芬太尼類物質(zhì)的振動光譜特征分析研究

徐 琳， 何洪源*， 劉翠梅， 花鎮(zhèn)東

1. 中國人民公安大學(xué)偵查學(xué)院， 北京 100038 2. 公安部禁毒情報技術(shù)中心， 毒品監(jiān)測管控與禁毒關(guān)鍵技術(shù)公安部重點實驗室， 北京 100193

引 言

近幾年來， 北美和歐洲一些國家因過量濫用阿片類藥物致死的案例急劇上升[1-2]。 為應(yīng)對阿片類藥物濫用問題， 美國于2017年10月宣布進(jìn)入“公共衛(wèi)生緊急狀態(tài)”[3]。 芬太尼及芬太尼類物質(zhì)是濫用頻率最高的阿片類藥物。 芬太尼是1960年由比利時藥理學(xué)家保羅·楊森合成的一種合成阿片類藥物。 它是一種強(qiáng)效麻醉性鎮(zhèn)痛劑， 起效快、 藥效強(qiáng)、 不良反應(yīng)少、 作用時間短、 麻醉恢復(fù)快。 在醫(yī)療上被廣泛用于手術(shù)鎮(zhèn)痛、 輔助麻醉和慢性長期疼痛的控制[4]。 芬太尼類物質(zhì)是通過對芬太尼化學(xué)結(jié)構(gòu)上的某個原子或基團(tuán)進(jìn)行修飾， 得到的芬太尼的類似物(圖1)[5]。 全球已查獲作為毒品濫用的芬太尼類物質(zhì)近百種。 除芬太尼、 瑞芬太尼、 舒芬太尼和阿芬太尼外， 絕大多數(shù)無合法醫(yī)療用途， 是為了規(guī)避法律管制人工設(shè)計合成出來的， 屬于新精神活性物質(zhì)。 與傳統(tǒng)天然及半合成阿片類毒品相比， 芬太尼類物質(zhì)成本低、 合成工藝簡單、 社會危害性大。

我國對芬太尼類物質(zhì)的列管分為三個階段， 第一個階段是在《麻醉藥品品種目錄》中列管了13種芬太尼類物質(zhì)， 包括芬太尼、 舒芬太尼、 瑞芬太尼、 阿芬太尼等。 第二個階段是2015年以來， 陸續(xù)將12種芬太尼類似物列入《非藥用類麻醉藥品和精神藥品管制品種增補(bǔ)目錄》， 包括乙酰芬太尼、 丁酰芬太尼、 β-羥基硫代芬太尼、 4-氟丁酰芬太尼、 異丁酰芬太尼、 奧芬太尼、 丙烯酰芬太尼、 卡芬太尼、 呋喃芬太尼、 戊酰芬太尼、 4-氟異丁酰芬太尼、 四氟呋喃芬太尼。 至2018年底， 我國已列管25種芬太尼類物質(zhì)。 第三個階段是自2019年5月1日起將芬太尼類物質(zhì)整類列入《非藥用類麻醉藥品和精神藥品管制品種增補(bǔ)目錄》。 “芬太尼類物質(zhì)”是指化學(xué)結(jié)構(gòu)與芬太尼相比， 符合以下一個或多個條件的物質(zhì)： (1)使用其他?；娲；?， (2)使用任何取代或未取代的單環(huán)芳香基團(tuán)替代與氮原子直接相連的苯基， (3)哌啶環(huán)上存在烷基、 烯基、 烷氧基、 酯基、 醚基、 羥基、 鹵素、 鹵代烷基、 氨基及硝基等取代基， (4)使用其他任意基團(tuán)(氫原子除外)替代苯乙基。

常見的芬太尼類物質(zhì)定性分析方法包括氣相色譜-質(zhì)譜法、 液相色譜-質(zhì)譜法、 核磁共振法、 紅外光譜法、 拉曼光譜法[6-7]。 氣相色譜-質(zhì)譜法、 液相色譜-質(zhì)譜法和核磁共振法準(zhǔn)確度高、 但樣品前處理繁瑣、 檢測速度慢、 成本高、 不能用于現(xiàn)場快速檢驗。 紅外光譜和拉曼光譜均具有無需樣品前處理、 測試速度快、 檢測成本低、 綠色環(huán)保等優(yōu)點， 便攜式設(shè)備可用于現(xiàn)場快速檢驗[8-9]。 拉曼光譜儀可隔著玻璃瓶、 塑料袋等包裝進(jìn)行檢測， 無需直接接觸樣品， 但常規(guī)的785 nm激光波長的拉曼光譜儀易受到熒光干擾[10]。 此外， 不同廠商拉曼光譜儀由于分辨率不同、 光路設(shè)計等因素， 譜圖一致性較差。 與拉曼光譜相比， 紅外光譜無熒光干擾、 譜圖一致性高、 商業(yè)譜庫更加完備， 是現(xiàn)場快速定性分析的首選方法。

芬太尼類物質(zhì)種類繁多， 目前尚無關(guān)于芬太尼類物質(zhì)光譜特征以及光譜對芬太尼類結(jié)構(gòu)類似物區(qū)分能力的研究報道。 本研究擬通過分析28種芬太尼類物質(zhì)的紅外和拉曼光譜， 探討芬太尼類物質(zhì)的光譜特征， 以及紅外和拉曼光譜對芬太尼物質(zhì)的整體區(qū)分能力， 從而為廣大法庭科學(xué)實驗室及一線查緝部門采用光譜技術(shù)開展芬太尼類物質(zhì)定性分析工作提供科學(xué)指導(dǎo)和依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 儀器及參數(shù)

Frontier傅里葉變換紅外光譜儀(PerkinElmer,Waltham,MA,USA)， 配備金剛石光窗單次衰減全反射(ATR)附件。 Spectrum軟件(PerkinElmer,Waltham,MA,USA)用于紅外圖譜的采集。 取約3 mg樣品， 均勻地鋪展在ATR附件的上表面， 壓緊使緊密接觸， 采集全反射紅外光譜， 每個樣品重復(fù)測量2次。 光譜采集波數(shù)范圍4 000～550 cm-1， 分辨率4 cm-1， 采集次數(shù)8次。

ProTT-EZRaman-A7拉曼光譜儀(Enwaves Optronics,Inc,Irvine,CA)。 SLSR-ProTT analyzer 軟件(Enwaves Optronics,Inc,Irvine,CA)用于拉曼光譜的采集和基線校正。 取約10 mg樣品裝入玻璃樣品瓶， 將樣品瓶放在樣品卡套中采集拉曼光譜， 每個樣品重復(fù)測量2次。 光譜采集波長范圍1 900～250 cm-1， 采集時間20～50 s， 分辨率4 cm-1， 采集次數(shù)為2次， 激光波長785， 激光功率450 mW， CCD檢測器溫度-75 ℃。

1.2 芬太尼類物質(zhì)對照品

28種芬太尼類物質(zhì)對照品由上海刑事科學(xué)技術(shù)研究院提供， 其中包括： 芬太尼鹽酸鹽(Fentanyl HCl)、 芬太尼枸櫞酸鹽(Fentanyl Citrate)、 丙烯酰芬太尼(Acrylfentanyl)、 卡芬太尼鹽酸鹽(Carfentanyl HCl)、 呋喃芬太尼枸櫞酸鹽(Furanylfentanyl Citrate)、 戊酰芬太尼(Valerylfentanyl)、 乙酰芬太尼鹽酸鹽(Acetylfentanyl HCl)、 丁酰芬太尼鹽酸鹽(Butyrylfentanyl HCl)、 4-氟異丁酰芬太尼鹽酸鹽(4-FIBF HCl)、 N-芐基芬太尼鹽酸鹽(Benzylfentanyl HCl)、 甲氧乙酰芬太尼鹽酸鹽(Methoxyacetylfentanyl HCl)、 環(huán)丙芬太尼枸櫞酸鹽(Cyclopropylfentanyl Citrate)、 4-氟丁酰芬太尼(4-Fluorobutyrfentanyl)、 異丁酰芬太尼鹽酸鹽(Isobutyrfentanyl HCl)、 奧芬太尼(Ocfentanyl)、 噻吩芬太尼鹽酸鹽(Thiophenefentanyl HCl)、 苯基芬太尼鹽酸鹽(Phenylfentanyl HCl)、 四氫呋喃芬太尼鹽酸鹽(THF-F HCl)、 N-芐基呋喃芬太尼枸櫞酸鹽(Benzylfuranylfentanyl Citrate)、 3’,4’-二甲氧基芬太尼枸櫞酸鹽(3’,4’-Dimethoxyfentanyl Citrate)、 2-氟芬太尼鹽酸鹽(2-Fluorofentanyl HCl)、 阿法甲基芬太尼鹽酸鹽(Alpha-methylfentanyl HCl)、 倍他羥基芬太尼鹽酸鹽(Beta-hydroxyfentanyl HCl)、 3-甲基芬太尼鹽酸鹽(3-Methylfentanyl HCl)、 瑞芬太尼鹽酸鹽(Remifentanil HCl)、 舒芬太尼枸櫞酸鹽(Sufentanil Citrate)、 硫代芬太尼鹽酸鹽(Thiofentanyl HCl)、 4-氟芬太尼鹽酸鹽(4-Fluorofentanyl HCl)。

28種芬太尼類物質(zhì)紅外光譜圖詳見《新精神活性物質(zhì)分析手冊第2版紅外光譜分冊》[11]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用KnowItAll?軟件(Bio-Rad Laboratories,Inc,California,USA)進(jìn)行譜庫檢索和譜峰歸屬。 譜庫檢索的算法選用相關(guān)性系數(shù)法(correlation)， 相關(guān)性系數(shù)數(shù)值范圍為1～100， 0為完全不匹配， 100為完全匹配。

2 結(jié)果與討論

2.1 芬太尼類物質(zhì)的紅外光譜特征

芬太尼類物質(zhì)常見的鹽型為堿、 鹽酸鹽、 枸櫞酸鹽(即檸檬酸鹽)， 不同鹽型化合物的紅外光譜在3 200～2 000 cm-1區(qū)間差異顯著(圖2)。 芬太尼類物質(zhì)堿型化合物在2 972～2 952 cm-1存在強(qiáng)的吸收峰[圖2(a)]， 該吸收峰是由C—H鍵非對稱伸縮振動引起的。 芬太尼類物質(zhì)鹽酸鹽化合物在2 600～2 320 cm-1存在中等強(qiáng)度的多重吸收峰[圖2(b)]。 芬太尼物質(zhì)的N原子與質(zhì)子結(jié)合形成季胺鹽， 該吸收峰是由季胺鹽的N—H鍵伸縮振動引成的。 芬太尼類物質(zhì)枸櫞酸鹽化合物[圖2(c)]在3 100～2 800 cm-1存在中等偏弱的寬吸收峰， 該吸收峰是由于檸檬酸的OH伸縮振動形成的。

圖3 5種芬太尼類物質(zhì)的紅外光譜圖

2.2 芬太尼類物質(zhì)的拉曼光譜特征

28種芬太尼類物質(zhì)在1 001～1 002 cm-1處均存在強(qiáng)的拉曼峰， 該吸收峰是苯環(huán)上C—H鍵的面內(nèi)彎曲振動引起的。 在阿法甲基芬太尼鹽酸鹽、 3-甲基芬太尼鹽酸鹽、 芬太尼鹽酸鹽、 丁酰芬太尼鹽酸鹽、 苯基芬太尼鹽酸鹽、 四氫呋喃芬太尼鹽酸鹽等化合物的光譜分別見圖4(a—f)， 1 000 cm-1左右的峰為基峰， 其他峰的強(qiáng)度均低于基峰強(qiáng)度的30%。 4-氟芬太尼鹽酸鹽、 4-氟丁酰芬太尼、 4-氟異丁酰芬太尼鹽酸鹽、 瑞芬太尼鹽酸鹽、 硫代芬太尼鹽酸鹽、 呋喃芬太尼檬酸鹽、 舒芬太尼枸櫞酸鹽等化合物的拉曼光譜分別見圖5(a—g)， 除1 000 cm-1外還有其他較高強(qiáng)度的峰， 這類化合物的結(jié)構(gòu)特征為含有氟、 呋喃、 硫代等取代基(圖1)。

圖4 六種芬太尼類物質(zhì)的拉曼光譜圖

圖5 七種芬太尼類物質(zhì)的拉曼光譜圖

2.3 紅外光譜對芬太尼類結(jié)構(gòu)類似物的整體區(qū)分情況

將28種芬太尼類物質(zhì)的紅外光譜圖建成一個獨立光譜數(shù)據(jù)庫， 然后將28種芬太尼類物質(zhì)的紅外光譜逐一進(jìn)行譜庫檢索， 譜庫檢索的算法為相關(guān)性系數(shù)法(correlation)， 記錄每個化合物與其第二匹配化合物的相關(guān)性系數(shù)數(shù)值。 計算所得相關(guān)性系數(shù)數(shù)值(C)范圍為64～95， 其中數(shù)值大于90的有3組， 分別為芬太尼鹽酸鹽/丁酰芬太尼鹽酸鹽、 芬太尼鹽酸鹽/硫代芬太尼鹽酸鹽、 芬太尼枸櫞酸鹽/呋喃芬太尼枸櫞酸鹽(表1)。 這五種化合物的紅外光譜圖見圖3。 芬太尼鹽酸鹽與丁酰芬太尼鹽酸鹽的結(jié)構(gòu)差異為N原子上分別為丙酰和丁酰取代基， 相差一個甲基(圖1)。 芬太尼鹽酸鹽/丁酰芬太尼鹽酸鹽的紅外光譜圖較為類似， 但也存在明顯的光譜差異[圖3(a， b)]， 如芬太尼鹽酸鹽在1 460， 1 404， 1 329， 1 274， 1 097和962 cm-1存在特征吸收峰， 丁酰芬太尼鹽酸鹽在1 400， 1 320， 1 283和1 107 cm-1存在特征吸收峰。 芬太尼鹽酸鹽/硫代芬太尼鹽酸鹽[圖3(a,c)]和芬太尼枸櫞酸鹽/呋喃芬太尼枸櫞酸鹽[圖3(d,e)]這兩組化合物的譜圖差異非常明顯， 如芬太尼鹽酸鹽在1 274， 1 141， 740和708 cm-1存在特征吸收峰， 硫代芬太尼在1 272， 1 237， 1 168， 744， 703和688 cm-1存在特征吸收峰； 芬太尼枸櫞酸鹽在1 579， 1 420， 1 278， 1 231， 1 120， 1 102， 1 065， 837和757 cm-1存在特征吸收峰， 呋喃芬太尼枸櫞酸鹽在1 615， 1 467， 1 320， 944， 710和664 cm-1存在特征吸收峰。

表1 芬太尼化合物相關(guān)性系數(shù)Table 1 The correlation coefficients offentanyl-class substances

上述結(jié)果表明， 紅外光譜對于芬太尼類物質(zhì)具有高的區(qū)分度， 僅對部分結(jié)構(gòu)上相差一個甲基的結(jié)構(gòu)類似物區(qū)分度較弱。

2.4 拉曼光譜對芬太尼類結(jié)構(gòu)類似物的整體區(qū)分情況

將28種芬太尼類物質(zhì)的拉曼光譜建成一個獨立光譜數(shù)據(jù)庫， 然后將28種芬太尼類物質(zhì)的拉曼光譜逐一進(jìn)行譜庫檢索， 譜庫檢索的算法為相關(guān)性系數(shù)法(correlation)， 記錄每個化合物與其第二匹配化合物的相關(guān)性系數(shù)數(shù)值。 計算所得相關(guān)性系數(shù)數(shù)值(C)范圍為52～93。 匹配度系數(shù)最大的前三組化合物分別為阿法甲基芬太尼鹽酸鹽/3-甲基芬太尼鹽酸鹽， 芬太尼鹽酸鹽/丁酰芬太尼鹽酸鹽， 苯基芬太尼鹽酸鹽/四氫呋喃芬太尼鹽酸鹽(表1)。 這三組化合物的拉曼光譜圖見圖4。 阿法甲基芬太尼鹽酸鹽/3-甲基芬太尼鹽酸鹽的結(jié)構(gòu)差異為甲基的取代位置不同(圖1)， 兩者的拉曼光譜圖的相似度較高[圖4(a， b)]， 但阿法甲基芬太尼鹽酸鹽在1 653， 1 293， 831， 521， 453和407 cm-1存在特征拉曼峰， 3-甲基芬太尼鹽酸鹽在950和906 cm-1處存在特征拉曼峰； 芬太尼鹽酸鹽/丁酰芬太尼鹽酸鹽的結(jié)構(gòu)差異為相差一個甲基， 兩者的拉曼光譜圖相似性較高[圖4(c,d)]， 其中芬太尼鹽酸鹽在1 074， 741和305 cm-1存在特征拉曼峰， 丁酰芬太尼鹽酸鹽在763， 419和279 cm-1存在特征拉曼峰。 苯基芬太尼鹽酸鹽/四氫呋喃芬太尼鹽酸鹽的結(jié)構(gòu)差異為酰胺上分別為苯基和四氫呋喃取代基， 兩者的拉曼光譜圖差異較為顯著[圖4(e,f)]， 其中苯基芬太尼鹽酸鹽在1626， 732， 538和279 cm-1存在特征拉曼峰， 四氫呋喃芬太尼鹽酸鹽在1 308， 922， 833和459 cm-1存在特征拉曼峰。

上述結(jié)果表明， 拉曼光譜對于芬太尼類物質(zhì)具有高的區(qū)分度， 但對于部分結(jié)構(gòu)上相差一個甲基的結(jié)構(gòu)類似物或甲基取代基不同的同分異構(gòu)體的區(qū)分度較弱。

整體上看， 芬太尼類物質(zhì)的紅外光譜和拉曼光譜表現(xiàn)出不同的光譜特征， 兩種光譜具有互補(bǔ)性。 在測定實際繳獲樣品時發(fā)現(xiàn)， 部分純度較低或有顏色樣品的拉曼光譜存在熒光干擾， 造成某些強(qiáng)度較弱的拉曼峰被熒光信號所淹沒， 只剩下1 000 cm-1左右位置的峰。 但1 000 cm-1左右的峰并不是芬太尼類物質(zhì)的專屬拉曼峰， 如甲基苯丙胺、 麻黃堿、 3-氟苯乙胺、 3-氟苯丙胺、 3-氟甲基苯丙胺等化合物在1 000 cm-1左右也存在強(qiáng)的拉曼峰， 因此可能造成譜庫檢索結(jié)果的準(zhǔn)確率大大降低。

3 結(jié) 論

通過分析28種芬太尼類物質(zhì)的紅外和拉曼光譜圖， 考察了芬太尼類物質(zhì)的紅外和拉曼光譜特征， 以及紅外和拉曼光譜對芬太尼類物質(zhì)的整體區(qū)分能力。 整體上看， 紅外光譜和拉曼光譜具有互補(bǔ)性。 紅外光譜可用于區(qū)分所有的芬太尼類物質(zhì)， 對絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)類似物具有強(qiáng)的區(qū)分度， 對于部分結(jié)構(gòu)僅相差一個甲基的結(jié)構(gòu)類似物的區(qū)分度較弱， 但通過指紋區(qū)的特征吸收峰， 也可實現(xiàn)區(qū)分。 當(dāng)不存在熒光干擾條件下， 拉曼光譜也可實現(xiàn)對于所有芬太尼類物質(zhì)的區(qū)分， 其中， 對于絕大多數(shù)的芬太尼類結(jié)構(gòu)類似物具有較高區(qū)分度、 對于部分結(jié)構(gòu)僅差一個甲基或甲基不同位置取代的結(jié)構(gòu)類似物區(qū)分度較弱， 但通過指紋區(qū)的特征峰， 也可實現(xiàn)區(qū)分。 紅外光譜和拉曼光譜均具有無需樣品前處理、 測試速度快、 檢測成本低、 綠色環(huán)保等優(yōu)點。 由于某些實際繳獲樣品可能存在熒光干擾， 因此拉曼光譜技術(shù)具有一定的局限性。 與拉曼光譜相比， 紅外光譜無熒光干擾、 譜圖一致性高、 商業(yè)譜庫更加完備， 是芬太尼類物質(zhì)現(xiàn)場快速定性分析的首選方法。