分析非法药物的挥发性有机化合物特征

挥发有机物分析技术 hidden, 毒品检测方法优化 |GC-MS|主成分分析|警犬训练改进|毒品溯源技术

　　

克莱门特·马丁（Clément Martin）|埃莱娜·索耶尔特（Hélène Soyeurt）|娜塔莉·梅尔特（Natalie Meert）|范妮·鲁兰德（Fanny Ruhland）|克莱尔·迪德里希（Claire Diederich）|弗朗索瓦·维尔赫根（Fran?ois Verheggen）

比利时杰姆布卢农业生物技术学院（Terra, Gembloux Agro-Bio Tech）及列日大学（University of Liège）。地址：Passage des Déportés 2, 5030 Gembloux, Belgium

摘要

了解非法药物的复杂化学成分对于打击其无序流通至关重要。尽管已经提出了使用气体传感器进行检测的方法，但犬类仍然是执法机构的主要工具。然而，由于关于它们能检测到的具体气味的资料有限，人们对这些传感器的可靠性仍存有疑虑。为了改进传感器开发和犬类训练，需要进行可靠的化学特性分析。

本研究旨在通过顶空挥发性采样结合气相色谱和质谱技术，分析比利时警方查获的非法药物（包括安非他明、大麻、鸦片、可卡因、海洛因、MDMA和氯胺酮）释放的挥发性化学成分。除了识别每种药物中最丰富的化合物外，还运用了偏最小二乘判别分析（PLS-DA）来确定它们的化学特征。该模型在检测和区分这些药物方面的准确率达到了92%。

这些发现突显了针对关键特征化合物的现场可用气体传感器的潜力，并可能显著提升犬类检测器的性能。

引言

非法药物是一系列复杂多样的精神活性物质，每种药物都有其独特的来源、制备方法和化学组成。在欧盟，每年查获的药物数量都在增加，其中大麻类物质是最主要的查获物品（2023年占查获总量的69%），其次是可卡因和安非他明类兴奋剂[1]。在各种检测技术中，药物检测犬可能是使用最广泛的方法，尤其是在检测人体或隐藏位置（例如行李、包裹）中的药物时。从天然植物来源的麻醉剂（如鸦片和大麻素）到合成化合物（如甲基苯丙胺和3,4-亚甲基二氧-N-甲基苯丙胺（MDMA），非法药物的范围涵盖了具有不同化学结构的多种物质。在药物滥用问题中，可以根据其活性化学成分对非法药物进行分类。大麻素（例如大麻、大麻脂）以其主要成分四氢大麻酚（THC）和大麻二酚（CBD）为代表，凸显了植物来源物质的多样性。可卡因、（甲基）安非他明和MDMA等兴奋剂与海洛因等阿片类药物形成鲜明对比。来源和制备方法的多样性不仅体现了非法药物交易的复杂性，还显著影响了这些物质的化学组成[2]、[3]、[4]、[5]。自2016年以来，人们越来越关注将化学计量分析应用于非法物质，以提取有助于预测药物来源甚至生产方法的关键信息[1]、[6]、[7]、[8]。

解析非法药物的挥发性成分对于预测与其来源相关的关键信息具有重要意义。这在法医调查和公共卫生等多个领域都有应用价值，有助于追踪药物来源并将证据与特定犯罪活动联系起来[2]、[9]、[10]。除了识别与被查获药物内在特征相关的标记化合物外，表征挥发性生物标志物还可以帮助犬类检测人员更有效地制定训练方案[2]、[11]、[12]、[13]。

气相色谱（GC）结合质谱（MS）能够分离和分析复杂的挥发性有机化合物（VOC）混合物，并识别它们的化学结构[8]、[10]、[14]、[15]。固相微萃取（SPME）和顶空采样技术可以捕获VOC[16]、[17]、[18]、[19]：SPME通过从药物样品的顶空捕获VOC实现快速高效的样品制备，而顶空采集则通过富集微量化合物来提高VOC成分的定量精度[20]。一些较少使用的技术也能为检测药物VOC提供有价值的见解，例如质子转移反应-质谱（PTR-MS）或电子鼻（E-nose），这两种方法都能实现实时检测[12]、[21]。得益于采集和分离技术的最新进展，我们认为动态采样和GC-MS结合深度学习分析（如偏最小二乘分析）能够检测到微量药物相关VOC。

迄今为止，大麻、海洛因和可卡因受到了最多的挥发性成分研究关注，而甲基苯丙胺和摇头丸（例如MDMA）的VOC则较少受到关注[8]、[22]。大麻以其特有的香气而闻名，这种香气主要由萜烯类化合物（如迷迭香烯、柠檬烯和蒎烯）组成[16]。从可卡因顶空检测到了多种碳氢化合物，这与提取过程中使用了石油馏分有关[23]。目前，尚未对现有的非法药物进行全面的挥发性成分比较研究，以加深我们对这些物质内在变异性及稳定化合物存在的理解。识别这些稳定化合物有助于提高空气监测效率，通过针对性训练提升犬类检测器的性能，甚至有助于识别可用于追踪特定地区药物批次的变量化合物。

事实上，非法药物释放的VOC受到多种因素的影响，这些因素共同导致了分析过程中药物气味成分的高变异性。药物本身的化学组成起着关键作用，因为每种添加剂、副产品和杂质都会影响其独特的气味特征[2]。此外，地理来源[10]和生产方法[24]等因素也会赋予这些物质独特的气味特征。此外，包装和储存条件会随着时间推移引发化学变化，从而改变气味成分[10]、[16]。

全面了解非法药物的挥发性成分非常重要[25]。首先，这对于开发准确的检测方法至关重要，从而降低误识别的风险并确保执法行动的准确性[16]。此外，识别特定的化学特征有助于区分不同变体，进而帮助追踪来源或分销网络[2]。更好地表征药物VOC还有助于识别掺假剂，从而评估纯度或评估对消费者的潜在健康风险[26]。

虽然之前的研究主要集中在个别非法药物的挥发性成分上，但本研究旨在提供对广泛非法物质释放的挥发性有机化合物的全面比较分析——包括常见的大麻、可卡因和（甲基）安非他明等药物，以及较少研究的氯胺酮、鸦片和MDMA等物质。通过使用标准化的TD-GC-MS方法分析不同的查获样本，本研究整合了多变量统计分析，从而识别出稳健且具体的化学特征。尽管基于的样本数量有限，但它为追踪药物来源和改进现场检测策略提供了有希望的视角。

材料与方法

药物获取与纯度 - 2018年7月至2019年12月期间共查获了19种药物（见表1），并储存在比利时警察犬队总部（Neerhespen, Belgium）。每种药物样本单独存放在密封玻璃瓶内的塑料袋中，并在10°C、黑暗的环境中保存。在采样前，样本从未与犬类接触以避免任何污染。每种样本中非法分子的纯度由国家研究所提供。

结果

非法药物VOC成分 - 从95个药物样本中鉴定出218种挥发性化合物，并按类别分类：安非他明（n_VOCs=84）、可卡因（n_VOCs=79）、大麻素（n_VOCs=88）[大麻脂（n_VOCs=68）和大麻（n_VOCs=62]、摇头丸（n_VOCs=54）以及海洛因（n_VOCs=21）。在鸦片和氯胺酮样本的顶空中未检测到任何VOC。计算了每种药物类别的VOC总量（每克药物每小时采样的挥发性化合物毫克数，平均值±标准差）：

讨论

在这项研究中，我们成功分析了七类药物的VOC成分。我们的方法能够识别出其中五种药物的VOC：大麻素、可卡因、MDMA、海洛因和安非他明。海洛因的VOC含量最低，浓度仅为1.5 ng.g^-1.h^-1。正如先前所证明的，大麻素是检测到的气味最浓烈的物质，总浓度为252.94 ± 68.71 ng.g^-1.h^-1。此外，大麻素的气味非常显著。

作者贡献声明

娜塔莉·梅尔特（Natalie Meert）：撰写 – 审稿与编辑。埃莱娜·索耶尔特（Hélène Soyeurt）：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。克莱门特·马丁（Clément Martin）：撰写 – 初稿撰写、数据可视化、方法设计、研究实施、资金申请、数据分析、概念构思。弗朗索瓦·维尔赫根（Fran?ois Verheggen）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、概念构思。克莱尔·迪德里希（Claire Diederich）：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。范妮·鲁兰德（Fanny Ruhland）：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

克莱门特·马丁（Clément Martin）：我没有任何需要声明的内容。

埃莱娜·索耶尔特（Hélène Soyeurt）：我没有任何需要声明的内容。

范妮·鲁兰德（Fanny Ruhland）：我没有任何需要声明的内容。

娜塔莉·梅尔特（Natalie Meert）：我没有任何需要声明的内容。

克莱尔·迪德里希（Claire Diederich）：我没有任何需要声明的内容。

弗朗索瓦·维尔赫根（Fran?ois Verheggen）：我没有任何需要声明的内容。

致谢

本项目得到了法国国家科学研究中心（FNRS）的研究资助和博士后研究基金的支持。