拉曼光譜技術(shù)在毒品檢測應(yīng)用中的研究進(jìn)展

趙璟悠 王 勇 張冠男

（1 蘇州市公安局刑警支隊(duì) 江蘇 蘇州 215000；2 南京市公安局刑事科學(xué)技術(shù)研究所 江蘇 南京 210012；3 公安部物證鑒定中心 北京 100038）

1 引言

毒品檢驗(yàn)對毒品案件偵查、證實(shí)和懲治毒品犯罪具有重要的作用，是公安司法鑒定領(lǐng)域的重要工作。當(dāng)前毒品分析手段主要包括色譜或色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC、LC、GC-MS、HPLC-MS等）和分子光譜技術(shù)（傅里葉紅外光譜、拉曼光譜、核磁共振、離子遷移譜、分子印跡聚合物等）[1-2]，其中拉曼光譜技術(shù)具有分子特征鮮明、檢驗(yàn)微量無損、過程簡便快速等獨(dú)特優(yōu)勢，在毒品檢驗(yàn)分析中得到了迅速發(fā)展。本文對拉曼光譜技術(shù)在毒品分析中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，以期為毒品檢驗(yàn)工作提供參考。

早在1922年A.Smekal[3]從理論上預(yù)測了拉曼散射的存在，隨后Raman[4]和Landsberg[5]在實(shí)驗(yàn)中分別在溶液和晶體中發(fā)現(xiàn)了拉曼效應(yīng)，并用于分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究和化學(xué)組成的分析。隨著20世紀(jì)60年代激光光源的問世，以及微弱信號檢測技術(shù)的強(qiáng)化和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，出現(xiàn)了一批選擇性好、靈敏度高、功能強(qiáng)大的拉曼光譜，拉曼光譜分析在眾多應(yīng)用領(lǐng)域取得發(fā)展。C.M.Hodges[6]首次運(yùn)用拉曼光譜檢出毒品可卡因，隨后，拉曼光譜技術(shù)作為毒品分析檢測手段被廣泛應(yīng)用并不斷發(fā)展，如近紅外激光拉曼、共聚焦顯微拉曼、表面增強(qiáng)拉曼（SERS）、空間位移拉曼（SORS）等[7-8]。

2 近紅外激光拉曼（NIR）

20世紀(jì)80年代后期，C.M.Hodges建立了傅里葉變換拉曼光譜（FT-Raman）對摻雜物中鹽酸可卡因、海洛因和苯丙胺的檢驗(yàn)，并且當(dāng)目標(biāo)物濃度低于5%時(shí)，對高強(qiáng)度熒光物質(zhì)仍具有良好信噪比[9]。但由于1064nm半導(dǎo)體激光器功率高易引起樣品表面的熱效應(yīng)，而且水分子在1000nm范圍存在拉曼特征峰，使得FT-拉曼不適合檢驗(yàn)水相體系、深色樣品和光敏物質(zhì)[10]。

色散型拉曼可采用不同波段（523nm、785nm、1064nm等）的光源激光器，且功率只有FT-拉曼的1/10～1/100[11-12]，因此，彌補(bǔ)了FT-拉曼檢測樣品的局限性。國內(nèi)對于常見毒品海洛因、甲基苯丙胺、氯胺酮及其添加成分的拉曼定性檢測方法普遍采用532nm激光光源[13]，由于熒光干擾在可見光區(qū)尤為明顯，使得拉曼特征峰不明顯且信號較低。Ryder[14]和Penido[15]分別采用785nm和830nm近紅外激光光源實(shí)現(xiàn)對含有面粉、奶粉、葡萄糖、滑石粉等33種添加劑的不同含量的可卡因、海洛因、甲基苯丙胺的定性定量檢測，除靈敏度比FT-拉曼提高3～4倍外，還能夠猝滅內(nèi)源物質(zhì)熒光背景，并建立了PLS和PCA計(jì)算模型，且定量誤差在2.3%～7%。特別是785nm光源，能夠根據(jù)拉曼特征峰從825cm-1往851cm-1的變化，判斷毒品結(jié)晶混合物中N-芐基異丙胺（IBA）含量減少而甲基苯丙胺（MET）含量增多。在實(shí)際案例中，近紅外激光拉曼應(yīng)用更為廣泛，如Weston[16]1068-1073對可疑水樣的檢測中，檢出隱藏其內(nèi)的僅含20%的MET，確定其拉曼強(qiáng)峰703cm-1和1004cm-1分別為二甲砜和MET的特征峰；Burnett[17]213等人建立了酒精飲料中摻入可卡因（0.5%～10%w/v）的拉曼檢測方法，785nm光源極大地克服了熒光問題，可直接對有色容器外包裝快速無損檢測，特別對于棕色半透明玻璃瓶中樣品的檢測，785nm光源靈敏度明顯高于1064nm光源，檢出限達(dá)到1.55%；繼而Triplett[2]34等人針對乙醇、乙醚、機(jī)油等易制毒試劑中的MET建立了線性范圍為0.5%～10%的定性定量檢測方法，確定1003cm-1為定量位移峰，定量檢出限為4%。實(shí)驗(yàn)表明，色散性近紅外拉曼普遍具有靈巧便攜、適用范圍廣、分析時(shí)間短等優(yōu)勢，而且對容器直接檢測可以有效避免污染和特殊環(huán)境危險(xiǎn)。

3 共聚焦顯微拉曼

顯微拉曼光譜檢測常見毒品相較于傳統(tǒng)的色譜-質(zhì)譜方法具有無損、快速、簡便的優(yōu)勢，對于苯丙胺、甲基苯丙胺，麻黃堿、甲基麻黃堿、偽麻黃堿[18]，嗎啡、可待因、氫可酮[17]212-213，卡西酮及其衍生物[16]1072-1075等這類主體結(jié)構(gòu)相似、色譜行為表現(xiàn)接近，而分子結(jié)構(gòu)因其取代基或者取代位置不同的毒品物質(zhì)，其拉曼光譜特征位移峰從分子水平上反映了樣品化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)上的明顯差異，成為定性的重要依據(jù)。

顯微拉曼技術(shù)是將拉曼光譜分析技術(shù)和顯微分析技術(shù)結(jié)合起來的一種應(yīng)用技術(shù)，不僅具有常規(guī)拉曼光譜的特點(diǎn)，更具有成像技術(shù)和較高的空間分辨率，激發(fā)光透過顯微鏡聚焦于樣品上，可實(shí)現(xiàn)對1×1×5μm微區(qū)精確分析[19]。因此，顯微拉曼除能夠解決疑難指紋的顯現(xiàn)，還能夠分辨出指紋物質(zhì)的成分，例如手上粘附的一些如毒品、爆炸殘留物等外源性物質(zhì)。J.S.Day[20]等報(bào)道了顯微拉曼對犯罪現(xiàn)場潛指紋中可卡因、可待因、苯丙胺等毒品殘留物的分析研究，在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)使用氰丙烯酸酯可以增強(qiáng)提取指紋中的毒品成分拉曼特征信號[21]。為解決對潛指紋中可疑物質(zhì)能否準(zhǔn)確定位的難點(diǎn)問題，West和Went[17]212采用鐵或鋁粉對指紋顯現(xiàn)后再用膠帶粘取，樣品清晰直觀，膠帶本底產(chǎn)生的拉曼信號需要采取光譜扣除背景以排除干擾，造成分析時(shí)間延長，但該方法中的顯現(xiàn)劑、粘取過程及物證袋均不會對指紋中殘留的可卡因、安非他命、搖頭丸、氯胺酮等毒品的拉曼特征峰產(chǎn)生干擾。繼而Molina[22]借鑒West和Went[23]的樣品處理方法并深入研究，對散落在桌面和口袋的毒品殘留物分別用透明或彩色膠帶和載玻片粘取后進(jìn)行拉曼分析，建立了30種濫用藥物、代謝物、降解產(chǎn)物和添加成分的拉曼光譜信息數(shù)據(jù)，該研究結(jié)果認(rèn)為透明膠帶更有利于樣本顆粒的視覺觀察與拉曼檢測。由此可見，顯微拉曼技術(shù)對痕量物證分析是一種極為有利的手段。

在實(shí)際毒品犯罪案例中，毒品不僅會殘留在犯罪嫌疑人的手上，還會殘存在其衣物及用于掩飾的包裝物上。Ali[2]32-33的科研團(tuán)隊(duì)自2008年以來，不斷致力于顯微拉曼對犯罪現(xiàn)場毒品痕量物證的分析研究，報(bào)道了顯微拉曼能夠快速檢測指甲中微量的鹽酸可卡因顆粒（5～20μm），采用785nm激發(fā)光源對減少指甲油熒光干擾具有良好效果，實(shí)驗(yàn)表明聚焦于樣品的不同深度，在指甲表面和指甲油涂層內(nèi)部均能獲取到可卡因的光譜信息。此外，通過顯微拉曼對天然纖維（羊毛、亞麻、棉纖維）和人工合成纖維中殘留毒品的檢測研究發(fā)現(xiàn)[17]213-214，由淺至深不同顏色、不同種類纖維本底均有各自拉曼特征峰，但不會與可卡因、苯丙胺、氯胺酮等毒品拉曼特征信號重疊，也不會受到纖維種類、紡織工藝、提取物證包裝等周圍物質(zhì)干擾，縱使對于嵌入纖維織物中的微量顆粒，通過90s的分析時(shí)間就能獲取分離效果好、信號水平強(qiáng)的拉曼特征信息，而經(jīng)成像技術(shù)設(shè)定采集區(qū)域可以更為清晰直觀地顯現(xiàn)樣本中含有的不同成分物質(zhì)[2]31-32。研究人員進(jìn)一步論證了顯微拉曼和便攜拉曼結(jié)合技術(shù)對沾染過可卡因、苯丙胺類毒品水（乙醇）溶液的纖維樣本快速無損檢測的可實(shí)踐性，顯微拉曼技術(shù)在機(jī)場鐵路安檢、重大活動安保、海關(guān)出入境檢查領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

4 表面增強(qiáng)拉曼（SERS）

表面增強(qiáng)拉曼光譜是指將待測物分子吸附在粗糙的納米金屬材料表面，可使待測物的拉曼信號增強(qiáng)的光譜現(xiàn)象。電磁場增強(qiáng)效應(yīng)與金屬納米粒子的大小和形狀，以及分子結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)，拉曼信號增強(qiáng)幅度可達(dá)到104～1010倍[24]；化學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)與金屬表面的成鍵及分子吸附取向密切相關(guān)，一般可提高拉曼信號101～103倍[25]。SERS技術(shù)自被發(fā)現(xiàn)[26]以來，學(xué)者們不斷在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)采用溶膠銀修飾的海洛因、可待因、可卡因和氫可酮樣本，拉曼信號增強(qiáng)且靈敏度更高，檢出限可達(dá)到0.2μg/mm2。Faulds[27]分別對溶膠銀和溶膠金兩種SERS技術(shù)檢測苯丙胺進(jìn)行比較研究中發(fā)現(xiàn)，溶膠納米金的化學(xué)穩(wěn)定性較好，檢出限更低，可達(dá)到10μmol/dm3。但是納米銀具有更強(qiáng)的表面等離子共振[28]，為了提高其穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，一方面Yang[29]等采用金屬基底如Au-Ag混合溶膠和亞穩(wěn)太納米銀顆粒提供穩(wěn)定的活化環(huán)境，Sulk[30]報(bào)道了2-巰基丙酸-納米銀半導(dǎo)體基底對苯丙胺和甲基苯丙胺的拉曼光譜檢出限為17～19ppm，Sanles[2]25開展了復(fù)合基底含單克隆抗體的鍍銀碳納米管對可卡因代謝物苯甲酰愛康寧分析研究，Stewart[31]等則研發(fā)了SAMs分子膜促進(jìn)溶膠銀對MDMA的吸附結(jié)合，減少了樣品對SERS的干擾提高檢測靈敏度；另一方面，研究人員通過樣品的簡單處理以改進(jìn)SERS技術(shù)的檢測能力，如將含有溶膠銀和1mol/mL的NaCl溶液涂在布苯丙胺（DOB）藥片上進(jìn)行拉曼檢測，特征強(qiáng)峰在706cm-1，檢出限達(dá)15ppm[1]6，而經(jīng)乙腈洗脫優(yōu)化處理后，SERS檢測可卡因、海洛因、苯丙胺檢出限低至1ppm[32]。

體液中的毒品檢測因基質(zhì)成分復(fù)雜，待測物含量低，傳統(tǒng)拉曼光譜信噪比低，成為拉曼光譜在毒品檢測領(lǐng)域受限的難點(diǎn)問題。而SERS作為一種較為理想的痕量分析技術(shù)，有能力實(shí)現(xiàn)對納米級乃至兆分之一級濃度樣本的毒品檢測[1]5-6。2000年，F(xiàn)arquharson[33]等就建立了尿液中微量藥物（如抗生素、鎮(zhèn)痛藥、巴比妥類）的SERS技術(shù)方法。而王磊[34]等運(yùn)用SERS與便攜拉曼結(jié)合技術(shù)，建立了金納米棒增強(qiáng)基底定性分析尿液中微量MET和MDMA的拉曼光譜法，孟娟[35]等借鑒采用了該方法并優(yōu)化條件，尿液先經(jīng)分離和純化處理后經(jīng)SERS分析，整個(gè)過程約3.5min，MET、MDMA、甲卡西酮的檢出限分別為1ppm、5ppm、0.1ppm，檢出限的差異可能由于不同毒品分子結(jié)構(gòu)，以及與基底表面作用差異造成的。由此可見，該方法靈敏、快速適用于吸毒人員尿液中苯丙胺類毒品的現(xiàn)場檢測。唾液作為非侵入性生物樣品，近年來成為法庭毒物分析的重要研究對象，Inscore[36]等在采集唾液的玻璃毛細(xì)管內(nèi)表附上Ag或Au納米涂層，實(shí)現(xiàn)了對唾液中苯丙胺、地西泮、美沙酮等的拉曼光譜分析。另有采用Au-SiO2納米粒子作為SERS活性基底，因其保護(hù)內(nèi)核金納米粒子的穩(wěn)定性且可循環(huán)使用而廣受歡迎，對唾液中可卡因的分析時(shí)間不到10min，可卡因檢出限達(dá)50ppb[37]。固然對唾液的分析研究仍面臨諸多局限和難點(diǎn)，但據(jù)目前的相關(guān)研究表明[38]，SERS技術(shù)是檢測唾液中濫用藥物最為準(zhǔn)確靈敏的分析手段。

此外，為了滿足實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中的各種需求，基于SERS的新科技、新技術(shù)層出不窮，如微流控芯片SERS對藥物的在線監(jiān)測[2]33-35、溶劑可控傳感器SERS測定痕量毒品液體[39]、鍍金薄膜靜電提取痕量毒品殘留物[40]、紙質(zhì)增強(qiáng)基底自動采集現(xiàn)場痕量毒品殘留物等[41]。

5 空間位移拉曼（SORS）

背散射形式的傳統(tǒng)拉曼光譜只能探測樣品淺層信息，例如幾百微米厚的生物組織，即使是顯微拉曼也只能穿透透明的表層來探測底部。而新型SORS技術(shù)可以深入樣品若干毫米以分析不透明樣品的內(nèi)部信息，因而對如隱藏于各類包裝或者食物飲料等偽裝毒品的甄別具有獨(dú)特優(yōu)勢，Eliasson[1]2-5等研究發(fā)現(xiàn)，采集時(shí)間1s，就能檢出裝在玻璃瓶中朗姆酒內(nèi)含有的可卡因，檢出限為0.04mol/L。

SORS方法原理是在樣品表面離開激光照射點(diǎn)一定位移處收集拉曼信號，位移越大，所得拉曼信號中更深層次樣品的貢獻(xiàn)越多。熒光情況類似，因此SORS技術(shù)可以抑制樣品表層的干擾和熒光信號[1]3-6。Olds[42]等通過模擬海關(guān)郵政檢查和案發(fā)現(xiàn)場物證樣本的研究中證實(shí)了這一點(diǎn)，SORS能夠?qū)⒍鄬余]政包裹、塑料罩板包裝、信封、含有澄清液體的不透明塑料瓶這些復(fù)雜樣本分為若干層次采集光譜信息，消除來自表層的熒光信號背景，使隱含毒品的深層拉曼特征峰相對增強(qiáng)。在他們隨后的研究中[43]，充分利用SORS非侵入特點(diǎn)建立了不透明容器中混合濫用藥物的定量分析方法，采用多變化統(tǒng)計(jì)法計(jì)算預(yù)測誤差僅為3.8%。Matausek[44]在對棕色牛皮紙信封中隱藏毒品粉末的檢測中引入了逆SORS技術(shù)，該技術(shù)降低單位面積激光照明強(qiáng)度，可避免樣品過熱或者控制活體檢查劑量。Cletus[45]認(rèn)為基于逆SORS技術(shù)改進(jìn)的傳感器可以實(shí)現(xiàn)無接觸、抗熒光、在線監(jiān)測的技術(shù)能力。

SORS不但具有拉曼光譜的化學(xué)專屬性，而且還能提供樣品的深層信息，對現(xiàn)場快速篩查和邊關(guān)、港口、機(jī)場等安檢工作具有廣泛的應(yīng)用前景。

6 小結(jié)與展望

拉曼光譜技術(shù)在毒品檢測中不僅具有快速無損、無污染、非接觸、精細(xì)如“指紋”的分辨能力等特點(diǎn)，而且在保存證據(jù)原始性和證據(jù)鏈完整性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。為了滿足法庭科學(xué)應(yīng)用需求，新型拉曼技術(shù)結(jié)合便攜式拉曼儀的相關(guān)研究也越來越多，一方面提高檢測靈敏度，另一方面增加篩查機(jī)動性，我國自主研發(fā)的便攜拉曼毒品檢測儀[46]便在禁毒一線實(shí)戰(zhàn)中發(fā)揮著重要作用。

在拉曼技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展的同時(shí)仍然存在著一些難點(diǎn)問題，如目前的納米粒子制備技術(shù)還無法做到合成粒子大小、形狀及表面的規(guī)整度都保持完全一致[47]，大大影響了SERS 信號的重現(xiàn)性，對于不同的體系、不同的樣品在有無干擾的情況下是否可以得到穩(wěn)定、可靠的結(jié)果也有待進(jìn)一步研究，因而，定量分析還是SERS領(lǐng)域的一大難題。此外，雖然基于PCA和PLS的多變量統(tǒng)計(jì)法能夠滿足對含摻雜物混合毒品拉曼光譜與數(shù)據(jù)譜庫的匹配，但對于液態(tài)、指紋、纖維等較為復(fù)雜的樣本譜圖，或者SERS基底增強(qiáng)后導(dǎo)致位移峰位和強(qiáng)度的差異就容易出現(xiàn)與譜庫匹配率低、比對不上等問題，因此，如何優(yōu)化計(jì)算方法和校準(zhǔn)參數(shù)，建立科學(xué)合理、準(zhǔn)確可靠并且包容性強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理分析方法也成為國內(nèi)外學(xué)者的熱點(diǎn)研究方向。