近红外光谱用于甲基苯丙胺快速定量分析方法研究
刘翠梅1, 韩煜1, 贾薇1, 花镇东1, 闵顺耕2,*
1. 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
2. 中国农业大学理学院, 北京 100193
*通讯联系人 e-mail: minsg@cau.edu.cn

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

摘要

采用近红外光谱和偏最小二乘法(PLS)建立了涵盖7种掺杂物、 纯度范围为10%~100%的甲基苯丙胺定量分析模型。 甲基苯丙胺缴获样品中检出频率较高的掺杂物为二甲基砜、 异丙基苄胺、 蔗糖、 环己胺、 明矾、 吡拉西坦、 麻黄碱这7种。 为保证模型尽可能地覆盖实际缴获样品的掺杂物种类和纯度区间, 采用高纯度甲基苯丙胺和掺杂物混合制样的方式进行了中、 低纯度建模样品的制备。 甲基苯丙胺和不同掺杂物的特征吸收峰出现在不同波段, 选取全波段建立PLS定量模型。 对不同光谱预处理方法进行了考察, 结果表明标准正态变量校正+一阶导数(SNV+1D)的交叉验证均方差(RMSECV)值最小, 效果最佳。 鉴于掺杂物种类较多, 建立了两个PLS定量模型, 模型1的PLS因子数为8、 测定系数( R2)为99.9、 RMSECV为0.8%、 预测均方差(RMSEP)为2.0%, 适用于未进行掺杂的高纯度甲基苯丙胺样品以及掺杂物为二甲基砜、 异丙基苄胺、 蔗糖、 环己胺的甲基苯丙胺样品的定量分析; 模型2的PLS因子数为5、 R2为99.9、 RMSECV为0.8%、 RMSEP为1.7%, 适用于掺杂物为明矾、 麻黄碱、 吡拉西坦的甲基苯丙胺样品的定量分析。 两个定量模型的重复性均≤2.1%, 重现性均≤4.0%。 对72份验证样品进行了测定, 液相色谱法和近红外光谱法测定的平均纯度值分别为74.3%和72.9%, t统计值为3.0, 大于显著性水平0.05, 表明这两个方法的测定结果无显著性差异。 选用马氏距离法和光谱残差法作为光谱异常值的筛查方法, 当待测样品与建模样品的马氏距离值≤2且光谱残差值≤3时, 定量结果可靠; 反之, 定量结果不可靠, 此时需要采用其他方法进行定量分析。 本方法制样简单、 测试速度快、 定量结果准确、 精度高, 适合于缴获毒品样品中甲基苯丙胺的快速定量分析。 该研究中涉及的制样方法和建模方法同样适用于其他毒品。

关键词: 近红外光谱; 定量分析; 偏最小二乘法; 甲基苯丙胺; 掺杂物
中图分类号:O657.3 文献标志码:A
Rapid Quantitative Analysis of Methamphetamine by Near Infrared Spectroscopy
LIU Cui-mei1, HAN Yu1, JIA Wei1, HUA Zhen-dong1, MIN Shun-geng2,*
1. Key Laboratory of Drug Monitoring and Control, Drug Intelligence and Forensic Center, Ministry of Public Security, Beijing 100193, China
2. College of Science, China Agricultural University, Beijing 100193, China
*Corresponding author
Abstract

In this study, a near infrared partial least squares (NIR-PLS) quantitative model, which involved seven adulterants and with methamphetamine purity ranging from 10% to 100%, was established for the first time. Seven adulterants of dimethyl sulfone, isopropyl benzylamine, sucrose, cyclohexylamine, aluminum potassium sulfate, piracetam and ephedrine were most frequently detected in seized methamphetamine samples. High purity methamphetamine and adulterants were mixed to prepare the model samples to make sure the established quantitative model can cover the common adulterant species and purity range of actual seized samples. The characteristic absorption peaks of methamphetamine and adulterants occur in different spectrum range, so the whole spectrum range was used for the PLS modeling. The standard normal variate transformation+first-order derivative (SNV+1D) was proved to be the best spectral pretreatment method. Two separate PLS quantitative models were established to improve the accuracy of the models. The PLS factor, coefficient of determination ( R2), root mean square error of cross validation (RMSECV), and root mean square error of prediction (RMSEP) for model 1 was 8, 99.9, 0.8%, and 2.0%, respectively. Model 1 is suitable for high purity methamphetamine samples without adulterant and methamphetamine samples adulterated with dimethyl sulfone, isopropyl benzylamine, sucrose, and cyclohexylamine. The PLS factor, R2, RMSECV, and RMSEP for model 2 was 5, 99.9, 0.8%, and 1.7%, respectively. Model 2 was suitable for methamphetamine samples adulterated with aluminum potassium sulfate, ephedrine, and piracetam. The repeatability and reproducibility for both models were less than 2.1% and 4.0%, respectively. Seventy-two seized methamphetamine samples with purity ranging from 13.9% to 99.4% were used to validate the accuracy of the two models. The average purity determined by liquid chromatography and near infrared spectroscopy was 74.3% and 72.9%, respectively. The t-statistics values were 3.0, which was higher than the significant level of 0.05, so it showed that there was no significant difference between the two methods. Mahalanobis distance and spectral residual were selected as the outlier identification methods. When the Mahalanobis distance value is less than 2, and the spectral residual value is less than 3, the quantitative result is reliable. On the contrary, the quantitative result is unreliable, and the other method is needed for quantitative analysis. The established NIR-PLS method is simple in sample preparation, fast in testing, accurate in quantitative results and high in accuracy. It is suitable for rapid quantitative analysis of methamphetamine in seized samples. The sampling and modeling methods involved in this study are also applicable to other drugs.

Keyword: Near infrared spectroscopy; Quantitative analysis; Partial least squares (PLS); Methamphetamine; Adulterant
引言

甲基苯丙胺, 俗称冰毒, 是我国最常见的滥用毒品类型。 为加大对涉毒案件的打击力度, 同时也为了准确掌握我国甲基苯丙胺基本毒情, 需要对缴获甲基苯丙胺样品进行快速、 准确的定量分析。 现有的甲基苯丙胺定量分析方法主要为液相色谱法和气相色谱法, 这两种方法准确度高, 但样本的前处理繁琐, 检测时间长、 检测成本高。

近红外光谱(NIR)具有快速、 高效、 无损、 适合在线分析等诸多优势, 已广泛应用于农业、 食品、 制药、 石化等行业[1, 2, 3]。 目前已有采用近红外光谱对可卡因、 海洛因、 MDMA等毒品进行快速定量分析的报道[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10], Liu[10]建立了甲基苯丙胺的NIR定量分析模型, 采用实际缴获样品作为建模样品, 模型所覆盖的掺杂物浓度范围有限; 该方法采用液相色谱法的测定结果作为参考纯度, 测量值与真值存在一定的偏差, 且液相色谱测定过程耗费大量时间、 人力和物力。 为了便于NIR定量方法的推广使用, 亟需建立一种适用范围更广、 建模样品制备更加简单的NIR定量方法。 本研究对1 736份甲基苯丙胺缴获样品的掺杂物进行了统计分析, 总结了常见的掺杂物类型; 采用高纯度甲基苯丙胺和掺杂物混合制样的方式制备低、 中纯度建模样品; 采用近红外光谱和偏最小二乘法(PLS)构建定量模型, 并采用大量实际缴获样品对所建立模型的准确性进行了评价。 本研究有利于NIR定量方法在基层法庭科学实验室的推广使用, 使毒品定量分析成本更低、 速度更快。

1 实验部分
1.1 仪器与试剂

傅里叶变换红外光谱仪和积分球漫反射附件(PerkinElmer, Waltham, MA, USA)。 SCIENTZ-15DZ高通量组织研磨器(宁波新芝生物科技股份有限公司)。

甲基苯丙胺和麻黄碱标准品由本实验室制备。 二甲基砜、 异丙基苄胺、 蔗糖、 环己胺、 明矾、 吡拉西坦购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司或国药集团化学试剂有限公司。 用于模型验证的甲基苯丙胺样品来自于各地公安机关实际缴获样品。

1.2 样品制备

将高纯度甲基苯丙胺和掺杂物混合, 配制成纯度范围为10%~85%的建模样品, 纯度间隔为5%, 每种掺杂物配制16个样品。 掺杂物为二甲基砜、 异丙基苄胺、 蔗糖、 环己胺、 明矾、 麻黄碱、 吡拉西坦七种。 每个建模样本的质量约为1 g。共选取了72份实际缴获样本作为定量模型验证样本, 纯度范围为13.9%~100%, 验证样本的纯度采用液相色谱法测定。

将配制样品或验证样品放入5 mL的塑料离心管中, 加入一个直径为5 mm的金属球, 采用高通量组织研磨器对其进行研磨混匀。 研磨功率为70 Hz, 研磨时间为2 min。 取研磨均匀样品约300 mg装入2 mL的安捷伦玻璃进样瓶中, 盖盖密封。 每个样本分别分装2份。

1.3 方法

将样品在玻璃进样瓶中填充紧密, 然后将其放置在积分球附件上, 采集漫反射光谱。 波数范围: 10 000~4 000 cm-1; 分辨率: 4 cm-1; 扫描次数: 32次。

红外图谱的采集和分析采用Spectrum操作软件(Ver.10.4, PerkinElmer)。 PLS定量模型的建立采用Spectrum Quant定量操作软件(Ver. 10.4, PerkinElmer)。

2 结果与讨论
2.1 建模集样品制备

建模集样品应该尽可能地覆盖实际缴获样品的掺杂物种类和纯度区间。 首先对2016年—2018年间国家毒品实验室收集的1 736份甲基苯丙胺样品的定性和定量结果进行了统计分析。 其中1 337份(77%)样品中不含掺杂物, 纯度区间为85%~100%; 399份(23%)样品含有掺杂物, 纯度区间为1%~93%。 399份含掺杂物的样品中, 纯度≥ 10%的样品381份(95.5%); 纯度< 10%的样品仅18份(4.5%)。 在381份纯度≥ 10%的掺杂样品中, 检出频率较高的掺杂物有7种, 分别为二甲基砜、 异丙基苄胺、 蔗糖、 环己胺、 明矾、 吡拉西坦、 麻黄碱(表1)。 其中含有二甲基砜、 异丙基苄胺、 蔗糖、 环己胺(包含其组合)的样品数为356(93.4%); 含有明矾、 吡拉西坦、 麻黄碱的样品数为14(3.7%); 含有其他类型掺杂物的样品数为11(2.9%)。

表1 甲基苯丙胺缴获样品掺杂物统计表 Table 1 Statistics of the adulterants in seized methamphetamine samples

考虑到纯度< 10%的样品数在含掺杂物样品中占比低于4.5%, 为降低建模的难度, 本研究所配制的建模样品的纯度均≥ 10%, 且只涵盖出现频率最高的7种掺杂物。 在选取的建模样品中, 高纯度样品为实际缴获样品, 包含纯度为91%, 95%和100%的甲基苯丙胺缴获样品各两份; 中、 低纯度样品由高纯度甲基苯丙胺和不同掺杂物分别混合研磨制得, 纯度区间10%~85%, 纯度间隔为5%。 由于实际缴获样品中存在同时检出两种掺杂物的情况, 因此根据其检出频率, 配制了少量包含两种掺杂物的样品, 具体为将二甲基砜、 异丙基苄胺、 蔗糖、 环己胺这四组混合样品的20%, 40%和60%三个纯度点配制成二元掺杂物体系, 两种掺杂的添加比例随机。

2.2 标准品和缴获样品红外光谱图

甲基苯丙胺标准品和7种掺杂物的近红外光谱见图1(a)。 由图中可以看出, 不同掺杂物的特征吸收峰出现在不同波段, 因此在建立PLS定量模型时, 选取了整个波段进行计算。 含二甲基砜、 异丙基苄胺、 蔗糖、 环己胺四种掺杂物的建模集样品光谱图见图1(b), 含明矾、 麻黄碱、 吡拉西坦三种掺杂物的建模集样品光谱图见图1(c), 验证集样品的光谱图见1(d)。

图1 (a)甲基苯丙胺、 二甲基砜、 吡拉西坦、 异丙基苄胺、 环己胺、 明矾、 蔗糖、 麻黄碱的近红外光谱图; (b)掺杂物为二甲基砜、 异丙基苄胺、 蔗糖、 环己胺的建模集样本近红外光谱图; (c)掺杂物为明矾、 麻黄碱、 吡拉西坦的建模集样本近红外光谱图; (d)验证集样本的近红外光谱图Fig.1 (a) The NIR spectra for methamphetamine, dimethylsulfone, piracetam, isopropylbenzylamine, cyclohexylamine, aluminum potassium sulfate, sucrose, and ephedrine; (b) The NIR spectra for calibration samples that cutted with dimethylsulfone, piracetam, isopropylbenzylamine, and cyclohexylamine; (c) The NIR spectra for calibration samples that cutted with aluminum potassium sulfate, sucrose, and ephedrine; (d) The NIR spectra for validation samples

2.3 光谱预处理方法的选择

常见的光谱预处理方法包括标准正态变量校正(SNV)、 附加散射校正(MSC)、 一阶导数(1D)、 二阶导数(2D)校正等。 采用单一光谱预处理方法或多种预处理方法组合的效果不同。 本研究以包含二甲基砜、 异丙基苄胺、 蔗糖、 环己胺这4种掺杂物的建模集样品数据为基础, 对不同光谱预处理方法进行了比较。 以交叉验证均方差(RMSECV)作为不同光谱预处理效果的评价指标, RMSECV值越小, 说明光谱预处理方法的效果越好。 结果显示(表2), SNV+1D预处理方法组合的RMSECV值最小, 效果最佳。

表2 不同光谱预处理方法的比较 Table 2 Comparison of different spectral pretreatment methods
2.4 PLS定量模型的建立

红外光谱分析中建立定量分析校正模型的方法包括: 多元线性回归(MLR)、 逐步多元线性回归(SMLR)、 主成分回归(PCR)、 偏最小二乘(PLS)等[3]。 本研究选取了最常用的偏最小二乘(PLS)法, 并选取RMSECV最小时的因子数为PLS模型的最佳因子数。

首先将所有建模样品导入到一个模型中建模, 计算所得模型的PLS因子数为4, R2为98.3, RMSECV为3.3%, 所得模型的效果较差。 可能的原因是7种掺杂物的信息量超出了PLS算法的计算和拟合能力。 于是将7种掺杂物分为两组, 建立了两个独立的定量模型。

模型1中包含了二甲基砜、 异丙基苄胺、 蔗糖、 环己胺这四组掺杂样品, 以及六个高纯度的甲基苯丙胺样品。 模型1中甲基苯丙胺的纯度范围为10%~99%, 可覆盖未进行掺杂的高纯度甲基苯丙胺样品, 以及掺杂物为二甲基砜、 异丙基苄胺、 蔗糖、 二甲基砜及其组合的样品。 模型1[图2(a)]的PLS因子数为8、 R2为99.9、 RMSECV为0.8%、 RMSEP为2.0%。

图2 (a)甲基苯丙胺PLS定量模型1, 所含掺杂物为异丙基苄胺、 二甲基砜、 蔗糖和环己胺; (b)甲基苯丙胺PLS定量模型2, 所含掺杂物为吡拉西坦、 明矾和麻黄碱Fig.2 (a) PLS quantitative model 1, which includes adulterants of dimethylsulfone, piracetam, isopropylbenzylamine, and cyclohexylamine; (b) PLS quantitative model 2, which includes adulterants of aluminum potassium sulfate, sucrose, and ephedrine

模型2中包含了吡拉西坦、 明矾、 麻黄碱这三组掺杂样品。 模型2中甲基苯丙胺的纯度范围在10%~85%, 可覆盖掺杂物为吡拉西坦、 明矾、 或麻黄碱的样品。 模型2[图2(b)]的PLS因子数为5、 R2为99.9、 RMSECV为0.8%、 RMSEP为1.7%。

2.5 PLS定量模型的重复性和重现性

为考察所建立的两个PLS模型的重复性和重现性, 分别在两个模型的建模样品中选取了纯度为20%, 50%和85%的三个样品, 共计六个样品。 将这六个样品在一天内连续测定6次, 计算6次测定结果的相对标准偏差(RSD)作为重复性数据; 将6份样品在不同的6天中进行测定, 计算6次测定结果的RSD作为重现性数据。 两个模型的重复性均≤2.1%, 重现性均≤4.0%, 可见模型的测定精度高。

2.6 异常值筛查与未知样本定量结果预测

在未知样本测试时, 有时会遇到建模所选掺杂物外的其他掺杂物或混合类型。 在对未知样本进行定量结果预测之前, 需先进行异常值的筛查。 常见的异常值筛查方法有两种, 分别是马氏距离法(M-distance ratio)和光谱残差法(residual ratio)[9]。 根据PerkinElmer的Spectrum Quant定量操作软件的推荐, 马氏距离法的阈值一般设为2、 光谱残差法的阈值一般设为3。

实验室在前期已建立了采用中红外光谱和特征吸收峰法对甲基苯丙胺样品进行快速定性分析的方法[10], 该方法能够基本实现纯度大于10%的甲基苯丙胺样品的定性分析。 在实际测试过程中, 推荐先采用中红外光谱法对未知样品进行定性分析, 当判定样品中含有甲基苯丙胺时, 再采用近红外光谱法对样品进行定量分析(图3)。 考虑到PLS定量模型1适用于高纯度未掺杂样品和出现频率最高的掺杂样品类型, 因此先将待测样品光谱数据代入到模型1中, 计算得到定量结果、 马氏距离值和光谱残差值, 当待测样品与建模样品的马氏距离值≤2且光谱残差值≤3时, 定量结果可靠; 否则将样品光谱数据代入到PLS定量模型2, 计算得到模型2对应的定量结果及马氏距离值和光谱残差值, 当待测样品与建模样品的马氏距离值≤2且光谱残差值≤3时, 定量结果可靠; 反之, 定量结果不可靠, 此时需要采用其他方法进行定量分析。

图3 甲基苯丙胺的红外光谱定性、 定量分析流程图Fig.3 The procedure flow chart for methamphetamine qualitative and quantitative analysis using IR method (DRM is short for M-distance ratio and RT is short for residual ratio)

2.7 PLS定量模型准确性的验证

分别采用液相色谱法和近红外光谱法对72份验证样品进行定量分析, 液相色谱法和近红外光谱法测定样品的平均纯度分别为74.3%和72.9%, 两种方法差值序列的平均值为1.38, t统计值为3.0, 比显著性水平0.05要高, 结果表明这两个方法的测定结果无显著性差异。

3 结论

采用高纯度甲基苯丙胺和掺杂物混合制样的方式, 建立了涵盖7种掺杂物, 纯度范围覆盖10%~100%的甲基苯丙胺NIR-PLS定量模型。 由于所包含的掺杂物种类多, 所以分别建立了两个PLS定量模型以增加预测结果的准确性。 模型1适用于未进行掺杂的高纯度甲基苯丙胺样品以及掺杂物为二甲基砜、 异丙基苄胺、 蔗糖、 二甲基砜及其组合的甲基苯丙胺样品。 模型2适用于掺杂物为吡拉西坦、 明矾、 麻黄碱的甲基苯丙胺样品。 该方法制样简单、 适用范围宽、 测试速度快、 定量结果准确、 精度高, 规避了现有液相色谱法和气相色谱法中所存在的样本前处理繁琐、 检测时间长、 检测成本高等问题, 适合于甲基苯丙胺缴获样品的快速定量分析。 本研究中涉及的制样方法和建模方法同样适用于其他毒品。 可以预见, 未来近红外光谱将在毒品快速定量检测中具有广阔的应用前景。

参考文献
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