芬太尼類物質的振動光譜特征分析研究

徐 琳， 何洪源*， 劉翠梅， 花鎮東

1. 中國人民公安大學偵查學院， 北京 100038 2. 公安部禁毒情報技術中心， 毒品監測管控與禁毒關鍵技術公安部重點實驗室， 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]。 為應對阿片類藥物濫用問題， 美國于2017年10月宣布進入“公共衛生緊急狀態”[3]。 芬太尼及芬太尼類物質是濫用頻率最高的阿片類藥物。 芬太尼是1960年由比利時藥理學家保羅·楊森合成的一種合成阿片類藥物。 它是一種強效麻醉性鎮痛劑， 起效快、 藥效強、 不良反應少、 作用時間短、 麻醉恢復快。 在醫療上被廣泛用于手術鎮痛、 輔助麻醉和慢性長期疼痛的控制[4]。 芬太尼類物質是通過對芬太尼化學結構上的某個原子或基團進行修飾， 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， 絕大多數無合法醫療用途， 是為了規避法律管制人工設計合成出來的， 屬于新精神活性物質。 與傳統天然及半合成阿片類毒品相比， 芬太尼類物質成本低、 合成工藝簡單、 社會危害性大。

我國對芬太尼類物質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， 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。 第三個階段是自2019年5月1日起將芬太尼類物質整類列入《非藥用類麻醉藥品和精神藥品管制品種增補目錄》。 “芬太尼類物質”是指化學結構與芬太尼相比， 符合以下一個或多個條件的物質： (1)使用其他酰基替代丙酰基， (2)使用任何取代或未取代的單環芳香基團替代與氮原子直接相連的苯基， (3)哌啶環上存在烷基、 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(氫原子除外)替代苯乙基。

常見的芬太尼類物質定性分析方法包括氣相色譜-質譜法、 液相色譜-質譜法、 核磁共振法、 紅外光譜法、 拉曼光譜法[6-7]。 氣相色譜-質譜法、 液相色譜-質譜法和核磁共振法準確度高、 但樣品前處理繁瑣、 檢測速度慢、 成本高、 不能用于現場快速檢驗。 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、 綠色環保等優點， 便攜式設備可用于現場快速檢驗[8-9]。 拉曼光譜儀可隔著玻璃瓶、 塑料袋等包裝進行檢測， 無需直接接觸樣品， 但常規的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、 商業譜庫更加完備， 是現場快速定性分析的首選方法。

芬太尼類物質種類繁多， 目前尚無關于芬太尼類物質光譜特征以及光譜對芬太尼類結構類似物區分能力的研究報道。 本研究擬通過分析28種芬太尼類物質的紅外和拉曼光譜， 探討芬太尼類物質的光譜特征， 以及紅外和拉曼光譜對芬太尼物質的整體區分能力， 從而為廣大法庭科學實驗室及一線查緝部門采用光譜技術開展芬太尼類物質定性分析工作提供科學指導和依據。

1 實驗部分

1.1 儀器及參數

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， 每個樣品重復測量2次。 光譜采集波數范圍4 000～550 cm-1， 分辨率4 cm-1， 采集次數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 芬太尼類物質對照品

28種芬太尼類物質對照品由上海刑事科學技術研究院提供， 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種芬太尼類物質紅外光譜圖詳見《新精神活性物質分析手冊第2版紅外光譜分冊》[11]。

1.3 數據分析

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

2 結果與討論

2.1 芬太尼類物質的紅外光譜特征

芬太尼類物質常見的鹽型為堿、 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區間差異顯著(圖2)。 芬太尼類物質堿型化合物在2 972～2 952 cm-1存在強的吸收峰[圖2(a)]， 該吸收峰是由C—H鍵非對稱伸縮振動引起的。 芬太尼類物質鹽酸鹽化合物在2 600～2 320 cm-1存在中等強度的多重吸收峰[圖2(b)]。 芬太尼物質的N原子與質子結合形成季胺鹽， 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種芬太尼類物質的紅外光譜圖

2.2 芬太尼類物質的拉曼光譜特征

28種芬太尼類物質在1 001～1 002 cm-1處均存在強的拉曼峰， 該吸收峰是苯環上C—H鍵的面內彎曲振動引起的。 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， 其他峰的強度均低于基峰強度的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外還有其他較高強度的峰， 這類化合物的結構特征為含有氟、 呋喃、 硫代等取代基(圖1)。

圖4 六種芬太尼類物質的拉曼光譜圖

圖5 七種芬太尼類物質的拉曼光譜圖

2.3 紅外光譜對芬太尼類結構類似物的整體區分情況

將28種芬太尼類物質的紅外光譜圖建成一個獨立光譜數據庫， 然后將28種芬太尼類物質的紅外光譜逐一進行譜庫檢索， 譜庫檢索的算法為相關性系數法(correlation)， 記錄每個化合物與其第二匹配化合物的相關性系數數值。 計算所得相關性系數數值(C)范圍為64～95， 其中數值大于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構差異為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 芬太尼化合物相關性系數Table 1 The correlation coefficients offentanyl-class substances

上述結果表明， 紅外光譜對于芬太尼類物質具有高的區分度， 僅對部分結構上相差一個甲基的結構類似物區分度較弱。

2.4 拉曼光譜對芬太尼類結構類似物的整體區分情況

將28種芬太尼類物質的拉曼光譜建成一個獨立光譜數據庫， 然后將28種芬太尼類物質的拉曼光譜逐一進行譜庫檢索， 譜庫檢索的算法為相關性系數法(correlation)， 記錄每個化合物與其第二匹配化合物的相關性系數數值。 計算所得相關性系數數值(C)范圍為52～93。 匹配度系數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構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構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構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。

上述結果表明， 拉曼光譜對于芬太尼類物質具有高的區分度， 但對于部分結構上相差一個甲基的結構類似物或甲基取代基不同的同分異構體的區分度較弱。

整體上看， 芬太尼類物質的紅外光譜和拉曼光譜表現出不同的光譜特征， 兩種光譜具有互補性。 在測定實際繳獲樣品時發現， 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左右也存在強的拉曼峰， 因此可能造成譜庫檢索結果的準確率大大降低。

3 結 論

通過分析28種芬太尼類物質的紅外和拉曼光譜圖， 考察了芬太尼類物質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的整體區分能力。 整體上看， 紅外光譜和拉曼光譜具有互補性。 紅外光譜可用于區分所有的芬太尼類物質， 對絕大多數結構類似物具有強的區分度， 對于部分結構僅相差一個甲基的結構類似物的區分度較弱， 但通過指紋區的特征吸收峰， 也可實現區分。 當不存在熒光干擾條件下， 拉曼光譜也可實現對于所有芬太尼類物質的區分， 其中， 對于絕大多數的芬太尼類結構類似物具有較高區分度、 對于部分結構僅差一個甲基或甲基不同位置取代的結構類似物區分度較弱， 但通過指紋區的特征峰， 也可實現區分。 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、 綠色環保等優點。 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、 商業譜庫更加完備， 是芬太尼類物質現場快速定性分析的首選方法。