呼出氣體中毒品及其代謝物檢測方法的研究進展

徐靜陽 ,趙 森 ,姚偉宣

(1.清華大學 基礎工業訓練中心,北京 100084;2.浙江省毒品防控技術研究重點實驗室,浙江警察學院,杭州 310053)

毒品濫用現象呈現涉毒人員廣、毒品種類多和新型毒品危害三大趨勢,嚴重威脅民眾身體健康、經濟安全和社會穩定。目前,吸毒人員毒品檢測技術的采樣基質主要包括血液、尿液和毛發,相應的儀器分析手段成熟,檢測靈敏度高。但是這些常規檢測技術存在缺陷:由于嫌疑人維權意識增強、對犯罪證據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、試驗環境要求高,檢測環節存在前處理程序繁瑣、檢測耗時長、成本高等問題,不利于開展現場快速檢測。在毒品防控工作中,研發樣本采集簡便、檢測靈敏度高、利于現場快檢的毒品檢測技術及相應裝備是公安禁毒實戰的迫切需求。

呼出氣體中微量物質的標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受到醫學界的廣泛關注。呼出氣采集便于操作,具有非侵入性,對檢測對象無負擔,可實施連續采樣,有利于實行精準醫療。目前,各種呼出氣體采集方法和儀器分析手段已在臨床醫學、環境健康、法庭科學等研究領域見諸報道[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勢。相比于尿液、血液、唾液和毛發等傳統的毒品檢驗基質,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、多次取樣。

國內毒品防控的嚴峻形勢迫切需要開發現場快速甄別吸毒人員的檢測技術,系統研究以呼出氣體為基質的毒品檢測方法具有非常重要的實戰意義。本工作針對呼出氣體作為檢測基質的特點以及該領域的國內外研究進展和主要技術路線,從檢測技術所涉及的氣體收集、分離和檢測環節出發,重點討論呼出氣體中毒品標志物的收集、色譜-質譜聯用技術、直接質譜檢測技術、基于特異性反應的檢測技術、電化學傳感器檢測技術和離子遷移譜技術在呼出氣體毒品及其代謝物檢測中的應用,并對呼出氣體樣本毒品檢測快檢技術及相應裝備研發趨勢進行了展望。

1 呼出氣體中毒品標志物的收集

已知呼出氣中含有高達3 000余種具有不同揮發性的化合物,主要包括氣相的揮發性有機物和氣溶膠中的非揮發性化合物,且受到環境氣體、檢測人員自身健康條件、口腔衛生等因素影響,構成了一個復雜的樣本體系[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物。根據檢測需求,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,富集后的目標物通過質譜等手段檢出。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),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檢驗程序的確定及最終的檢驗效果奠定了基礎。研發高效、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用于日常巡檢工作中的吸毒人員篩查;研發篩選高選擇吸附性材料則可提高呼出氣體中目標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、電化學等檢測手段,有利于實現裝備小型化、現場化[9]。

2 呼出氣體基質中毒品及其代謝物的檢測方法

2.1 色譜-質譜聯用技術

色譜-質譜聯用技術在定性定量分析方面的準確度使其通常作為決定性的檢測手段,構成了各種常規基質檢材中毒品檢測的金標準。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-串聯質譜檢測技術、液相色譜-串聯質譜檢測技術進行定性定量分析[10-13]。其中,液相色譜-串聯質譜技術最為常用,可檢測呼出氣體中的低揮發性毒品及其代謝物組分,首先經氣體收集(高分子濾膜捕獲)、洗脫[14]、衍生化等操作進行預處理,之后經液相色譜分離、質譜檢測。液相色譜分離的選擇性好,質譜檢測的靈敏度高,已有多篇文獻[15-18]報道了關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果一致。ULLAH 等[18]采用液相色譜-質譜聯用技術測定28種非揮發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-氨基氯硝西泮在內的多種非揮發性毒品成分及相關代謝物,多數分析物的檢出限達到pg級水平。

總體上,色譜-串聯質譜檢測技術的準確度高,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,用于系統地對比研究和評價經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],并作為一種標準方法用來評估其他新建檢測方法的有效性。在毒品檢驗的實戰應用中,該技術適合于執法人員通過吸附、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-質譜設備體積、質量較大,檢測耗時較長,需要專業人員進行操作和數據解析[22],該檢驗流程主要在物證鑒定實驗室進行,不適用于在執法現場直接給出吸毒人員篩查結果[23]。

2.2 直接質譜檢測技術

采用直接質譜檢測技術有望在一定程度上解決色譜-質譜聯用設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譜檢測實現對其中的揮發性、非揮發性藥物組分的檢測[24],顯示出直接質譜檢測在呼出氣體樣本快速檢測方面的應用潛力。與色譜-串聯質譜技術相比,直接質譜檢測技術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,結合選擇離子流動管質譜(SIFT MS)、質子轉移反應質譜(PTR MS)、二次電噴霧電離質譜(SESI MS)、萃取電噴霧電離質譜(EESI MS)、大氣壓化學電離質譜(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等離子化方法結合質譜設備檢出模擬呼氣中芬太尼等毒品。然而,目前直接質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,質譜小型化仍面臨質量、體積、能耗大等方面的問題[28]。開發可在接近大氣壓條件下使用的敞開式離子源質譜,將會進一步提高設備的可便攜性,也有利于不同揮發性的毒品分子的檢測[12,29]。

2.3 基于特異性反應的檢測技術

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

基于特異性反應的呼出氣體毒品檢測已經在美國研發得到商業化產品,應用于大麻檢測(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生化學反應,反應產物在560 nm 激發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,可在數分鐘內得到結果,檢出限達到pg?L－1級。篩查短時間內發生的大麻服用行為可取得與液相色譜-質譜聯用技術相符的檢測結果。所留存氣體樣本還可用于后續的實驗室質譜分析[33]。

基于特異性反應的檢測技術具有檢測快速、成本低的優勢,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,難以區分毒品的結構類似物,準確度不及色譜-串聯質譜等儀器分析方法。因此,該技術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 電化學傳感器檢測技術

電化學傳感器可以實現特定目標物的篩查,有利于設計小型化、便攜的現場毒品快檢裝備。相較免疫法,其在非實驗室條件下使用,靈敏度更高,受環境因素干擾更小?；谔蓟牧系慕z印電化學傳感器、分子印跡聚合物電化學傳感器、電化學免疫傳感器等技術已被研究用于毒品快速檢測,可以實現血液、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]。

面向呼出氣體基質中毒品檢測的電化學傳感器也有文獻報道。HWANG 等[37]提出了一種基于富含半導體的單壁碳納米管化學電阻的電化學方法,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雜,有必要同步開展前置選擇性吸附目標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有電化學方法的選擇性和靈敏度,將推動電化學傳感器檢測技術在毒品快檢裝置中的開發應用。

2.5 離子遷移譜技術

離子遷移譜技術適用于未知檢測對象的檢驗鑒定,有望應用于開發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性組分,特別適合揮發性有機化合物的痕量檢測。對低揮發性物質,包括絕大多數毒品及其代謝物,利用前置熱解析等技術進行前處理后亦可檢測[38]。目前,國內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聯合開發了基于不對稱場離子遷移譜(FAIMS)技術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,氣化處理后經離子不對稱場遷移譜檢測。該裝備既可以單獨在現場使用,也可以與質譜串聯使用,可檢出人體吸食大麻2 h后呼出氣體中的四氫大麻酚,還可同步實現可卡因、酒精等管制藥品的檢測[40]。此外,離子遷移譜技術還被報道檢出大氣環境樣本中可卡因、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、質量相對較小,特別適合于現場檢測裝備的研發[43]?？梢詥为氶_發便攜、小型化的檢測器,也可連接在質譜檢測器的前端,為質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,離子遷移譜技術可用于現場檢測和快速篩查,還可以將采集樣本帶回實驗室連接質譜,再做進一步分析測試,與毒品檢驗鑒定的標準方法銜接使用,具有很好的靈活性[44]。

3 呼出氣體樣本毒品檢測快檢技術及相應裝備研發趨勢

基于采樣操作的顯著優勢和檢測技術的不斷發展,以呼出氣體作為毒品及其代謝物的檢驗基質顯示出巨大應用潛力。結合實戰需求來看,正如呼氣檢測之于酒駕判定的重要應用價值,如能開發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法工作。目前,大麻類毒品檢測方法的研究數量和多樣性較高[45],已提出原型機的檢測裝備主要針對大麻毒品。根據我國毒品管控形勢,冰毒、海洛因乃至新精神活性物質等其他毒品及其代謝物的檢測問題值得關注與深入研究。

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

在研發針對呼出氣體基質的檢測方法及相應裝備時,應注意不同類型毒品服用方式和代謝途徑的差異對檢驗結果的影響。對于通過口鼻吸入人體的毒品,采用呼出氣體基質進行檢測的可行性更高。而其他途徑攝入的毒品,經由人體代謝循環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合藥物代謝動力學做進一步研究[13]。此外,須注意不同毒品在呼出氣基質中檢出的時間窗口范圍[48],及與尿液、血液等其他基質檢測的比較。目前來看,呼出氣能較好地反映較短時間內的吸毒行為。例如,吸食大麻3 h內可通過呼出氣檢出,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研究,在此基礎上分析不同類型毒品的檢測時間窗口,對評估相關快檢方法及其裝備的實戰應用價值十分關鍵。

4 結語

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