傅里叶变换红外光谱仪和配备金刚石光窗的单次衰减全反射附件(PerkinElmer, Waltham, MA, USA)。 取研磨均匀的固体样品适量, 采用ATR附件采集全反射光谱。 光谱扫描范围4 000~650 cm^-1, 分辨率4 cm^-1, 扫描次数16。

红外图谱的采集和分析采用Spectrum操作软件(Ver.10.4, PerkinElmer)。 KnowItAll软件(Ver. 10.4, CAMO, Trondheim, Norway)用于主成分分析(principal component analysis, PCA)和簇类独立软模式(soft independent modeling of class analogy, SIMCA)的计算。

标准品甲基苯丙胺盐酸盐、 氯胺酮盐酸盐、 氯胺酮碱、 海洛因盐酸盐、 可卡因盐酸盐由国家毒品实验室制备; 海洛因碱和可卡因碱购自cerlliant公司。 异丙基苄胺、 吡拉西坦、 二甲基砜、 三苄胺、 巴比妥、 苯巴比妥、 茶碱、 地西泮、 对乙酰氨基酚、 非那西汀、 咖啡因、 盐酸普鲁卡因、 氢溴酸右美沙芬、 左旋咪唑盐酸盐、 烟酰胺、 乳糖、 蔗糖、 淀粉购自中国食品药品检定研究院(北京)或上海阿拉丁生化科技股份有限公司(上海)。 乙醇(分析纯)购自国药集团化学试剂有限公司。

共收集各地公安机关缴获的各类毒品样品和新精神活性物质(new psychoactive substances, NPS)样品1380份(表1), 用于方法建立和验证。 方法建立样品集/建模集包含516个样品, 含74个甲基苯丙胺盐酸盐、 167个氯胺酮盐酸盐、 4个氯胺酮碱、 153个海洛因盐酸盐、 28个海洛因碱、 54个可卡因盐酸盐、 36个可卡因碱样品。 方法验证样品集/验证集包含864个样品, 含289个甲基苯丙胺盐酸盐样品、 141个氯胺酮盐酸盐样品、 137个海洛因盐酸盐、 15个海洛因碱、 64个可卡因盐酸盐、 218种NPS样品。 方法建立和验证样品集中的毒品样品均覆盖了常见掺杂物及纯度范围。 各毒品样品的纯度采用液相色谱法测定。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 用于方法建立和验证的缴获样品 Table 1 The selected seized samples used for method development and validation Group Name Number of samples Purity /% Calibration sample set Methamphetamine HCl 74 6.5~99.4 Ketamine HCl 167 5.1~99.8 Ketamine base 4 32.1~80.8 Heroin HCl 153 3.8~87.3 Heroin base 28 6.8~77.0 Cocaine HCl 54 15.3~94.5 Cocaine base 36 30.9~92.3 Sum 516 - Validation sample set Methamphetamine HCl 289 12.0~99.9 Ketamine HCl 141 23.0~99.8 Heroin HCl 137 5.7~83.0 Heroin base 15 19.6~57.9 Cocaine HCl 64 16.5~95.9 NPS samples 218 - sum 864 -

表1 用于方法建立和验证的缴获样品 Table 1 The selected seized samples used for method development and validation

特征吸收峰法已被用于橡胶^[11]、 纺织纤维^[12]、 药品^[13]等领域, 并形成了定性鉴定分析标准。 孙素琴等^[13]提到: 在药物分析进行光谱比对时, 可参照原料药的对照光谱, 在指纹区选择3~5个不受辅料干扰的待测成分的特征吸收峰作为药品鉴别的依据。 经过大量实验和数据研究分析, 最终确定在各毒品标准品红外光谱图[图1(a— g)]的2 500~650 cm^-1波数范围内中分别选取5~8个相对吸收强度较高且不受常见掺杂物干扰的吸收峰作为其特征吸收峰。

图1

Fig.1

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	图1 不同类型毒品的红外光谱图 (a): 甲基苯丙胺盐酸盐; (b): 氯胺酮盐酸盐; (c): 氯胺酮碱; (d): 海洛因盐酸盐; (e): 海洛因碱; (f): 可卡因盐酸盐; (g): 可卡因碱Fig.1 ATR-FTIR spectra for drug standards (a): Methamphetamine HCl; (b): Ketamine HCl; (c): Ketamine Base; (d): Heroin HCl; (e): Heroin Base; (f): Cocaine HCl; (g): Cocaine Base

各类毒品中常见掺杂物的种类是基于国家毒品实验室收集并分析的5 000余份缴获毒品样品的统计结果而确定的。 其中, 缴获甲基苯丙胺样品中常见掺杂物为二甲基砜、 异丙基苄胺、 蔗糖、 麻黄碱、 咖啡因; 缴获氯胺酮样品中常见掺杂物为烟酰胺、 二甲基砜、 咖啡因、 非那西汀、 阿司匹林; 缴获海洛因样品中常见掺杂物为吡拉西坦、 烟酰胺、 咖啡因、 对乙酰氨基酚、 右美沙芬; 缴获可卡因样品中常见掺杂物为非那西汀、 咖啡因、 左旋咪唑。

以海洛因盐酸盐为例, 其标准品红外光谱图中下面9个吸收峰具有较高吸收强度: 1 735, 1 446, 1 369, 1 177, 1 156, 1 131, 968, 910和873 cm^-1。 由于掺杂烟酰胺后对1 131 cm^-1峰产生干扰, 掺杂咖啡因后对968 cm^-1峰产生干扰, 掺杂对乙酰氨基酚后对1 446 cm^-1峰产生干扰, 掺杂右美沙芬后对873 cm^-1峰产生干扰(图2), 最终1 735, 1 369, 1 177, 1 156和910 cm^-1五个峰被选为海洛因盐酸盐的特征吸收峰。

图2

Fig.2

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	图2 海洛因盐酸盐与烟酰胺(a)、 海洛因盐酸盐与咖啡因(b)、 海洛因盐酸盐与扑热息痛(c)、 海洛因盐酸盐与右美沙芬混合物(d)的红外光谱局部放大图Fig.2 Partial enlarged ATR-FTIR spectra for mixture of heroin HCl and nicotinamide (a), mixture of heroin HCl and caffeine (b), mixture of heroin HCl and paracetamol (c), and mixture of heroin HCl and dextromethorphan (d)

不同盐型毒品化合物的光谱图差异明显, 因此须选用不同的特征吸收峰。 表2列举了7种不同盐型毒品化合物的特征吸收峰及其归属。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 甲基苯丙胺、 氯胺酮、 海洛因和可卡因的红外光谱特征吸收峰及其归属 Table 2 The characteristic peaks and their ascription for methamphetamine, ketamine, heroin, and cocaine No. Name Characteristic peaks (cm-1) and their adscription 1 Methamphetamine HCl 2 460 (NH, m, stretching ), 1 454 (C— H, m, deformation), 1 386 (C— H, m, deformation), 1 192 (C— N, w, stretching), 1 046 (C— H, w, bending), 699 (Ring, s, bending) 2 Ketamine HCl 1 720 (C=O, s, stretching), 1 580 (NH2, m, deformation), 1 461 (C— H, m, deformation), 1 450 (C— H, m, deformation), 1 118 (C— N, m, stretching), 1 088 (C— N, m, stretching), 1 044 (C— H, m, bending), 772 (C— Cl, s, stretching) 3 Ketamine base 1 699 (C=O, s, stretching), 1 129 (C— H, m, bending), 1 035 (C— H, s, bending), 840 (C— H, m, deformation), 808 (C— H, m, deformation), 751 (C— Cl, s, stretching), 717 (C— Cl, s, stretching) 4 Heroin HCl 1 735 (C=O, s, stretching), 1 369 (C— H, m, deformation), 1 177 (C— O, s, stretching ), 1 156 (C— O— C, m, stretching), 910 (C— H, m, deformation) 5 Heroin base 1 738 (C=O, s, stretching), 1 448 (C— O, m, stretching), 1 367 (C— O, m, stretching ), 1 192 (C— O— C, s, stretching), 1 100 (C— O— C, m, stretching), 942 (C— H, w, deformation), 908 (C— H, w, deformation), 886 (C— H, w, deformation) 6 Cocaine HCl 1 728 (C=O, s, stretching), 1 712 (C=O, s, stretching), 1 300 (C— O— C, w, stretching), 1 266 (C— O, s, stretching), 1 231 (C— O, m, stretching), 1 208 (C— O, w, stretching), 1 107 (C— O— C, s, stretching), 730 (ring, s, bending) 7 Cocaine base 1 735 (C=O, s, stretching), 1 707 (C=O, s, stretching), 1 317 (C— N, m, stretching ), 1 228 (C— O, s, stretching), 1 148 (C— C, m, skeletal), 1 108 (C— O— C, s, stretching), 1 069 (C— H, m, bending), 1 037 (C— O— C, s, stretching) Note: s: Strong; m: Medium; w: Weak. The permissible range of the characteristic absorption wave numbers should be within ± 3 cm-1

表2 甲基苯丙胺、 氯胺酮、 海洛因和可卡因的红外光谱特征吸收峰及其归属 Table 2 The characteristic peaks and their ascription for methamphetamine, ketamine, heroin, and cocaine

为验证所确定的各毒品化合物特征吸收峰的专属性, 采用KnowItAll软件用峰检出法(不考虑峰的相对强度, 全部峰均要求检出, 峰位允许容差3 cm^-1)对表2所列的各毒品化合物的特征吸收峰进行了验证, 结果显示在包含28万种物质的谱库中均唯一检出相应的毒品化合物。

为验证所确定的特征吸收峰的适用性, 对646份各类毒品样品对应的特征吸收峰检出情况进行了考察(表3)。 其中634份样品检出相应毒品化合物的全部特征吸收峰, 12份样品检出了部分特征吸收峰。 这12份样品中对应目标毒品化合物的纯度均小于10%。 因此, 采用特征吸收峰法(全部特征吸收峰均检出)作为定性检出依据时, 阳性检出率为98.1%。 验证结果表明, 采用特征吸收峰作为判别依据, 专属性强、 适用范围宽、 定性结果准确可靠。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 特征吸收峰法和SIMCA法用于毒品样品定性鉴定结果 Table 3 The qualitative validation results for characteristic peak method and SIMCA classification method No. Name Sample number All of the characteristic peaks are detected Not all of the characteristic peaks are detected SIMCA model right classified samples SIMCA model unclassified samples 1 Methamphetamine HCl 286 3 277 12 2 Ketamine HCl 141 0 136 5 3 Heroin HCl 130 7 134 3 4 Heroin base 15 0 15 0 5 Cocaine HCl 62 2 54 10 6 NPS samples - - - 218 Sum 634 12 616 248

表3 特征吸收峰法和SIMCA法用于毒品样品定性鉴定结果 Table 3 The qualitative validation results for characteristic peak method and SIMCA classification method

SIMCA法是一种有监督的模式识别方法。 该方法是对训练集中每一类样本的量测数据矩阵分别进行主成分分析(PCA), 建立每一类的主成分分析数学模型, 然后在此基础上对未知样本进行分类, 即分别将该未知样本与各类样本的数学模型进行拟合, 以确定其属于哪一类或不属于任何一类^[14]。

由于毒品中常混合了多种掺杂物, 因此选用全波段光谱作为计算变量。 同时, 为了消除基线漂移和背景等干扰, 光谱数据在分析前先进行一阶求导(1st derivative)和标准正态变量变换(standard normal vitiate transformation, SNV)处理。

为了解各类毒品样品在主成分模型中的分布信息, 先将建模集中的各类样品(未包含4份氯胺酮碱样品)进行PCA分析, 得到主成分得分图(图3)。 从图3(a)中可以看出, 甲基苯丙胺和氯胺酮样品差异显著, 海洛因和可卡因样品则分布较近。 如果将海洛因和可卡因样品进行独立PCA分析, 不同盐型海洛因和可卡因样品均可得到很好的区分[图3(b)— (d)]。 PCA分析结果显示, 不同类型毒品的红外光谱存在较大差异, 同类毒品具有明显聚类效果。

图3

Fig.3

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图3 (a)甲基苯丙胺、 氯胺酮、 海洛因和可卡因样品的PCA得分图; (b)海洛因和可卡因样品的PCA得分图; (c)海洛因盐酸盐和海洛因碱样品的PCA得分图; (d)可卡因盐酸盐和可卡因碱样品的PCA得分图 MA: 甲基苯丙胺; K: 氯胺酮; C: 可卡因; H: 海洛因Fig.3 (a) The PCA scatter plot of methamphetamine, ketamine, heroin, and cocaine samples; (b) The PCA scatter plot of heroin and cocaine samples; (c) The PCA scatter plot of heroin HCl and heroin base samples; (d) The PCA scatter plot of cocaineHCl and cocaine base samples MA: Methamphetamine; K: Ketamine; C: Cocaine; H: Heroin

为建立SIMCA分类模型, 首先利用516个建模样品数据分别建立每一类毒品的主成分回归模型。 建模主成分数采用交叉验证法确定, 即选取预测残差平方和(prediction residual error sum of squares, PRESS)最小值时的主成分数为建模主成分数。 为验证建立SIMCA模型的分类效果, 将验证集中的864个样品加载至已建好的SIMCA模型中, 得到每个样品的分类结果(表3)。 分类结果中被正确分类的毒品样品数为616(真阳性率为95.4%), 被错误分类的毒品样品数为零(假阳性率为0%), 未被分类的毒品样品数为30(假阴性率为4.6%), 未被分类的NPS样品数为218(真阴性率为100%)。 所建立的SIMCA模型对于全部毒品样品的识别率为95.4%, 对于全部NPS样品的拒绝率为100%。 因此, 选用SIMCA法作为定性分类方法, 结果准确可靠。

综上所述, 特征吸收峰法和SIMCA法用于常见毒品的定性分析, 结果均准确可靠。 特征吸收峰法操作简单, 即使是没有红外光谱知识背景的一线民警在经过简单培训后也可掌握, 利于推广和普及; SIMCA法定性模型的建立需要收集大量有代表性的校正集样品和专业的数理统计软件, 推广和普及难度大。 综合考虑, 特征吸收峰法被选为检验鉴定技术规范《可疑物品中甲基苯丙胺、 海洛因、 可卡因、 氯胺酮定性分析-傅里叶变换红外光谱法》的定性判定依据, 该技术规范已由公安部禁毒局于2017年公布并实施。

采用特征吸收峰法作为定性判别依据时, 如样品中检出对应毒品化合物的全部特征吸收峰, 则可判定为阳性检出该化合物; 如未检出全部特征吸收峰(可能原因是样品中目标化合物含量较低、 晶型不一致等)不应出具阴性结论, 应继续采用其他检测方法对样品进行分析。