=18.015 g mol-1）和銨（NH4+=18.038 g mol-1）整數質量（Nominal Mass）同為18的兩個不同物質。利用高解析度質譜儀能幫助我們以較少的樣品量與較快的速度，鑑定出未知物質的化學元素組成。 n  不明粉末成分鑑定 近年國際快遞頗為流行，著名的國際購物網站如Amazon、淘寶等林立，我們只要在手機或電腦前按幾下，商品就會送到家門口，頗有貨暢其流寓意，去年2017年海關簡易進口數量就超過三千萬件，平均每位國民都有買超過一件以上的國際快遞物品，但這條〝路線〞卻也成為違法進口的康莊大道，不時可以在電視及網路媒體新聞上見到不肖業者利用國際快遞郵包，夾藏毒品、化學物質、藥物等，利用迂迴郵寄路線，增加查緝難度，使得多種化學物質在無人知曉的狀況，偷偷的進入國內，嚴重危害國民健康。 二件關務署送驗的未知粉末，其中一個是重達20公斤的國際快遞郵包，申報名稱為material，但實際上為黃色粉末物，貨品與名稱不符，遭關務署查扣，這件可疑的未知黃色粉末（見圖一左），經過一般例行性檢驗後，結果為未檢出現行檢驗方法列出之農藥有效成分，由於仍不知是什麼物質，於是輾轉送到食品藥物管理署檢驗。另一件是外觀類似水泥的細粉，顏色為白色（見圖一右），也是國際快遞郵包遭攔截，經例行性毒化物檢驗後，結果也為農藥未檢出。這二件檢體，經初步的溶劑萃取與層析分離後，可疑的訊號以高解析度質譜分析，能快速拼湊出未知物質的化學元素組成。但事實上未知物質的檢驗，在以儀器分析前的樣品處理步驟，才是最難的地方，因為不知道它是什麼成分或組合的物質，需要憑經驗嘗試許多不同的參數，例如：不同極性的溶劑、酸鹼值調整及溶劑間的分配率等一試再試，最後才能萃取出有代表性的檢液；而以層析方法初步分離未知物質後，還要能幸運的挑出可疑訊號，若挑出的訊號只是不純物而不是想要分析的未知物，只能回頭再重來一次，但既然是未知物，就什麼都有可能，這挑出可疑訊號的過程猶如大海撈針，在實務上比我們接下來要談的如何利用高解析度質譜快速鑑定未知物的結構還難呢！以下二張圖就是這二個未知物以高解析質譜儀分析的質譜圖，圖2是不明黃色粉末之質譜圖，圖3則為不明白色粉末之質譜圖。我們之前談論過質譜儀好像是一個秤，可以秤出分子的質量，那也許你會問為什麼圖一的黃色粉末經質譜儀分析後得到的結果竟有至少4個不同的質量，其實這四個質量都來自同一個未知物，原因是自然界存在天然同位素。 圖1：可疑的未知黃色粉末（左）和外觀類似水泥的白色細粉（右） 圖2：不明黃色粉末之高解析質譜圖 圖3：不明白色粉末之高解析質譜圖 n  同位素是甚麼？可以幫助預測分子元素組成？ 我們知道有機物質主要由碳、氫、氧、氮及硫組成，有時還含有鹵素，在自然界天然存在著同位素，他們的質量及在自然界中的比例如表1所示。如果一個有機分子裡所含的元素全都由自然界豐量最高（most abundant）質量的元素組成，稱為單一同位素（monoisotope），但事實上因自然界存在著同位素，因此所有有機物質均有同位素。以一個簡單的分子「苯」舉例來說，苯的化學式是C6H6，一般我們在算分子量時都使用整數，因此苯的分子量約為126 + 16=78(g mol-1)。如果參考表1算得仔細一點為12.0000006 + 1.0078256 = 78.04695 (g mol-1)。如果上網（例如：Wikipedia）查尋苯的分子量（或稱莫爾質量），則我們得到數字卻是78.11g mol-1，為什麼上網查得78.11g mol-1而我們自己查表算的確是78.04695g mol-1呢？原因是我們在計算時沒有考慮到同位素，我們只計算分子量最小的分子，事實上苯分子上碳有可能被碳13（13C）所取代，而這個含有1個碳13的苯分子質量就會變成79.0503 （12.0000005 + 13.0033551 + 1.0078256）(g mol-1)，這個比較重的苯出現機率還蠻高的喔，超過6%，利用數學課裡曾教過的排列組合，我們可以計算出來，如果含6個碳的苯其中1個碳是碳13的機率，那就是從6個碳裡取1個出來的機率，數學式為0.01110.9895= 0.0624  6%，意思就是1個碳13和5個碳12的機率（0.011和0.989分別為碳13和碳12在自然界中出現的機率，可以由表1中得到），因此如果以高解析質譜來分析苯，它的質譜圖會如圖4所示，至少可以看到3種苯分子的同位素組成，分別是質量為78、79和80的三種苯同位素，而一般我們所使用的莫爾質量就是平均分子量，是計算苯所有同位素的算術加權平均分子量，算法如表2所示： 表1：常見元素之質量及在自然界之比率   M M+1 M+2 […]