溫超 王靜竹 朱天碩 劉欣 王杉 張亦農(nóng)
國家體育總局反興奮劑中心(北京100029)
睪酮(testosterone,T)是人體內(nèi)主要的固醇激素之一,可以促進(jìn)機(jī)體的合成代謝,促進(jìn)肌肉和力量的增長[1-3],因此被某些運(yùn)動(dòng)員作為興奮劑使用。由于體內(nèi)自身合成的睪酮和睪酮制劑中的睪酮的分子結(jié)構(gòu)完全一致,常規(guī)的質(zhì)譜儀難以區(qū)分體內(nèi)自身合成的睪酮和外源攝入的睪酮。同時(shí),由于個(gè)體差異、不同的生理狀況,尿樣中的睪酮濃度變化范圍較大,因此,尿樣中外源性的睪酮確證,一直以來都是興奮劑檢測領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)[4-6]。按照世界反興奮劑機(jī)構(gòu)(WADA)的規(guī)定[7,8],當(dāng)體內(nèi)睪酮、表睪酮及其代謝物的濃度或者比例發(fā)生異常變化時(shí),如睪酮和表睪酮濃度比例大于4,或者在男性尿樣中睪酮含量大于200 ng/mL 時(shí),需要對尿樣中的睪酮以及其主要代謝物進(jìn)行氣相色譜-燃燒-同位素比質(zhì)譜(GC-C-IRMS)確證[7-12],區(qū)分被分析物是否為外源性類固醇激素。
GC-C-IRMS 檢測技術(shù)在興奮劑檢測領(lǐng)域已經(jīng)有20年左右的應(yīng)用[13-21]。通過對樣品待測物中13C/12C 的比例與內(nèi)源性激素參照物中13C/12C 比例進(jìn)行比較,可以判斷樣品中待測物是否為內(nèi)源產(chǎn)生或外源攝入。通常13C/12C 的比例表示為δ13C 值,使用維也納Pee Dee 箭石標(biāo)準(zhǔn)(Vienna Pee Dee Belemnite,VPDB)作為國際單位進(jìn)行校準(zhǔn)[22]。
目前,大多數(shù)人工合成的類固醇激素均來自于植物基質(zhì),相對于人體自身合成的類固醇激素,人工合成的類固醇激素具有更貧乏的δ13C值[7,17,22-24]。當(dāng)人體攝入外源性睪酮,其體內(nèi)睪酮及其代謝物的δ13C值將隨之變化,而與睪酮代謝無關(guān)的其他類固醇激素則不受影響。在興奮劑尿樣檢測中,常采用指定一種內(nèi)源性類固醇激素為內(nèi)源性參照化合物(endogenous reference compound,ERC),將其的δ13C值與待測檢測目標(biāo)化合物(target compound,TC)的δ13C 值進(jìn)行比較,可以判斷出TC 是否與ERC 一樣為內(nèi)源性產(chǎn)生。在興奮劑檢測領(lǐng)域,孕烷二醇(pregnanediol,PD)、11β-羥基-雄酮(11βhydroxyandrosterone,11OHAn)、5α-雄烷-16-烯-3β-醇(5α-androst-16-en-3β-ol,16en)、11-ketoetiochola?nolone(11-keto)等常被作為內(nèi)源性參照化合物[7]。按WADA 技術(shù)文件規(guī)定,當(dāng)ERC 和TC 的δ13C 值差(表示為Δ)大于3‰或4‰時(shí)(根據(jù)TC 種類而定),則認(rèn)為該TC來自于外源性攝入。
當(dāng)樣品進(jìn)入GC-C-IRMS 后,先經(jīng)過氣化,然后在氣相色譜中進(jìn)行分離,分離后的組分經(jīng)過燃燒管轉(zhuǎn)化為CO2后再進(jìn)入同位素比質(zhì)譜進(jìn)行檢測,最終得到待測物質(zhì)的δ13C 值。由于GC-C-IRMS 分析僅能對待測物的δ13C值進(jìn)行測定,無法對待測樣品的結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行確認(rèn),因此當(dāng)待測物質(zhì)在氣相色譜有干擾或者共流出峰時(shí),測定的δ13C值將不準(zhǔn),無法用于結(jié)果判斷。所以,樣品的前處理對于GC-C-IRMS 分析極其重要。由于尿樣中基質(zhì)成分復(fù)雜,而待測物睪酮及其代謝物濃度較低,如何采用高效的純化分離技術(shù)對尿樣中的待測物質(zhì)進(jìn)行分離提純,并測定其δ13C值,是興奮劑檢測領(lǐng)域中亟待解決的技術(shù)之一。目前國際常用的方法是使用兩次液相分離純化,提高分析物的純度,或通過化學(xué)衍生化手段,使分析物在氣相色譜上完全分離[9-12,23-24],這些方法可以有效提高尿樣中待測組分的分離效率,但需要大量時(shí)間和人力進(jìn)行監(jiān)測分析。
目前國際通用的方法大多基于Piper 等的兩次液相色譜純化結(jié)合衍生化法[17]。該方法先將尿樣進(jìn)行酶解處理,然后進(jìn)行第一次液相色譜分離,通過收集經(jīng)過液相洗脫的待測物質(zhì)餾分達(dá)到分離純化作用。在經(jīng)過第一次液相分離后,將其中難以分離的待測組分,睪酮、5α-雄烷-3α,17β-二醇、5β-雄烷-3α,17β-二醇物質(zhì)餾分進(jìn)行乙?;磻?yīng),將待測物質(zhì)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的乙?;a(chǎn)物。對經(jīng)過乙?;慕M分進(jìn)行第二次液相色譜分離,收集對應(yīng)的餾分。經(jīng)過以上液相色譜分離的樣品可以進(jìn)行GC-C-IRMS 分析。通過兩次液相分離以及衍生化反應(yīng),可以對尿樣中的睪酮及其代謝物進(jìn)行純化,滿足GC-C-IRMS測試的樣品需求。該方法的兩次液相色譜分離以及衍生化反應(yīng)需要大量時(shí)間以及人工操作,在大型體育比賽及樣品高峰期間,會(huì)對常規(guī)檢測工作帶來巨大壓力。同時(shí),由于對待測物質(zhì)進(jìn)行衍生化后化學(xué)基團(tuán)發(fā)生轉(zhuǎn)化,因此測定的δ13C值需要進(jìn)行校正,該過程也會(huì)產(chǎn)生一定測量誤差。
建立高效快捷的GC-C-IRMS檢測方法,對于我國興奮劑檢測工作具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本研究根據(jù)WA?DA的相關(guān)技術(shù)文件要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì),建立檢測方法,主要對方法的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性以及線性、不確定度、人群值等進(jìn)行驗(yàn)證評價(jià),建立一套GC-C-IRMS 檢測方法,用于對尿樣中睪酮及其代謝物進(jìn)行來源分析。
E.coli IX-A 型β-葡萄糖醛酸甙酶購置于Sigma公司;睪酮、表睪酮(epitestosterone,ET)、孕二醇、5α-雄烷-3α,17β-二醇(5α-androst-3α,17β-diol,5α-di?ol)、5β-雄烷-3α,17β-二醇(5β-androst -3α,17β-di?ol,5β-diol)、雄酮(androsterone,An)、本膽烷醇酮(etiocholanolone,Etio)、11-β-羥基雄酮、甲基睪酮(17α-Methyltestosterone,MT)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均購置于澳大利亞國家計(jì)量研究所;磷酸二氫鉀(KH2PO3)、磷酸氫二鉀(K2HPO3)、乙酸乙酯、正己烷等購置于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;甲醇、正己烷(C6H14)、乙酸乙酯(C4H8O2)、乙腈(CH3CN)、叔丁基甲醚((CH3)3COCH3)購置于Sigma-Aldrich 公司;所用的氦氣、二氧化碳以及氧氣來自于北京氦普北分氣體工業(yè)有限公司。
液相色譜采用安捷倫公司Agilent 1200 series HPLC,配有Agilent 1260 Infinity collector 系列接收器,氣相色譜-燃燒-同位素比質(zhì)譜來自于賽默飛世爾科技有限公司,配置有Trace1310 系列氣相色譜儀Thermo Scientific MAT 253同位素比質(zhì)譜。
2.2.1 實(shí)驗(yàn)原理
待測物睪酮及其代謝產(chǎn)物在尿樣中均以葡萄糖苷酸形式存在,此類結(jié)合形式由于沸點(diǎn)高等原因,無法使用氣相色譜進(jìn)行分離,因此無法進(jìn)行GC-C-IRMS 分析。在實(shí)際尿樣檢測中,使用β-葡萄糖醛酸甙酶將尿樣中的待測物質(zhì)進(jìn)行酶解,將其轉(zhuǎn)化為游離態(tài)化合物后再進(jìn)行GC-C-IRMS分析[7]。
GC-C-IRMS 檢測原理為將待測物質(zhì)通過氣相色譜氣化分離后,經(jīng)由燃燒管轉(zhuǎn)化為CO2,通過分析CO2中的13C/12C 的比例計(jì)算得到δ13C 值,即為待測物質(zhì)的δ13C值。當(dāng)待測物質(zhì)中有干擾物時(shí),會(huì)在氣相色譜中出現(xiàn)共流出峰,測定出的δ13C值為待測物和干擾物的混合值,無法進(jìn)行結(jié)果判定。因此,在GC-C-IRMS 檢測過程中,樣品的前處理非常重要。雖然氣相色譜具有一定分離能力,但由于尿樣基質(zhì)復(fù)雜,氣相色譜的分離能力已經(jīng)無法滿足實(shí)驗(yàn)要求。尿樣中基質(zhì)種類復(fù)雜,因此需要在GC-C-IRMS 分析前將尿樣中的待測組分進(jìn)行分離富集,得到純度較高的樣品。在實(shí)際尿樣檢測中,通常使用液相色譜將尿樣中的待測物質(zhì)進(jìn)行分離純化,其原理為將尿樣中的待測組分在液相色譜柱上進(jìn)行洗脫[9],按照標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的保留時(shí)間,收集純化后的液相色譜餾分[6,7,9,17]。該餾分中含有純度較高的待測物質(zhì),后續(xù)經(jīng)過氣相色譜分離,可以得到純凈的氣相色譜峰,對待測物質(zhì)進(jìn)行δ13C值測定。
2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法
現(xiàn)將實(shí)際檢測中的樣品處理操作舉例說明。取適量尿樣,以待測物濃度100 ng/mL 的尿樣為例。取2份,每份3 mL尿樣,每份加入1 mL磷酸緩沖液(pH約為6.0~7.0),加入100μL β-葡萄糖醛酸甙酶(5000 units),55℃恒溫水浴保溫180分鐘以上或過夜,取出樣品冷卻至室溫,加入4 mL叔丁基甲基醚,振蕩萃取,離心后取上層有機(jī)相,75℃加熱下氮?dú)獯蹈?,冷卻至室溫,加入65 μL含有內(nèi)標(biāo)MT濃度為的0.3 mg/mL的甲醇溶液,振搖后轉(zhuǎn)移至液相進(jìn)樣瓶中,封口。經(jīng)過離心后靜置待用。樣品采用HPLC 分離純化。選用色譜柱ZORBAX SB-C18(4.6 μm×250 μm,5 μm),梯度如下:80∶20(A∶B)→15 min→50∶50(A∶B)-保持10min→8 min→10∶90(A∶B)→1min→0∶100(A∶B)-保持5min→4 min→80∶20(A∶B),平衡6 min.流速1.0 mL/min,柱溫35 ℃。流動(dòng)相A 為水,B為乙腈。通過檢測在192和244 nm處的紫外檢測信號來對樣品收集時(shí)間以及運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。HPLC分離組分經(jīng)過收集后,在75℃加熱下氮?dú)獯蹈纱?。使?0 μL IRMS 上機(jī)溶液進(jìn)行溶解封口后進(jìn)行GCC-IRMS分析。
本研究根據(jù)WADA技術(shù)文件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法驗(yàn)證,以達(dá)到WADA對于GC-C-IRMS檢測的技術(shù)要求和相應(yīng)指標(biāo)。本方法中所有測定的δ13C值均使用可溯源標(biāo)準(zhǔn)品CU/PCC34-3 對儀器參考?xì)膺M(jìn)行校準(zhǔn)。本方法涵蓋7種物質(zhì)的檢測,其中PD和11OHAn為ERC,T、5α-雄烷-3α,17β-二醇(5α-diol)、5β-雄烷-3α,17β-二醇(5β-diol)、雄酮(An)、本膽烷醇酮(Etio)為TC。在實(shí)際樣品中,T、5α-diol、5β-diol 三種物質(zhì)的濃度往往低于其他的物質(zhì)。
為進(jìn)一步提升待測物質(zhì)ERC 和TC 的純度以及對樣品進(jìn)一步富集,需要在進(jìn)行GC-C-IRMS 檢測前,對尿樣中的待測物質(zhì)進(jìn)行液相色譜分離提純,收集經(jīng)液相色譜柱分離后的各個(gè)組分的流出物,該過程可以將尿樣中的大量基質(zhì)排除,有效提高待測物質(zhì)的純度。尿樣通過液相色譜柱的過程中,會(huì)產(chǎn)生同位素分餾效應(yīng)[25-26],流出物的收集時(shí)間差異導(dǎo)致最終測定結(jié)果的δ13C 值出現(xiàn)偏差。根據(jù)WADA 技術(shù)文件要求,當(dāng)Δ大于3‰或4‰時(shí)(根據(jù)TC種類而定)時(shí)可判定待測物TC為外源攝入,因此在液相色譜純化過程中一定要避免同位素分餾效應(yīng)對最終結(jié)果的影響,造成假陽性或假陰性。
在方法驗(yàn)證過程中,須將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在液相分離前后進(jìn)行對比,確認(rèn)收集時(shí)間窗口內(nèi)收集的樣品未受到同位素分流效應(yīng)影響。圖1為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)經(jīng)過液相純化的色譜圖,由圖中可見,所有的待測物質(zhì),包括ERC 和TC,均可以較好分離。通過測定標(biāo)準(zhǔn)品經(jīng)過液相色譜分離前后的δ13C值的差異,可以對收集時(shí)間窗口進(jìn)行評估。經(jīng)過優(yōu)化后,各物質(zhì)在液相色譜出峰前0.05 min和出峰后0.12 min進(jìn)行收集為最佳的液相色譜收集窗口。圖2為一份真實(shí)尿樣的液相色譜分離譜圖。實(shí)驗(yàn)中使用9 mL 尿樣進(jìn)行測定,由圖可知,由于尿樣中存在大量基質(zhì),液相色譜譜圖極為復(fù)雜,無法對樣品中各組分進(jìn)行區(qū)分。因此前期的收集窗口確認(rèn)對樣品的純化分離有重要影響。在實(shí)際樣品運(yùn)行序列中,需要在序列前后分別加入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對收集窗口的有效性進(jìn)行確認(rèn)。同時(shí),通過使用具有紫外吸收的內(nèi)標(biāo)物質(zhì)甲睪(MT)作為內(nèi)標(biāo),監(jiān)測樣品中MT保留時(shí)間的變化,可以對樣品液相色譜運(yùn)行情況進(jìn)行評估。收集后的待測物質(zhì)重新定容進(jìn)行GC-C-IRMS 分析。通過真實(shí)尿樣的分析物濃度及其最終在GC-C-IRMS 上的信號相應(yīng)進(jìn)行折算,測定本方法液相分離過程的回收率在70%左右。
圖1 各分析物的標(biāo)準(zhǔn)品的液相色譜圖及時(shí)間收集窗口
圖2 真實(shí)樣品液相色譜圖
液相色譜的保留時(shí)間穩(wěn)定性對樣品中的待測物質(zhì)檢測具有較大影響,本實(shí)驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)保留時(shí)間窗口確認(rèn),應(yīng)用于尿樣中待測組分進(jìn)行分離富集,因此保留時(shí)間是否穩(wěn)定對最終檢測結(jié)果至關(guān)重要。在尿樣檢測過程中,要求尿樣中內(nèi)標(biāo)物質(zhì)的保留時(shí)間與該批次標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中內(nèi)標(biāo)在液相純化過程中的保留時(shí)間絕對差值小于0.1分鐘,以避免在待測物收集過程中產(chǎn)生的同位素分餾效應(yīng)[26]。本研究提供的檢測方法具有較高穩(wěn)定性,在液相色譜柱以及液相色譜主要備件不更換的狀態(tài)下,液相色譜柱前壓波動(dòng)小于10 bar,各批次中尿樣中內(nèi)標(biāo)物之保留時(shí)間偏離標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)保留時(shí)間超過0.1分鐘占總樣品約為3%??紤]到不同尿樣中基質(zhì)不同,因此在實(shí)際檢測中出現(xiàn)保留時(shí)間偏差是不可避免的。當(dāng)實(shí)際樣品運(yùn)行中內(nèi)標(biāo)保留時(shí)間與該批次標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)運(yùn)行保留時(shí)間差絕對值超過0.1分鐘時(shí),應(yīng)對該樣品進(jìn)行重新分析,并在收集時(shí)適當(dāng)擴(kuò)大收集窗口以保證待測物質(zhì)可以完全收集。
GC-C-IRMS 的工作原理為待測物質(zhì)經(jīng)過GC分離后通過燃燒管轉(zhuǎn)化為CO2,再對產(chǎn)生的CO2進(jìn)行δ13C 進(jìn)行測定,即可得到待測樣品的δ13C值。在樣品經(jīng)進(jìn)樣口進(jìn)入氣相色譜過程中,由于不同進(jìn)樣條件、進(jìn)樣量,進(jìn)樣濃度等都會(huì)發(fā)生同位素分餾現(xiàn)象[26],導(dǎo)致測定的δ13C發(fā)生偏差,因此需要對儀器的線性條件進(jìn)行評價(jià)。按照WADA技術(shù)文件要求,GC-C-IRMS方法的儀器線性評價(jià)至少要包含8 個(gè)以上進(jìn)樣量,同時(shí)要求每種物質(zhì)測定的δ13C 值的標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)須小于0.5。在本研究方法中,我們將每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品配制成三份不同濃度的溶液,每份溶液使用0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 μL 進(jìn)樣測試,得到一系列每種分析物在不同信號下的δ13C值。表1列出了使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對儀器線性的測定結(jié)果。根據(jù)所得到的測量結(jié)果可知,所有的檢測物質(zhì)在300~5000 mV 具有穩(wěn)定的δ13C 值。因此,在實(shí)際檢測中,需要對處理后的樣品在上機(jī)前進(jìn)行進(jìn)一步稀釋,得到合適的濃度,在1~2.5 μL的進(jìn)樣條件下樣品信號在儀器線性范圍內(nèi)才能得到準(zhǔn)確的值。
表1 GC-C-IRMS儀器線性范圍測定
由于個(gè)體差異及環(huán)境差異,不同尿樣中的TC 和ERC 濃度會(huì)有極大差別[7,12],因此GC-C-IRMS 確證方法測定的δ13C 值不能受到尿樣中待測物質(zhì)的濃度的影響。按照WADA 技術(shù)文件規(guī)定,對于同一來源的待測物在不同濃度下(例如同一人在不同時(shí)間段留取的尿樣中待測物質(zhì)濃度不同)的δ13C值測定結(jié)果應(yīng)一致。該評價(jià)又稱為方法的檢測濃度線性范圍。在本方法評價(jià)過程中,選取的尿樣檢測濃度可以覆蓋當(dāng)前我國興奮劑檢測實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)檢測中的待測物尿樣濃度范圍。如表2所示,同一待測物質(zhì)在不同的濃度下測定的δ13C值非常穩(wěn)定,測定的SD均小于0.5,表明本研究的方法可以對不同濃度的尿樣進(jìn)行檢測。
表2 GC-C-IRMS的檢測濃度線性范圍
由于GC-C-IRMS的靈敏度所限,通常需要至少15純物質(zhì)進(jìn)入氣相色譜柱才能得到可靠的信號,因此在常規(guī)檢測中,對于低濃度的尿樣,需要提高樣品使用量來得到穩(wěn)定的信號。根據(jù)WADA 要求,每份尿樣中的A瓶尿量不小于45 mL,B瓶尿樣量不小于30 mL。興奮劑檢測常為多個(gè)方法對不同類別興奮劑藥物同時(shí)檢測,對可疑樣品須進(jìn)行確證程序,因此各檢測方法取用尿樣應(yīng)盡量少,以保證其他檢測方法具有足夠檢測尿樣可用。本研究方法中最低檢測濃度是基于15 mL尿樣而測定的最小待測物質(zhì)濃度。通常An 和Etio 在尿樣中濃度較高,因此本方法僅驗(yàn)證了100 ng/mL 尿樣。其他的ERC 驗(yàn)證了10 ng/mL 尿樣。在進(jìn)行驗(yàn)證過程中,分別連續(xù)三天進(jìn)行三次測定,同一分析物得到三份結(jié)果。從表3的比對結(jié)果中可知,在采用15 mL尿樣分析時(shí),使用本方法可以對含量為10 ng/mL 的PD、11OHAn、T、5α-diol、5β-diol測定δ13C值,且結(jié)果穩(wěn)定。
表3 GC-C-IRMS方法最低檢測濃度測定
本文中方法的結(jié)合不確定度包括方法中間精密度和偏差的均方根。具體公式如下:
其中Uc為方法的不確定度,Sw為方法的中間精密度的貢獻(xiàn),RMSbias為方法測量偏差貢獻(xiàn)。實(shí)際測定中Sw為10 份陰性質(zhì)控尿樣和10 份陽性質(zhì)控尿樣的測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差。而方法測量偏差是通過Keeling plot進(jìn)行線性擬合結(jié)果得到[7,12,17]。表4列出了不確定度的評價(jià)結(jié)果,從表中可知,所測的質(zhì)控樣品Sw分別為0.5~0.7 之間,表明本方法具有較高穩(wěn)定性,所有測定的不確定度均小于1‰,滿足WADA 對于興奮劑檢測的要求。
表4 GC-C-IRMS方法不確定度測定
通過GC-C-IRMS方法比較尿樣中的ERC與TC的δ13C值差異,可以判斷TC是否與ERC一樣為內(nèi)源性代謝產(chǎn)生。按照WADA 技術(shù)文件要求,當(dāng)ERC 和TC 的Δ>3‰或4‰時(shí),可以判定測定的TC 為外源性攝入。在實(shí)際檢測中,需要對方法的檢測的人群值進(jìn)行評價(jià),通過測定40份陰性樣本,得到樣本的ERC和TC的Δ值和對應(yīng)Δ值的SD,要求ERC 與TC 的平均Δ±2SD≤3‰。表5列出了本研究方法的人群值分析結(jié)果。如表中所示,所有的分析結(jié)果的Δ±2SD 值均小于3‰,滿足WA?DA要求,表明本方法具有極高穩(wěn)定性。
表5 GC-C-IRMS方法人群值分析
本研究建立了一套完整的GC-C-IRMS 方法對尿樣中的睪酮及其主要代謝物的來源進(jìn)行區(qū)分。尿樣經(jīng)液相色譜純化分離,進(jìn)行富集,有效提高了分析物的純度,通過測定,樣品前處理回收率在70%以上。本方法在取用15 mL 尿樣的情況下,可以對10 ng/mL 的睪酮及其主要代謝產(chǎn)物進(jìn)行GC-C-IRMS 檢測。不同濃度待測物的尿樣檢測結(jié)果,以及不確定度、人群值分析結(jié)果表明本方法測定結(jié)果較為穩(wěn)定,滿足WADA 對于興奮劑檢測的要求,可以適用于興奮劑檢測實(shí)驗(yàn)室常規(guī)檢測以及大賽檢測。