基于表面增强拉曼光谱的非法注射替代药物检测

摘要

异丙嗪和东莨菪碱是一种常用来代替海洛因成瘾的药物的两种主要成分，但其本身也有可能被滥用。本文结合表面增强拉曼光谱实验和密度泛函理论计算了异丙嗪的拉曼频率。通过对纳米银的对比检测，优化SERS衬底的增强效果。用优化后的底物对东莨菪碱、异丙嗪及其混合物进行检测。对几种不同浓度的混合物进行了检测和分析。快速查明和监测药物的方法将成为发现和管制非法药物使用的重要工具。

1.介绍

海洛因是吸毒者最常用的阿片类物质之一。海洛因依赖者的认知障碍主要与记忆功能、冲动控制、选择性注意、认知传递信息的加工速度等有关[1- - - - - -3.］．近年来，在一些地区出现了一种新型的非法静脉注射毒品来代替海洛因[4，5］．主要成分为东莨菪碱、异丙嗪和丁丙诺啡，缩写为BSP [5］．BSP比海洛因便宜，而且相对容易获得。一些人最初被用来解毒海洛因，然后，新的药物滥用出现了。因此，BSP成瘾者，即使他们不使用海洛因，也会继续增加他们的认知损伤[1- - - - - -3.，6］．患者报告说，这种快感甚至比海洛因产生的快感更强烈。BSP滥用比海洛因更容易损伤皮质神经元，大脑灰质的恢复也比海洛因依赖组慢。这说明BSP滥用对皮质神经元的损伤很难在短时间内恢复。如果不能及时发现这种有可能滥用和成瘾的新型药物，就会加以报告，并列入国际管制，使这类药物有可能进入一系列国际毒品贸易活动。建立长效侦查机制，及时发现新的吸毒问题，是禁毒工作面临的重大挑战和课题。药物滥用引起的社会危害的检测是药物管制的重要组成部分。

丁丙诺啡目前受到严格控制，不易获得[7］．因此，我们分析了东莨菪碱、异丙嗪及其混合物。我们组定性和定量分析了东莨菪碱[8并确定了它的拉曼峰。这为这项工作奠定了基础。在这里，我们计算了异丙嗪的理论拉曼峰，并与实验光谱进行了比较。然后，我们优化了实验条件，检测了几个混合样品，以评估这种分析方法的实用性。

拉曼光谱可以用于固体、气体和液体的分析，但其信号较弱，不利于检测的应用，特别是对低浓度的样品。然而，纳米技术的发展极大地推动了拉曼技术的发展[9］．拉曼光谱结合纳米材料表面增强拉曼光谱(SERS)的灵敏度至少提高了7 ~ 10个数量级[10］．两种被广泛认可的增强机制是电磁增强[11]和化学增强[12］．电磁机制主要是SERS中单分子灵敏度的贡献。SERS“热点”是银和金纳米聚集体中的粒子间结，在这里，局域电磁场振幅由于等离子体场约束而增加，使得基于局域电磁场和外部入射场比值的四次方的拉曼信号强度得到了巨大的增强[11］．研究最多的化学增强机制是所谓的电荷转移(CT)机制。这种机制可能涉及CT复合物的存在，或通过直接与金属结合，或通过电解质离子的辅助间接结合[12］．SERS已经被广泛应用于识别或检测违禁药物，包括微量违禁药物、可疑物体和药物，或其在真实生物系统(尿液、唾液等)中的代谢物[13］．目前，针对非法药物检测的SERS研究还处于发展阶段。改进后的拉曼光谱分析仪将使SERS成为一种实用的分析技术。SERS有望成为一个多功能和强大的传感器平台，在现实世界的非法药物分析应用。实验流程如图所示1．

2.实验

2．1．材料和试剂

以硝酸银为金属前驱体，用柠檬酸钠和抗坏血酸还原得到两种类型的纳米银;这些被用作SERS衬底。然后将东莨菪碱注射液(50mg in 2ml)和异丙嗪注射液(0.3 mg in 1ml)连续稀释。收集东莨菪碱粉和异丙嗪粉的拉曼光谱作为标准参考。实验过程中使用超纯水(18 MΩ·cm)作为溶剂进行稀释和配液。

2．2.装置

用加热搅拌器制备银溶胶，移动液枪提取样品液滴，放置在检测平台上。用便携式拉曼光谱仪采集拉曼光谱。利用扫描电子显微镜(SEM)对纳米粒子的形貌和尺寸进行了表征。采用涡流振荡器快速均匀地混合溶液。

本实验使用BWS415-785H (B&W Tek, Inc.)便携式拉曼光谱仪，785 nm激光激发，光谱分辨率小于3 cm⁻¹，波长范围为68-2700厘米⁻¹．数据采集、处理、后台减法均由Bwram1.01.20软件完成。聚焦光束的焦距为6.8 mm。测试功率为90mw，采集时间为5秒。激光束直径为10μm。

2．3.银溶胶的制备

我们使用了Lee和Meisel描述的合成[14］．在这里，0.045 g硝酸银加入一个干净的烧杯，用去离子水溶解到0.18 g/L的250-mL烧瓶中。用磁力搅拌加热，用0.114 g柠檬酸钠和10ml水和1%质量的柠檬酸处理。煮沸后，快速加入5 mL柠檬酸钠，保持反应温度在100℃，搅拌。溶液在一个多小时内逐渐从无色变成了金黄色。溶液最终变成了灰绿色。然后我们移除了热量，将样品冷却到室温，并将产生的银纳米颗粒储存在一个棕色的瓶子里，温度为4°C，没有光照。银溶胶制备后，用离心水洗多次。

Qin等人提出了另一种方法[15］．抗坏血酸(6.0 × 10⁻⁴mol/L)还原硝酸银(2.5 mL 0.1 mol/L)。枸橼酸钠作为稳定剂。将抗坏血酸和柠檬酸钠的混合物在水浴中加热到30°C，然后用硝酸银快速处理。在900 r/min下搅拌15分钟，然后加热到100°C 2小时。自然冷却至室温后，置于4°C避光保存。

3.结果与讨论

采用密度泛函理论对异丙嗪进行了量子化学计算。利用B3LYP杂化函数结合6-31 g (d, p)基组对分子结构进行优化，并计算了理论拉曼光谱。优化后的异丙嗪结构如图所示2．采集异丙嗪固体粉末的拉曼光谱和水溶液的SERS光谱，并与计算得到的异丙嗪理论拉曼光谱进行比较(图)3.)．

我们用粉末的拉曼光谱作为标准参考。如果理论计算与比较结果没有什么不同，则认为是成功的。理论特征峰的赋峰比较了SERS光谱和正常拉曼光谱。如果SERS光谱中存在相应的峰位，且峰强度明显增大，则可作为定性或定量样本分析的依据。数字3.显示异丙嗪的理论计算。固体粉末的拉曼光谱和SERS光谱如表所示1．一般情况下，大多数拉曼峰的SERS谱线与理论计算略有偏移，这可能是由于SERS检测过程中样品分子在银纳米颗粒表面的吸附及其相互作用。这导致拉曼光谱的位移[16］．真空和实际环境下的理论峰值计算与文献不一致[17］．东莨菪碱的峰已经被描述过了[8］．

现在，两个样品的特征峰已经确定，我们接下来比较两种溶胶在相同的条件下。根据Lee和Meisel的说法，我们准备了两种银溶胶[14和Qin等人[15)(图4(一)和4(b))。数字4比较了两种银溶胶纳米颗粒的扫描电镜。数字4(a)表明，当棒状颗粒较多时，产率较低。球形颗粒是不规则的，不均匀的。它们比图中所示的纳米颗粒更糟糕4(b)，单分散且稳定。

然后，我们研究每组5个重复(图5)．A为图中的银溶胶2(b)， b为图中第一个银溶胶2(a).异丙嗪最显著的拉曼峰为1034厘米⁻¹, 1112厘米⁻¹， 1571厘米⁻¹如图所示5(一个)．可以观察到溶胶A[检测到的特征峰的峰强度15]高于溶胶B [14］．数字5 (b)结果表明，两种溶胶对东莨菪碱的增强效果相同。经过综合分析，图4(b)被选为理想衬底。

东莨菪碱和异丙嗪的初始浓度为5⁻⁴M。浓缩银溶胶与样品体积比为1:1，东莨菪碱与异丙嗪初始浓度比为5:5。东莨菪碱与异丙嗪的体积比分别为5:5,3:7,1:9(图6)．异丙嗪的比例随剂量不同而不同，但异丙嗪的比例高于东莨菪碱。在比例为5:5，与1034厘米⁻¹异丙嗪峰与1032 cm重叠⁻¹莨菪碱的峰值。当异丙嗪浓度比增加到3:7时，异丙嗪在1034 cm处出现单峰⁻¹异丙嗪特征峰明显，无1044 cm⁻¹莨菪碱峰。当混合比为1:9时，单峰出现在1034 cm处⁻¹异丙嗪在1112 cm处有明显的峰值⁻¹；1002厘米⁻¹但东莨菪碱峰明显降低。特征峰强度与掺杂比成正比。在1:9时，可以在拉曼光谱中直接观察到它们的主要特征峰，这与实际的掺杂比一致，为快速表征混合样品奠定了基础。由于混合样品在基材上的竞争吸附，基材上的混合比例与溶液中不同;因此，SERS混合物的定量分析比较复杂，需要在未来进行研究。

4.结论

获得了异丙嗪的理论拉曼光谱，并测定了特征峰。测定了不同混合比例下的SERS光谱，并结合东莨菪碱的特征拉曼峰赋值。声谱图表明两者同时存在。这些数据表明，定性分析可以用来分解复杂的拉曼光谱。这种方法是检测和监测滥用药物的有效分析工具。

数据可用性

本研究中包含的所有数据均可通过与通讯作者联系获得。

的利益冲突

作者声明，他们没有与他人或组织的财务和个人关系，不会对他们的工作产生不恰当的影响。

致谢

基金资助:国家自然科学基金资助项目(批准号:)。内蒙古民族大学(批准号:31871873);基金资助:国家自然科学基金资助项目(批准号:NMDYB18006);2018 lh08055)。

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