便攜式拉曼光譜儀用于合成大麻素類物質(zhì)快速定性分析探究

胡 爽, 劉翠梅, 賈 薇, 花鎮(zhèn)東

1.北京警察學院，北京 102202 2.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)更迭快、隱蔽性強、危害大、游離于管控之外，其制販、走私和濫用問題日益突出，嚴重威脅著世界公共衛(wèi)生秩序和人類健康[1-3]。合成大麻素是NPS中涵蓋物質(zhì)種類最多、濫用最為嚴重、更新?lián)Q代最快的類別。截至2021年11月，聯(lián)合國毒品和犯罪問題辦公室(United Nations Office on Drugs and Crime, UNODC)統(tǒng)計各國發(fā)現(xiàn)的NPS已達1 100種，其中包含合成大麻素近300種[1]。合成大麻素類物質(zhì)(synthetic cannabinoids, SCs)是人工合成的大麻素受體(cannabinoid receptor, CBR)激動劑，它與CB1R或CB2R結(jié)合，產(chǎn)生比天然大麻素更強的生理藥理作用[4-5]。為應對日益嚴重的合成大麻素濫用問題，我國于2021年7月1日起，將合成大麻素類物質(zhì)(圖1)整類列入了《非藥用麻醉藥品和精神藥品管控增補目錄》[6]。

圖1 我國整類列管的合成大麻素類物質(zhì)結(jié)構(gòu)通式

合成大麻素的常見檢驗方法主要有色譜法、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、核磁共振波譜法、紅外光譜法、拉曼光譜法[7-12]。色譜法和色譜質(zhì)譜聯(lián)用法準確度和靈敏度高，但樣品前處理繁瑣，檢測速度慢、成本高、無法用于現(xiàn)場快速檢測。核磁共振波譜法設(shè)備昂貴、成本高，難以在基層禁毒檢測部門普及。紅外光譜法和拉曼光譜法相對于其他分析方法具有無需樣品前處理、測樣速度快、測試成本低、綠色環(huán)保，便攜式的設(shè)備還可用于現(xiàn)場快速檢驗等優(yōu)點[9-12]。目前尚未有系統(tǒng)研究拉曼光譜用于合成大麻素定性分析的文獻報道。本研究擬通過對90種合成大麻素對照品拉曼光譜的分析，系統(tǒng)考察拉曼光譜對合成大麻素的整體區(qū)分能力；通過比較不同款手持式拉曼光譜儀對120份實際繳獲合成大麻素樣品的分析結(jié)果，探討造成儀器性能差異的原因，從而為法庭科學實驗室和一線民警正確應用拉曼光譜測試結(jié)果提供指導。

1 實驗部分

1.1 儀器與方法

便攜式拉曼光譜儀A，Enwave ProTT-EZRaman-A7拉曼光譜儀(美國恩威公司)，光譜采集波長范圍1 900～250 cm-1，采樣分辨率2 cm-1，激光波長785 nm，激光功率450 mW，CCD檢測器溫度-75 ℃，采集時間20～60 s，采集次數(shù)為1～3次。為保證譜峰的重現(xiàn)性，每隔3 h采用校準樣品對光譜儀的峰位進行一次校準。

手持式拉曼光譜儀B，光譜采集波長范圍3 200～150 cm-1，采樣分辨率10～12 cm-1，激光采用溫度控制的785 nm GaAs分布式布拉格反射器(DBR)二極管激光器，激光功率50 mW。采樣時間和采樣次數(shù)選用儀器默認設(shè)置。

手持式拉曼光譜儀C，采集波長范圍2 000～200 cm-1，采樣分辨率15 cm-1，激光波長830 nm，激光功率：475 mW。采樣時間和采樣次數(shù)選用儀器默認設(shè)置。

手持式拉曼光譜儀D，光譜采集波長范圍3 000～200 cm-1，采樣分辨率：5～9 cm-1，激光波長785 nm，激光功率為450 mW。采樣時間和采樣次數(shù)選用儀器默認設(shè)置。

手持式拉曼光譜儀E，光譜采集波長范圍3 300～180 cm-1，采樣分辨率8 cm-1，激光波長：785 nm，激光功率：480 mW。采樣時間和采樣次數(shù)選用儀器默認設(shè)置。

取適量研磨均勻的樣品，裝入1.5 mL透明玻璃進樣瓶中，采集拉曼光譜。

1.2 合成大麻素對照品和樣品

90種合成大麻素對照品由國家毒品實驗室提供，純度均大于98%，種類包括：JWH-007, JWH-018, JWH-073, JWH-081, JWH-210, JWH-250, JWH-370, AM-1220, AM-2233, MAM-2201, RCS-4, UR-144, 5F-UR-144, JWH-019, JWH-122, AM-694, PB-22, FUB-PB-22, 5F-PB-22, A-834, 735, A-796, 260, APICA, CB-13, STS-135, AB-CHMINACA, AB-PINACA, 5F-APINACA, PX-2, AM-1248, AB-FUBINACA, 5F-AMB, ADBICA, 5F-ABICA, 5F-ADBICA, 5F-AB-PINACA, ADB-PINACA, EAM-2201, APINACA, 5-Fluoropentyl-3-pyridinoylindole, 5F-AMP-P7AICA, 5F-ADB, 5F-ADB-PINACA, 5F-AMPPPCA, 5F-BEPIRAPIM HCl, 5F-QUP7AIC, AB-BICA, AB-FUBICA, ADB-BICA, ADB-BINACA, ADB-FUBICA, ADB-FUBINACA, AMPPPCA, APINACA-2H, FUB-JWH-018, BIM-018, 5Cl-AB-PINACA, AMB-FUBINACA, SDB-005, 5F-MN-18, ADB-CHMINACA, 3,5-AB-CHMFUPPYCA, FUB-APINACA, NM-2201, EG-018, EMB-FUBINACA, 5F-SDB-005, AMB-CHMICA, 5F-BTP7AIC, ADB-CHMICA, 5F-EDMB-PINACA, THJ-2201, SDB-006, 5F-MDMB-PICA, EG-2201, MDMB-CHMICA, CUMYL-THPINACA, JWH-203, MDMB-FUBINACA, 5F-APINAC, 5F-AP7AICA, JWH-307, MDMB-CHMINACA, FUB-144, AMB-FUBICA, 4F-MDMB-BUTINACA, 5F-MPP-PICA, 5F-CUMYL-PICA, 5F-CUMYL-P7AICA, MEP-FUBICA, MDMB-4en-PINACA。上述化合物的中英文名稱、CAS號、結(jié)構(gòu)式等信息詳見《新精神活性物質(zhì)分析手冊紅外光譜分冊》[13]。

120份實際繳獲合成大麻素樣品由公安部禁毒情報技術(shù)中心國家毒品實驗室提供，樣品中所含合成大麻素種類通過氣相色譜-質(zhì)譜法分析確定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用KnowItAll軟件(Bio-Rad Laboratories, Inc)進行通用譜庫的建立和譜庫檢索。譜庫檢索算法為相關(guān)性系數(shù)法(correlation)，相關(guān)性系數(shù)數(shù)值范圍為1～100，0為完全不匹配，100為完全匹配。

2 結(jié)果與討論

2.1 通用拉曼光譜庫的建立

研究共測試了5款便攜式拉曼光譜儀，其中ProTT-EZRaman-A7款拉曼光譜儀是一款整體性能介于臺式拉曼和手持拉曼之間的便攜式拉曼光譜儀，其他4款儀器均為手持式拉曼光譜儀。ProTT-EZRaman-A7拉曼光譜儀的分辨率最高(為2 cm-1)，因此選用該儀器采集90種合成大麻素對照品的拉曼光譜圖(圖2)，用于通用數(shù)據(jù)庫的建立。由于不同品牌拉曼光譜儀間的數(shù)據(jù)格式互不兼容，因此選用了可兼容各類數(shù)據(jù)格式的KnowItAll軟件建立通用拉曼光譜庫。

圖2 90種合成大麻素對照品的拉曼光譜

2.2 拉曼光譜對合成大麻素的整體區(qū)分能力

合成大麻素種類繁多，從結(jié)構(gòu)上可分為?；胚犷?、萘甲基吲哚類、萘甲酰基吡咯類、二苯并吡喃類、苯已基酚類、吲哚酰胺類、吲唑酰胺類等結(jié)構(gòu)，并包含很多結(jié)構(gòu)類似物。為考察拉曼光譜對于不同結(jié)構(gòu)合成大麻素的整體區(qū)分能力，將90種合成大麻素對照品的拉曼光譜逐一進行譜庫檢索，譜庫檢索算法為相關(guān)性系數(shù)法。每種合成大麻素的第一匹配結(jié)果均為其本身，記錄第二匹配結(jié)果的名稱及其相關(guān)性系數(shù)。90種合成大麻素與其第二匹配化合物的相關(guān)性系數(shù)數(shù)值范圍為47～95，其中數(shù)值最高的五組化合物見表1。

表1 5組合成大麻素結(jié)構(gòu)類似物的結(jié)構(gòu)式和相關(guān)性系數(shù)

AB-CHMINACA與ADB-CHMINACA的結(jié)構(gòu)相差一個甲基，相關(guān)性系數(shù)為95(表1)，兩者的拉曼譜圖具有高度相似性(圖3)。兩個化合物主峰的峰位基本一致，主峰峰位偏差最大為5 cm-1。為確定差異譜峰峰位偏差閾值，需要考察光譜儀的譜峰重現(xiàn)性。連續(xù)6天采用ProTT-EZRaman-A7拉曼光譜儀測定ADB-CHMINACA樣品。6日內(nèi)ADB-CHMINACA的13個主峰(777，1 004，1 032，1 137，1 225，1 357，1 377，1 407，1 445，1 468，1 531，1 573和1 653 cm-1)的譜峰偏差最大值為2 cm-1。因此，將2 cm-1作為ProTT-EZRaman-A7拉曼光譜儀譜峰存在差異的閾值。

圖3 AB-CHMINACA與ADB-CHMINACA的拉曼光譜圖

按照2 cm-1的譜峰差異閾值，AB-CHMINACA和ADB-CHMINACA僅有1 650/1 653 cm-1這一組峰存在顯著性差異，因此，依靠拉曼光譜可以區(qū)分AB-CHMINACA和ADB-CHMINACA，但區(qū)分度較弱。

ADB-PINACA與5F-ADB-PINACA的結(jié)構(gòu)相差一個氟原子，相關(guān)性系數(shù)為94(表1)，兩者的拉曼譜圖具有高度相似性(圖4)。兩個化合物主峰基本一致，按照2 cm-1的譜峰差異閾值，ADB-PINACA與5F-ADB-PINACA僅有1 216/1 223 cm-1這一組峰存在顯著性差異。因此，依靠拉曼光譜可以區(qū)分ADB-PINACA與5F-ADB-PINACA，但區(qū)分度較弱。

圖4 5F-ADB-PINACA與ADB-PINACA的拉曼光譜圖

SDB-005與5F-SDB-005的結(jié)構(gòu)差異為相差一個氟原子，相關(guān)性系數(shù)為92(表1)，兩者的拉曼譜圖具有高度相似性(圖5)。兩個化合物主峰基本一致，按照2 cm-1的譜峰差異閾值，兩者僅有1 738/1 735 cm-1這一組峰存在顯著性差異，因此依靠拉曼光譜可以區(qū)分SDB-005與5F-SDB-005，但區(qū)分度較弱。

圖5 5F-SDB-005與SDB-005的拉曼光譜圖

MDMB-4en-PINACA與5F-ADB的結(jié)構(gòu)差異為N原子上分別為戊烯基和氟戊基，相關(guān)性系數(shù)為93(表1)，兩者的拉曼光譜圖具有高度相似性(圖6)。兩個化合物主峰基本一致。按照2 cm-1的譜峰差異閾值，MDMB-4en-PINACA與5F-ADB有1 668/1 665，1 307/1 317，773/776 cm-1這三組峰存在顯著性差異。因此，依靠拉曼光譜可以區(qū)分MDMB-4en-PINACA與5F-ADB。

圖6 MDMB-4en-PINACA與5F-ADB的拉曼光譜圖

A-834, 735與5F-UR-144的結(jié)構(gòu)差異為N原子上分別為甲基四氫吡喃基和氟戊基，相關(guān)性系數(shù)為92(表1)，兩者的拉曼光譜圖具有高度相似性(圖7)。兩個化合物主峰基本一致，按照2 cm-1的譜峰差異閾值，A-834, 735與5F-UR-144有1 528/1525，1 230/1 224，665/660 cm-1這三組峰存在顯著性差異，因此依靠拉曼光譜可以區(qū)分A-834, 735與5F-UR-144。

圖7 A-834, 735與5F-UR-144的拉曼光譜圖

除上述5組合成大麻素外，其他80種合成大麻素的拉曼光譜均可與其結(jié)構(gòu)類似物實現(xiàn)有效區(qū)分。因此，在不存在熒光干擾條件下，拉曼光譜可以區(qū)分所有合成大麻素，但對于部分結(jié)構(gòu)相差一個甲基或氟原子的結(jié)構(gòu)類似物區(qū)分度較差。

2.3 不同款手持式拉曼光譜儀分析實際繳獲合成大麻素樣品效果比較

手持式的便攜式拉曼光譜儀在一線查緝現(xiàn)場配置較多，本研究選取了四款不同品牌型號的手持式拉曼光譜儀，對其分析實際繳獲樣品的性能差異進行了比較。采用四款儀器分別對120份實際繳獲合成大麻素樣品進行測定，選用已建立的包含90種合成大麻素的拉曼光譜庫作為通用譜庫，采用KnowItAll軟件進行譜庫檢索，檢索算法為相關(guān)性系數(shù)法，記錄每張光譜的第一匹配結(jié)果，統(tǒng)計不同儀器第一匹配結(jié)果正確的樣品數(shù)量。四款拉曼光譜儀的正確匹配率分別為71.7%，68.3%，46.7%和24.2%。

造成錯誤匹配結(jié)果的最主要原因是部分樣品存在熒光干擾。拉曼光譜信號強度弱，約為激發(fā)光信號強度的10-8，常會受到背景熒光噪聲干擾。熒光是通常由雜質(zhì)、填充劑、賦形劑、切削劑產(chǎn)生，掩蓋活性成分信號，影響拉曼光譜分析應用能力[14]。低熒光化合物可以使用基線校正算法減少背景熒光，但基線校正算法對于高熒光化合物仍然具有挑戰(zhàn)性。同時檢測同一種帶有背景熒光的化合物，不同儀器的抗熒光干擾能力不同。例如對于繳獲樣AMB-CHMICA的檢測，使用儀器B、C檢測具有明顯優(yōu)勢，而儀器D、E譜圖無明顯可見的特征峰，拉曼特征峰被掩蓋(圖8)。因此對于某些有弱熒光干擾的樣品，其第一匹配結(jié)果可能為其結(jié)構(gòu)類似物；而對于一些有強熒光干擾的樣品，第一匹配結(jié)果可能完全錯誤。因此，對熒光效應的消除能力是造成不同拉曼光譜儀性能差異的主要因素。

儀器的分辨率是影響拉曼譜圖質(zhì)量的另一重要因素。不同儀器的探測器、光譜儀焦長、衍射光柵等不同，因此分辨率不同。儀器分辨率不同會導致輕微譜帶展寬，特征峰的波數(shù)發(fā)生偏移，造成匹配結(jié)果產(chǎn)生差異。當光譜儀的分辨率高時，能顯示出更多的拉曼精細結(jié)構(gòu)。以AMB-CHMICA為例，五款拉曼光譜儀中只有一款拉曼光譜儀能夠明顯分辨出765/777 cm-1這組拉曼峰(圖8)。合成大麻素中存在很多結(jié)構(gòu)類似物，譜圖的相似度極高，高分辨率的拉曼光譜儀有利于這些結(jié)構(gòu)類似物的有效區(qū)分。

圖8 不同款拉曼光譜儀測定AMB-CHMICA繳獲樣品的拉曼光譜圖

綜上所述，抗熒光干擾能力和分辨率差異是造成不同款拉曼光譜儀匹配結(jié)果差異的主要原因。采用拉曼光譜開展日常檢測時，考慮到樣品純度不確定、潛在熒光干擾、譜庫不完備等因素，拉曼光譜的匹配結(jié)果只能作為定性初篩使用。

2.4 拉曼光譜用于現(xiàn)場查緝存在問題探究

便攜式拉曼光譜儀具有操作簡單、測樣速度快，可用于現(xiàn)場檢測等優(yōu)點，我國很多省市的一線查緝站點配備了便攜式拉曼光譜儀，但由于經(jīng)常出現(xiàn)錯誤匹配結(jié)果，造成基層民警對拉曼光譜的信任度大打折扣。拉曼光譜本身專屬性強，每個化合物都具有獨特的拉曼光譜特征，屬于繳獲毒品分析科學工作組(SWGDRUG)推薦的A類方法?，F(xiàn)場查緝測樣時，造成錯誤匹配結(jié)果的原因主要有兩個，一個是光譜儀自帶譜庫不全，因此匹配結(jié)果可能是實際所含化合物的結(jié)構(gòu)類似物；另一個原因是樣品存在熒光干擾，當所用拉曼光譜儀難以有效消除樣品的熒光干擾時，就會造成匹配結(jié)果的偏差。毒品和新精神活性物質(zhì)種類繁多、更新?lián)Q代頻率快，因此一般的儀器廠商很難建立完備的譜圖庫。此外，由于不同品牌拉曼光譜儀采集的光譜數(shù)據(jù)格式差異大，互不兼容，因此難以建成可供各品牌拉曼光譜儀直接使用的通用拉曼光譜庫?，F(xiàn)有的商用拉曼光譜庫必須依靠第三方軟件，且價格昂貴，配備一套完備的管制毒品拉曼光譜庫的價格可能會超過拉曼光譜儀本身的價格。這些因素制約了拉曼光譜儀在毒品查緝現(xiàn)場的應用。

3 結(jié) 論

不存在熒光干擾時，拉曼光譜可區(qū)分所有的合成大麻素，但對于部分結(jié)構(gòu)相差一個甲基、鹵素原子等的結(jié)構(gòu)類似物區(qū)分度較差。考慮到實際繳獲樣品的純度未知且可能存在熒光干擾，不同拉曼光譜儀的抗熒光干擾能力、分辨率及譜庫完備程度均不同，因此，現(xiàn)階段拉曼光譜的匹配結(jié)果只能作為定性初篩使用。拉曼光譜測得的“陽性”樣品還需要采用紅外、氣相色譜質(zhì)譜等方法進一步確認。

本研究考察的繳獲樣品均為固體粉末，純度均較高。目前毒品市場上還出現(xiàn)了大量含有合成大麻素的植物和電子煙油制品，這些樣品中合成大麻素的含量一般低于5%。對于這些樣品，采用拉曼光譜儀檢測時無法識別到合成大麻素的特征峰。未來可以嘗試采用增強拉曼對低含量樣品進行檢測，但由于合成大麻素的種類繁多，且存在很多結(jié)構(gòu)類似物，因此困難較大。

現(xiàn)階段，抗熒光干擾能力弱、光譜數(shù)據(jù)庫不完備、低含量樣品無法檢測是制約多數(shù)便攜式拉曼光譜儀在毒品查緝現(xiàn)場廣泛應用的主要原因。未來，各儀器廠商進一步優(yōu)化便攜式拉曼光譜儀的儀器性能，并采用標準化的數(shù)據(jù)格式；由國家層面建立完備的通用拉曼光譜數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)列管情況和濫用情況對數(shù)據(jù)庫實行實時更新。這些舉措將有利于便攜式拉曼光譜儀在一線查緝站點的推廣和應用，從而更好地服務(wù)于我國毒品、新精神活性物質(zhì)的查緝和管控工作。