表面增強拉曼光譜技術在新精神活性物質檢測中的應用

陳天文

(福州大學福建省高校測試中心, 福建 福州 350108)

0 引言

新精神活性物質(new psychoactive substances, NPS)具有與管制毒品類似的麻醉、 興奮或致幻作用, 是犯罪分子為逃避打擊而對管制毒品的化學分子式進行簡單調整而得到的毒品類似物. 為了區別于第一代和第二代毒品, 國際禁毒中將其稱為第三代毒品. 聯合國毒品和犯罪問題辦公室(the United Nations Office on Drugs and Crime, UNODC)根據化學結構將新精神活性物質主要分為9類: 合成大麻素類、 合成卡西酮類、 哌嗪類、 苯乙胺類、 色胺類、 氯胺酮及苯環利定類、 氨基茚類、 植物類(卡痛葉、 恰特草、 鼠尾草)和其它類(包括芬太尼類等物質)[1].

NPS具有較強的成癮性, 包括迷幻劑、 興奮劑、 抑制劑等種類, 可引起視覺、 聽覺等感知能力的變化, 影響意識、 身體協調能力、 情感等方面的表現. 盡管NPS沒有被聯合國國際公約管制, 但濫用后會對使用者的身體和心理健康造成損害, 并會影響社會穩定[2-4]. 因此, 越來越多的科研人員開始關注NPS有關的檢測方法. 這些方法的建立不但有助于公安部門快速篩查鑒定此類物質, 同時也為打擊NPS犯罪提供有力的法律依據, 具有重要的社會意義.

1 檢測方法進展

精神活性物質檢測的常見方法, 包括氣質聯用(GC-MS)[5-6]、 液質聯用(LC-MS)[7-9]、 石墨印刷電極技術[10]、 酶聯免疫法[11]、 膠束電動毛細管色譜-串聯質譜法(MEKC-MS/MS)[12]等. 聶洪港等[13]介紹了目前用于新精神活性物質分析的常壓敞開式質譜離子化技術的基本原理與方法, 討論該技術在新精神活性物質檢測中的應用. 欒佳琪等[14]綜述核磁共振技術在新精神活性物質篩查中的應用, 為新精神活性物質的篩查工作提供新的思路. Smith等[15]綜述近些年常見種類新精神活性物質的分析檢測技術進展, 總結目前新精神活性物質的分析主要以LC-MS方法為主. 由于NPS以生物堿類物質為主, 具有一定極性, 比較適合用LC-MS檢測. GC-MS在分析NPS時需要對樣品進行衍生化, LC-MS的前處理相對簡單一些. 但是質譜和核磁共振等儀器價格昂貴, 樣品預處理步驟繁瑣, 檢測速度慢, 無法用于樣品的現場快速檢測. 而拉曼光譜具有制樣簡單、 檢測快速、 綠色環保等特點, 已經逐漸成為快速準確檢測毒品的新方法.

拉曼光譜可分析分子組成及鑒定結構, 廣泛應用于分子相互作用、 表面和界面的結構、 生物大分子的結構及其變化、 無機化合物的晶型結構及動力學過程等研究. 但由于拉曼光譜的散射信號很弱, 檢測靈敏度相對較低, 低濃度試樣難以得到有效檢測. Fleischmann等[16]于1974年對光滑銀電極進行粗糙化處理后, 首次觀察到吸附在銀電極上吡啶分子的表面增強拉曼散射(surface enhanced raman spectroscopy, SERS)現象, 其增強效應超過了106倍, 從而有效突破了這一瓶頸, SERS非常有效地彌補了拉曼信號靈敏度低的缺陷, 可以獲得常規拉曼光譜難以得到的信息[17-20], 目前正逐步應用于毒品檢測. 2015年, Dank 等[21]開發了用SERS技術來檢測唾液中可卡因的方法, 該方法包括化學分離、 物理分離和固相萃取在內的預處理步驟, 可以從唾液基質中回收分析物. 檢測結果的統計分析表明該方法既可靠又準確, 可用于定量未知樣品, 還可以在不到16 min的時間內完成. 該方法可卡因的檢測限能達到0.05 μg ·mL-1, 具有很高的靈敏度. 2018年, Yu等[22]利用膠體金納米棒作為活性襯底, 采用液液微萃取(liquid liquid micro-extraction, LLME)預處理方法, SERS技術檢測尿液中的嗎啡. 因為縱向表面等離子體共振的光學消光和光譜可調性, 即使在低濃度下也可獲得良好的表面增強的拉曼光譜. 根據嗎啡分子的兩性離子結構和物理化學參數, 通過緩沖溶液將尿液樣品的pH值調節至約為9, 并選擇氯仿和異丙醇的混合物(體積比9∶1)作為萃取溶劑. 實驗證明了這種預處理方法適用于尿液中嗎啡的分離和濃縮, 開發的LLME-SERS方法可以在人的尿液環境中達到小于1 μg ·mL-1的檢測限, 并且整個檢測過程只需要5～6 min. 現階段, SERS技術在毒品檢測中的靈敏度主要依賴于基底的活性, 以及基底與被檢測樣本間的吸附性. 從這一原理出發, 在實踐中多采用與便攜式拉曼光譜儀和光譜的快速識別配合完成. 2022年, Zhao等[23]采用硅基有機膠體模板刻蝕和Au沉積的方法, 制備Au涂層的硅納米錐陣列作為固體芯片, 以此芯片為基底, 應用SERS技術檢測了溶液中的痕量阿片類藥物. 實驗發現, 使用該SERS固體芯片可以在1 min內檢測出水溶液中的嗎啡, 檢測限可達10-2μg ·mL-1, 檢測速度快, 靈敏度高. 這是由于三維納米結構的芯片具有高密度的納米尖端和深的納米間隙, 能夠增強電磁場和分子吸附力, 從而提高SERS基底的表面增強拉曼活性.

隨著納米科技的發展, SERS技術在新精神活性物質檢測領域的研究逐漸增多, 本文重點介紹它在不同種類的新精神活性物質檢測中的應用.

2 常見新精神活性物質的SERS檢測

2.1 合成大麻素類

合成大麻素類新精神活性物質對人體有較強的致幻、 鎮定和抑制作用, 其種類豐富, 包括苯甲酰基吲哚類、 苯乙?；胚犷?、 萘甲?；胚犷?、 萘甲酰吡咯類和金剛烷甲酰吲哚類等. 2017年, Mostowtt等[24]通過制備金納米顆粒為基底, 采用SERS技術檢測結構相似的一系列合成大麻素. 該方法先將分析物和金納米粒子混合, 然后加入堿或堿土鹽溶液, 鹽溶液產生金納米顆粒的聚集, 由于聚集的顆粒內形成具有增強場效應的熱點, 從而產生拉曼光譜增強. 實驗發現, 當加入0.016 7 mol·L-1MgCl2溶液作為聚集劑, 可得到低檢測限, 采用該法可以在質量濃度為18～60 μg ·mL-1的水平檢測4種合成大麻素, 分別為1-戊基-3-(1-萘甲?；?吲哚(JWH-018)、 1-丁基-3-(1-萘甲酰基)吲哚(JWH-073)、 1-戊基-3-(4-甲氧基-1-萘甲?；?吲哚(JWH-081)、 1-戊基-3-(4-甲基-1-萘甲酰基)吲哚(JWH-122). 2018年, Islam等[25]采用SERS技術快速檢測痕量合成大麻素3-甲基-2-(1-(4-氟芐基)吲哚-3-甲酰氨基)丁酸甲酯(AMB-FUBINACA)和1-苯基-2-(N-吡咯烷基)-1-戊酮(α-PVP), 這是兩種已經報道的最危險的合成大麻素, 雖然GC-MS和LC-MS被認為是檢測這些藥物傳統的分析方法, 但是SERS技術的快速有效性和高靈敏度已在最近的研究中得到了證實. 研究表明, 合成大麻素AMB-FUBINACA和α-PVP的檢測限分別為1 pmol·L-1和10 nmol·L-1. 2019年, Deriu等[26]利用微固相萃取-表面增強拉曼光譜(μ-SPE/SERS)技術檢測口腔唾液中的合成大麻素1-戊基-3-(1-萘甲?；?吲哚(JWH-018), 該課題組采用檸檬酸鹽還原法合成膠體金納米粒子作為SERS 基底, 拉曼測試前, 先將24 μL金納米粒子和2.5 μL濃度為0.016 7 mol·L-1MgCl2溶液混合, 然后加入2.5 μL待測樣品溶液, 渦旋混合幾秒鐘, 再靜置20 min. 實驗表明, 該方法的檢測限為31 ng ·mL-1, 回收率為64.4%.

2.2 合成卡西酮類

卡西酮類新精神活性物質分為甲卡西酮類、 乙卡西酮類、 吡咯卡西酮類等, 具有很強的興奮作用. 2019年, Zou等[27]合成了介孔二氧化硅包裹多枝化金納米顆粒(bAu@mesoSiO2)作為SERS基底, 并將它用于4-溴-甲卡西酮的拉曼檢測. 利用透射電子顯微鏡、 紫外-可見和中紅外光譜表征了不同[Au3+]/[Au0]比例的合成材料的形貌和光學性質, 并進行了實驗和理論研究. 利用金核分支的優勢, 由于表面等離子共振可以提供增強的電磁場, 能觀察到表面增強拉曼散射信號. 實驗結果表明, 隨著金分支的平均長度和數量的增加, SERS強度呈100倍增加. 實驗結果表明, 可以在5 min內完成對目標物的測定, 檢測限可達0.1 mg ·mL-1, 該分析方法可廣泛應用于法庭科學領域.

2.3 哌嗪類

哌嗪類新精神活性物質于21世紀初最早出現在新西蘭, 是“派對藥丸”的主要成分, 后蔓延到歐美, 它對人體中樞神經系統具有溫和的興奮和致幻作用. 2014年, Sumana等[28]利用SERS技術研究能量相近的哌嗪類化合物的結構構象, 該研究通過哌嗪純固體、 水溶液和銀溶膠中的拉曼光譜和SERS研究它們的相對豐度對周圍環境的依賴程度, 實驗結果通過采用B3LYP泛函和aug-cc-pvdz/LANL2DZ基組的密度泛函理論(DFT)計算來進行解釋. 哌嗪的椅形構象比傾斜船形構象更加穩定, 它具有eq-eq、 eq-ax和ax-ax 3種構象, eq-eq構象的計算拉曼光譜和純固體的實驗光譜相符, 說明eq-eq是主導構象, 而在水溶液中, eq-ax構象的貢獻最大. SERS光譜表明, 哌嗪通過其軸向N原子在銀納米粒子表面垂直吸收時, 優先采用eq-ax構象.

2.4 氯胺酮及苯環利定的衍生物

苯環利定是一種人工合成的新精神活性物質, 具有強烈的致幻作用. 2022年, Zhang 等[29]采用手持式拉曼光譜儀的SERS技術鑒定和分析苯環利定等違禁和濫用藥物, 該SERS基底是由嵌入多孔玻璃基質中的活化金納米顆粒的毛細管傳感器集成. 在這項研究中, 作者使用這種金溶膠-凝膠毛細管測定了苯環利定等14種藥物的水溶液, 從而確定檢測靈敏度, 構建校準曲線來確定濃度依賴性和定量能力, 研究pH值對SERS測量的影響. 實驗發現, 苯環利定的檢測限可以達到0.6 ng ·mL-1. 這種SERS基底制備簡單, 成本低廉, 與便攜式拉曼光譜儀集成后可以在1.2 s內得到高質量的光譜和準確的鑒定結果.

氯胺酮是一種新精神活性物質, 使用后會產生致幻、 視聽分離感和欣快感. 2011年, Inscore等[30]使用固定在玻璃毛細管中的金和銀摻雜溶膠凝膠, 通過表面增強拉曼光譜(SERS)技術成功檢測了80種濫用藥物和代謝物, 包括氯胺酮、 苯丙胺、 可待因等, 該方法已成功應用于唾液中許多其它藥物的檢測, 例如氯胺酮、 苯丙胺等, 并比較了基底物質對這些藥品的活性大小. 2012年, Yang等[ 31]采用SERS技術檢測鹽酸氯胺酮的含量, 制備了銀納米針陣列作為基底, 這些銀納米針具有非常尖銳的頂點, 頂點直徑為15 nm, 頂角為20°, 排列良好的納米針陣列可以重復地實現大于1010倍的SERS增強因子, 該方法的檢測限達到了0.1 μmol·L-1, 并且能夠在3 s內完成檢測, 該技術提供了一種快速、 無損檢測痕量麻醉類藥品的方法. 2022年, Wang等[32]首先通過種子生長法合成了金納米棒, 然后采用反向蒸發自組裝金納米棒薄膜為基底物質, SERS技術檢測人的頭發中氯胺酮、 甲基苯丙胺和嗎啡違禁藥品. 該法利用堿性水解和液-液萃取法提取人頭發中的藥物, 研究發現, 氯胺酮、 甲基苯丙胺和嗎啡的檢測限分別為0.1、 0.05和0.1 ng·mg-1.

2.5 芬太尼類

我國于2019年5月1日發布了《關于將芬太尼類物質列入〈非藥用類麻醉藥品和精神藥品管制品種增補目錄〉的公告》, 對芬太尼類新精神活性物質實施整類列管[33]. 2018年, Haddad等[34]使用浸漬有銀納米顆粒的紙基底物作為SERS基底, 用于檢測海洛因混合物中痕量的芬太尼, 與每種物質相關的特征峰的強度比擬合在Langmuir等溫校準模型中, 可以定量分析海洛因混合物中作為摻雜劑的芬太尼. 在6%芬太尼中線性良好, 此外, 用這些紙質的SERS基材的擦拭促進了來自表面的芬太尼的回收, 表明該法適用于犯罪現場調查. 2020年, 陳志杰等[35]建立了基于SERS技術檢測水和尿液中舒芬太尼的方法, 首先制備了銀溶膠基底并進行表征, 然后通過混合密度泛函B3LYP理論計算方法和實驗對比, 對舒芬太尼的拉曼特征峰進行歸屬. 通過優化最佳實驗條件, 確定促凝劑及其濃度, 對水和尿液中舒芬太尼進行SERS檢測, 檢出限分別為0.09和1.55 μg·mL-1. 2022年, Zhang 等[36]構建了一種成本低廉、 可重復的毛細管表面增強拉曼散射(SERS)平臺, 通過制備八面體金納米粒子作為毛細管內壁涂層, 第一次構建了SERS平臺, 將金納米粒子的優越SERS性能和毛細管在SERS信號放大、 樣品提取和便攜式痕量分析方面的優點結合起來, 利用SERS技術檢測和鑒定痕量的芬太尼, 通過實驗和模擬研究了金納米粒子的大小和密度對SERS性能的影響, 結果表明, 當顆粒密度達到74.54 counts·μm-2時, 75 nm的金納米粒子具有最大的SERS增強. 該方法重復性好, RSD小于5%, 在水溶液和血清中的檢測限分別為1.86和40.63 ng·mL-1. 2023年, Golby等[37]利用電化學-表面增強拉曼光譜(EC-SERS)技術檢測芬太尼及芬太尼類似物, 該技術通過一種簡單而有效的電化學方法制備絲網印刷電極作為SERS基底, 經過與GC-MS、 LC-MS/MS對比實驗, 證明它是一種簡單、 快速、 可靠的檢測芬太尼的方法.

2.6 色胺類

色胺類新精神活性物質是一類具有致幻作用的化合物, 常見的副作用為焦慮、 惡心及抑郁. 2022年, Chen等[38]通過分子印跡表面增強拉曼光譜傳感器技術檢測食品中的色胺類物質, 該傳感器利用納米銀修飾的TiO2(TiO2@Ag)為SERS基底, 通過電磁增強和光誘導電荷轉移的協同效應增強拉曼信號強度, 實驗得到的SERS光譜和密度泛函理論計算預測的光譜是相符的. 該方法的線性范圍為10-6～10-2mol·L-1, 檢測限為0.485 μmol·L-1.

3 總結與展望

由于拉曼光譜的檢測靈敏度低, 難以進行痕量成分的鑒定, 而表面增強拉曼光譜可以將待測目標物的信號增強數百萬倍. 通過上述幾類常見新精神活性物質的SERS分析, 發現各類新精神活性物質均有相應的特征拉曼信號, 可以實現對低濃度的目標物進行快速準確的篩查鑒別.

雖然SERS技術具有分析速度快、 靈敏度高、 樣品用量少等優點, 但由于實際樣品一般不是單一組分, 是多種物質的混合, 而SERS不是分離手段, 無法對混合物中的各種目標物質進行鑒定. 眾所周知, 傳統的色譜分析作為一種最常用的分離技術和手段, 可用于同時分析多組分樣品. 將色譜技術與SERS技術進行聯用, 例如, 高效液相色譜(high performance liquid chromatography, HPLC)與SERS聯用、 薄層色譜(thin layer chromatography, TLC)與SERS聯用, 可以實現分離和檢測的協同耦合, 從而更大程度地提高樣品檢測的靈敏度和準確性.

HPLC具有良好的分離混合物的功能, 將高效液相色譜與表面增強拉曼光譜聯用, 對HPLC分離出來的產物進行SERS分析, 能夠實現對混合組分的分離與檢測. SERS與HPLC聯用技術在某些特殊領域如毒品[39-40]、 生物堿[41-42]、 農藥[43]等的分析有著廣闊的應用前景.

TLC是一種設備簡單、 操作方便的分離技術, 可以用于現場快速分析, 如果將TLC與SERS技術聯用, 能夠實現對混合物樣品的快速檢測, 目前已有該技術的相關文獻報道[44-49]. 根據原理不同, TLC-SERS可以分為兩類: 分離前對薄層色譜板進行SERS活化和分離后對薄層色譜板進行SERS活化[50]. TLC-SERS 聯用技術可以排除雜質的干擾, 大大提高SERS檢測的準確性和靈敏度, 成功應用于分離和檢測混合物質. 與傳統HPLC 相比, TLC 只需要極少的材料及簡單的設備.

SERS技術在單組分的新精神活性物質鑒定方面具有很強的能力, 但是對混合物質的分析無能為力, 將SERS 技術與其它分離手段聯合應用, 增強SERS 對混合物質的檢測能力, 可實現對被測分子高選擇性和高靈敏度的檢測, 適合新精神活性物質的快速結構鑒定需求. 隨著分析聯用技術的不斷發展和進步, 未來必將給新精神活性物質的鑒定分析提供新的手段, 為打擊毒品犯罪提供更加科學的理論依據.