表面增强拉曼光谱技术在新精神活性物质检测中的应用

陈天文

(福州大学福建省高校测试中心, 福建 福州 350108)

0 引言

新精神活性物质(new psychoactive substances, NPS)具有与管制毒品类似的麻醉、 兴奋或致幻作用, 是犯罪分子为逃避打击而对管制毒品的化学分子式进行简单调整而得到的毒品类似物. 为了区别于第一代和第二代毒品, 国际禁毒中将其称为第三代毒品. 联合国毒品和犯罪问题办公室(the United Nations Office on Drugs and Crime, UNODC)根据化学结构将新精神活性物质主要分为9类: 合成大麻素类、 合成卡西酮类、 哌嗪类、 苯乙胺类、 色胺类、 氯胺酮及苯环利定类、 氨基茚类、 植物类(卡痛叶、 恰特草、 鼠尾草)和其它类(包括芬太尼类等物质)[1].

NPS具有较强的成瘾性, 包括迷幻剂、 兴奋剂、 抑制剂等种类, 可引起视觉、 听觉等感知能力的变化, 影响意识、 身体协调能力、 情感等方面的表现. 尽管NPS没有被联合国国际公约管制, 但滥用后会对使用者的身体和心理健康造成损害, 并会影响社会稳定[2-4]. 因此, 越来越多的科研人员开始关注NPS有关的检测方法. 这些方法的建立不但有助于公安部门快速筛查鉴定此类物质, 同时也为打击NPS犯罪提供有力的法律依据, 具有重要的社会意义.

1 检测方法进展

精神活性物质检测的常见方法, 包括气质联用(GC-MS)[5-6]、 液质联用(LC-MS)[7-9]、 石墨印刷电极技术[10]、 酶联免疫法[11]、 胶束电动毛细管色谱-串联质谱法(MEKC-MS/MS)[12]等. 聂洪港等[13]介绍了目前用于新精神活性物质分析的常压敞开式质谱离子化技术的基本原理与方法, 讨论该技术在新精神活性物质检测中的应用. 栾佳琪等[14]综述核磁共振技术在新精神活性物质筛查中的应用, 为新精神活性物质的筛查工作提供新的思路. Smith等[15]综述近些年常见种类新精神活性物质的分析检测技术进展, 总结目前新精神活性物质的分析主要以LC-MS方法为主. 由于NPS以生物碱类物质为主, 具有一定极性, 比较适合用LC-MS检测. GC-MS在分析NPS时需要对样品进行衍生化, LC-MS的前处理相对简单一些. 但是质谱和核磁共振等仪器价格昂贵, 样品预处理步骤繁琐, 检测速度慢, 无法用于样品的现场快速检测. 而拉曼光谱具有制样简单、 检测快速、 绿色环保等特点, 已经逐渐成为快速准确检测毒品的新方法.

拉曼光谱可分析分子组成及鉴定结构, 广泛应用于分子相互作用、 表面和界面的结构、 生物大分子的结构及其变化、 无机化合物的晶型结构及动力学过程等研究. 但由于拉曼光谱的散射信号很弱, 检测灵敏度相对较低, 低浓度试样难以得到有效检测. Fleischmann等[16]于1974年对光滑银电极进行粗糙化处理后, 首次观察到吸附在银电极上吡啶分子的表面增强拉曼散射(surface enhanced raman spectroscopy, SERS)现象, 其增强效应超过了106倍, 从而有效突破了这一瓶颈, SERS非常有效地弥补了拉曼信号灵敏度低的缺陷, 可以获得常规拉曼光谱难以得到的信息[17-20], 目前正逐步应用于毒品检测. 2015年, Dank 等[21]开发了用SERS技术来检测唾液中可卡因的方法, 该方法包括化学分离、 物理分离和固相萃取在内的预处理步骤, 可以从唾液基质中回收分析物. 检测结果的统计分析表明该方法既可靠又准确, 可用于定量未知样品, 还可以在不到16 min的时间内完成. 该方法可卡因的检测限能达到0.05 μg ·mL-1, 具有很高的灵敏度. 2018年, Yu等[22]利用胶体金纳米棒作为活性衬底, 采用液液微萃取(liquid liquid micro-extraction, LLME)预处理方法, SERS技术检测尿液中的吗啡. 因为纵向表面等离子体共振的光学消光和光谱可调性, 即使在低浓度下也可获得良好的表面增强的拉曼光谱. 根据吗啡分子的两性离子结构和物理化学参数, 通过缓冲溶液将尿液样品的pH值调节至约为9, 并选择氯仿和异丙醇的混合物(体积比9∶1)作为萃取溶剂. 实验证明了这种预处理方法适用于尿液中吗啡的分离和浓缩, 开发的LLME-SERS方法可以在人的尿液环境中达到小于1 μg ·mL-1的检测限, 并且整个检测过程只需要5～6 min. 现阶段, SERS技术在毒品检测中的灵敏度主要依赖于基底的活性, 以及基底与被检测样本间的吸附性. 从这一原理出发, 在实践中多采用与便携式拉曼光谱仪和光谱的快速识别配合完成. 2022年, Zhao等[23]采用硅基有机胶体模板刻蚀和Au沉积的方法, 制备Au涂层的硅纳米锥阵列作为固体芯片, 以此芯片为基底, 应用SERS技术检测了溶液中的痕量阿片类药物. 实验发现, 使用该SERS固体芯片可以在1 min内检测出水溶液中的吗啡, 检测限可达10-2μg ·mL-1, 检测速度快, 灵敏度高. 这是由于三维纳米结构的芯片具有高密度的纳米尖端和深的纳米间隙, 能够增强电磁场和分子吸附力, 从而提高SERS基底的表面增强拉曼活性.

随着纳米科技的发展, SERS技术在新精神活性物质检测领域的研究逐渐增多, 本文重点介绍它在不同种类的新精神活性物质检测中的应用.

2 常见新精神活性物质的SERS检测

2.1 合成大麻素类

合成大麻素类新精神活性物质对人体有较强的致幻、 镇定和抑制作用, 其种类丰富, 包括苯甲酰基吲哚类、 苯乙酰基吲哚类、 萘甲酰基吲哚类、 萘甲酰吡咯类和金刚烷甲酰吲哚类等. 2017年, Mostowtt等[24]通过制备金纳米颗粒为基底, 采用SERS技术检测结构相似的一系列合成大麻素. 该方法先将分析物和金纳米粒子混合, 然后加入碱或碱土盐溶液, 盐溶液产生金纳米颗粒的聚集, 由于聚集的颗粒内形成具有增强场效应的热点, 从而产生拉曼光谱增强. 实验发现, 当加入0.016 7 mol·L-1MgCl2溶液作为聚集剂, 可得到低检测限, 采用该法可以在质量浓度为18～60 μg ·mL-1的水平检测4种合成大麻素, 分别为1-戊基-3-(1-萘甲酰基)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-萘甲酰基)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技术快速检测痕量合成大麻素3-甲基-2-(1-(4-氟苄基)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), 这是两种已经报道的最危险的合成大麻素, 虽然GC-MS和LC-MS被认为是检测这些药物传统的分析方法, 但是SERS技术的快速有效性和高灵敏度已在最近的研究中得到了证实. 研究表明, 合成大麻素AMB-FUBINACA和α-PVP的检测限分别为1 pmol·L-1和10 nmol·L-1. 2019年, Deriu等[26]利用微固相萃取-表面增强拉曼光谱(μ-SPE/SERS)技术检测口腔唾液中的合成大麻素1-戊基-3-(1-萘甲酰基)吲哚(JWH-018), 该课题组采用柠檬酸盐还原法合成胶体金纳米粒子作为SERS 基底, 拉曼测试前, 先将24 μL金纳米粒子和2.5 μL浓度为0.016 7 mol·L-1MgCl2溶液混合, 然后加入2.5 μL待测样品溶液, 涡旋混合几秒钟, 再静置20 min. 实验表明, 该方法的检测限为31 ng ·mL-1, 回收率为64.4%.

2.2 合成卡西酮类

卡西酮类新精神活性物质分为甲卡西酮类、 乙卡西酮类、 吡咯卡西酮类等, 具有很强的兴奋作用. 2019年, Zou等[27]合成了介孔二氧化硅包裹多枝化金纳米颗粒(bAu@mesoSiO2)作为SERS基底, 并将它用于4-溴-甲卡西酮的拉曼检测. 利用透射电子显微镜、 紫外-可见和中红外光谱表征了不同[Au3+]/[Au0]比例的合成材料的形貌和光学性质, 并进行了实验和理论研究. 利用金核分支的优势, 由于表面等离子共振可以提供增强的电磁场, 能观察到表面增强拉曼散射信号. 实验结果表明, 随着金分支的平均长度和数量的增加, SERS强度呈100倍增加. 实验结果表明, 可以在5 min内完成对目标物的测定, 检测限可达0.1 mg ·mL-1, 该分析方法可广泛应用于法庭科学领域.

2.3 哌嗪类

哌嗪类新精神活性物质于21世纪初最早出现在新西兰, 是“派对药丸”的主要成分, 后蔓延到欧美, 它对人体中枢神经系统具有温和的兴奋和致幻作用. 2014年, Sumana等[28]利用SERS技术研究能量相近的哌嗪类化合物的结构构象, 该研究通过哌嗪纯固体、 水溶液和银溶胶中的拉曼光谱和SERS研究它们的相对丰度对周围环境的依赖程度, 实验结果通过采用B3LYP泛函和aug-cc-pvdz/LANL2DZ基组的密度泛函理论(DFT)计算来进行解释. 哌嗪的椅形构象比倾斜船形构象更加稳定, 它具有eq-eq、 eq-ax和ax-ax 3种构象, eq-eq构象的计算拉曼光谱和纯固体的实验光谱相符, 说明eq-eq是主导构象, 而在水溶液中, eq-ax构象的贡献最大. SERS光谱表明, 哌嗪通过其轴向N原子在银纳米粒子表面垂直吸收时, 优先采用eq-ax构象.

2.4 氯胺酮及苯环利定的衍生物

苯环利定是一种人工合成的新精神活性物质, 具有强烈的致幻作用. 2022年, Zhang 等[29]采用手持式拉曼光谱仪的SERS技术鉴定和分析苯环利定等违禁和滥用药物, 该SERS基底是由嵌入多孔玻璃基质中的活化金纳米颗粒的毛细管传感器集成. 在这项研究中, 作者使用这种金溶胶-凝胶毛细管测定了苯环利定等14种药物的水溶液, 从而确定检测灵敏度, 构建校准曲线来确定浓度依赖性和定量能力, 研究pH值对SERS测量的影响. 实验发现, 苯环利定的检测限可以达到0.6 ng ·mL-1. 这种SERS基底制备简单, 成本低廉, 与便携式拉曼光谱仪集成后可以在1.2 s内得到高质量的光谱和准确的鉴定结果.

氯胺酮是一种新精神活性物质, 使用后会产生致幻、 视听分离感和欣快感. 2011年, Inscore等[30]使用固定在玻璃毛细管中的金和银掺杂溶胶凝胶, 通过表面增强拉曼光谱(SERS)技术成功检测了80种滥用药物和代谢物, 包括氯胺酮、 苯丙胺、 可待因等, 该方法已成功应用于唾液中许多其它药物的检测, 例如氯胺酮、 苯丙胺等, 并比较了基底物质对这些药品的活性大小. 2012年, Yang等[ 31]采用SERS技术检测盐酸氯胺酮的含量, 制备了银纳米针阵列作为基底, 这些银纳米针具有非常尖锐的顶点, 顶点直径为15 nm, 顶角为20°, 排列良好的纳米针阵列可以重复地实现大于1010倍的SERS增强因子, 该方法的检测限达到了0.1 μmol·L-1, 并且能够在3 s内完成检测, 该技术提供了一种快速、 无损检测痕量麻醉类药品的方法. 2022年, Wang等[32]首先通过种子生长法合成了金纳米棒, 然后采用反向蒸发自组装金纳米棒薄膜为基底物质, SERS技术检测人的头发中氯胺酮、 甲基苯丙胺和吗啡违禁药品. 该法利用碱性水解和液-液萃取法提取人头发中的药物, 研究发现, 氯胺酮、 甲基苯丙胺和吗啡的检测限分别为0.1、 0.05和0.1 ng·mg-1.

2.5 芬太尼类

我国于2019年5月1日发布了《关于将芬太尼类物质列入〈非药用类麻醉药品和精神药品管制品种增补目录〉的公告》, 对芬太尼类新精神活性物质实施整类列管[33]. 2018年, Haddad等[34]使用浸渍有银纳米颗粒的纸基底物作为SERS基底, 用于检测海洛因混合物中痕量的芬太尼, 与每种物质相关的特征峰的强度比拟合在Langmuir等温校准模型中, 可以定量分析海洛因混合物中作为掺杂剂的芬太尼. 在6%芬太尼中线性良好, 此外, 用这些纸质的SERS基材的擦拭促进了来自表面的芬太尼的回收, 表明该法适用于犯罪现场调查. 2020年, 陈志杰等[35]建立了基于SERS技术检测水和尿液中舒芬太尼的方法, 首先制备了银溶胶基底并进行表征, 然后通过混合密度泛函B3LYP理论计算方法和实验对比, 对舒芬太尼的拉曼特征峰进行归属. 通过优化最佳实验条件, 确定促凝剂及其浓度, 对水和尿液中舒芬太尼进行SERS检测, 检出限分别为0.09和1.55 μg·mL-1. 2022年, Zhang 等[36]构建了一种成本低廉、 可重复的毛细管表面增强拉曼散射(SERS)平台, 通过制备八面体金纳米粒子作为毛细管内壁涂层, 第一次构建了SERS平台, 将金纳米粒子的优越SERS性能和毛细管在SERS信号放大、 样品提取和便携式痕量分析方面的优点结合起来, 利用SERS技术检测和鉴定痕量的芬太尼, 通过实验和模拟研究了金纳米粒子的大小和密度对SERS性能的影响, 结果表明, 当颗粒密度达到74.54 counts·μm-2时, 75 nm的金纳米粒子具有最大的SERS增强. 该方法重复性好, RSD小于5%, 在水溶液和血清中的检测限分别为1.86和40.63 ng·mL-1. 2023年, Golby等[37]利用电化学-表面增强拉曼光谱(EC-SERS)技术检测芬太尼及芬太尼类似物, 该技术通过一种简单而有效的电化学方法制备丝网印刷电极作为SERS基底, 经过与GC-MS、 LC-MS/MS对比实验, 证明它是一种简单、 快速、 可靠的检测芬太尼的方法.

2.6 色胺类

色胺类新精神活性物质是一类具有致幻作用的化合物, 常见的副作用为焦虑、 恶心及抑郁. 2022年, Chen等[38]通过分子印迹表面增强拉曼光谱传感器技术检测食品中的色胺类物质, 该传感器利用纳米银修饰的TiO2(TiO2@Ag)为SERS基底, 通过电磁增强和光诱导电荷转移的协同效应增强拉曼信号强度, 实验得到的SERS光谱和密度泛函理论计算预测的光谱是相符的. 该方法的线性范围为10-6～10-2mol·L-1, 检测限为0.485 μmol·L-1.

3 总结与展望

由于拉曼光谱的检测灵敏度低, 难以进行痕量成分的鉴定, 而表面增强拉曼光谱可以将待测目标物的信号增强数百万倍. 通过上述几类常见新精神活性物质的SERS分析, 发现各类新精神活性物质均有相应的特征拉曼信号, 可以实现对低浓度的目标物进行快速准确的筛查鉴别.

虽然SERS技术具有分析速度快、 灵敏度高、 样品用量少等优点, 但由于实际样品一般不是单一组分, 是多种物质的混合, 而SERS不是分离手段, 无法对混合物中的各种目标物质进行鉴定. 众所周知, 传统的色谱分析作为一种最常用的分离技术和手段, 可用于同时分析多组分样品. 将色谱技术与SERS技术进行联用, 例如, 高效液相色谱(high performance liquid chromatography, HPLC)与SERS联用、 薄层色谱(thin layer chromatography, TLC)与SERS联用, 可以实现分离和检测的协同耦合, 从而更大程度地提高样品检测的灵敏度和准确性.

HPLC具有良好的分离混合物的功能, 将高效液相色谱与表面增强拉曼光谱联用, 对HPLC分离出来的产物进行SERS分析, 能够实现对混合组分的分离与检测. SERS与HPLC联用技术在某些特殊领域如毒品[39-40]、 生物碱[41-42]、 农药[43]等的分析有着广阔的应用前景.

TLC是一种设备简单、 操作方便的分离技术, 可以用于现场快速分析, 如果将TLC与SERS技术联用, 能够实现对混合物样品的快速检测, 目前已有该技术的相关文献报道[44-49]. 根据原理不同, TLC-SERS可以分为两类: 分离前对薄层色谱板进行SERS活化和分离后对薄层色谱板进行SERS活化[50]. TLC-SERS 联用技术可以排除杂质的干扰, 大大提高SERS检测的准确性和灵敏度, 成功应用于分离和检测混合物质. 与传统HPLC 相比, TLC 只需要极少的材料及简单的设备.

SERS技术在单组分的新精神活性物质鉴定方面具有很强的能力, 但是对混合物质的分析无能为力, 将SERS 技术与其它分离手段联合应用, 增强SERS 对混合物质的检测能力, 可实现对被测分子高选择性和高灵敏度的检测, 适合新精神活性物质的快速结构鉴定需求. 随着分析联用技术的不断发展和进步, 未来必将给新精神活性物质的鉴定分析提供新的手段, 为打击毒品犯罪提供更加科学的理论依据.