徐靜陽 ,趙 森 ,姚偉宣

(1.清華大學(xué) 基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心,北京 100084;2.浙江省毒品防控技術(shù)研究重點實驗室,浙江警察學(xué)院,杭州 310053)

毒品濫用現(xiàn)象呈現(xiàn)涉毒人員廣、毒品種類多和新型毒品危害三大趨勢,嚴(yán)重威脅民眾身體健康、經(jīng)濟安全和社會穩(wěn)定。目前,吸毒人員毒品檢測技術(shù)的采樣基質(zhì)主要包括血液、尿液和毛發(fā),相應(yīng)的儀器分析手段成熟,檢測靈敏度高。但是這些常規(guī)檢測技術(shù)存在缺陷:由于嫌疑人維權(quán)意識增強、對犯罪證據(jù)的保護以及自身健康條件等原因,緝毒人員獲取其血液、尿液或毛發(fā)樣品的難度越來越大。而且,采取上述生物樣本進行檢測對操作人員、試驗環(huán)境要求高,檢測環(huán)節(jié)存在前處理程序繁瑣、檢測耗時長、成本高等問題,不利于開展現(xiàn)場快速檢測。在毒品防控工作中,研發(fā)樣本采集簡便、檢測靈敏度高、利于現(xiàn)場快檢的毒品檢測技術(shù)及相應(yīng)裝備是公安禁毒實戰(zhàn)的迫切需求。

呼出氣體中微量物質(zhì)的標(biāo)志性組分分析可以為人體生理、病理的研究和診斷提供重要信息,作為一種易于采集的檢驗基質(zhì)受到醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。呼出氣采集便于操作,具有非侵入性,對檢測對象無負(fù)擔(dān),可實施連續(xù)采樣,有利于實行精準(zhǔn)醫(yī)療。目前,各種呼出氣體采集方法和儀器分析手段已在臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境健康、法庭科學(xué)等研究領(lǐng)域見諸報道[1-3]。盡管其中面向吸毒人員毒品檢測的呼出氣體分析非常有限,但已證實了其可行性[4],而且采樣操作和檢測程序均顯示出顯著優(yōu)勢。相比于尿液、血液、唾液和毛發(fā)等傳統(tǒng)的毒品檢驗基質(zhì),呼出氣體采樣對檢驗對象的身體條件和生理條件沒有特殊要求,可隨時、連續(xù)、多次取樣。

國內(nèi)毒品防控的嚴(yán)峻形勢迫切需要開發(fā)現(xiàn)場快速甄別吸毒人員的檢測技術(shù),系統(tǒng)研究以呼出氣體為基質(zhì)的毒品檢測方法具有非常重要的實戰(zhàn)意義。本工作針對呼出氣體作為檢測基質(zhì)的特點以及該領(lǐng)域的國內(nèi)外研究進展和主要技術(shù)路線,從檢測技術(shù)所涉及的氣體收集、分離和檢測環(huán)節(jié)出發(fā),重點討論呼出氣體中毒品標(biāo)志物的收集、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、直接質(zhì)譜檢測技術(shù)、基于特異性反應(yīng)的檢測技術(shù)、電化學(xué)傳感器檢測技術(shù)和離子遷移譜技術(shù)在呼出氣體毒品及其代謝物檢測中的應(yīng)用,并對呼出氣體樣本毒品檢測快檢技術(shù)及相應(yīng)裝備研發(fā)趨勢進行了展望。

1 呼出氣體中毒品標(biāo)志物的收集

已知呼出氣中含有高達3 000余種具有不同揮發(fā)性的化合物,主要包括氣相的揮發(fā)性有機物和氣溶膠中的非揮發(fā)性化合物,且受到環(huán)境氣體、檢測人員自身健康條件、口腔衛(wèi)生等因素影響,構(gòu)成了一個復(fù)雜的樣本體系[5]。呼出氣體樣本采集策略主要包括吸附收集、氣袋收集和呼吸凝析液收集,方法的選擇取決于目標(biāo)物的特點、定性定量檢測要求等。

由于毒品及其代謝物具有低揮發(fā)性特點,呼出氣體中毒品(或其代謝物)濃度水平極低,約在ng?L－1的量級,需要在采樣時對目標(biāo)物進行富集。而氣體樣本收集器主要基于采集呼吸凝析液,或利用吸附材料富集檢測目標(biāo)物。根據(jù)檢測需求,采集方法往往選擇或綜合采用吸附收集、集氣提取和冷凝收集等[6]。其中,吸附材料富集法利用靜電吸附、固相萃取、固相微萃取等方法吸附收集含有目標(biāo)分子的氣溶膠顆粒物,然后使用有機溶劑洗脫,富集后的目標(biāo)物通過質(zhì)譜等手段檢出。例如,COUCKE等[7]利用高分子駐極體膜材料吸附收集呼出氣體中的四氫大麻酚(大麻毒品的主要精神活性物質(zhì)),吸食一支大麻煙3 h后收集2～3 min的呼出氣體,可檢出四氫大麻酚的平均濃度水平達到每份樣品1 479 pg,四氫大麻酚的代謝物則無檢出。BECK等[8]利用固相萃取膜收集吸食大麻后1～12 h內(nèi)的呼出氣體,收集時間10 min,四氫大麻酚的檢出量達到9.0～77.3 pg?min－1。

毒品或其代謝物的采集效率為后續(xù)檢驗程序的確定及最終的檢驗效果奠定了基礎(chǔ)。研發(fā)高效、低成本的吸附材料和呼出氣體采集器,可以支持呼出氣體采集方法應(yīng)用于日常巡檢工作中的吸毒人員篩查;研發(fā)篩選高選擇吸附性材料則可提高呼出氣體中目標(biāo)分子收集的選擇性和靈敏度,簡化前處理步驟,從而更好地對接光學(xué)、電化學(xué)等檢測手段,有利于實現(xiàn)裝備小型化、現(xiàn)場化[9]。

2 呼出氣體基質(zhì)中毒品及其代謝物的檢測方法

2.1 色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)

色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在定性定量分析方面的準(zhǔn)確度使其通常作為決定性的檢測手段,構(gòu)成了各種常規(guī)基質(zhì)檢材中毒品檢測的金標(biāo)準(zhǔn)。目前,吸毒人員呼出氣體中毒品及其代謝物多采用氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜檢測技術(shù)、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜檢測技術(shù)進行定性定量分析[10-13]。其中,液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)最為常用,可檢測呼出氣體中的低揮發(fā)性毒品及其代謝物組分,首先經(jīng)氣體收集(高分子濾膜捕獲)、洗脫[14]、衍生化等操作進行預(yù)處理,之后經(jīng)液相色譜分離、質(zhì)譜檢測。液相色譜分離的選擇性好,質(zhì)譜檢測的靈敏度高,已有多篇文獻[15-18]報道了關(guān)于呼出氣體樣本中苯丙胺類、阿片類、合成大麻類等新精神活性物質(zhì)類毒品(或其代謝物)的檢測。例如,LUO 等[17]建立了靈敏度達pg級乃至亞pg級的檢測方法,在服用大麻15 min～3 h后的呼出氣體中檢出0.89～17.8 pg?L－1四氫大麻酚,檢出量與基于血液樣本的結(jié)果一致。ULLAH 等[18]采用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)測定28種非揮發(fā)性毒品分析物的含量,并從戒毒人員呼出氣體樣品中檢出了包括苯丙胺、甲基苯丙胺、二亞甲基苯丙胺、可待因、可卡因、哌甲酯、美沙酮、美沙酮代謝物、四氫大麻酚、阿普唑侖、氯硝西泮、7-氨基氯硝西泮在內(nèi)的多種非揮發(fā)性毒品成分及相關(guān)代謝物,多數(shù)分析物的檢出限達到pg級水平。

總體上,色譜-串聯(lián)質(zhì)譜檢測技術(shù)的準(zhǔn)確度高,可作為決定性的檢測手段[19]。在呼出氣體樣本的毒品檢測研究中,用于系統(tǒng)地對比研究和評價經(jīng)人體代謝不同時間后血液、唾液、呼出氣體等生物樣本中毒品及其代謝物的檢出情況[20-21],并作為一種標(biāo)準(zhǔn)方法用來評估其他新建檢測方法的有效性。在毒品檢驗的實戰(zhàn)應(yīng)用中,該技術(shù)適合于執(zhí)法人員通過吸附、集氣或采集凝析液等方式取得呼出氣體檢測樣本,然后帶回實驗室進行檢驗鑒定。但是,色譜-質(zhì)譜設(shè)備體積、質(zhì)量較大,檢測耗時較長,需要專業(yè)人員進行操作和數(shù)據(jù)解析[22],該檢驗流程主要在物證鑒定實驗室進行,不適用于在執(zhí)法現(xiàn)場直接給出吸毒人員篩查結(jié)果[23]。

2.2 直接質(zhì)譜檢測技術(shù)

采用直接質(zhì)譜檢測技術(shù)有望在一定程度上解決色譜-質(zhì)譜聯(lián)用設(shè)備在毒品檢測裝備難以小型化和不便實時檢測的問題[6]。例如,已有研究利用固相微萃取等手段采集呼出氣體樣本,然后使用實時直接質(zhì)譜檢測實現(xiàn)對其中的揮發(fā)性、非揮發(fā)性藥物組分的檢測[24],顯示出直接質(zhì)譜檢測在呼出氣體樣本快速檢測方面的應(yīng)用潛力。與色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)相比,直接質(zhì)譜檢測技術(shù)減除了色譜分離步驟,通過采用頂空進樣、膜進樣等替代色譜分離步驟,結(jié)合選擇離子流動管質(zhì)譜(SIFT MS)、質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜(PTR MS)、二次電噴霧電離質(zhì)譜(SESI MS)、萃取電噴霧電離質(zhì)譜(EESI MS)、大氣壓化學(xué)電離質(zhì)譜(APCI MS)等儀器[25]來進行毒品檢測。KLEEBLATT 等[26]報道了直接熱解吸光電離質(zhì)譜法檢出豬呼出氣中麻醉藥物異丙酚。BERCHTOLD 等[27]基于模擬呼氣生成裝置,使用APCI、EESI等離子化方法結(jié)合質(zhì)譜設(shè)備檢出模擬呼氣中芬太尼等毒品。然而,目前直接質(zhì)譜法測定真實呼出氣體樣本中的痕量(約ppq級)毒品分子仍難以達到。此外,質(zhì)譜小型化仍面臨質(zhì)量、體積、能耗大等方面的問題[28]。開發(fā)可在接近大氣壓條件下使用的敞開式離子源質(zhì)譜,將會進一步提高設(shè)備的可便攜性,也有利于不同揮發(fā)性的毒品分子的檢測[12,29]。

2.3 基于特異性反應(yīng)的檢測技術(shù)

基于特異性反應(yīng)的痕量檢測技術(shù)已被成功應(yīng)用于尿液、唾液等生物樣本中的毒品檢測。檢測試劑與目標(biāo)分子發(fā)生特異性結(jié)合,反應(yīng)產(chǎn)物再通過光譜法等檢測手段進行定性定量分析。例如,納米探針技術(shù)通過在檢測試劑中引入顯色基團,檢測試劑與痕量的目標(biāo)毒品分子發(fā)生抗原抗體反應(yīng),結(jié)合產(chǎn)物再通過光譜法檢測[30]。又如,利用表面等離子共振技術(shù)檢測抗原抗體反應(yīng)的產(chǎn)物[31-32]。

基于特異性反應(yīng)的呼出氣體毒品檢測已經(jīng)在美國研發(fā)得到商業(yè)化產(chǎn)品,應(yīng)用于大麻檢測(可同步檢測酒精和大麻)。檢測原理是吸附收集氣溶膠顆粒,四氫大麻酚與一種重氮鹽檢測試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物在560 nm 激發(fā)波長下可通過檢測熒光強度進行定量分析。該方法取氣量在5 L 左右,可在數(shù)分鐘內(nèi)得到結(jié)果,檢出限達到pg?L－1級。篩查短時間內(nèi)發(fā)生的大麻服用行為可取得與液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)相符的檢測結(jié)果。所留存氣體樣本還可用于后續(xù)的實驗室質(zhì)譜分析[33]。

基于特異性反應(yīng)的檢測技術(shù)具有檢測快速、成本低的優(yōu)勢,而它的局限性主要在于單次檢測的毒品種類有限。并且,該方法存在一定的假陽性,難以區(qū)分毒品的結(jié)構(gòu)類似物,準(zhǔn)確度不及色譜-串聯(lián)質(zhì)譜等儀器分析方法。因此,該技術(shù)路線主要適用于在公共場合進行特定毒品涉案人員的快速篩查。

2.4 電化學(xué)傳感器檢測技術(shù)

電化學(xué)傳感器可以實現(xiàn)特定目標(biāo)物的篩查,有利于設(shè)計小型化、便攜的現(xiàn)場毒品快檢裝備。相較免疫法,其在非實驗室條件下使用,靈敏度更高,受環(huán)境因素干擾更小。基于碳基材料的絲印電化學(xué)傳感器、分子印跡聚合物電化學(xué)傳感器、電化學(xué)免疫傳感器等技術(shù)已被研究用于毒品快速檢測,可以實現(xiàn)血液、唾液、尿液等生物樣本中四氫大麻酚、可卡因、阿片類藥物、安非他命和甲基苯丙胺、苯二氮類藥物等常見毒品(或其代謝物)的檢出[34-36]。

面向呼出氣體基質(zhì)中毒品檢測的電化學(xué)傳感器也有文獻報道。HWANG 等[37]提出了一種基于富含半導(dǎo)體的單壁碳納米管化學(xué)電阻的電化學(xué)方法,用于檢測呼出氣體中的四氫大麻酚,檢出限達到0.163 ng,但是其采用人工制造的四氫大麻酚蒸氣作為檢測對象,相較之下,真實的呼出氣成分更為復(fù)雜,有必要同步開展前置選擇性吸附目標(biāo)物的氣體收集材料及其裝置的研究。通過在氣體樣本采集中選用高選擇性的吸附材料,以及通過修飾電極等方法提高現(xiàn)有電化學(xué)方法的選擇性和靈敏度,將推動電化學(xué)傳感器檢測技術(shù)在毒品快檢裝置中的開發(fā)應(yīng)用。

2.5 離子遷移譜技術(shù)

離子遷移譜技術(shù)適用于未知檢測對象的檢驗鑒定,有望應(yīng)用于開發(fā)針對氣體樣本的毒品快檢裝備。原理是通過將檢測對象分子離子化,離子在電場中遷移,以氣相離子遷移時間的差別來進行分離定性,可以分離、檢測呼出氣中的各種揮發(fā)性組分,特別適合揮發(fā)性有機化合物的痕量檢測。對低揮發(fā)性物質(zhì),包括絕大多數(shù)毒品及其代謝物,利用前置熱解析等技術(shù)進行前處理后亦可檢測[38]。目前,國內(nèi)外課題組都開展了基于離子遷移譜的痕量毒品檢測研究[39]。利用該技術(shù)在氣體樣本中檢測痕量毒品也有一些成功案例。加拿大Cannabix Technologies公司和美國佛羅里達大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了基于不對稱場離子遷移譜(FAIMS)技術(shù)的大麻吸毒行為檢測裝備,其檢測原理是通過收集呼出氣體中的氣溶膠顆粒,氣化處理后經(jīng)離子不對稱場遷移譜檢測。該裝備既可以單獨在現(xiàn)場使用,也可以與質(zhì)譜串聯(lián)使用,可檢出人體吸食大麻2 h后呼出氣體中的四氫大麻酚,還可同步實現(xiàn)可卡因、酒精等管制藥品的檢測[40]。此外,離子遷移譜技術(shù)還被報道檢出大氣環(huán)境樣本中可卡因、二亞甲基雙氧苯丙胺和其他安非他命類毒品分子,可以實現(xiàn)對制毒、濫用毒品等場所空間的氣體樣本檢測和對毒品檢驗鑒定實驗室環(huán)境空氣污染情況的評估[41-42]。

離子遷移譜檢測對象的適用范圍廣,可在大氣壓下工作,儀器的體積、質(zhì)量相對較小,特別適合于現(xiàn)場檢測裝備的研發(fā)[43]?？梢詥为氶_發(fā)便攜、小型化的檢測器,也可連接在質(zhì)譜檢測器的前端,為質(zhì)譜檢測提供幾乎專一的待檢測離子,從而提高檢測的選擇性和靈敏度。在毒品檢測方面,離子遷移譜技術(shù)可用于現(xiàn)場檢測和快速篩查,還可以將采集樣本帶回實驗室連接質(zhì)譜,再做進一步分析測試,與毒品檢驗鑒定的標(biāo)準(zhǔn)方法銜接使用,具有很好的靈活性[44]。

3 呼出氣體樣本毒品檢測快檢技術(shù)及相應(yīng)裝備研發(fā)趨勢

基于采樣操作的顯著優(yōu)勢和檢測技術(shù)的不斷發(fā)展,以呼出氣體作為毒品及其代謝物的檢驗基質(zhì)顯示出巨大應(yīng)用潛力。結(jié)合實戰(zhàn)需求來看,正如呼氣檢測之于酒駕判定的重要應(yīng)用價值,如能開發(fā)出呼出氣體中毒品含量快速檢測裝備,將會非常有利于一線執(zhí)法工作。目前,大麻類毒品檢測方法的研究數(shù)量和多樣性較高[45],已提出原型機的檢測裝備主要針對大麻毒品。根據(jù)我國毒品管控形勢,冰毒、海洛因乃至新精神活性物質(zhì)等其他毒品及其代謝物的檢測問題值得關(guān)注與深入研究。

基于呼出氣體基質(zhì)的毒品檢測裝備開發(fā)需集成氣體收集、預(yù)處理、毒品成分檢測和數(shù)據(jù)分析幾個模塊。在檢測技術(shù)路線的選擇上,本工作所討論的方法各有所長。其中,質(zhì)譜技術(shù)是最為準(zhǔn)確可靠的分析手段,基于特異性反應(yīng)和電化學(xué)方法的檢測手段有利于研發(fā)以特定成分篩查為目標(biāo)的快檢方法,離子遷移譜技術(shù)則具有小型化設(shè)備開發(fā)和未知毒品快速檢測的巨大潛力。預(yù)處理技術(shù)在快檢裝備的開發(fā)中也具有至關(guān)重要的意義,研發(fā)獲得具有高選擇性的毒品吸附材料,可極大地提高光學(xué)、電化學(xué)等檢測手段的靈敏度。此外,隨著基于微流控技術(shù)和數(shù)學(xué)建模的人工嗅覺技術(shù)[46-47]不斷突破靈敏度限制,也有望應(yīng)用于呼出氣體中的毒品檢測。

在研發(fā)針對呼出氣體基質(zhì)的檢測方法及相應(yīng)裝備時,應(yīng)注意不同類型毒品服用方式和代謝途徑的差異對檢驗結(jié)果的影響。對于通過口鼻吸入人體的毒品,采用呼出氣體基質(zhì)進行檢測的可行性更高。而其他途徑攝入的毒品,經(jīng)由人體代謝循環(huán)后進入呼出氣體中的毒品或其代謝物,由于濃度水平低、代謝時間長的問題,快檢方法的適用性需結(jié)合藥物代謝動力學(xué)做進一步研究[13]。此外,須注意不同毒品在呼出氣基質(zhì)中檢出的時間窗口范圍[48],及與尿液、血液等其他基質(zhì)檢測的比較。目前來看,呼出氣能較好地反映較短時間內(nèi)的吸毒行為。例如,吸食大麻3 h內(nèi)可通過呼出氣檢出,而該時間段正好是大麻類毒品對人精神產(chǎn)生影響最顯著的時間階段。呼出氣體檢測還能對代謝快速、血液中停留時間短的毒品及其代謝物的檢測提供有效手段[13]。為此,深入開展毒品代謝動力學(xué)研究,在此基礎(chǔ)上分析不同類型毒品的檢測時間窗口,對評估相關(guān)快檢方法及其裝備的實戰(zhàn)應(yīng)用價值十分關(guān)鍵。

4 結(jié)語

吸毒人員呼出氣體基質(zhì)中毒品檢測的可行性已經(jīng)得到證實,但是尚未系統(tǒng)開發(fā)形成適用于不同類型毒品的較為成熟的檢測手段。毒品防控的嚴(yán)峻形勢迫切需要現(xiàn)場快速甄別吸毒人員的檢測技術(shù),開發(fā)針對呼出氣體樣本的毒品檢測方法具有非常重要的實戰(zhàn)意義。通過全面解析呼出氣體中毒品或其代謝物的標(biāo)志性成分及其排出機制,可以為呼出氣體樣本應(yīng)用于吸毒人員篩查奠定理論基礎(chǔ)。通過從不同技術(shù)路線開發(fā)現(xiàn)場快速檢驗裝備,將為在公共場合實現(xiàn)吸毒人員排查提供便捷有效的手段。