拉曼光谱技术在毒品检测应用中的研究进展

赵璟悠 王 勇 张冠男

（1 苏州市公安局刑警支队 江苏 苏州 215000；2 南京市公安局刑事科学技术研究所 江苏 南京 210012；3 公安部物证鉴定中心 北京 100038）

1 引言

毒品检验对毒品案件侦查、证实和惩治毒品犯罪具有重要的作用，是公安司法鉴定领域的重要工作。当前毒品分析手段主要包括色谱或色谱质谱联用技术（GC、LC、GC-MS、HPLC-MS等）和分子光谱技术（傅里叶红外光谱、拉曼光谱、核磁共振、离子迁移谱、分子印迹聚合物等）[1-2]，其中拉曼光谱技术具有分子特征鲜明、检验微量无损、过程简便快速等独特优势，在毒品检验分析中得到了迅速发展。本文对拉曼光谱技术在毒品分析中的研究现状进行介绍，以期为毒品检验工作提供参考。

早在1922年A.Smekal[3]从理论上预测了拉曼散射的存在，随后Raman[4]和Landsberg[5]在实验中分别在溶液和晶体中发现了拉曼效应，并用于分子结构的基础研究和化学组成的分析。随着20世纪60年代激光光源的问世，以及微弱信号检测技术的强化和计算机的应用，出现了一批选择性好、灵敏度高、功能强大的拉曼光谱，拉曼光谱分析在众多应用领域取得发展。C.M.Hodges[6]首次运用拉曼光谱检出毒品可卡因，随后，拉曼光谱技术作为毒品分析检测手段被广泛应用并不断发展，如近红外激光拉曼、共聚焦显微拉曼、表面增强拉曼（SERS）、空间位移拉曼（SORS）等[7-8]。

2 近红外激光拉曼（NIR）

20世纪80年代后期，C.M.Hodges建立了傅里叶变换拉曼光谱（FT-Raman）对掺杂物中盐酸可卡因、海洛因和苯丙胺的检验，并且当目标物浓度低于5%时，对高强度荧光物质仍具有良好信噪比[9]。但由于1064nm半导体激光器功率高易引起样品表面的热效应，而且水分子在1000nm范围存在拉曼特征峰，使得FT-拉曼不适合检验水相体系、深色样品和光敏物质[10]。

色散型拉曼可采用不同波段（523nm、785nm、1064nm等）的光源激光器，且功率只有FT-拉曼的1/10～1/100[11-12]，因此，弥补了FT-拉曼检测样品的局限性。国内对于常见毒品海洛因、甲基苯丙胺、氯胺酮及其添加成分的拉曼定性检测方法普遍采用532nm激光光源[13]，由于荧光干扰在可见光区尤为明显，使得拉曼特征峰不明显且信号较低。Ryder[14]和Penido[15]分别采用785nm和830nm近红外激光光源实现对含有面粉、奶粉、葡萄糖、滑石粉等33种添加剂的不同含量的可卡因、海洛因、甲基苯丙胺的定性定量检测，除灵敏度比FT-拉曼提高3～4倍外，还能够猝灭内源物质荧光背景，并建立了PLS和PCA计算模型，且定量误差在2.3%～7%。特别是785nm光源，能够根据拉曼特征峰从825cm-1往851cm-1的变化，判断毒品结晶混合物中N-苄基异丙胺（IBA）含量减少而甲基苯丙胺（MET）含量增多。在实际案例中，近红外激光拉曼应用更为广泛，如Weston[16]1068-1073对可疑水样的检测中，检出隐藏其内的仅含20%的MET，确定其拉曼强峰703cm-1和1004cm-1分别为二甲砜和MET的特征峰；Burnett[17]213等人建立了酒精饮料中掺入可卡因（0.5%～10%w/v）的拉曼检测方法，785nm光源极大地克服了荧光问题，可直接对有色容器外包装快速无损检测，特别对于棕色半透明玻璃瓶中样品的检测，785nm光源灵敏度明显高于1064nm光源，检出限达到1.55%；继而Triplett[2]34等人针对乙醇、乙醚、机油等易制毒试剂中的MET建立了线性范围为0.5%～10%的定性定量检测方法，确定1003cm-1为定量位移峰，定量检出限为4%。实验表明，色散性近红外拉曼普遍具有灵巧便携、适用范围广、分析时间短等优势，而且对容器直接检测可以有效避免污染和特殊环境危险。

3 共聚焦显微拉曼

显微拉曼光谱检测常见毒品相较于传统的色谱-质谱方法具有无损、快速、简便的优势，对于苯丙胺、甲基苯丙胺，麻黄碱、甲基麻黄碱、伪麻黄碱[18]，吗啡、可待因、氢可酮[17]212-213，卡西酮及其衍生物[16]1072-1075等这类主体结构相似、色谱行为表现接近，而分子结构因其取代基或者取代位置不同的毒品物质，其拉曼光谱特征位移峰从分子水平上反映了样品化学组成和分子结构上的明显差异，成为定性的重要依据。

显微拉曼技术是将拉曼光谱分析技术和显微分析技术结合起来的一种应用技术，不仅具有常规拉曼光谱的特点，更具有成像技术和较高的空间分辨率，激发光透过显微镜聚焦于样品上，可实现对1×1×5μm微区精确分析[19]。因此，显微拉曼除能够解决疑难指纹的显现，还能够分辨出指纹物质的成分，例如手上粘附的一些如毒品、爆炸残留物等外源性物质。J.S.Day[20]等报道了显微拉曼对犯罪现场潜指纹中可卡因、可待因、苯丙胺等毒品残留物的分析研究，在实验中还发现使用氰丙烯酸酯可以增强提取指纹中的毒品成分拉曼特征信号[21]。为解决对潜指纹中可疑物质能否准确定位的难点问题，West和Went[17]212采用铁或铝粉对指纹显现后再用胶带粘取，样品清晰直观，胶带本底产生的拉曼信号需要采取光谱扣除背景以排除干扰，造成分析时间延长，但该方法中的显现剂、粘取过程及物证袋均不会对指纹中残留的可卡因、安非他命、摇头丸、氯胺酮等毒品的拉曼特征峰产生干扰。继而Molina[22]借鉴West和Went[23]的样品处理方法并深入研究，对散落在桌面和口袋的毒品残留物分别用透明或彩色胶带和载玻片粘取后进行拉曼分析，建立了30种滥用药物、代谢物、降解产物和添加成分的拉曼光谱信息数据，该研究结果认为透明胶带更有利于样本颗粒的视觉观察与拉曼检测。由此可见，显微拉曼技术对痕量物证分析是一种极为有利的手段。

在实际毒品犯罪案例中，毒品不仅会残留在犯罪嫌疑人的手上，还会残存在其衣物及用于掩饰的包装物上。Ali[2]32-33的科研团队自2008年以来，不断致力于显微拉曼对犯罪现场毒品痕量物证的分析研究，报道了显微拉曼能够快速检测指甲中微量的盐酸可卡因颗粒（5～20μm），采用785nm激发光源对减少指甲油荧光干扰具有良好效果，实验表明聚焦于样品的不同深度，在指甲表面和指甲油涂层内部均能获取到可卡因的光谱信息。此外，通过显微拉曼对天然纤维（羊毛、亚麻、棉纤维）和人工合成纤维中残留毒品的检测研究发现[17]213-214，由浅至深不同颜色、不同种类纤维本底均有各自拉曼特征峰，但不会与可卡因、苯丙胺、氯胺酮等毒品拉曼特征信号重叠，也不会受到纤维种类、纺织工艺、提取物证包装等周围物质干扰，纵使对于嵌入纤维织物中的微量颗粒，通过90s的分析时间就能获取分离效果好、信号水平强的拉曼特征信息，而经成像技术设定采集区域可以更为清晰直观地显现样本中含有的不同成分物质[2]31-32。研究人员进一步论证了显微拉曼和便携拉曼结合技术对沾染过可卡因、苯丙胺类毒品水（乙醇）溶液的纤维样本快速无损检测的可实践性，显微拉曼技术在机场铁路安检、重大活动安保、海关出入境检查领域得到了广泛应用。

4 表面增强拉曼（SERS）

表面增强拉曼光谱是指将待测物分子吸附在粗糙的纳米金属材料表面，可使待测物的拉曼信号增强的光谱现象。电磁场增强效应与金属纳米粒子的大小和形状，以及分子结构特性密切相关，拉曼信号增强幅度可达到104～1010倍[24]；化学增强效应与金属表面的成键及分子吸附取向密切相关，一般可提高拉曼信号101～103倍[25]。SERS技术自被发现[26]以来，学者们不断在实验研究中发现采用溶胶银修饰的海洛因、可待因、可卡因和氢可酮样本，拉曼信号增强且灵敏度更高，检出限可达到0.2μg/mm2。Faulds[27]分别对溶胶银和溶胶金两种SERS技术检测苯丙胺进行比较研究中发现，溶胶纳米金的化学稳定性较好，检出限更低，可达到10μmol/dm3。但是纳米银具有更强的表面等离子共振[28]，为了提高其稳定性和重现性，一方面Yang[29]等采用金属基底如Au-Ag混合溶胶和亚稳太纳米银颗粒提供稳定的活化环境，Sulk[30]报道了2-巯基丙酸-纳米银半导体基底对苯丙胺和甲基苯丙胺的拉曼光谱检出限为17～19ppm，Sanles[2]25开展了复合基底含单克隆抗体的镀银碳纳米管对可卡因代谢物苯甲酰爱康宁分析研究，Stewart[31]等则研发了SAMs分子膜促进溶胶银对MDMA的吸附结合，减少了样品对SERS的干扰提高检测灵敏度；另一方面，研究人员通过样品的简单处理以改进SERS技术的检测能力，如将含有溶胶银和1mol/mL的NaCl溶液涂在布苯丙胺（DOB）药片上进行拉曼检测，特征强峰在706cm-1，检出限达15ppm[1]6，而经乙腈洗脱优化处理后，SERS检测可卡因、海洛因、苯丙胺检出限低至1ppm[32]。

体液中的毒品检测因基质成分复杂，待测物含量低，传统拉曼光谱信噪比低，成为拉曼光谱在毒品检测领域受限的难点问题。而SERS作为一种较为理想的痕量分析技术，有能力实现对纳米级乃至兆分之一级浓度样本的毒品检测[1]5-6。2000年，Farquharson[33]等就建立了尿液中微量药物（如抗生素、镇痛药、巴比妥类）的SERS技术方法。而王磊[34]等运用SERS与便携拉曼结合技术，建立了金纳米棒增强基底定性分析尿液中微量MET和MDMA的拉曼光谱法，孟娟[35]等借鉴采用了该方法并优化条件，尿液先经分离和纯化处理后经SERS分析，整个过程约3.5min，MET、MDMA、甲卡西酮的检出限分别为1ppm、5ppm、0.1ppm，检出限的差异可能由于不同毒品分子结构，以及与基底表面作用差异造成的。由此可见，该方法灵敏、快速适用于吸毒人员尿液中苯丙胺类毒品的现场检测。唾液作为非侵入性生物样品，近年来成为法庭毒物分析的重要研究对象，Inscore[36]等在采集唾液的玻璃毛细管内表附上Ag或Au纳米涂层，实现了对唾液中苯丙胺、地西泮、美沙酮等的拉曼光谱分析。另有采用Au-SiO2纳米粒子作为SERS活性基底，因其保护内核金纳米粒子的稳定性且可循环使用而广受欢迎，对唾液中可卡因的分析时间不到10min，可卡因检出限达50ppb[37]。固然对唾液的分析研究仍面临诸多局限和难点，但据目前的相关研究表明[38]，SERS技术是检测唾液中滥用药物最为准确灵敏的分析手段。

此外，为了满足实战应用中的各种需求，基于SERS的新科技、新技术层出不穷，如微流控芯片SERS对药物的在线监测[2]33-35、溶剂可控传感器SERS测定痕量毒品液体[39]、镀金薄膜静电提取痕量毒品残留物[40]、纸质增强基底自动采集现场痕量毒品残留物等[41]。

5 空间位移拉曼（SORS）

背散射形式的传统拉曼光谱只能探测样品浅层信息，例如几百微米厚的生物组织，即使是显微拉曼也只能穿透透明的表层来探测底部。而新型SORS技术可以深入样品若干毫米以分析不透明样品的内部信息，因而对如隐藏于各类包装或者食物饮料等伪装毒品的甄别具有独特优势，Eliasson[1]2-5等研究发现，采集时间1s，就能检出装在玻璃瓶中朗姆酒内含有的可卡因，检出限为0.04mol/L。

SORS方法原理是在样品表面离开激光照射点一定位移处收集拉曼信号，位移越大，所得拉曼信号中更深层次样品的贡献越多。荧光情况类似，因此SORS技术可以抑制样品表层的干扰和荧光信号[1]3-6。Olds[42]等通过模拟海关邮政检查和案发现场物证样本的研究中证实了这一点，SORS能够将多层邮政包裹、塑料罩板包装、信封、含有澄清液体的不透明塑料瓶这些复杂样本分为若干层次采集光谱信息，消除来自表层的荧光信号背景，使隐含毒品的深层拉曼特征峰相对增强。在他们随后的研究中[43]，充分利用SORS非侵入特点建立了不透明容器中混合滥用药物的定量分析方法，采用多变化统计法计算预测误差仅为3.8%。Matausek[44]在对棕色牛皮纸信封中隐藏毒品粉末的检测中引入了逆SORS技术，该技术降低单位面积激光照明强度，可避免样品过热或者控制活体检查剂量。Cletus[45]认为基于逆SORS技术改进的传感器可以实现无接触、抗荧光、在线监测的技术能力。

SORS不但具有拉曼光谱的化学专属性，而且还能提供样品的深层信息，对现场快速筛查和边关、港口、机场等安检工作具有广泛的应用前景。

6 小结与展望

拉曼光谱技术在毒品检测中不仅具有快速无损、无污染、非接触、精细如“指纹”的分辨能力等特点，而且在保存证据原始性和证据链完整性方面具有独特优势。为了满足法庭科学应用需求，新型拉曼技术结合便携式拉曼仪的相关研究也越来越多，一方面提高检测灵敏度，另一方面增加筛查机动性，我国自主研发的便携拉曼毒品检测仪[46]便在禁毒一线实战中发挥着重要作用。

在拉曼技术不断进步和发展的同时仍然存在着一些难点问题，如目前的纳米粒子制备技术还无法做到合成粒子大小、形状及表面的规整度都保持完全一致[47]，大大影响了SERS 信号的重现性，对于不同的体系、不同的样品在有无干扰的情况下是否可以得到稳定、可靠的结果也有待进一步研究，因而，定量分析还是SERS领域的一大难题。此外，虽然基于PCA和PLS的多变量统计法能够满足对含掺杂物混合毒品拉曼光谱与数据谱库的匹配，但对于液态、指纹、纤维等较为复杂的样本谱图，或者SERS基底增强后导致位移峰位和强度的差异就容易出现与谱库匹配率低、比对不上等问题，因此，如何优化计算方法和校准参数，建立科学合理、准确可靠并且包容性强的数据处理分析方法也成为国内外学者的热点研究方向。