城市生活污水中新精神活性物质的监测研究进展

原帅，骆如欣，向平

1.司法鉴定科学研究院 上海市法医学重点实验室 司法部司法鉴定重点实验室 上海市司法鉴定专业技术服务平台，上海 200063；2.沈阳药科大学药学院，辽宁 沈阳 110000

新精神活性物质（new psychoactive substance，NPS）是继传统毒品、合成毒品之后的第三代毒品，近年来其以惊人的速度在世界各地蔓延扩散。联合国毒品和犯罪问题办公室（United Nations Office on Drugs and Crime，UNODC）将NPS 定义为：未被联合国Single Convention on Narcotic Drugs（《麻醉品单一公约》）和Convention on Psychotropic Substances（《精神药物公约》）所管制，但具有滥用潜力并可以引起公共健康风险的精神活性物质[1]。UNODC 根据药理作用，将NPS分成阿片类、合成大麻素受体激动剂、兴奋剂、身心分离剂、经典致幻剂、镇静催眠剂和药理效应未知类七大类。实验室检测通常按照化学结构将NPS分为合成大麻素类、合成卡西酮类、苯乙胺类、色胺类、氨基茚满类、哌嗪类、氯胺酮及苯环利啶类、植物类和其他类[1]。

中国高度重视NPS 的管制工作，于2001 年管制氯胺酮，2010 年以来及时将国际社会反映突出的4-甲基甲卡西酮等13 种NPS 列入管制名单，2015 年增补116种NPS，2017年增补8种NPS，2018年又增补4-氯乙卡西酮等32 种NPS，2019 年5 月1 日起将芬太尼类物质整类列管。2021年7月，整类列管合成大麻素类物质，新增列管氟胺酮等18种NPS。至此，我国已列管188种NPS和整类芬太尼、整类合成大麻素物质。

与传统毒品相比，NPS 的毒性丝毫不逊于上两代，甚至更强，危害性极大。此外，部分毒贩为了逃避制裁，通过对经典毒品进行化学结构修饰，得到了与毒品相似或更强的NPS，这些物质尚未被列入管制名单，因此管控难度较大，而且随着互联网的快速发展，网络已经成为NPS 的主要交易渠道[2-3]。目前NPS 的监测已经成为我国禁毒防控体系中的重要组成部分。

当前NPS的监测主要是通过缴获的毒品、查获的吸毒人员、医疗信息、犯罪统计等数据估算而来[4-5]。但事实上，尚存在未缴获的毒品和未登记的吸毒人群，因此，无法准确确定真正吸毒的人数和毒品的使用量。而城市生活污水中毒品含量监测作为一项新兴技术，近年来得到国内外禁毒领域专家的认可，并开始应用于NPS 的监测。吸食NPS 后，NPS 及其代谢物主要通过尿液和粪便排泄。此外，地下制毒工厂中的废液亦可能直接倾倒。这些NPS及其代谢物、中间产物、分解产物最终进入排污系统，研究者可以通过监测生活污水中的NPS 及其代谢物来获得目标NPS 消费的总量及实时情况。与传统方法相比，污水分析成本低、耗时短、客观性强，可以反映不同类型NPS的实际消费量以及短时间内的消费趋势，同时对滥用发展趋势进行预测，对于打击毒品犯罪、服务和保障人民群众的人身安全以及维护社会稳定具有重要的意义。

本文就生活污水样品的采集、目标物稳定性研究、生活污水样品前处理、生活污水样品分析方法、目标NPS 消耗量计算以及实际监测应用等方面进行综述，以期进一步加强该项技术在我国的应用，并推广到更多的国家和地区。

1 生活污水样品的采集

生活污水样品的采集是污水分析的第一步，同时也是造成污水分析调查结果不确定性的主要因素之一。目前污水分析中采集的样品通常为24 h 混合样品，能反映一天的平均消费情况。生活污水样品的采集受天气及气候影响较大，雨雪等天气可能会导致污水收集系统流量增大，目标化合物浓度降低，增大分析的不确定性。因此，在生活污水样品的采集过程中应避开强降水和风暴等天气，防止溢流和目标物的损失。

当前常见的生活污水采样方式主要有连续采样法和非连续采样法[6-7]。连续采样法包括流量比例连续采样和恒量连续采样；非连续采样法包括时间比例采样、流量比例非连续采样、体积比例非连续采样以及随机抽取采样。不同的采样方式所使用的采样设备不同。ORT等[7]对不同的污水采样方式进行了比较和不确定性分析，结果表明，流量比例连续采样为最佳的采样方法。在采样的一天中，污水厂中的流量会随时间出现显著变化，因此，使用流量比例采样法可以准确地对每个子样本赋予采样权重，当其被组合成一个复合样本时，通过分析获得其平均浓度，消除了因每时段污水厂流量不同而导致的误差。此外，在一天的不同时段，污水厂中目标物的种类和浓度并非恒定，因此，使用连续采样法在很大程度上消除了因每时段污水中目标物种类和浓度不同而导致的误差，但连续采样法并不适用于长期监测。此外，使用流量比例连续采样法对采样设备要求较高，需使用配备流量控制器泵的在线自动取样仪。如果因某些原因不能使用流量比例连续采样法进行采样，则应在高采样频率下使用流量比例非连续采样。污水样品的取样量一般为1 L，但0.05～10 L 的取样量在文献中均有报道，具体采样体积应根据采样方法、当天的污水流量以及分析所需的量进行调整[8]。

而被动采样是一种尚未进行充分研究但极具发展潜力的采样方式[9]。被动采样器主要由吸附材料组成，其主要优点在于可以部署更长的时间，在这段时间内目标物被不断吸附在采样器上，故研究者不需要收集多个污水样品，具有经济实用的优势[10-11]。但是由于不同的目标物具有不同的吸收和扩散性质，因此，采样前应根据目标物性质选择合适的吸附材料，然后再将其部署在采样位置。

2 目标物稳定性研究

目标物的稳定性主要包括目标物在生活污水样品中的稳定性以及目标物在下水道环境中的稳定性。目前研究人员已经对部分NPS 在生活污水样品中的稳定性进行了研究，并取得了一定进展[12-16]。结果表明，对于已研究的大部分NPS，在-20 ℃的冷冻条件下更为稳定，且大部分目标物在酸性条件下更能保持稳定，如果样品不能酸化，建议在样品处理前冷藏（4 ℃）或冷冻（-20 ℃）不超过1周。

下水道被认为是一个生物和化学反应器，下水道内的氧浓度、pH 值、温度、流速和沉积物等均可能对NPS 的稳定性造成影响。此外，目标NPS 可能会在下水道内发生非生物或生物转化（如水解作用、生物降解等），并应考虑下水道壁上生物膜的影响[17-18]。KINYUA等[19]对3种卡西酮类NPS（亚甲基二氧吡咯戊酮、3，4-亚甲二氧基甲卡西酮和4-甲基甲卡西酮）和2 种苯乙胺类NPS（副甲氧基安非他明和4-甲氧基甲基苯丙胺）在下水道内的转化产物进行了研究。在该研究中，采用反应器模拟下水道环境，定期测量所有环境参数（pH 值、溶解氧、氧化还原电位、电导率、微量营养素），并加入从真实下水道中收集的生物膜，将目标物在反应器中孵育24 h，之后采用液相色谱-四极杆飞行时间质谱（liquid chromatography-quadrupole time-of-flight mass spectrometry，LC-QTOF-MS）进行分析。结果表明：对于3种卡西酮类NPS，共发现14种转化产物，包括β-酮基化、去甲基化、去乙基化、羟基化等多种产物；对于2种苯乙胺类NPS，共发现4种转化产物，均为去甲基化产物。上述研究结果表明，下水道环境对NPS的稳定性影响较大，但目前对NPS在下水道环境中的稳定性研究较少，相关研究需进一步加强。

3 生活污水样品前处理

绝大多数NPS 在生活污水中的浓度较低，均处于ng/L 水平，此外，生活污水中基质复杂，对检测干扰较大[20]，且不同样品间存在差异。因此，在进行分析之前，通常需要样品前处理步骤。目前，固相萃取（solid phase extraction，SPE）为最常用的生活污水前处理方法，表1 总结了部分研究中不同的SPE 程序，其中Oasis MCX 和Oasis HLB 固相萃取柱最常见。为了涵盖尽可能多的目标物，可以使用多种固相萃取柱进行连续的固相萃取。

表1 部分研究中不同NPS的固相萃取方法Tab.1 Different solid phase extraction methods of NPS in some studies

传统的固相萃取方法中样品的上样量通常较大（25～100 mL），而近年来仪器的发展为减少样品上样量提供了可能。LÓPEZ-GARCÍA 等[30]开发了一种基于在线固相萃取的生活污水中4 种NPS 的全自动分析方法。在该方法中，生活污水样品的上样量仅为5 mL，且目标NPS 定量限为2.6～10 ng/L，可以满足日常监测的需求。

此外，也有部分研究利用微流控液相来提高分析方法的灵敏度，从而减少生活污水样品的上样量。微流控液相色谱主要利用低流速提高电离效率，此外，电喷雾插管尺寸的减小也进一步提高了电离效率。CELMA等[31]开发了一种利用微流控液相色谱-串联质谱法同时测定生活污水中多种NPS的分析方法，该方法采用固相萃取为前处理方法，生活污水样品的上样量仅为5 mL，并且大部分物质的定量限在4～18 ng/L，可以满足日常监测的需求。

除固相萃取外，也有少数研究采用液液萃取的方法进行生活污水样品前处理。GONZÁLEZ-MARIÑO等[32]在测定生活污水中4 种合成大麻素类NPS 时，采用了液液萃取的方式进行样品前处理，其具体过程为：将20 mL 未过滤的水样用盐酸调至pH=2 左右，加入10 mLV正己烷∶V乙酸乙酯=1∶1 并涡旋30 s，之后将混合液离心2 min，取上清液并将其蒸发至0.2 mL。在该研究中，之所以选择液液萃取作为样品前处理方法，主要是因为与其他NPS相比，合成大麻素类NPS极性较小且具有亲脂性，更容易被生活污水内的悬浮颗粒物以及固相萃取柱表面吸附[33]，从而导致目标物的大量损失。因此，污水样品的前处理方法应结合目标物的具体性质来确定。

4 分析方法

目前生活污水中NPS 的分析主要包括定量监测和定性筛选两部分，表2 总结了部分文献中报道的分析方法。

表2 部分研究中不同的分析方法Tab.2 Different analysis methods in some studies

由于单个NPS 的使用率通常较低，NPS 在生活污水中的浓度远低于常规毒品（<10 ng/L）。因此，液相色谱-串联质谱法（liquid chromatography-tandem mass spectrometry，LC-MS/MS）是定量监测生活污水中目标NPS的可靠方法，其优点在于灵敏度高、稳定性好，结合其高扫描速度可以同时监测多种目标NPS。目前研究人员已利用LC-MS/MS 在污水样品中定量测定了卡西酮类、苯乙胺类、哌嗪类、合成大麻素类等多种NPS[14，22-24]。但是由于污水基质的复杂性，不同样品间基质差异很大，需要氘代内标才能得到准确的定量结果，而NPS样品缺乏氘代内标是污水定量检测的重要制约因素。此外，这种定量方法通常需要获取目标物的母离子、子离子、碰撞能量等一系列信息作为参考标准，并通过与标准品保留时间和离子强度比的匹配来进行鉴定和确认。考虑到NPS 的种类多样性以及流行短暂性，这种定量监测可能仅适用于有限数量和种类的NPS，因为当某种NPS 被纳入监测范围或者被添加至管制清单后，会从市场上消失。虽然LCMS/MS 的定量监测方法对某些灵敏度较差的NPS 必不可少，但还需其他分析方法加以补充，使其能够在没有参考标准的条件下进行快速、广泛的监测。

目前高分辨质谱（high resolution mass spectrome⁃try，HRMS）由于其独特的优势被广泛应用于新型涉毒药物案（事）件的鉴定及科学研究中，并逐渐应用于生活污水中滥用物质的分析，特别是NPS分析[19，28-29，41-42]。与低分辨质谱相比，HRMS 具有高通量、高分辨率、高特异性、精确分子质量、多种扫描和碎裂组合等特点[45]，是一种很有潜力的监测工具。此外，HRMS 是基于大型数据库的数据采集后对NPS进行定性筛查，可以在没有参考标准的情况下同时测定大量化合物[46]。但HRMS 也同时存在灵敏度较低的缺点，对于生活污水中部分浓度较低的NPS 难以做到有效筛查。同时，HRMS 的数据库中包含的信息受到参考标准的限制。当有参考标准时，可以获得包括碎片离子的精确质量、碰撞能量、保留时间等众多信息，而没有参考标准时，只能获得包含元素成分、精确质量和理论同位素模式等信息。需要注意的是，某些NPS的筛选可能受到样品前处理、色谱条件或电离效率的影响，因为当数据库中包含的NPS 种类较多时，通常不会对其进行方法上的优化[11]。因此，在污水样品的NPS 监测过程中，应将LC-MS/MS 和HRMS 有效结合，以期得到更为有效的监测结果。

5 NPS消耗量计算

污水处理厂进水中的NPS 浓度是由仪器测得的第一手数据，短期内，在外界条件（如降水量）无明显变化的情况下，同一区域不同时间的污水中NPS 浓度与该区域的滥用物质使用量成正比。然而，实际上不同区域的自然条件、生活习惯和污水收集方式都会有所差别，导致NPS 被“稀释”的倍数有所不同。因此，NPS浓度这一指标往往并不能直接用于评估不同城市间以及同一城市不同片区间的NPS 使用水平。为解决该问题，国际上引入了一个统一的标准化指标——负荷量[47]。

该公式中，污水处理厂覆盖人口是决定目标物负荷量的重要参数，其准确性对最终结果的确定有重要贡献，但其存在较大的不确定性。目前比较常见的污水厂服务人口估算方法包括设计容量法、污水流量法、污水特征标志法、人口普查法、生物标志物法等[48]。其中生物标志物是指经人身体代谢产生和排出体外的物质，利用生物标志物法估计的人口数量相对比较准确。适用于估算人口的生物标志物需满足以下条件：由人体代谢产生、数量满足检测要求、性质稳定、不易被吸附、分析方法稳定可靠、产生或消费量明确[49]。常用的生物标志物有多种[50]，包括肌酐、粪固醇、5-羟基吲哚乙酸、尼古丁及其代谢物、咖啡因及其代谢物、乙醇代谢物等。对某种NPS的消耗量进行推算时，必须选择一种或者几种该NPS 的目标分析物。理想的目标分析物是该NPS的主要代谢产物，且在污水中性质稳定，易于检测。计算公式[47]如下：

然而目前缺乏关于NPS 药代动力学实验以及排泄实验的相关数据，大部分研究均使用负荷量对目标NPS的使用情况进行比较，未对其消耗量做进一步推算。此外，由于缺少代谢的相关数据，在目前已进行的研究中通常使用目标物本身作为目标分析物，然而对于某些NPS，如合成大麻素类NPS，其人体代谢率很高[51-52]，这就导致污水中相应的母体化合物浓度水平非常低，从而影响监测结果的准确性。因此，对NPS代谢相关的研究亟须进一步加强。

6 实际监测应用

目前已有少量研究人员开始将污水分析应用于本国NPS 滥用情况的监测，并取得了一定的成果。BRANDEBUROVÁ 等[21]利用污水分析定量监测斯洛伐克30 种NPS 的使用情况，其中包括苯乙胺类、卡西酮类、合成大麻素类、色胺类等多类NPS，并在污水样品中检出5 种NPS，其中4 种是卡西酮类NPS（4-甲基甲卡西酮、甲卡西酮、1-苯基-2-甲氨基-1-丁酮和1-苯基-2-甲氨基-1-戊酮），1 种是苯乙胺类NPS（25-iP-NBOMe），这些物质中甲卡西酮的出现频率最高，其负荷量范围为0.1～0.5 mg·千人-1·d-1。GONZÁLEZMARIÑO 等[24]利用污水分析定量监测4 个欧洲国家（意大利、西班牙、挪威和英国）17 种卡西酮类NPS 的使用情况，在污水样品中共检出7 种卡西酮类NPS（4-甲基甲卡西酮、甲卡西酮、二甲基卡西酮、4-氟甲卡西酮、4-甲基乙卡西酮、3，4-亚甲二氧基乙卡西酮和亚甲基二氧吡咯戊酮），其中4-甲基甲卡西酮和甲卡西酮的出现频率最高，在上述4 个国家中，英国的NPS 消费量最高，其次是西班牙和意大利，而在挪威并未发现目标NPS消费，这与人口调查所得的欧洲各国NPS流行种类与数量相符合。BADE 等[41]对澳大利亚8个洲的首府城市及地区可能出现的约200种NPS进行筛选，在污水样品中共发现22 种NPS，其中卡西酮类NPS 出现频率最高，且甲卡西酮和1-苯基-2-（N-吡咯烷基）-1-戊酮在所有地区均有检出，此外还检测到了5 种合成大麻素类NPS。GAO 等[23]对中国18个主要城市中可能出现的5种NPS进行定量监测，其中包括2 种卡西酮类NPS（4-甲基甲卡西酮和亚甲基二氧吡咯戊酮），3 种哌嗪类NPS［苄基哌嗪、1-（3-三氟甲基苯基）哌嗪和1-（3-氯苯基）哌嗪］，其中苄基哌嗪在所有污水样品中均有检出，其负荷量范围为3～10 mg·千人-1·d-1，目前该研究中的5 种NPS 均已被列入我国的管控名单。O’ROURKE 等[22]利用污水分析对美国4 个社区内可能出现的40 种NPS 进行定量监测，其中包括合成大麻素类、卡西酮类、哌嗪类、芬太尼类等多类NPS，最终在污水样品中检出9 种NPS（3 种芬太尼类NPS、1 种合成大麻素类NPS、3 种卡西酮类NPS、2 种哌嗪类NPS），其中甲卡西酮的出现频率最高，在所有样品中均有检出，其次是2-甲基-1-（4-甲硫基苯基）-2-吗啉基-1-丙酮和1-（3-氯苯基）哌嗪，3种NPS的负荷量分别为（21.1±1.3）、（15.0±0.5）、（9.75±2.72）mg·千人-1·d-1。BIJLSMA 等[53]在葡萄牙、塞尔维亚和西班牙的3 个音乐节期间收集污水样品，对197 种NPS 进行筛选，并在污水样品中发现了10 种NPS（包括卡西酮类、色胺类、苯乙胺类、氯胺酮等多类NPS），值得注意的是，这些NPS 只在音乐节期间收集的污水样品中被发现。TSCHARKE 等[54]对南澳大利亚阿德莱德市可能出现的11 种NPS 进行定量监测（包括2 种哌嗪类NPS、5 种卡西酮类NPS、4 种苯乙胺类NPS），并在污水样品中检出了8种NPS。从上述研究可以看出，卡西酮类NPS 消费量较高，其中以甲卡西酮的出现频率最高。而在不同的国家和地区，其NPS 的流行种类具有较大差别。当前污水中NPS监测的研究主要集中于欧洲和澳大利亚，对其他地区研究则较少。考虑到近年来NPS 的种类和数量不断增加，利用污水分析监测NPS的滥用情况显得尤为重要，应进一步推广应用。

7 结论

本文从生活污水样品的采集、目标物稳定性研究、生活污水样品前处理、生活污水样品分析方法、目标NPS 消耗量计算以及实际监测应用等方面进行了综述，笔者认为，对于生活污水中NPS的监测，亟须解决的问题包括：（1）对各类NPS进行更全面、综合的体内外代谢规律研究，找出目标NPS合适的目标分析物及相应的排泄率；（2）对各类NPS 在下水道环境中的稳定性进行系统研究，获得准确的稳定性数据；（3）开发更多的样品前处理方法，以满足不同类型NPS的分析要求，并利用仪器技术、新型材料的发展简化前处理步骤；（4）针对NPS在生活污水中浓度低、种类多样以及流行短暂的特点，在分析过程中将LC-MS/MS 和HRMS有效结合，以期得到更为有效的监测结果。

总体而言，污水分析法作为一种客观、实时、准确、便捷、有效的毒情监测方法，近年来逐渐被应用于NPS 的监测，可以反映不同类型NPS 的实际消费量以及短时间内的消费趋势，同时可对其使用发展趋势进行预测，对于打击NPS 犯罪、服务和保障人民群众的人身安全和维护社会稳定有着重要的意义，是一种极具潜力的监测方法，应进一步加强在我国的应用，并推广到更多的国家和地区。