随着新版的ISO10993-18:2020风险管理过程中医疗器械材料的化学表征的颁布实施以及CMDE 2020年6月公开征求《医疗器械未知可沥滤物评价方法建立及表征技术审查指导原则（征求意见稿）》意见下发通知，将医疗器械化学表征及毒理学风险评估结合生物相容性试验结果的生物学评价已经成为医疗器械生物安全性评价发展的新趋势。医疗器械中E&L研究即将成为整个产品研发及注册申报过程中不可或缺的一部分。

 

       由于部分医疗器械材料组成和生产工艺较为复杂，因此产生的E&L的种类和数量异常庞大，预估有上万种之多，且这些化学物质在浸提液中的含量较小，给化学物质的鉴定工作出了道不小的难题。在应用医疗器械化学表征的各项技术进行E&L研究过程中，质谱尤其是高分辨质谱技术，可利用精确分子量推断化合物分子式——为E&L工作提供了一个切实可行的思路。与此同时，基于质谱技术进行化学物质的结构解析，同样也存在一些难点。若实施过程中没有专业质谱分析人员的参与，鉴定工作非常容易出现错误。

 

01质谱解析真的难吗？

 

       从事质谱分析的科研人员或分析人员都知道，用质谱尤其是多级质谱进行化合物鉴定是一项比较伤神的工作，甚至比NMR还困难。毕竟质谱提供的信息量比较有限，只能提供结构碎片信息以及元素组成（低分辨质谱不容易判断化学式和元素组成）。利用有限的信息提供去推测出一个唯一的结构式是极其不容易的。

 

       那么，质谱解析真的无解？

 

       虽然从广义上的质谱数据难以得到唯一的答案，但只要我们对研究对象很清楚，对质谱裂解特点、规律很精通，那结构解析的工作还是有解可寻的。反之，质谱解析的工作就难以开展，或者把化合物给鉴定错误了。那么这两种情况都会给E&L研究带来极大麻烦：前者，监管机构是不接受鉴定中出现未知物的；后者，错误的化合物鉴定会让毒理学家对器械的毒理风险评估产生偏差，影响到器械的注册申报或影响到患者的安全。因此，准确的化合物鉴定就显得尤为重要。

 

       对于质谱分析人员来说，化合物谱图数据库是一个非常有利的经鉴定工具。通过谱图匹配分析能提高质谱解析的效率，降低鉴定工作的难度。同样，这也是一把双刃剑，经验不足的人员会直接选取数据库匹配分数最高的化合物作为最终鉴定结果，而不对其结果进行考究求证或没有能力对其结构归属求证，只是简单机械的把鉴定结果选出来，这样的操作非常容易导致化合物的错误鉴定。

 

02质谱结构解析到底应该怎样做，可以避免鉴定错误？

 

       让我们一起看几个质谱解析中常见的误判案例。

 

案例一 GC-MS分析中的未知谱图

 

       在多数情况下，材料的降解产物是比较复杂的，NIST的谱库可能根本没有收录相关的结构，若只是通过NIST谱库进行匹配，不对化合物碎片进行推理和归属，通常情况下是得不到正确结果的。

 

 

上图为聚氨酯材料浸提溶液中的质谱图：

 

 

该质谱图通过NIST谱图匹配结果如上：

 

 

NIST匹配列表如上：

 

      在NIST谱图匹配列表里面，我们发现匹配分数普遍不高。这在一定程度上说明，NIST谱库没有收录该化合物。如果只是简单的复制鉴定列表里面的化合物作为鉴定结果，那必然会导致化合物鉴定错误，影响后期的毒理评价。

 

       针对该化合物，我们的质谱结构解析思路如下：

 

     （1）从材料下手，摸清材料的合成单体和聚合工艺

 

       聚氨酯材料通常的合成原料是二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)或甲苯二异氰酸酯(TDI)和多元醇进行聚合而成的。对于聚合物而言，寡聚物一定是存在材料当中的，比如聚醚或者具有MDI或TDI片段的化合物。

 

     （2）分析谱图，观察特征碎片，找到可能的结构单元

 

       从上面的谱图可以看出来，主要碎片离子为m/z 55，71和73，这个通常是四氢呋喃或丁二醇类型的醚的特征片段。

 

     （3）综合信息，进行碎片归属和推敲求证

 

       我们通过整个谱图进行分析，对m/z 55，71，73进行质量色谱图进行分析，发现存在几个相关的色谱峰，并且保留时间的间隔有一定规律。从该信息上可以判断，该未知物应该是一系列的化合物，具有相同的聚合单元。

 

      综合上述信息，我们很快能联想到该化合物具有聚丁二醇的结构片段，结合高质量端的碎片情况，初步判断为丁二醇的聚醚。从低质量端m/z 31的丰度进一步推断，该聚醚为环状聚醚。

 

 

结合保留时间等信息，该化合物鉴定为环状聚丁二醇(n=6)，碎片归属如上：

 

案例二 GC-MS分析中易混淆的化合物——醇和烯烃

 

 

对某器械的乙醇浸提液进行分析，某未知峰的质谱图如上：

 

 

通过NIST谱库索引的结果如上：

 

 

NIST匹配列表如上：

 

       对于经验不足的分析人员来说，可能会直接选择匹配列表里匹配分数最高的化合物（3,7-二甲基-1-辛烯）作为鉴定结果。

 

        这个鉴定结果是否合适？

 

       质谱解析中谱库匹配仅仅是辅助我们解析，不能武断地去选择化合物。具体的结构还是需要分析人员通过谱图概貌信息，寻找碎片离子的蛛丝马迹，去进一步判断与求证。并从匹配列表中，选择合适的结构或者在相似结构上进行人工解析。

 

        该未知物的解析过程如下：

 

        仔细对该物质的谱图进行观察，存在低质量端有很弱的31的碎片，这个碎片通常是醇类或者醚类的特征碎片。因此，谱库匹配列表里面匹配分数最高的物质（3,7-二甲基-1-辛烯）就不是正确的结果。

 

       从高质量端碎片126可以判断可能是分子离子峰或准分子离子峰。结合上述31的碎片可以判断，m/z 126是M-18的峰的可能性比较大。m/z 55，56，69，70，83，84为烯烃类或直链伯醇的特征信号。

 

      综合以上信息可以判断，该化合物为分子量144的直链伯醇，其结构式和碎裂机理如下：

 

 

碎片离子归属与部分碎裂机理：

 

案例三 LC-HRMS分析中的结构鉴定

 

 

聚氨酯类材料经过浸提溶液浸提后，其中一个未知物峰的谱图如上：

 

      通过该一级质谱图可以得到该化合物的精确分子量，通过精确分子量计算得到元素组成和化学式，因此，计算得到该化合物的化学式为C19H20N2O4。

 

 

得到该化学式后，通过商用数据库进行匹配，如ChemSpider，Pubchem等，进行数据库搜索。索引结果如上：

 

      该分子式在数据库中的结构有近万条，给化合物鉴定带来困难。同时，若不结合二级质谱图，化学式可能会存在误判，很容易出现结构误判的情况。

 

针对该化合物，我们的质谱结构鉴定思路如下：

 

    （1）分析一级和二级质谱图，判断可能的分子式和元素组成

 

 

二级质谱图如上：

 

      对二级质谱图中的碎片(89.06052和249.06708)进行化学式计算，其化学式分别是[C4H9O2]-和[C15H9N2O2]-。通过这2个关键的碎片信息，基本能确认该化合物的化学式为C19H20N2O4。

 

      （2）分析供试品材料的合成单体和聚合工艺

 

        聚氨酯材料通常是由MDI或TDI和多元醇这几种合成原料进行聚合而成的。对于聚合物而言，寡聚物一定是存在于材料当中的，比如聚醚或者具有MDI或TDI片段的化合物。

 

      （3）通过碎片信息，构建化合物的结构

 

        二级质谱图中的2个碎片，分别可以归属为丁二醇和MDI相关的碎片，推测化合物为丁二醇和MDI的反应产物。

 

      （4）综合信息，进行碎片归属和推敲求证

 

        综合上述信息，化合物为聚氨酯材料的降解产物，鉴定为N-{4-[(4-异氰酸苯基)甲基]苯基}氨基甲酸-4-羟基丁基酯。

 

 

碎裂机理如上：

 

03结语

 

       质谱结构解析是需要专业人员去完成的一项专业的分析任务。尽管现有化合物数据库或谱图库在不断更新扩大，但在化合物鉴定活动中，依然需要有经验的人员进行合理的科学判断，从大量的数据中拨茧抽丝、披沙拣金，给E&L研究工作带来新的思维变革和产业变革。药明康德医疗器械测试平台拥有经验丰富的质谱解析团队、6,000+ E&L相关化合物数据库以及完善的未知化合物研究策略，为我们医疗器械产品的安全上市保驾护航。