呼出气体中毒品及其代谢物检测方法的研究进展

徐静阳 ,赵 森 ,姚伟宣

(1.清华大学 基础工业训练中心,北京 100084;2.浙江省毒品防控技术研究重点实验室,浙江警察学院,杭州 310053)

毒品滥用现象呈现涉毒人员广、毒品种类多和新型毒品危害三大趋势,严重威胁民众身体健康、经济安全和社会稳定。目前,吸毒人员毒品检测技术的采样基质主要包括血液、尿液和毛发,相应的仪器分析手段成熟,检测灵敏度高。但是这些常规检测技术存在缺陷:由于嫌疑人维权意识增强、对犯罪证据的保护以及自身健康条件等原因,缉毒人员获取其血液、尿液或毛发样品的难度越来越大。而且,采取上述生物样本进行检测对操作人员、试验环境要求高,检测环节存在前处理程序繁琐、检测耗时长、成本高等问题,不利于开展现场快速检测。在毒品防控工作中,研发样本采集简便、检测灵敏度高、利于现场快检的毒品检测技术及相应装备是公安禁毒实战的迫切需求。

呼出气体中微量物质的标志性组分分析可以为人体生理、病理的研究和诊断提供重要信息,作为一种易于采集的检验基质受到医学界的广泛关注。呼出气采集便于操作,具有非侵入性,对检测对象无负担,可实施连续采样,有利于实行精准医疗。目前,各种呼出气体采集方法和仪器分析手段已在临床医学、环境健康、法庭科学等研究领域见诸报道[1-3]。尽管其中面向吸毒人员毒品检测的呼出气体分析非常有限,但已证实了其可行性[4],而且采样操作和检测程序均显示出显著优势。相比于尿液、血液、唾液和毛发等传统的毒品检验基质,呼出气体采样对检验对象的身体条件和生理条件没有特殊要求,可随时、连续、多次取样。

国内毒品防控的严峻形势迫切需要开发现场快速甄别吸毒人员的检测技术,系统研究以呼出气体为基质的毒品检测方法具有非常重要的实战意义。本工作针对呼出气体作为检测基质的特点以及该领域的国内外研究进展和主要技术路线,从检测技术所涉及的气体收集、分离和检测环节出发,重点讨论呼出气体中毒品标志物的收集、色谱-质谱联用技术、直接质谱检测技术、基于特异性反应的检测技术、电化学传感器检测技术和离子迁移谱技术在呼出气体毒品及其代谢物检测中的应用,并对呼出气体样本毒品检测快检技术及相应装备研发趋势进行了展望。

1 呼出气体中毒品标志物的收集

已知呼出气中含有高达3 000余种具有不同挥发性的化合物,主要包括气相的挥发性有机物和气溶胶中的非挥发性化合物,且受到环境气体、检测人员自身健康条件、口腔卫生等因素影响,构成了一个复杂的样本体系[5]。呼出气体样本采集策略主要包括吸附收集、气袋收集和呼吸凝析液收集,方法的选择取决于目标物的特点、定性定量检测要求等。

由于毒品及其代谢物具有低挥发性特点,呼出气体中毒品(或其代谢物)浓度水平极低,约在ng•L－1的量级,需要在采样时对目标物进行富集。而气体样本收集器主要基于采集呼吸凝析液,或利用吸附材料富集检测目标物。根据检测需求,采集方法往往选择或综合采用吸附收集、集气提取和冷凝收集等[6]。其中,吸附材料富集法利用静电吸附、固相萃取、固相微萃取等方法吸附收集含有目标分子的气溶胶颗粒物,然后使用有机溶剂洗脱,富集后的目标物通过质谱等手段检出。例如,COUCKE等[7]利用高分子驻极体膜材料吸附收集呼出气体中的四氢大麻酚(大麻毒品的主要精神活性物质),吸食一支大麻烟3 h后收集2～3 min的呼出气体,可检出四氢大麻酚的平均浓度水平达到每份样品1 479 pg,四氢大麻酚的代谢物则无检出。BECK等[8]利用固相萃取膜收集吸食大麻后1～12 h内的呼出气体,收集时间10 min,四氢大麻酚的检出量达到9.0～77.3 pg•min－1。

毒品或其代谢物的采集效率为后续检验程序的确定及最终的检验效果奠定了基础。研发高效、低成本的吸附材料和呼出气体采集器,可以支持呼出气体采集方法应用于日常巡检工作中的吸毒人员筛查;研发筛选高选择吸附性材料则可提高呼出气体中目标分子收集的选择性和灵敏度,简化前处理步骤,从而更好地对接光学、电化学等检测手段,有利于实现装备小型化、现场化[9]。

2 呼出气体基质中毒品及其代谢物的检测方法

2.1 色谱-质谱联用技术

色谱-质谱联用技术在定性定量分析方面的准确度使其通常作为决定性的检测手段,构成了各种常规基质检材中毒品检测的金标准。目前,吸毒人员呼出气体中毒品及其代谢物多采用气相色谱-串联质谱检测技术、液相色谱-串联质谱检测技术进行定性定量分析[10-13]。其中,液相色谱-串联质谱技术最为常用,可检测呼出气体中的低挥发性毒品及其代谢物组分,首先经气体收集(高分子滤膜捕获)、洗脱[14]、衍生化等操作进行预处理,之后经液相色谱分离、质谱检测。液相色谱分离的选择性好,质谱检测的灵敏度高,已有多篇文献[15-18]报道了关于呼出气体样本中苯丙胺类、阿片类、合成大麻类等新精神活性物质类毒品(或其代谢物)的检测。例如,LUO 等[17]建立了灵敏度达pg级乃至亚pg级的检测方法,在服用大麻15 min～3 h后的呼出气体中检出0.89～17.8 pg•L－1四氢大麻酚,检出量与基于血液样本的结果一致。ULLAH 等[18]采用液相色谱-质谱联用技术测定28种非挥发性毒品分析物的含量,并从戒毒人员呼出气体样品中检出了包括苯丙胺、甲基苯丙胺、二亚甲基苯丙胺、可待因、可卡因、哌甲酯、美沙酮、美沙酮代谢物、四氢大麻酚、阿普唑仑、氯硝西泮、7-氨基氯硝西泮在内的多种非挥发性毒品成分及相关代谢物,多数分析物的检出限达到pg级水平。

总体上,色谱-串联质谱检测技术的准确度高,可作为决定性的检测手段[19]。在呼出气体样本的毒品检测研究中,用于系统地对比研究和评价经人体代谢不同时间后血液、唾液、呼出气体等生物样本中毒品及其代谢物的检出情况[20-21],并作为一种标准方法用来评估其他新建检测方法的有效性。在毒品检验的实战应用中,该技术适合于执法人员通过吸附、集气或采集凝析液等方式取得呼出气体检测样本,然后带回实验室进行检验鉴定。但是,色谱-质谱设备体积、质量较大,检测耗时较长,需要专业人员进行操作和数据解析[22],该检验流程主要在物证鉴定实验室进行,不适用于在执法现场直接给出吸毒人员筛查结果[23]。

2.2 直接质谱检测技术

采用直接质谱检测技术有望在一定程度上解决色谱-质谱联用设备在毒品检测装备难以小型化和不便实时检测的问题[6]。例如,已有研究利用固相微萃取等手段采集呼出气体样本,然后使用实时直接质谱检测实现对其中的挥发性、非挥发性药物组分的检测[24],显示出直接质谱检测在呼出气体样本快速检测方面的应用潜力。与色谱-串联质谱技术相比,直接质谱检测技术减除了色谱分离步骤,通过采用顶空进样、膜进样等替代色谱分离步骤,结合选择离子流动管质谱(SIFT MS)、质子转移反应质谱(PTR MS)、二次电喷雾电离质谱(SESI MS)、萃取电喷雾电离质谱(EESI MS)、大气压化学电离质谱(APCI MS)等仪器[25]来进行毒品检测。KLEEBLATT 等[26]报道了直接热解吸光电离质谱法检出猪呼出气中麻醉药物异丙酚。BERCHTOLD 等[27]基于模拟呼气生成装置,使用APCI、EESI等离子化方法结合质谱设备检出模拟呼气中芬太尼等毒品。然而,目前直接质谱法测定真实呼出气体样本中的痕量(约ppq级)毒品分子仍难以达到。此外,质谱小型化仍面临质量、体积、能耗大等方面的问题[28]。开发可在接近大气压条件下使用的敞开式离子源质谱,将会进一步提高设备的可便携性,也有利于不同挥发性的毒品分子的检测[12,29]。

2.3 基于特异性反应的检测技术

基于特异性反应的痕量检测技术已被成功应用于尿液、唾液等生物样本中的毒品检测。检测试剂与目标分子发生特异性结合,反应产物再通过光谱法等检测手段进行定性定量分析。例如,纳米探针技术通过在检测试剂中引入显色基团,检测试剂与痕量的目标毒品分子发生抗原抗体反应,结合产物再通过光谱法检测[30]。又如,利用表面等离子共振技术检测抗原抗体反应的产物[31-32]。

基于特异性反应的呼出气体毒品检测已经在美国研发得到商业化产品,应用于大麻检测(可同步检测酒精和大麻)。检测原理是吸附收集气溶胶颗粒,四氢大麻酚与一种重氮盐检测试剂发生化学反应,反应产物在560 nm 激发波长下可通过检测荧光强度进行定量分析。该方法取气量在5 L 左右,可在数分钟内得到结果,检出限达到pg•L－1级。筛查短时间内发生的大麻服用行为可取得与液相色谱-质谱联用技术相符的检测结果。所留存气体样本还可用于后续的实验室质谱分析[33]。

基于特异性反应的检测技术具有检测快速、成本低的优势,而它的局限性主要在于单次检测的毒品种类有限。并且,该方法存在一定的假阳性,难以区分毒品的结构类似物,准确度不及色谱-串联质谱等仪器分析方法。因此,该技术路线主要适用于在公共场合进行特定毒品涉案人员的快速筛查。

2.4 电化学传感器检测技术

电化学传感器可以实现特定目标物的筛查,有利于设计小型化、便携的现场毒品快检装备。相较免疫法,其在非实验室条件下使用,灵敏度更高,受环境因素干扰更小。基于碳基材料的丝印电化学传感器、分子印迹聚合物电化学传感器、电化学免疫传感器等技术已被研究用于毒品快速检测,可以实现血液、唾液、尿液等生物样本中四氢大麻酚、可卡因、阿片类药物、安非他命和甲基苯丙胺、苯二氮类药物等常见毒品(或其代谢物)的检出[34-36]。

面向呼出气体基质中毒品检测的电化学传感器也有文献报道。HWANG 等[37]提出了一种基于富含半导体的单壁碳纳米管化学电阻的电化学方法,用于检测呼出气体中的四氢大麻酚,检出限达到0.163 ng,但是其采用人工制造的四氢大麻酚蒸气作为检测对象,相较之下,真实的呼出气成分更为复杂,有必要同步开展前置选择性吸附目标物的气体收集材料及其装置的研究。通过在气体样本采集中选用高选择性的吸附材料,以及通过修饰电极等方法提高现有电化学方法的选择性和灵敏度,将推动电化学传感器检测技术在毒品快检装置中的开发应用。

2.5 离子迁移谱技术

离子迁移谱技术适用于未知检测对象的检验鉴定,有望应用于开发针对气体样本的毒品快检装备。原理是通过将检测对象分子离子化,离子在电场中迁移,以气相离子迁移时间的差别来进行分离定性,可以分离、检测呼出气中的各种挥发性组分,特别适合挥发性有机化合物的痕量检测。对低挥发性物质,包括绝大多数毒品及其代谢物,利用前置热解析等技术进行前处理后亦可检测[38]。目前,国内外课题组都开展了基于离子迁移谱的痕量毒品检测研究[39]。利用该技术在气体样本中检测痕量毒品也有一些成功案例。加拿大Cannabix Technologies公司和美国佛罗里达大学联合开发了基于不对称场离子迁移谱(FAIMS)技术的大麻吸毒行为检测装备,其检测原理是通过收集呼出气体中的气溶胶颗粒,气化处理后经离子不对称场迁移谱检测。该装备既可以单独在现场使用,也可以与质谱串联使用,可检出人体吸食大麻2 h后呼出气体中的四氢大麻酚,还可同步实现可卡因、酒精等管制药品的检测[40]。此外,离子迁移谱技术还被报道检出大气环境样本中可卡因、二亚甲基双氧苯丙胺和其他安非他命类毒品分子,可以实现对制毒、滥用毒品等场所空间的气体样本检测和对毒品检验鉴定实验室环境空气污染情况的评估[41-42]。

离子迁移谱检测对象的适用范围广,可在大气压下工作,仪器的体积、质量相对较小,特别适合于现场检测装备的研发[43]。可以单独开发便携、小型化的检测器,也可连接在质谱检测器的前端,为质谱检测提供几乎专一的待检测离子,从而提高检测的选择性和灵敏度。在毒品检测方面,离子迁移谱技术可用于现场检测和快速筛查,还可以将采集样本带回实验室连接质谱,再做进一步分析测试,与毒品检验鉴定的标准方法衔接使用,具有很好的灵活性[44]。

3 呼出气体样本毒品检测快检技术及相应装备研发趋势

基于采样操作的显著优势和检测技术的不断发展,以呼出气体作为毒品及其代谢物的检验基质显示出巨大应用潜力。结合实战需求来看,正如呼气检测之于酒驾判定的重要应用价值,如能开发出呼出气体中毒品含量快速检测装备,将会非常有利于一线执法工作。目前,大麻类毒品检测方法的研究数量和多样性较高[45],已提出原型机的检测装备主要针对大麻毒品。根据我国毒品管控形势,冰毒、海洛因乃至新精神活性物质等其他毒品及其代谢物的检测问题值得关注与深入研究。

基于呼出气体基质的毒品检测装备开发需集成气体收集、预处理、毒品成分检测和数据分析几个模块。在检测技术路线的选择上,本工作所讨论的方法各有所长。其中,质谱技术是最为准确可靠的分析手段,基于特异性反应和电化学方法的检测手段有利于研发以特定成分筛查为目标的快检方法,离子迁移谱技术则具有小型化设备开发和未知毒品快速检测的巨大潜力。预处理技术在快检装备的开发中也具有至关重要的意义,研发获得具有高选择性的毒品吸附材料,可极大地提高光学、电化学等检测手段的灵敏度。此外,随着基于微流控技术和数学建模的人工嗅觉技术[46-47]不断突破灵敏度限制,也有望应用于呼出气体中的毒品检测。

在研发针对呼出气体基质的检测方法及相应装备时,应注意不同类型毒品服用方式和代谢途径的差异对检验结果的影响。对于通过口鼻吸入人体的毒品,采用呼出气体基质进行检测的可行性更高。而其他途径摄入的毒品,经由人体代谢循环后进入呼出气体中的毒品或其代谢物,由于浓度水平低、代谢时间长的问题,快检方法的适用性需结合药物代谢动力学做进一步研究[13]。此外,须注意不同毒品在呼出气基质中检出的时间窗口范围[48],及与尿液、血液等其他基质检测的比较。目前来看,呼出气能较好地反映较短时间内的吸毒行为。例如,吸食大麻3 h内可通过呼出气检出,而该时间段正好是大麻类毒品对人精神产生影响最显著的时间阶段。呼出气体检测还能对代谢快速、血液中停留时间短的毒品及其代谢物的检测提供有效手段[13]。为此,深入开展毒品代谢动力学研究,在此基础上分析不同类型毒品的检测时间窗口,对评估相关快检方法及其装备的实战应用价值十分关键。

4 结语

吸毒人员呼出气体基质中毒品检测的可行性已经得到证实,但是尚未系统开发形成适用于不同类型毒品的较为成熟的检测手段。毒品防控的严峻形势迫切需要现场快速甄别吸毒人员的检测技术,开发针对呼出气体样本的毒品检测方法具有非常重要的实战意义。通过全面解析呼出气体中毒品或其代谢物的标志性成分及其排出机制,可以为呼出气体样本应用于吸毒人员筛查奠定理论基础。通过从不同技术路线开发现场快速检验装备,将为在公共场合实现吸毒人员排查提供便捷有效的手段。