甲基苯丙胺、氯胺酮、海洛因、可卡因红外光谱快速定性分析方法研究
刘翠梅1*,韩 煜1,闵顺耕2*
1. 公安部禁毒情报技术中心,国家毒品实验室,北京 100193 2. 中国农业大学理学院,北京 100193
摘 要 建立了可用于甲基苯丙胺、氯胺酮、海洛因、可卡因快速定性鉴定分析的衰减全反射-傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)方法,采用特征吸收峰作为定性判别依据。长期以来,由于缺乏合适的定性判别依据,红外光谱法仅被用于毒品的快速定性筛查分析。为扩大红外光谱法在禁毒领域的应用,收集并分析了1 380份各类缴获毒品样品,对特征吸收峰法和簇类独立软模式法(SIMCA)两种定性判别方法进行了考察和比较。在标准品化合物红外光谱图的2 500～650 cm-1范围内挑选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特征吸收峰。采用特征吸收峰法(全部特征吸收峰均检出)作为定性分析依据时,646份验证样品的阳性检出率为98.1%。采用516份建模样品建立了不同盐型毒品的SIMCA定性判别模型,并对646份验证样品进行了定性分类,总识别率为95.4%,拒绝率为100%。结果表明,特征吸收峰法和SIMCA法均具有专属性强、定性结果准确可靠的特点； 但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； 而SIMCA模型的建立需要大量有代表性的建模样品和专业的数理统计软件,推广和普及难度较大。基于特征吸收峰的ATR-FTIR法将极大提高我国毒品样品定性检验的鉴定效率、降低检验鉴定成本。
关键词 傅里叶变换红外光谱； 定性鉴定分析； 毒品； 特征吸收峰法； 簇类独立软模式法
引 言
在毒品问题全球化的大背景下,我国毒品形势依然严峻复杂,境外毒品渗透不断加剧,国内制毒问题日益突出,毒品滥用问题持续蔓延,毒品社会危害更加严重。甲基苯丙胺、海洛因、氯胺酮、可卡因是我国最常见的毒品类型,这四类毒品每年的缴获量占我国毒品总缴获量的95%以上[1]。这四类毒品同样占据了世界范围内毒品总缴获量的最大份额[2]。为打击毒品犯罪活动,在司法鉴定工作中,需要对毒品进行定性分析。现有的毒品定性检验方法主要为气相色谱-质谱法[3-5]。气相色谱-质谱法准确度高,但样品前处理繁琐、检测速度慢、成本高、且不能用于现场快速检验。
衰减全反射-傅里叶变换红外光谱法(ATR-FTIR)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。长期以来,由于缺乏合适的定性判别依据和相应的定性鉴定技术标准,红外光谱技术在禁毒领域的应用仅限于初步定性筛查和粗略分类[6-10]。为建立可用于常见毒品快速定性鉴定的红外光谱方法,本研究收集并分析了大量缴获毒品样品,对特征吸收峰法和簇类独立软模式法(soft independent modeling of class analogy, SIMCA)2种定性方法进行了考察和比较。
1 实验部分
1.1 仪器与方法
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。
也许是过于清静的缘故，醒来后的第三天，量过了体温、血压，我问小白，想不想听我扯扯闲篇。小白说，好呀，我这人是最喜欢听人家讲故事的。看得出，小白是在极力迎合我，生怕有什么违逆我的地方。也许这就是专职护师跟一般护士的区别。我说，你不嫌唠叨，我就开始讲了。
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。
1.2 试剂与样品
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]。
（6）答疑实验教学的应用与管理。答疑教学的过程，主要包括学生提问和教师解答两个环节。首先，学生提出问题是前提和关键。教师要启发和鼓励学生发现问题、主动并敢于提出问题。一定意义上，提出问题的能力更为重要。然而，警察高校在许多实验教学乃至其他教学过程中，一直呼吁和强调要培养、提高学生分析问题和解决问题的能力，而忽视了启发引导学生提出问题的能力，尤其是提出尖锐问题、疑难问题、复杂问题的能力。其次，教师解答问题是目的和根本。实验教师针对学生提出的疑难问题给予现场解答的教学方法，虽然是一种辅助性方法，但却是实验教学过程中不可缺少的重要方法。教师应充分运用这种互动式教学方法，做到灵活应变，准确解答。
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
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
2 结果与讨论
2.1 特征吸收峰法
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。
机器人辅助的腹腔镜前列腺癌根治手术因采用极端的头低脚高体位会造成眼内压升高，升高幅度随手术时间延长和呼气末CO2分压升高而加重，并伴随眼灌注压的进行性下降；患者恢复平卧位后眼内压力会迅速降低[33]。虽然目前因极度头低脚高位而造成的眼部并发症很罕见，但这种并发症风险是存在的；而且一旦发生将是灾难性的[34]。最近的一项随机对照研究显示：与30°头低脚高位相比，25°体位明显降低了眼内压升高幅度，且并未增加手术难度[35]。在一项荟萃分析中，丙泊酚静脉麻醉可能有助于减轻因头低位引起的眼内压升高[21]。
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。
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。
基于综合集成赋权法建立了涵盖从签订合同开始到售后维护阶段的全过程供应商评价指标体系和以正太分布和2/8原则相结合的供应商分级，利用供应商的综合评价得分将供应商分为A级(处于行业领先水平)、B级(高于行业平均水平)、C级(处于行业一般水平)和D级(低于行业平均水平)四个等级，并分别制定了相应的管理策略，将绩效评估与分级管理相结合，实现了供应商的差异化管理。供应商分级适用于物资供应商数量较多(>9)的情况，供应商数量越多正太分布效果越明显。
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。
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。
2.2 SIMCA法
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。
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。
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。
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。
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 )
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
Note: s：Strong； m：Medium； w：Weak. The permissible range of the characteristic absorption wave numbers should be within ±3 cm-1
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
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。
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。
2.3 特征吸收峰法与SIMCA法比较
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。
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
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。
分析：英文复数“unintelligible circles”译为汉语的“一团团浑浊的烟圈”,“ 一团团”是“circles”的词尾“-s”的对等语。英文语法中可数名词的复数形式借助汉语中的量词表达。
3 结 论
建立了可用于甲基苯丙胺、氯胺酮、海洛因、可卡因快速定性鉴定的ATR-FTIR方法,该方法基于特征吸收峰这一定性鉴定依据。通过分析516份建模样品,确定并建立了不同盐型毒品化合物的特征吸收峰和SIMCA分类模型； 利用864份验证样品对特征吸收峰和SIMCA这两种方法的定性判别效果进行了比较研究。结果表明,特征吸收峰法和SIMCA法均具有专属性强、定性结果准确可靠的特点,但特征吸收峰法更适合在基层和一线推广使用。采用基于特征吸收峰的ATR-FTIR法测定毒品样品将极大提高毒品样品定性检验的鉴定效率、降低检验鉴定成本。
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Rapid Qualitative Analysis of Methamphetamine ,Ketamine ,Heroin ,and Cocaine by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR )
LIU Cui-mei1*, HAN Yu1, MIN Shun-geng2*
1. National Narcotics Laboratory, Drug Intelligence and Forensic Center of the Ministry of Public Security, Beijing 100193, China 2. College of Science, China Agricultural University, Beijing 100193, China
Abstract For the first time, this study has established an attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) method for fast qualitative analysis of methamphetamine, ketamine, heroin, and cocaine. Characteristic peak method was chosen as the qualitative analysis criterion of this method. Due to the lack of proper qualitative identification criterion, FTIR method has long just been used for fast qualitative screening in drug analysis. In order to expand its application in forensic sciences, two qualitative identification criteria of characteristic peak method and soft independent modeling by class analogy (SIMCA) classification method were investigated and compared. A total of 516 calibration and 864 prediction samples were used for method development and validation. For characteristic peak method, five to eight peaks in the range of 2 500～650 cm-1 with relative high intensity and interference-free from common cutting agents were selected as the characteristic peaks. When characteristic peak method (all of the characteristic peaks should be detected) was used for the qualitative analysis of 646 validation samples, the positive detection rate was 98.1%. A SIMCA classification model was constructed based on 516 calibration samples, consisting of 7 PCA models for methamphetamine HCl, ketamine HCl, ketamine base, heroin HCl, heroin base, cocaine HCl, and cocaine base. The classification results of 646 validation samples showed a recognition rate of 95.4%, and a false rejection rate of 100%. Therefore, the results of both the characteristic peak method and the SIMCA method were reliable and accurate. It is easy for the characteristic peak method to be used by local police officers after simple training, thus suitable for popularizing. In comparison, as the building of SIMCA model needs the collection of large number of representative calibration samples and the use of professional mathematical software, the SIMCA method is not suitable for popularizing. Therefore, the characteristic peak method was chosen as the criterion method for fast qualitative identification analysis. The ATR-FTIR method that is based on characteristic peak method will greatly increase the efficiency and reduce the cost of drug qualitative identification analysis.
Keywords Fourier transform infrared spectroscopy; Qualitative identification analysis; Drug; Characteristic peak method; Soft independent modeling of class analogy
中图分类号： O657. 3
文献标识码： A
DOI： 10. 3964/ j. issn. 1000- 0593( 2019) 07- 2136- 06
收稿日期： 2018- 06- 06,修订日期： 2018- 10- 29
基金项目： 国家重点研发计划项目(2016YFC0800903)资助
作者简介： 刘翠梅,女,1983年生,公安部禁毒情报技术中心国家毒品实验室副研究员 e-mail：liucuimei8258@163.com
*通讯联系人 e-mail：minsg@cau.edu.cn
(Received Jun. 6, 2018; accepted Oct. 29, 2018)
*Corresponding author s
标签：傅里叶变换红外光谱论文; 定性鉴定分析论文; 毒品论文; 特征吸收峰法论文; 簇类独立软模式法论文; 公安部禁毒情报技术中心国家毒品实验室论文; 中国农业大学理学院论文;