拉曼光譜技術(shù)在亞硝酸鈉中毒快速檢測中的研究

秦真科，曹芳琦，劉文斌，楊飛宇，郝紅飛，孟航，2，張潤生，2（.上海市刑事科學(xué)技術(shù)研究院上海市現(xiàn)場物證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200083；2.上海市公安局物證鑒定中心，上海200083）

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拉曼光譜技術(shù)在亞硝酸鈉中毒快速檢測中的研究

秦真科1，曹芳琦1，劉文斌1，楊飛宇1，郝紅飛1，孟航1，2，張潤生1，2
（1.上海市刑事科學(xué)技術(shù)研究院上海市現(xiàn)場物證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200083；2.上海市公安局物證鑒定中心，上海200083）

摘要：目的對亞硝酸鈉引起的血紅蛋白結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究，為亞硝酸鈉中毒案件的快速、準(zhǔn)確鑒定提供新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備。方法向全血中加入不同體積的同一濃度亞硝酸鈉（NaNO2）溶液，研究分離提取的氧合血紅蛋白（HbO2）及高鐵血紅蛋白（MetHb）的拉曼光譜及其結(jié)構(gòu)與性能變化。結(jié)果通過血紅蛋白拉曼譜峰中反映血紅素平面和鐵離子軸向配體鍵微小變形的400～700cm-1、與鐵離子自旋態(tài)相關(guān)的1210～1230 cm-1和1500～1650 cm-1及與血紅蛋白卟啉環(huán)反π*軌道上電荷濃度相關(guān)的1350～1380 cm-1處拉曼峰強(qiáng)度變化及峰位位移的信息，可以鑒別氧合血紅蛋白和高鐵血紅蛋白。結(jié)論拉曼光譜技術(shù)在亞硝酸鈉中毒的快速檢測中具有較大優(yōu)勢，可為亞硝酸鹽中毒鑒定提供重要判斷依據(jù)。

關(guān)鍵詞：氧合血紅蛋白；高鐵血紅蛋白；拉曼光譜；亞硝酸鈉中毒

亞硝酸鈉（NaNO2）是白色至淡黃色粉末或顆粒狀的一種無機(jī)鹽，其外觀及味道都與食鹽相似，價(jià)格便宜，常在非法食品制作時(shí)用作食鹽的不合理替代品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國2005—2011年食物中毒案例中，亞硝酸鈉中毒案件數(shù)位居前列［1］。

亞硝酸鈉是強(qiáng)氧化劑，進(jìn)入血液后可將亞鐵血紅蛋白（hemoglobin，Hb）氧化成高鐵血紅蛋白（methemoglobin，MetHb），即將血紅蛋白的輔基血紅素中Fe2+氧化成Fe3+，使整個(gè)血紅蛋白分子的結(jié)構(gòu)及化學(xué)鍵發(fā)生變化，失去載氧能力，造成機(jī)體組織缺氧而中毒［2］。進(jìn)食含亞硝酸鹽的食物后，短時(shí)間內(nèi)皮膚、口唇黏膜、甲床就會(huì)出現(xiàn)紫紺，食入0.3～0.5g的亞硝酸鹽即可引起中毒甚至死亡。

目前對于亞硝酸鹽中毒的鑒定方法主要有三類：（1）化學(xué)分析法（包括聯(lián)苯胺冰醋酸反應(yīng)、安替比林反應(yīng)、格利斯試劑反應(yīng)），該類方法成本低、操作簡便，可用于快速定性檢測，但靈敏度較低，且亞硝酸鹽在酸性條件下容易分解揮發(fā)，容易造成漏檢［3］。（2）光度法，其中應(yīng)用最廣泛的是重氮耦合分光光度法，該方法成熟、準(zhǔn)確度較高，但靈敏度一般，常用試劑存在致癌性，容易造成二次污染，當(dāng)樣品中亞硝酸鹽含量較高時(shí)，紫紅色偶氮化合物難以生成，會(huì)造成假陰性，而熒光光度法雖然能提高檢測的靈敏度，但干擾因素大，條件不易控制，因而降低了檢測的重現(xiàn)性［4-5］。（3）色譜法（包括氣相色譜法、離子色譜法），該類方法準(zhǔn)確度高、檢出限低、定量線性范圍寬，適合于各種生物基質(zhì)中亞硝酸鹽的微量甚至痕量分析，但前處理相對復(fù)雜，氣相色譜法的前處理需要進(jìn)行衍生化，增加了人為操作誤差的風(fēng)險(xiǎn)［6］。

拉曼光譜作為分子結(jié)構(gòu)鑒定的手段，能夠反映待測分子的化學(xué)鍵及官能團(tuán)信息，近年來在生物、醫(yī)學(xué)、公共安全、有機(jī)化學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)了較大的優(yōu)勢，特別適用于結(jié)構(gòu)鑒定。拉曼光譜在血紅蛋白結(jié)構(gòu)研究及功能分析中具有無需標(biāo)記、制樣簡單、無損檢測和分析效率高等優(yōu)越性［7-8］。本文用激光顯微拉曼光譜儀分析了血液與亞硝酸鈉反應(yīng)后所引起的血紅蛋白分子結(jié)構(gòu)的變化，對氧合血紅蛋白（HbO2）和高鐵血紅蛋白（MetHb）進(jìn)行鑒定區(qū)分，進(jìn)而為亞硝酸鈉中毒鑒定提供一種新的快捷、簡便、準(zhǔn)確的方法。

1　材料與方法

1.1試劑及儀器

亞硝酸鈉（NaNO2分析純）、生理鹽水、超純水；高速冷凍離心機(jī)；點(diǎn)樣玻璃毛細(xì)管；inVia Reflex激光顯微拉曼光譜儀（英國Renishaw公司）。

1.2方法

1.2.1全血中血紅蛋白的氧化反應(yīng)

靜脈抽取健康成人的血液4 mL于肝素鋰抗凝管中，等分成4份，各1mL，標(biāo)記1、2、3、4號樣品。以生理鹽水為溶劑，配置4mg/mL的NaNO2溶液10mL。1號樣品作為空白參照，2號樣品按照1:1體積比加入1mL的NaNO2溶液，3號樣品按照1:2體積比加入2 mL的NaNO2溶液，4號樣品按照1:4體積比加入4mL的NaNO2溶液，在室溫下充分反應(yīng)1h。

1.2.2全血中血紅蛋白及高鐵血紅蛋白的分離制備

將四組樣品分別以離心速率：3 000 r/min離心10min分離出紅細(xì)胞，以生理鹽水洗滌，再以同樣的速率離心洗滌3次，分離出紅細(xì)胞。再以1∶4體積比加入超純水，在4℃溫度下離心速率：1500r/min高速離心30min，分離提取反應(yīng)后的血紅蛋白。

1.2.3血紅蛋白及高鐵血紅蛋白的檢測分析

將四組樣品分別進(jìn)行拉曼光譜分析，光譜采集范圍為400～1800 cm-1，每次光譜采集時(shí)間10 s，采集3次。

數(shù)據(jù)分析處理軟件為Origin 8。

1.3方法優(yōu)化

本次實(shí)驗(yàn)，分別采用三種激發(fā)波長：532、633、785 nm對分離提取的氧合血紅蛋白和高鐵血紅蛋白進(jìn)行檢測，以期獲得最優(yōu)激發(fā)波長。

2　結(jié)果與討論

2.1最優(yōu)激發(fā)波長的選擇

比較發(fā)現(xiàn)，532 nm激光激發(fā)的拉曼譜圖效果最好，推測該波長下的拉曼峰以血紅素的共振增強(qiáng)效應(yīng)為主，而在633nm和785nm激光激發(fā)下，出現(xiàn)信噪比非常弱的拉曼峰，無法進(jìn)行有效分析。

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，激光功率越大，拉曼信號越強(qiáng)。然而，激光功率過強(qiáng)易導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，無法測出血紅蛋白明顯的拉曼譜圖。在用低功率激光強(qiáng)度下能夠測出拉曼信號時(shí)，不建議提高激光功率進(jìn)行測試，高功率激光在提高待測信號的同時(shí)，也提高了噪聲信號。

2.2全血與不同體積比NaNO2反應(yīng)后的顏色變化

亞硝酸鹽中毒后，主要癥狀是高鐵血紅蛋白血癥，表現(xiàn)為紫紺現(xiàn)象，先口唇、手指、腳趾青紫，然后全身皮膚青紫。在亞硝酸鹽中毒致死案件中，尸斑呈藍(lán)褐色，血液呈醬油色，不凝固。

本實(shí)驗(yàn)中，從外觀顏色觀察，全血與NaNO2氧化反應(yīng)前后，全血顏色由紅色變成紫褐色，且隨著加入的NaNO2體積的增加，紫褐色越深。分析可能與血紅蛋白的輔基血紅素中Fe2+氧化成Fe3+并出現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。該顏色變化，與實(shí)際亞硝酸鹽中毒案件中紫紺現(xiàn)象基本一致［5］。

2.3全血與不同體積比NaNO2反應(yīng)后血紅蛋白的拉曼光譜

2.3.1血紅蛋白與高鐵血紅蛋白的拉曼光譜及特征峰分析

全血和不同體積比的亞硝酸鈉溶液反應(yīng)前后，提取血紅蛋白與高鐵血紅蛋白測其拉曼光譜（圖1），拉曼位移及部分峰位歸屬見表1［9-11］。拉曼光譜峰位的歸屬分析可以得到官能團(tuán)、化學(xué)鍵和電子密度等分子結(jié)構(gòu)及其變化的信息。由于具有卟啉結(jié)構(gòu)的血紅素有較大拉曼散射截面，拉曼光譜可以很好的反映血紅蛋白中血紅素平面及其與鐵離子軸向配體鍵的振動(dòng)信息。血紅蛋白拉曼光譜受血紅素卟啉環(huán)中電子密度、卟啉環(huán)中心尺寸、鐵離子與卟啉環(huán)平面的距離、鐵離子自旋態(tài)等影響而變化。

圖1　全血與NaNO2反應(yīng)前后提取血紅蛋白的拉曼光譜

表1　全血中加入不同體積比NaNO2的拉曼位移、特征峰及部分峰位歸屬

續(xù)表1

由圖1可知，正常氧合血紅蛋白在570、1357、1467 cm-1處有較明顯的特征峰，高鐵血紅蛋白在495、1514 cm-1處有較明顯的特征峰，570、1357、1467cm-1峰消失［12］。低頻區(qū)400～700 cm-1反映血紅素平面和鐵離子軸向配體鍵的微小變形［13］。高頻區(qū)（1200～1700 cm-1）反映血紅素環(huán)骨架振動(dòng)模式，由圖2可知，該頻段是血紅素結(jié)構(gòu)變化的敏感譜帶。其中，1210～1230cm-1的拉曼光譜峰歸屬于次甲基變形模式，與自旋態(tài)相關(guān)；1370～1379 cm-1的拉曼光譜峰代表血紅蛋白處在氧化態(tài)［14］，與血紅蛋白卟啉環(huán)反π*軌道電荷濃度相關(guān)；1500～1650cm-1的拉曼光譜峰不僅對鐵離子自旋態(tài)敏感，而且能夠反映血紅素中心與吡咯環(huán)N原子之間的距離，即卟啉環(huán)中心孔徑大小卟啉環(huán)中心孔徑大小每產(chǎn)生0.1nm的變化，對中心孔徑大小敏感的特征峰將會(huì)產(chǎn)生5～6cm-1的移動(dòng)，波數(shù)將隨中心孔徑的變小而增大［15］。

2.3.2血紅蛋白與高鐵血紅蛋白的低頻區(qū)拉曼光譜分析

在低頻區(qū)，鐵離子結(jié)合配體的不同將引起血紅素電子分布的變化及卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)的變化。高鐵血紅蛋白在495cm-1出現(xiàn)新的特征峰，與Alian等發(fā)現(xiàn)的在500 cm-1處附近的特征峰結(jié)果一致［16］。血紅蛋白特征峰570 cm-1代表了Fe-O2伸縮振動(dòng)［12］，它的消失表明了鐵氧鍵的斷裂，氧合血紅蛋白消失，氧化成高鐵血紅蛋白。隨著NaNO2的加入，675cm-1峰向高波數(shù)方向移動(dòng)，移至677cm-1處；755cm-1峰向高波數(shù)方向移動(dòng)，移至757cm-1處；795cm-1峰向低波數(shù)方向移動(dòng)，移至793cm-1處，是由于Fe2+被氧化成Fe3+，引起血紅素卟啉環(huán)中電子濃度分布的改變所致［17］。

2.3.3血紅蛋白與高鐵血紅蛋白的高頻區(qū)拉曼光譜分析

在高頻區(qū)，1350～1380 cm-1區(qū)域的譜線對應(yīng)ν4振動(dòng)模式，當(dāng)卟啉環(huán)反π*軌道上電荷濃度增加時(shí)成鍵軌道能量變?nèi)?，引起拉曼頻移，使ν4振動(dòng)拉曼峰向低波數(shù)方向移動(dòng)。其中，1356～1361cm-1區(qū)域的峰表示鐵離子為處在低自旋態(tài)的亞鐵離子Fe2+，隨著NaNO2的加入，F(xiàn)e2+被氧化成Fe3+，表征低自旋態(tài)的亞鐵血紅蛋白特征峰1357cm-1消失；1370～1379cm-1區(qū)域的峰表示處在氧化態(tài)的血紅蛋白，1377 cm-1向低波數(shù)移動(dòng)，分別移至1373 cm-1和1371cm-1處且強(qiáng)度減弱（圖2），說明卟啉環(huán)反π*軌道電荷濃度增加，亞鐵血紅蛋白減少，高鐵血紅蛋白增加［9］。

圖2　高頻區(qū)部分拉曼峰的位移圖譜

1210～1230 cm-1、1500～1650 cm-1區(qū)域的譜線對鐵離子自旋態(tài)敏感［18］。隨著NaNO2的加入，1223cm-1強(qiáng)度減弱較大。1549cm-1附近的峰向低波數(shù)方向移動(dòng)，移至1546cm-1。1564cm-1峰向低波數(shù)方向移至高自旋態(tài)特征峰1562 cm-1處。1586 cm-1峰向低波數(shù)方向移至高自旋態(tài)特征峰1584 cm-1處，且強(qiáng)度減弱（圖2）。

1500～1650 cm-1區(qū)域的譜線不僅對鐵離子自旋態(tài)敏感，還能反映卟啉環(huán)中心孔徑的大小。鐵離子由低自旋態(tài)變成高自旋態(tài)，就遠(yuǎn)離卟啉環(huán)，使中心孔徑變小，特征峰的波數(shù)也隨之變大［15］。對卟啉環(huán)中心孔徑大小敏感的特征峰1603 cm-1峰向高波數(shù)方向移動(dòng)，移至1608 cm-1處，說明鐵離子逐漸偏離卟啉環(huán)導(dǎo)致中心孔徑變小，鐵離子由低自旋態(tài)變?yōu)楦咦孕龖B(tài)，亞鐵血紅蛋白減少，高鐵血紅蛋白增加。1506 cm-1逐漸減弱并消失，1514 cm-1出現(xiàn)新峰，1620 cm-1處峰強(qiáng)迅速增加，同樣表明高自旋態(tài)的Fe3+的增多（圖2）。

2.3.4血紅蛋白與高鐵血紅蛋白的拉曼譜峰強(qiáng)度變化

除了特征峰的出現(xiàn)及拉曼位移能夠反映分子結(jié)構(gòu)變化，拉曼峰的強(qiáng)度變化，也能很好的反應(yīng)血紅蛋白的結(jié)構(gòu)變化。如血紅蛋白在675 cm-1處有較強(qiáng)的峰，高鐵血紅蛋白在此處峰強(qiáng)減弱；血紅蛋白在1564、1620 cm-1處有較微弱的峰，高鐵血紅蛋白在此處有較強(qiáng)的峰。

為了便于比較這三個(gè)峰的相對強(qiáng)度的變化，參照其相鄰的強(qiáng)度變化不明顯的拉曼峰，考慮兩個(gè)相鄰峰強(qiáng)度的相對變化，不考慮拉曼峰移，拉曼峰的相對強(qiáng)度同樣能表現(xiàn)分子的化學(xué)鍵及官能團(tuán)的變化信息，計(jì)算未有拉基線處理的原始數(shù)據(jù)（表2）。隨著NaNO2的加入，I675/I755比值明顯升高，I1549/I1564、I1603/ I1620比值明顯降低，變化趨勢如圖3所示。隨著加入NaNO2量的增加，比值呈現(xiàn)一定的遞變規(guī)律。

圖3　全血與不同體積NaNO2溶液反應(yīng)后相鄰拉曼峰的相對強(qiáng)度變化趨勢

2.4體外實(shí)驗(yàn)樣品存放時(shí)間對拉曼光譜的影響

亞硝酸鹽中毒實(shí)際案件中，采集的樣品往往并非新鮮血液，如血液存放時(shí)間較長、血液發(fā)生腐敗等。本實(shí)驗(yàn)以1∶4體積比向新鮮全血中加入NaNO2溶液4mg/mL反應(yīng)后，放置不同時(shí)間，進(jìn)行拉曼光譜測試，以研究中毒不同時(shí)間后血紅蛋白所發(fā)生的變化。分別研究在室溫下充分反應(yīng)1、6、24、48、72 h后高鐵血紅蛋白的拉曼光譜，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1、6 h拉曼光譜數(shù)據(jù)變化不大，推測以1∶4體積比向新鮮全血中加入NaNO2溶液4 mg/mL反應(yīng)1h后，反應(yīng)充分完成，血紅蛋白幾乎全部被氧化成高鐵血紅蛋白。但是，隨著血液存放時(shí)間的延長，提取的血紅蛋白的拉曼光譜信號逐漸減弱，471cm-1譜峰逐漸增強(qiáng)，產(chǎn)生原因可能和血紅蛋白的變質(zhì)變性有關(guān)，拉曼光譜如圖4所示。拉曼光譜表明，血液存放時(shí)間較長，血紅蛋白結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較大變化，此時(shí)拉曼光譜技術(shù)在鑒定亞硝酸鹽中毒方面，具有局限性。

表2　全血與不同體積NaNO2溶液反應(yīng)后相鄰拉曼峰的相對強(qiáng)度

圖4　全血與不同體積NaNO2溶液反應(yīng)并放置不同時(shí)間后的拉曼光譜

3　結(jié)論

本文基于拉曼光譜技術(shù)，研究了血紅蛋白和高鐵血紅蛋白的特征拉曼峰，發(fā)現(xiàn)532 nm激光激發(fā)的拉曼光譜以血紅素的共振增強(qiáng)效應(yīng)為主，能較好的反映全血中血紅蛋白氧化過程所發(fā)生的分子結(jié)構(gòu)變化，血紅素平面和鐵離子軸向配體鍵微小變形的400～700cm-1、與鐵離子自旋態(tài)相關(guān)的1210～1230cm-1和1500～1650cm-1及與血紅蛋白卟啉環(huán)反π*軌道上電荷濃度相關(guān)的1350～1380 cm-1處拉曼峰強(qiáng)度變化及峰位位移的信息，可以鑒別氧合血紅蛋白和高鐵血紅蛋白，為亞硝酸鹽中毒案件的檢驗(yàn)鑒定提供了重要依據(jù)。但樣品存放時(shí)間過長，高鐵血紅蛋白的拉曼信號會(huì)逐漸變?nèi)?，推斷和血紅蛋白的變質(zhì)變性有關(guān)，這給實(shí)際中毒案件的判定帶來不確定性。

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（本文編輯：施妍）

Application of Raman Spectroscopy in the Rapid Detection of Sodium Nitrite Poisoning

QIN Zhen-ke1，CAO Fang-qi1，LIU Wen-bin1，YANG Fei-yu1，HAO Hong-fei1，MENG Hang1，2，ZHANG Run-sheng1，2
（1.Shanghai Key Laboratory of Crime Scene Evidence，Institute of Criminal Science and Technology，Shanghai Municipal Public Security Bureau，Shanghai 200083，China；2.Institute of Forensic Science，Shanghai Municipal Public Security Bureau，Shanghai 200083，China）

Abstract:Objective To investigate the structural change of oxyhemoglobin（HbO2）induced by sodium nitrite（NaNO2），and to establish a new method for the rapid identification of nitrite poisoning. Method Different volumes of sodium nitrite solution at the same concentration were added to the whole blood samples，and the hemoglobin was extracted and purified. Then the variations in the structure and properties of HbO2and methemoglobin（MetHb）were investigated with micro-Raman spectroscopy. Results The changes of intensity and location of Raman peaks at 400-700 cm-1，which is assigned to the iron-ligand modes，1210-1230 cm-1and 1500-1650 cm-1，which corresponds to the low spin state of iron，and 1350-1380 cm-1，which reflects the electron population in the porphyrin π* orbitals，can be used as indexes to detect HbO2and MetHb. Conclusion The Raman spectroscopy is of great potential in the rapid detection of nitrite poisoning in criminal cases.

Key words:oxyhemoglobin；methemoglobin；Raman spectroscopy；nitrite poisoning

中圖分類號:DF795.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-2072.2016.03.007

文章編號：1671-2072-（2016）03-0044-06

收稿日期：2015-09-06

基金項(xiàng)目：上海市現(xiàn)場物證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（2014XCW ZZ04）；物證的初檢技術(shù)（2014XCWZZ05）；公安部技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目資助（2015JSYJB06）

作者簡介：秦真科（1987—），男，助理研究員，主要從事物證光學(xué)探測及理化分析研究。E-mail: binhuzhen@163.com。

通信作者：張潤生（1960—），男，研究員，主要從事毒品毒物的分析鑒定工作。E-mail:zhangrs0607@sina.com。