引用本文
刘翠梅, 韩煜, 贾薇, 花镇东. 红外光谱用于新精神活性物质快速定性分析[J]. 光谱学与光谱分析, 2020,40(12): 3925-3929.
LIU Cui-mei, HAN Yu, JIA Wei, HUA Zhen-dong. Rapid Qualitative Analysis of New Psychoactive Substances by Infrared Spectroscopy[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2020,40(12): 3925-3929.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3925-05  
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红外光谱用于新精神活性物质快速定性分析
刘翠梅, 韩煜, 贾薇, 花镇东
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

作者简介: 刘翠梅, 1983年生, 公安部禁毒情报技术中心副研究员 e-mail: liucuimei8258@163.com

收稿日期: 2019-09-17 修回日期: 2020-01-12
基金: 国家重点研发计划项目(2016YFC0800903)资助
摘要

分析了301种新精神活性物质(NPS)对照品的红外光谱, 其中包括合成大麻素类100种、 合成卡西酮类81种、 苯乙胺类42种、 色胺类9种、 苯环利定类7种、 哌嗪类5种、 氨基茚类2种、 其他类55种(含芬太尼类24种)。 考察了红外光谱对NPS的整体区分能力以及红外光谱法定性鉴定NPS的判定依据。 研究结果表明, 红外光谱可实现对所有NPS的区分。 对于97%的NPS具有较高的区分度, 其中包括了烷基链上不同位置取代、 苯环上不同位置取代、 苯环上不同取代基取代等NPS结构类似物; 某些差异仅为一个甲基或卤素原子的NPS类似物红外光谱相似度高, 但也可实现区分。 匹配度系数法是谱库检索最常用的方法, 操作简单, 但匹配度系数的计算结果由谱图质量、 软件、 算法等多个因素决定, 因此难以确定普适性的阳性检出阈值。 相比较于匹配度系数法, 采用特征吸收峰法对NPS进行定性鉴定, 结果更加准确可靠。 一般情况下, 在其对照品红外光谱图的2 500~650 cm-1范围内选取8个相对强度较高的吸收峰作为特征吸收峰; 针对某些结构类似物, 需选取一些强度较低、 但能将它与其类似物区分开的吸收峰作为特征吸收峰。 只有当所有特征吸收峰均检出时, 才能给出阳性检出结论。 根据上述原则, 确定了我国已列管168种NPS的特征吸收峰, 并制定了公共安全行业标准《法庭科学 疑似毒品中2-氟苯丙胺等168种新精神活性物质检验 气相色谱-质谱、 红外光谱和液相色谱法》。 采用基于特征吸收峰的红外光谱法对NPS进行快速定性分析, 将极大提高NPS定性检验的鉴定效率、 降低鉴定成本。

关键词: 傅里叶变换红外光谱; 新精神活性物质; 结构类似物; 匹配度系数法; 特征吸收峰法
中图分类号:O657.3 文献标志码:A
Rapid Qualitative Analysis of New Psychoactive Substances by Infrared Spectroscopy
LIU Cui-mei, HAN Yu, JIA Wei, HUA Zhen-dong
Key Laboratory of Drug Monitoring and Control, Drug Intelligence and Forensic Center, Ministry of Public Security, Beijing 100193, China
Abstract

In this study, the infrared spectra (IR) of 301 new psychoactive substances (NPS) reference substances, including 100 synthetic cannabinoids, 81 synthetic cathinone, 42 phenethylamines, 9 tryptamines, 5 piperazines, 7 phencyclidine-type substances, 2 aminoindanes, 55 other types, were analyzed. The discriminant ability of IR for NPS, especially for NPS structural analogues, was investigated. The result showed that IR could well distinguish all kinds of NPS, even for some analogues with high spectrum similarity. IR has a high discrimination ability for 97% NPS, including alkyl chain-substituted regioisomers, ring-substituted regioisomers, different benzene ring disubstituted analogues, etc. The matching coefficient method is commonly used for spectral library search. The calculated matching coefficient value depends on several factors such as the quality of spectrum, software, algorithm, etc., so it is difficult to determine a universal threshold for positive detection. Therefore, the matching coefficient method can be only used for preliminary screening. Compared with the matching coefficient method, the characteristic peak method is more accurate and reliable for qualitative identification. Generally, eight absorption peaks with relatively high intensity in the range of 2 500~650 cm-1 are selected as characteristic peaks, but for some NPS structural analogues with similar spectra, it is necessary to select some low intensity but distinguishable peaks as characteristic absorption peaks. Only when all the characteristic absorption peaks are detected can the positive detection be concluded. According to this principle, characteristic absorption peaks of 168 regulated NPS were determined, and formed the IR method part of the industry standard “Forensic sciences—Examination methods for 168 new psychoactive substances including 2-FA in suspected drugs—GC-MS, IR and LC”. The rapid qualitative analysis of NPS by infrared spectroscopy based on a characteristic peak method will greatly improve the efficiency and reduce the cost of NPS qualitative identification analysis.

Keyword: Infrared spectroscopy; New psychoactive substances; Structural analogues; Matching coefficient value; Characteristic peak method
引言

新精神活性物质(new psychoactive substances, NPS)又被称为策划药(designer drug)、 毒品类似物(drug analogue)或合法兴奋剂(legal highs)。 近年来, NPS问题呈高速发展蔓延态势, 新品种层出不穷, 滥用形势日趋严峻。 截至2018年年底, 联合国毒品和犯罪问题办公室(UNODC)统计各国发现的NPS已达近千种, 这一数量远超《1961年麻醉品单一公约》和《1971年精神药品公约》附表管制的毒品数量, 对公众健康和社会安全造成了严重危害[1]。 UNODC按照化学结构特点将新精神活性物质分为合成大麻素类、 合成卡西酮类、 苯乙胺类、 色胺类、 苯环利定类、 哌嗪类、 氨基茚类、 植物类和其他类等9个大类。 NPS品种繁多, 从结构上看, 他们一部分是全新设计和筛选出来的, 另一部分则是通过对已列管毒品进行细微的结构修饰而得到的, 因此存在很多结构类似物。 这些结构类似物有的已被列入管制, 有的尚未列入管制, 如何对这些结构类似物进行准确的定性分析, 是相关案件侦办的关键技术需求。

现有的NPS定性分析方法包括气相色谱-质谱法(GC-MS)、 液相色谱-质谱法(LC-MS)、 红外光谱法、 拉曼光谱法和核磁共振波谱法(NMR)[2, 3, 4]。 GC-MS, LC-MS和NMR法准确度高、 但样品前处理繁琐、 检测速度慢、 成本高、 不能用于现场快速检验。 拉曼光谱测试速度快、 可用于现场的快速检验, 但易受到荧光干扰; 衰减全反射-傅里叶变换红外光谱法具有无需样品前处理、 测试速度快、 检测成本低、 绿色环保等优点, 便携式红外光谱仪还可用于现场快速检验。 红外光谱技术现已被广泛用于毒品的筛查、 分类与定性鉴定分析[5, 6, 7, 8, 9], 但其在NPS领域的应用还仅限于辅助结构鉴定和快速筛查分析[2, 10], 目前尚未有采用红外光谱对NPS进行定性鉴定分析的系统研究。 本研究分析了301种NPS对照品, 深入分析了红外光谱对各类NPS的区分能力, 并对红外光谱用于NPS定性鉴定的判定依据进行了考察。

1 实验部分
1.1 仪器与方法

Frontier傅里叶变换红外光谱仪(PerkinElmer, Waltham, MA, USA), 配备金刚石光窗单次衰减全反射附件。 红外图谱的采集和分析采用Spectrum软件(PerkinElmer)。 如未特别指明, 文中的匹配度系数是指采用PerkinElmer Spectrum软件的Correlation算法计算得到, 匹配度系数的数值范围为0~1, 0为完全不相关, 1为完全相关。

IRSpirit傅里叶变换红外光谱仪(SHIMADZU, Kyoto, Japan), 配备金刚石光窗单次衰减全反射附件。 红外图谱的采集和分析采用IRsolution软件(SHIMADZU)。

取研磨均匀的固体样品适量, 均匀地铺展在ATR窗口的上表面, 压紧使紧密接触, 采集全反射光谱。 波数范围4 000~650 cm-1, 分辨率4 cm-1, 采样次数8次。 样品的测定时间小于1 min。

1.2 NPS对照品

301种NPS对照品由公安部禁毒情报技术中心国家毒品实验室提供, 其中包括合成大麻素类100种、 合成卡西酮类81种、 苯乙胺类42种、 色胺类9种、 苯环利定类7种、 哌嗪类5种、 氨基茚类2种、 其他类55种(含芬太尼类24种)。 301种NPS对照品的红外光谱图详见《新精神活性物质分析手册 第二版 红外光谱分册》[1]。

2 结果与讨论
2.1 红外光谱对于NPS结构类似物的区分效果

2.1.1 烷基链上不同位置取代同分异构体

α -PiHP与α -PHP、 Ethylone与Dimethylone[图1(a)]的结构区别在于甲基的取代位置不同。 其红外光谱图的差异显著[图1(b)], α -PiHP与α -PHP的匹配度系数为0.6, Dimethylone与Ethylone的匹配度系数为0.2。 因此可见, 红外光谱对于烷基链上不同位置取代的同分异构体区别度高。

图1 α -PiHP, α -PHP, Ethylone和Dimethylone的结构式和红外光谱图Fig.1 Structures and ATR-FTIR spectra of α -PiHP, α -PHP, Ethylone, and Dimethylone

2.1.2 苯环上不同位置取代同分异构体

在合成卡西酮和苯乙胺类NPS中存在大量苯环上不同位置取代的同分异构体, 如4-FA, 3-FA, 2-FA[图2(a)]。 三个化合物红外光谱图的差异显著[图2(b)], 2-FA与3-FA的匹配度系数为0.1, 3-FA与4-FA的匹配度系数为0.01, 3-FA与4-FA的匹配度系数为0.2。

图2 4-FA, 3-FA和2-FA的结构式和红外光谱图Fig.2 Structures and ATR-FTIR spectra of 4-FA, 3-FA, and 2-FA

苯环上二取代化合物在680~860 cm-1具有显著性的差异[11], 邻二取代NPS在770~735 cm-1有一强吸收峰, 间二取代NPS在810~680 cm-1有三个强吸收峰, 对二取代NPS在860~800 cm-1有一个强吸收峰。 例如, 邻二取代的2-FA在757 cm-1, 2-MMC在753 cm-1, 2-FMC在765 cm-1, 2-FMA在760 cm-1, 2-MAPB在754 cm-1均有一强吸收峰; 间二取代的3-FA在797/746/690 cm-1, 3-MMC在804/753/721 cm-1, 3-FMC在810/760/730 cm-1, 3-Cl-CA在804/777/734 cm-1, 3-MEC在798/740/715 cm-1, 3-CMC在806/733/711 cm-1均有三个强吸收峰; 对二取代的4-FA在848 cm-1, 4-FMC在847 cm-1, 4-Cl-CA在840 cm-1, 4-MMC在832 cm-1, 4-MEC在830 cm-1, 4-FEC在844 cm-1, 4-MEAPP在834 cm-1均有一个强吸收峰。

对于某些苯环上不同位置取代同分异构体, 因其分子结构差别细微, 其色谱质谱行为相似, 所以采用GC-MS和LC-MS难以区分, 给检验鉴定造成困难[12]。 对于这类化合物可采用红外光谱进行分析, 根据化合物在680~860 cm-1的出峰情况, 确定取代基的取代位置。

2.1.3 苯环上取代基不同结构类似物

NPS中存在大量苯环上取代基不同的结构类似物, 例如2C-I-NBOMe, 2C-B-NBOMe, 2C-C-NBOMe, 2C-E-NBOMe和2C-D-NBOMe这些2C-NBOMe系列化合物, 其结构差异在于苯环的4位分别存在碘原子、 溴原子、 氯原子、 乙基、 甲基取代基[图3(a)]。 这5种化合物的红外光谱图差异显著[图3(b)], 化合物间两两匹配度系数均小于0.72。 因此可见, 红外光谱对于苯环上取代基不同的结构类似物区分度高。

图3 2C-NBOMe系列化合物的结构式和红外光谱图Fig.3 Structures and ATR-FTIR spectra of 2C-NBOMe serial compounds

2.1.4 烷基链逐渐增长结构类似物

α -PNP, α -POP, α -PHPP, α -PiHP, α -PHP, α -PVP, α -PBP和α -PPP同属于吡咯烷基卡西酮类化合物, 其结构区别在于烷基链不断加长。 从α -PPP到α -PNP, 烷基链逐渐从甲基变为庚烷基[图4(a)]。 这7种化合物的红外光谱图见图4(b), 由图中可以看出, 当烷基链上碳原子数少于5时, 各化合物的谱图均有明显的差异; 当烷基链上碳原子数多于5时, 各化合物谱图间的相似性逐渐增强, 其中α -PHPP与α -POP的匹配度系数为0.87、 α -POP与α -PNP的匹配度系数为0.89、 α -PHPP与α -PNP的匹配度系数为0.91。

图4 α -PNP, α -POP, α -PHPP, α -PiHP, α -PHP, α -PVP, α -PBP和α -PPP的结构式和红外光谱图Fig.4 Structures and ATR-FTIR spectra of α -PPP, α -POP, α -PHPP, α -PiHP, α -PHP, α -PVP, α -PBP, and α -PPP

2.2 红外光谱对NPS的整体区分能力

为整体考察红外光谱对NPS的区分情况, 首先建立了一个包含301种NPS对照品的红外光谱库, 然后将每个化合物逐一进行谱库检索, 各化合物与其第二匹配化合物的匹配度系数统计直方图见图5。 匹配度系数最低值为0.25, 最高值为0.93, 匹配度系数低于0.90的化合物数量占比为97%。 这一结果证明红外光谱对NPS化合物的整体区分能力非常高。

图5 301种NPS化合物的第二匹配化合物匹配度系数值统计直方图Fig.5 The histogram of the second matching coefficient value of 301 NPS compounds

匹配度系数高于0.90的有8组, 涉及4对化合物, 其中2C-T-2与2C-T-7的谱图最为相似, 匹配度系数为0.95; 其次为ADB-PINACA和5F-ADB-PINACA, 匹配度系数为0.94; AB-CHMINACA与ADB-CHMINACA的匹配度系数为0.93; α -PHPP与α -PNP的匹配度系数为0.91。 这4对化合物整体结构均较为复杂, 且差异仅为一个甲基或卤素原子[图6(a)], 从而造成了光谱图的相似性[图6(b)]。 2C-T-2与2C-T-7的主要差异表现在1 256, 1 237, 823和751 cm-1处, ADB-PINACA和5F-ADB-PINACA的主要差异在1 181, 1 174和1 066 cm-1处, AB-CHMINACA与ADB-CHMINACA的主要差异在1 397, 1 132, 825和814 cm-1处, α -PHPP与α -PNP的主要差异在于1 229, 1 124, 1 133, 881和774 cm-1处, 利用这些特征吸收峰可将各化合物相互区分。

图6 α -PNP, α -PHPP, ADB-CHMINACA, AB-CHMINACA, 5F-ADB-PINACA, ADB-PINACA, 2C-T-7和2C-T-2的结构式和红外光谱图Fig.6 Structures and ATR-FTIR spectra of α -PNP, α -PHPP, ADB-CHMINACA, AB-CHMINACA, 5F-ADB-PINACA, ADB-PINACA, 2C-T-7, and 2C-T-2

2.3 红外光谱定性鉴定NPS的判定依据

2.3.1 匹配度系数法

匹配度系数法是谱库检索最常用的方法, 操作简单, 但需要注意的是匹配度系数的计算结果由谱图质量、 软件、 算法等多个因素决定, 因此难以确定普适性的阳性检出阈值。 本研究分别采用两台红外光谱仪测定了2C-T-2/2C-T-7, ADB-PINACA/5F-ADB-PINACA, α -PHPP/α -PNP和AB-CHMINACA/ADB-CHMINACA这四组红外光谱谱图最为相似的结构类似物, 对不同谱图、 软件、 算法的匹配度系数计算结果进行了比较, 详见表1。 以2C-T-2/2C-T-7为例, 计算得到的匹配度系数范围为0.77~0.99; 即使均选用Correlation算法, 采用不同谱图和软件计算的结果分别为0.95和0.98, 有较大差异。 因此, 由于难以确定普适性的阳性检出阈值, 匹配度系数法只能用于定性结果初筛。

表1 不同仪器和算法匹配度系数比较 Table 1 Comparison of similarity coefficients by using different instruments and algorithms

2.3.2 特征吸收峰法

特征吸收峰法已被选作红外光谱法的定性判定依据, 用于毒品的快速定性鉴定分析[9]。 经过大量实验验证, 最终将NPS阳性判定特征吸收峰的选取原则确定为: 一般情况下, 在其对照品红外光谱图的2 500~650 cm-1范围内选取8个相对强度较高的吸收峰作为特征吸收峰; 针对某些结构类似物, 需选取一些强度较低、 但能将它与其类似物区分开的吸收峰作为特征吸收峰。 2C-T-2与2C-T-7, ADB-PINACA与5F-ADB-PINACA, α -PHPP与α -PNP, AB-CHMINACA与ADB-CHMINACA这四组结构类似物的特征吸收峰见表2。 根据上述原则, 最终确定了我国已列管168种NPS的特征吸收峰, 并将所有特征吸收峰均检出作为阳性判定依据, 相关内容已形成了公共安全行业标准《法庭科学 疑似毒品中2-氟苯丙胺等168种新精神活性物质检验 气相色谱-质谱、 红外光谱和液相色谱法》。

表2 结构类似物特征吸收峰 Table 2 Characteristic peaks of structural analogues
3 结论

分析了合成大麻素类、 合成卡西酮类、 苯乙胺类、 色胺类、 苯环利定类、 哌嗪类、 氨基茚类、 其他类共计301种NPS对照品的红外光谱, 考察了红外光谱对各类NPS的整体区分能力, 并对红外光谱法定性鉴定NPS的判定依据进行了比较。 结果表明, 红外光谱可实现对所有NPS的区分, 其中对于97%的NPS红外光谱区分度高, 包括烷基链上不同位置取代、 苯环上不同位置取代、 苯环上不同取代基取代等NPS结构类似物。 对于某些差异仅为一个甲基或卤素原子的NPS类似物, 红外光谱相似度高, 但也可实现区分。 相比较于匹配度系数法, 采用特征吸收峰法对NPS进行定性鉴定, 结果更加准确可靠。 采用基于特征吸收峰的红外光谱法对NPS进行定性分析, 将极大提高NPS定性检验的鉴定效率、 降低检验鉴定成本。

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