紅外光譜用于新精神活性物質(zhì)快速定性分析

劉翠梅，韓 煜，賈 薇，花鎮(zhèn)東

公安部禁毒情報技術(shù)中心，毒品監(jiān)測管控與禁毒關(guān)鍵技術(shù)公安部重點實驗室，北京 100193

引 言

新精神活性物質(zhì)(new psychoactive substances，NPS)又被稱為策劃藥(designer drug)、毒品類似物(drug analogue)或合法興奮劑(legal highs)。 近年來，NPS問題呈高速發(fā)展蔓延態(tài)勢，新品種層出不窮，濫用形勢日趨嚴(yán)峻。 截至2018年年底，聯(lián)合國毒品和犯罪問題辦公室(UNODC)統(tǒng)計各國發(fā)現(xiàn)的NPS已達(dá)近千種，這一數(shù)量遠(yuǎn)超《1961年麻醉品單一公約》和《1971年精神藥品公約》附表管制的毒品數(shù)量，對公眾健康和社會安全造成了嚴(yán)重危害[1]。 UNODC按照化學(xué)結(jié)構(gòu)特點將新精神活性物質(zhì)分為合成大麻素類、合成卡西酮類、苯乙胺類、色胺類、苯環(huán)利定類、哌嗪類、氨基茚類、植物類和其他類等9個大類。 NPS品種繁多，從結(jié)構(gòu)上看，他們一部分是全新設(shè)計和篩選出來的，另一部分則是通過對已列管毒品進(jìn)行細(xì)微的結(jié)構(gòu)修飾而得到的，因此存在很多結(jié)構(gòu)類似物。 這些結(jié)構(gòu)類似物有的已被列入管制，有的尚未列入管制，如何對這些結(jié)構(gòu)類似物進(jìn)行準(zhǔn)確的定性分析，是相關(guān)案件偵辦的關(guān)鍵技術(shù)需求。

現(xiàn)有的NPS定性分析方法包括氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)、液相色譜-質(zhì)譜法(LC-MS)、紅外光譜法、拉曼光譜法和核磁共振波譜法(NMR)[2-4]。 GC-MS，LC-MS和NMR法準(zhǔn)確度高、但樣品前處理繁瑣、檢測速度慢、成本高、不能用于現(xiàn)場快速檢驗。 拉曼光譜測試速度快、可用于現(xiàn)場的快速檢驗，但易受到熒光干擾； 衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜法具有無需樣品前處理、測試速度快、檢測成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點，便攜式紅外光譜儀還可用于現(xiàn)場快速檢驗。 紅外光譜技術(shù)現(xiàn)已被廣泛用于毒品的篩查、分類與定性鑒定分析[5-9]，但其在NPS領(lǐng)域的應(yīng)用還僅限于輔助結(jié)構(gòu)鑒定和快速篩查分析[2, 10]，目前尚未有采用紅外光譜對NPS進(jìn)行定性鑒定分析的系統(tǒng)研究。 本研究分析了301種NPS對照品，深入分析了紅外光譜對各類NPS的區(qū)分能力，并對紅外光譜用于NPS定性鑒定的判定依據(jù)進(jìn)行了考察。

1 實驗部分

1.1 儀器與方法

Frontier傅里葉變換紅外光譜儀(PerkinElmer, Waltham, MA, USA)，配備金剛石光窗單次衰減全反射附件。 紅外圖譜的采集和分析采用Spectrum軟件(PerkinElmer)。 如未特別指明，文中的匹配度系數(shù)是指采用PerkinElmer Spectrum軟件的Correlation算法計算得到，匹配度系數(shù)的數(shù)值范圍為0～1，0為完全不相關(guān)，1為完全相關(guān)。

IRSpirit傅里葉變換紅外光譜儀(SHIMADZU，Kyoto, Japan)，配備金剛石光窗單次衰減全反射附件。 紅外圖譜的采集和分析采用IRsolution軟件(SHIMADZU)。

取研磨均勻的固體樣品適量，均勻地鋪展在ATR窗口的上表面，壓緊使緊密接觸，采集全反射光譜。 波數(shù)范圍4 000～650 cm-1，分辨率4 cm-1，采樣次數(shù)8次。 樣品的測定時間小于1 min。

1.2 NPS對照品

301種NPS對照品由公安部禁毒情報技術(shù)中心國家毒品實驗室提供，其中包括合成大麻素類100種、合成卡西酮類81種、苯乙胺類42種、色胺類9種、苯環(huán)利定類7種、哌嗪類5種、氨基茚類2種、其他類55種(含芬太尼類24種)。 301種NPS對照品的紅外光譜圖詳見《新精神活性物質(zhì)分析手冊 第二版 紅外光譜分冊》[1]。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜對于NPS結(jié)構(gòu)類似物的區(qū)分效果

2.1.1 烷基鏈上不同位置取代同分異構(gòu)體

α-PiHP與α-PHP、Ethylone與Dimethylone[圖1(a)]的結(jié)構(gòu)區(qū)別在于甲基的取代位置不同。 其紅外光譜圖的差異顯著[圖1(b)]，α-PiHP與α-PHP的匹配度系數(shù)為0.6，Dimethylone與Ethylone的匹配度系數(shù)為0.2。 因此可見，紅外光譜對于烷基鏈上不同位置取代的同分異構(gòu)體區(qū)別度高。

圖1 α-PiHP，α-PHP，Ethylone和Dimethylone的結(jié)構(gòu)式和紅外光譜圖Fig.1 Structures and ATR-FTIR spectra of α-PiHP, α-PHP, Ethylone, and Dimethylone

2.1.2 苯環(huán)上不同位置取代同分異構(gòu)體

在合成卡西酮和苯乙胺類NPS中存在大量苯環(huán)上不同位置取代的同分異構(gòu)體，如4-FA，3-FA，2-FA[圖2(a)]。 三個化合物紅外光譜圖的差異顯著[圖2(b)]，2-FA與3-FA的匹配度系數(shù)為0.1，3-FA與4-FA的匹配度系數(shù)為0.01，3-FA與4-FA的匹配度系數(shù)為0.2。

苯環(huán)上二取代化合物在680～860 cm-1具有顯著性的差異[11]，鄰二取代NPS在770～735 cm-1有一強吸收峰，間二取代NPS在810～680 cm-1有三個強吸收峰，對二取代NPS在860～800 cm-1有一個強吸收峰。 例如，鄰二取代的2-FA在757 cm-1，2-MMC在753 cm-1，2-FMC在765 cm-1，2-FMA在760 cm-1，2-MAPB在754 cm-1均有一強吸收峰； 間二取代的3-FA在797/746/690 cm-1，3-MMC在804/753/721 cm-1，3-FMC在810/760/730 cm-1，3-Cl-CA在804/777/734 cm-1，3-MEC在798/740/715 cm-1，3-CMC在806/733/711 cm-1均有三個強吸收峰； 對二取代的4-FA在848 cm-1，4-FMC在847 cm-1，4-Cl-CA在840 cm-1，4-MMC在832 cm-1，4-MEC在830 cm-1，4-FEC在844 cm-1，4-MEAPP在834 cm-1均有一個強吸收峰。

對于某些苯環(huán)上不同位置取代同分異構(gòu)體，因其分子結(jié)構(gòu)差別細(xì)微，其色譜質(zhì)譜行為相似，所以采用GC-MS和LC-MS難以區(qū)分，給檢驗鑒定造成困難[12]。 對于這類化合物可采用紅外光譜進(jìn)行分析，根據(jù)化合物在680～860 cm-1的出峰情況，確定取代基的取代位置。

圖2 4-FA，3-FA和2-FA的結(jié)構(gòu)式和紅外光譜圖Fig.2 Structures and ATR-FTIR spectra of 4-FA, 3-FA, and 2-FA

2.1.3 苯環(huán)上取代基不同結(jié)構(gòu)類似物

NPS中存在大量苯環(huán)上取代基不同的結(jié)構(gòu)類似物，例如2C-I-NBOMe，2C-B-NBOMe，2C-C-NBOMe，2C-E-NBOMe和2C-D-NBOMe這些2C-NBOMe系列化合物，其結(jié)構(gòu)差異在于苯環(huán)的4位分別存在碘原子、溴原子、氯原子、乙基、甲基取代基[圖3(a)]。 這5種化合物的紅外光譜圖差異顯著[圖3(b)]，化合物間兩兩匹配度系數(shù)均小于0.72。 因此可見，紅外光譜對于苯環(huán)上取代基不同的結(jié)構(gòu)類似物區(qū)分度高。

2.1.4 烷基鏈逐漸增長結(jié)構(gòu)類似物

α-PNP，α-POP，α-PHPP，α-PiHP，α-PHP，α-PVP，α-PBP和α-PPP同屬于吡咯烷基卡西酮類化合物，其結(jié)構(gòu)區(qū)別在于烷基鏈不斷加長。 從α-PPP到α-PNP，烷基鏈逐漸從甲基變?yōu)楦榛鵞圖4(a)]。 這7種化合物的紅外光譜圖見圖4(b)，由圖中可以看出，當(dāng)烷基鏈上碳原子數(shù)少于5時，各化合物的譜圖均有明顯的差異； 當(dāng)烷基鏈上碳原子數(shù)多于5時，各化合物譜圖間的相似性逐漸增強，其中α-PHPP與α-POP的匹配度系數(shù)為0.87、α-POP與α-PNP的匹配度系數(shù)為0.89、α-PHPP與α-PNP的匹配度系數(shù)為0.91。

圖3 2C-NBOMe系列化合物的結(jié)構(gòu)式和紅外光譜圖Fig.3 Structures and ATR-FTIR spectra of 2C-NBOMeserial compounds

圖4 α-PNP，α-POP，α-PHPP，α-PiHP，α-PHP，α-PVP，α-PBP和α-PPP的結(jié)構(gòu)式和紅外光譜圖

2.2 紅外光譜對NPS的整體區(qū)分能力

為整體考察紅外光譜對NPS的區(qū)分情況，首先建立了一個包含301種NPS對照品的紅外光譜庫，然后將每個化合物逐一進(jìn)行譜庫檢索，各化合物與其第二匹配化合物的匹配度系數(shù)統(tǒng)計直方圖見圖5。 匹配度系數(shù)最低值為0.25，最高值為0.93，匹配度系數(shù)低于0.90的化合物數(shù)量占比為97%。 這一結(jié)果證明紅外光譜對NPS化合物的整體區(qū)分能力非常高。

圖5 301種NPS化合物的第二匹配化合物匹配度系數(shù)值統(tǒng)計直方圖Fig.5 The histogram of the second matchingcoefficient value of 301 NPS compounds

匹配度系數(shù)高于0.90的有8組，涉及4對化合物，其中2C-T-2與2C-T-7的譜圖最為相似，匹配度系數(shù)為0.95； 其次為ADB-PINACA和5F-ADB-PINACA，匹配度系數(shù)為0.94； AB-CHMINACA與ADB-CHMINACA的匹配度系數(shù)為0.93； α-PHPP與α-PNP的匹配度系數(shù)為0.91。 這4對化合物整體結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜，且差異僅為一個甲基或鹵素原子[圖6(a)]，從而造成了光譜圖的相似性[圖6(b)]。 2C-T-2與2C-T-7的主要差異表現(xiàn)在1 256，1 237，823和751 cm-1處，ADB-PINACA和5F-ADB-PINACA的主要差異在1 181，1 174和1 066 cm-1處，AB-CHMINACA與ADB-CHMINACA的主要差異在1 397，1 132，825和814 cm-1處，α-PHPP與α-PNP的主要差異在于1 229，1 124，1 133，881和774 cm-1處，利用這些特征吸收峰可將各化合物相互區(qū)分。

圖6 α-PNP，α-PHPP，ADB-CHMINACA，AB-CHMINACA，5F-ADB-PINACA，ADB-PINACA，2C-T-7和2C-T-2的結(jié)構(gòu)式和紅外光譜圖

2.3 紅外光譜定性鑒定NPS的判定依據(jù)

2.3.1 匹配度系數(shù)法

匹配度系數(shù)法是譜庫檢索最常用的方法，操作簡單，但需要注意的是匹配度系數(shù)的計算結(jié)果由譜圖質(zhì)量、軟件、算法等多個因素決定，因此難以確定普適性的陽性檢出閾值。 本研究分別采用兩臺紅外光譜儀測定了2C-T-2/2C-T-7，ADB-PINACA/5F-ADB-PINACA，α-PHPP/α-PNP和AB-CHMINACA/ADB-CHMINACA這四組紅外光譜譜圖最為相似的結(jié)構(gòu)類似物，對不同譜圖、軟件、算法的匹配度系數(shù)計算結(jié)果進(jìn)行了比較，詳見表1。 以2C-T-2/2C-T-7為例，計算得到的匹配度系數(shù)范圍為0.77～0.99； 即使均選用Correlation算法，采用不同譜圖和軟件計算的結(jié)果分別為0.95和0.98，有較大差異。 因此，由于難以確定普適性的陽性檢出閾值，匹配度系數(shù)法只能用于定性結(jié)果初篩。

表1 不同儀器和算法匹配度系數(shù)比較Table 1 Comparison of similarity coefficients by using different instruments and algorithms

表2 結(jié)構(gòu)類似物特征吸收峰Table 2 Characteristic peaks of structural analogues

2.3.2 特征吸收峰法

特征吸收峰法已被選作紅外光譜法的定性判定依據(jù)，用于毒品的快速定性鑒定分析[9]。 經(jīng)過大量實驗驗證，最終將NPS陽性判定特征吸收峰的選取原則確定為： 一般情況下，在其對照品紅外光譜圖的2 500～650 cm-1范圍內(nèi)選取8個相對強度較高的吸收峰作為特征吸收峰； 針對某些結(jié)構(gòu)類似物，需選取一些強度較低、但能將它與其類似物區(qū)分開的吸收峰作為特征吸收峰。 2C-T-2與2C-T-7，ADB-PINACA與5F-ADB-PINACA，α-PHPP與α-PNP，AB-CHMINACA與ADB-CHMINACA這四組結(jié)構(gòu)類似物的特征吸收峰見表2。 根據(jù)上述原則，最終確定了我國已列管168種NPS的特征吸收峰，并將所有特征吸收峰均檢出作為陽性判定依據(jù)，相關(guān)內(nèi)容已形成了公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《法庭科學(xué) 疑似毒品中2-氟苯丙胺等168種新精神活性物質(zhì)檢驗 氣相色譜-質(zhì)譜、紅外光譜和液相色譜法》。

3 結(jié) 論

分析了合成大麻素類、合成卡西酮類、苯乙胺類、色胺類、苯環(huán)利定類、哌嗪類、氨基茚類、其他類共計301種NPS對照品的紅外光譜，考察了紅外光譜對各類NPS的整體區(qū)分能力，并對紅外光譜法定性鑒定NPS的判定依據(jù)進(jìn)行了比較。 結(jié)果表明，紅外光譜可實現(xiàn)對所有NPS的區(qū)分，其中對于97%的NPS紅外光譜區(qū)分度高，包括烷基鏈上不同位置取代、苯環(huán)上不同位置取代、苯環(huán)上不同取代基取代等NPS結(jié)構(gòu)類似物。 對于某些差異僅為一個甲基或鹵素原子的NPS類似物，紅外光譜相似度高，但也可實現(xiàn)區(qū)分。 相比較于匹配度系數(shù)法，采用特征吸收峰法對NPS進(jìn)行定性鑒定，結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。 采用基于特征吸收峰的紅外光譜法對NPS進(jìn)行定性分析，將極大提高NPS定性檢驗的鑒定效率、降低檢驗鑒定成本。