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。

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。

采用KnowItAl l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。

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KnowItAl l软件建立通用拉曼光谱库。

图2

Fig.2

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	图2 90种合成大麻素对照品的拉曼光谱Fig.2 The overload spectra of 90 synthetic cannabinoid reference materials

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

Table 1

表1(Table 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 Table 1 The structures and correlation coefficients of synthetic cannabinoid analogues 结构式/英文名称 相关性系数 95 94 93 92 92

表1 5组合成大麻素结构类似物的结构式和相关性系数 Table 1 The structures and correlation coefficients of synthetic cannabinoid analogues

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

Fig.3

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	图3 AB-CHMINACA与ADB-CHMINACA的拉曼光谱图Fig.3 Raman spectra of AB-CHMINACA and ADB-CHMINACA

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

Fig.4

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	图4 5F-ADB-PINACA与ADB-PINACA的拉曼光谱图Fig.4 Raman spectra of 5F-ADB-PINACA and ADB-PINACA

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

Fig.5

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	图5 5F-SDB-005与SDB-005的拉曼光谱图Fig.5 Raman spectra of 5F-SDB-005 and SDB-005

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

Fig.6

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	图6 MDMB-4en-PINACA与5F-ADB的拉曼光谱图Fig.6 Raman spectra of MDMB-4en-PINACA and 5F-ADB

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

Fig.7

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	图7 A-834, 735与5F-UR-144的拉曼光谱图Fig.7 Raman spectra of A-834, 735 and 5F-UR-144

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。

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。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 不同款拉曼光谱仪测定AMB-CHMICA缴获样品的拉曼光谱图 (a): 便携式拉曼光谱仪A; (b): 手持式拉曼光谱仪B; (c): 手持式拉曼光谱仪C; (d): 手持式拉曼光谱仪D; (e): 手持式拉曼光谱仪EFig.8 Raman spectra of AMB-CHMICA detected by different spectrometers (a): Portable spectrometer A; (b): Handheld spectrometer B; (c): Handheld spectrometer C; (d): Handheld spectrometer D; (e): Handheld spectrometer E

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。

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。

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。