便携式拉曼光谱仪用于合成大麻素类物质快速定性分析探究

胡 爽, 刘翠梅, 贾 薇, 花镇东

1.北京警察学院，北京 102202 2.公安部禁毒情报技术中心毒品监测管控与禁毒关键技术公安部重点实验室，北京 100193

引 言

新精神活性物质(new psychoactive substances，NPS)更迭快、隐蔽性强、危害大、游离于管控之外，其制贩、走私和滥用问题日益突出，严重威胁着世界公共卫生秩序和人类健康[1-3]。合成大麻素是NPS中涵盖物质种类最多、滥用最为严重、更新换代最快的类别。截至2021年11月，联合国毒品和犯罪问题办公室(United Nations Office on Drugs and Crime, UNODC)统计各国发现的NPS已达1 100种，其中包含合成大麻素近300种[1]。合成大麻素类物质(synthetic cannabinoids, SCs)是人工合成的大麻素受体(cannabinoid receptor, CBR)激动剂，它与CB1R或CB2R结合，产生比天然大麻素更强的生理药理作用[4-5]。为应对日益严重的合成大麻素滥用问题，我国于2021年7月1日起，将合成大麻素类物质(图1)整类列入了《非药用麻醉药品和精神药品管控增补目录》[6]。

图1 我国整类列管的合成大麻素类物质结构通式

合成大麻素的常见检验方法主要有色谱法、液相色谱-质谱联用法、气相色谱-质谱联用法、核磁共振波谱法、红外光谱法、拉曼光谱法[7-12]。色谱法和色谱质谱联用法准确度和灵敏度高，但样品前处理繁琐，检测速度慢、成本高、无法用于现场快速检测。核磁共振波谱法设备昂贵、成本高，难以在基层禁毒检测部门普及。红外光谱法和拉曼光谱法相对于其他分析方法具有无需样品前处理、测样速度快、测试成本低、绿色环保，便携式的设备还可用于现场快速检验等优点[9-12]。目前尚未有系统研究拉曼光谱用于合成大麻素定性分析的文献报道。本研究拟通过对90种合成大麻素对照品拉曼光谱的分析，系统考察拉曼光谱对合成大麻素的整体区分能力；通过比较不同款手持式拉曼光谱仪对120份实际缴获合成大麻素样品的分析结果，探讨造成仪器性能差异的原因，从而为法庭科学实验室和一线民警正确应用拉曼光谱测试结果提供指导。

1 实验部分

1.1 仪器与方法

便携式拉曼光谱仪A，Enwave ProTT-EZRaman-A7拉曼光谱仪(美国恩威公司)，光谱采集波长范围1 900～250 cm-1，采样分辨率2 cm-1，激光波长785 nm，激光功率450 mW，CCD检测器温度-75 ℃，采集时间20～60 s，采集次数为1～3次。为保证谱峰的重现性，每隔3 h采用校准样品对光谱仪的峰位进行一次校准。

手持式拉曼光谱仪B，光谱采集波长范围3 200～150 cm-1，采样分辨率10～12 cm-1，激光采用温度控制的785 nm GaAs分布式布拉格反射器(DBR)二极管激光器，激光功率50 mW。采样时间和采样次数选用仪器默认设置。

手持式拉曼光谱仪C，采集波长范围2 000～200 cm-1，采样分辨率15 cm-1，激光波长830 nm，激光功率：475 mW。采样时间和采样次数选用仪器默认设置。

手持式拉曼光谱仪D，光谱采集波长范围3 000～200 cm-1，采样分辨率：5～9 cm-1，激光波长785 nm，激光功率为450 mW。采样时间和采样次数选用仪器默认设置。

手持式拉曼光谱仪E，光谱采集波长范围3 300～180 cm-1，采样分辨率8 cm-1，激光波长：785 nm，激光功率：480 mW。采样时间和采样次数选用仪器默认设置。

取适量研磨均匀的样品，装入1.5 mL透明玻璃进样瓶中，采集拉曼光谱。

1.2 合成大麻素对照品和样品

90种合成大麻素对照品由国家毒品实验室提供，纯度均大于98%，种类包括：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称、CAS号、结构式等信息详见《新精神活性物质分析手册红外光谱分册》[13]。

120份实际缴获合成大麻素样品由公安部禁毒情报技术中心国家毒品实验室提供，样品中所含合成大麻素种类通过气相色谱-质谱法分析确定。

1.3 数据分析

采用KnowItAll软件(Bio-Rad Laboratories, Inc)进行通用谱库的建立和谱库检索。谱库检索算法为相关性系数法(correlation)，相关性系数数值范围为1～100，0为完全不匹配，100为完全匹配。

2 结果与讨论

2.1 通用拉曼光谱库的建立

研究共测试了5款便携式拉曼光谱仪，其中ProTT-EZRaman-A7款拉曼光谱仪是一款整体性能介于台式拉曼和手持拉曼之间的便携式拉曼光谱仪，其他4款仪器均为手持式拉曼光谱仪。ProTT-EZRaman-A7拉曼光谱仪的分辨率最高(为2 cm-1)，因此选用该仪器采集90种合成大麻素对照品的拉曼光谱图(图2)，用于通用数据库的建立。由于不同品牌拉曼光谱仪间的数据格式互不兼容，因此选用了可兼容各类数据格式的KnowItAll软件建立通用拉曼光谱库。

图2 90种合成大麻素对照品的拉曼光谱

2.2 拉曼光谱对合成大麻素的整体区分能力

合成大麻素种类繁多，从结构上可分为酰基吲哚类、萘甲基吲哚类、萘甲酰基吡咯类、二苯并吡喃类、苯已基酚类、吲哚酰胺类、吲唑酰胺类等结构，并包含很多结构类似物。为考察拉曼光谱对于不同结构合成大麻素的整体区分能力，将90种合成大麻素对照品的拉曼光谱逐一进行谱库检索，谱库检索算法为相关性系数法。每种合成大麻素的第一匹配结果均为其本身，记录第二匹配结果的名称及其相关性系数。90种合成大麻素与其第二匹配化合物的相关性系数数值范围为47～95，其中数值最高的五组化合物见表1。

表1 5组合成大麻素结构类似物的结构式和相关性系数

AB-CHMINACA与ADB-CHMINACA的结构相差一个甲基，相关性系数为95(表1)，两者的拉曼谱图具有高度相似性(图3)。两个化合物主峰的峰位基本一致，主峰峰位偏差最大为5 cm-1。为确定差异谱峰峰位偏差阈值，需要考察光谱仪的谱峰重现性。连续6天采用ProTT-EZRaman-A7拉曼光谱仪测定ADB-CHMINACA样品。6日内ADB-CHMINACA的13个主峰(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)的谱峰偏差最大值为2 cm-1。因此，将2 cm-1作为ProTT-EZRaman-A7拉曼光谱仪谱峰存在差异的阈值。

图3 AB-CHMINACA与ADB-CHMINACA的拉曼光谱图

按照2 cm-1的谱峰差异阈值，AB-CHMINACA和ADB-CHMINACA仅有1 650/1 653 cm-1这一组峰存在显著性差异，因此，依靠拉曼光谱可以区分AB-CHMINACA和ADB-CHMINACA，但区分度较弱。

ADB-PINACA与5F-ADB-PINACA的结构相差一个氟原子，相关性系数为94(表1)，两者的拉曼谱图具有高度相似性(图4)。两个化合物主峰基本一致，按照2 cm-1的谱峰差异阈值，ADB-PINACA与5F-ADB-PINACA仅有1 216/1 223 cm-1这一组峰存在显著性差异。因此，依靠拉曼光谱可以区分ADB-PINACA与5F-ADB-PINACA，但区分度较弱。

图4 5F-ADB-PINACA与ADB-PINACA的拉曼光谱图

SDB-005与5F-SDB-005的结构差异为相差一个氟原子，相关性系数为92(表1)，两者的拉曼谱图具有高度相似性(图5)。两个化合物主峰基本一致，按照2 cm-1的谱峰差异阈值，两者仅有1 738/1 735 cm-1这一组峰存在显著性差异，因此依靠拉曼光谱可以区分SDB-005与5F-SDB-005，但区分度较弱。

图5 5F-SDB-005与SDB-005的拉曼光谱图

MDMB-4en-PINACA与5F-ADB的结构差异为N原子上分别为戊烯基和氟戊基，相关性系数为93(表1)，两者的拉曼光谱图具有高度相似性(图6)。两个化合物主峰基本一致。按照2 cm-1的谱峰差异阈值，MDMB-4en-PINACA与5F-ADB有1 668/1 665，1 307/1 317，773/776 cm-1这三组峰存在显著性差异。因此，依靠拉曼光谱可以区分MDMB-4en-PINACA与5F-ADB。

图6 MDMB-4en-PINACA与5F-ADB的拉曼光谱图

A-834, 735与5F-UR-144的结构差异为N原子上分别为甲基四氢吡喃基和氟戊基，相关性系数为92(表1)，两者的拉曼光谱图具有高度相似性(图7)。两个化合物主峰基本一致，按照2 cm-1的谱峰差异阈值，A-834, 735与5F-UR-144有1 528/1525，1 230/1 224，665/660 cm-1这三组峰存在显著性差异，因此依靠拉曼光谱可以区分A-834, 735与5F-UR-144。

图7 A-834, 735与5F-UR-144的拉曼光谱图

除上述5组合成大麻素外，其他80种合成大麻素的拉曼光谱均可与其结构类似物实现有效区分。因此，在不存在荧光干扰条件下，拉曼光谱可以区分所有合成大麻素，但对于部分结构相差一个甲基或氟原子的结构类似物区分度较差。

2.3 不同款手持式拉曼光谱仪分析实际缴获合成大麻素样品效果比较

手持式的便携式拉曼光谱仪在一线查缉现场配置较多，本研究选取了四款不同品牌型号的手持式拉曼光谱仪，对其分析实际缴获样品的性能差异进行了比较。采用四款仪器分别对120份实际缴获合成大麻素样品进行测定，选用已建立的包含90种合成大麻素的拉曼光谱库作为通用谱库，采用KnowItAll软件进行谱库检索，检索算法为相关性系数法，记录每张光谱的第一匹配结果，统计不同仪器第一匹配结果正确的样品数量。四款拉曼光谱仪的正确匹配率分别为71.7%，68.3%，46.7%和24.2%。

造成错误匹配结果的最主要原因是部分样品存在荧光干扰。拉曼光谱信号强度弱，约为激发光信号强度的10-8，常会受到背景荧光噪声干扰。荧光是通常由杂质、填充剂、赋形剂、切削剂产生，掩盖活性成分信号，影响拉曼光谱分析应用能力[14]。低荧光化合物可以使用基线校正算法减少背景荧光，但基线校正算法对于高荧光化合物仍然具有挑战性。同时检测同一种带有背景荧光的化合物，不同仪器的抗荧光干扰能力不同。例如对于缴获样AMB-CHMICA的检测，使用仪器B、C检测具有明显优势，而仪器D、E谱图无明显可见的特征峰，拉曼特征峰被掩盖(图8)。因此对于某些有弱荧光干扰的样品，其第一匹配结果可能为其结构类似物；而对于一些有强荧光干扰的样品，第一匹配结果可能完全错误。因此，对荧光效应的消除能力是造成不同拉曼光谱仪性能差异的主要因素。

仪器的分辨率是影响拉曼谱图质量的另一重要因素。不同仪器的探测器、光谱仪焦长、衍射光栅等不同，因此分辨率不同。仪器分辨率不同会导致轻微谱带展宽，特征峰的波数发生偏移，造成匹配结果产生差异。当光谱仪的分辨率高时，能显示出更多的拉曼精细结构。以AMB-CHMICA为例，五款拉曼光谱仪中只有一款拉曼光谱仪能够明显分辨出765/777 cm-1这组拉曼峰(图8)。合成大麻素中存在很多结构类似物，谱图的相似度极高，高分辨率的拉曼光谱仪有利于这些结构类似物的有效区分。

图8 不同款拉曼光谱仪测定AMB-CHMICA缴获样品的拉曼光谱图

综上所述，抗荧光干扰能力和分辨率差异是造成不同款拉曼光谱仪匹配结果差异的主要原因。采用拉曼光谱开展日常检测时，考虑到样品纯度不确定、潜在荧光干扰、谱库不完备等因素，拉曼光谱的匹配结果只能作为定性初筛使用。

2.4 拉曼光谱用于现场查缉存在问题探究

便携式拉曼光谱仪具有操作简单、测样速度快，可用于现场检测等优点，我国很多省市的一线查缉站点配备了便携式拉曼光谱仪，但由于经常出现错误匹配结果，造成基层民警对拉曼光谱的信任度大打折扣。拉曼光谱本身专属性强，每个化合物都具有独特的拉曼光谱特征，属于缴获毒品分析科学工作组(SWGDRUG)推荐的A类方法。现场查缉测样时，造成错误匹配结果的原因主要有两个，一个是光谱仪自带谱库不全，因此匹配结果可能是实际所含化合物的结构类似物；另一个原因是样品存在荧光干扰，当所用拉曼光谱仪难以有效消除样品的荧光干扰时，就会造成匹配结果的偏差。毒品和新精神活性物质种类繁多、更新换代频率快，因此一般的仪器厂商很难建立完备的谱图库。此外，由于不同品牌拉曼光谱仪采集的光谱数据格式差异大，互不兼容，因此难以建成可供各品牌拉曼光谱仪直接使用的通用拉曼光谱库。现有的商用拉曼光谱库必须依靠第三方软件，且价格昂贵，配备一套完备的管制毒品拉曼光谱库的价格可能会超过拉曼光谱仪本身的价格。这些因素制约了拉曼光谱仪在毒品查缉现场的应用。

3 结 论

不存在荧光干扰时，拉曼光谱可区分所有的合成大麻素，但对于部分结构相差一个甲基、卤素原子等的结构类似物区分度较差。考虑到实际缴获样品的纯度未知且可能存在荧光干扰，不同拉曼光谱仪的抗荧光干扰能力、分辨率及谱库完备程度均不同，因此，现阶段拉曼光谱的匹配结果只能作为定性初筛使用。拉曼光谱测得的“阳性”样品还需要采用红外、气相色谱质谱等方法进一步确认。

本研究考察的缴获样品均为固体粉末，纯度均较高。目前毒品市场上还出现了大量含有合成大麻素的植物和电子烟油制品，这些样品中合成大麻素的含量一般低于5%。对于这些样品，采用拉曼光谱仪检测时无法识别到合成大麻素的特征峰。未来可以尝试采用增强拉曼对低含量样品进行检测，但由于合成大麻素的种类繁多，且存在很多结构类似物，因此困难较大。

现阶段，抗荧光干扰能力弱、光谱数据库不完备、低含量样品无法检测是制约多数便携式拉曼光谱仪在毒品查缉现场广泛应用的主要原因。未来，各仪器厂商进一步优化便携式拉曼光谱仪的仪器性能，并采用标准化的数据格式；由国家层面建立完备的通用拉曼光谱数据库，并根据列管情况和滥用情况对数据库实行实时更新。这些举措将有利于便携式拉曼光谱仪在一线查缉站点的推广和应用，从而更好地服务于我国毒品、新精神活性物质的查缉和管控工作。