FT-Raman光譜及化學計量學應用於可卡因/左旋咪唑樣品的定量分析

2022/12/16

簡介：FTIR及化學計量學定量方法，用於定量混合粉末樣品中可卡因和左旋咪唑的濃度

北歐所有主要國家港口的毒品緝獲量都大幅增加(安弗斯、鹿特丹、勒阿弗爾和敦刻爾克)，並且被認為是進入歐洲的主要毒品管道之一。在法國，可卡因癲癇發作已經顯著增加，尤其是在法國北部2020年至2021年間緝獲了前所未有的26.5噸。
可卡因是一種從古柯葉中化學提取的生物鹼；形成白色結晶粉末，並以非法興奮劑的形式銷售。可卡因有兩種主要形式：通常被注射或吸入的水溶性鹽，以及一種不溶於水的游離鹼(crack)，通常以抽煙的方式吸入。
為了增加產品的體積，從而增加利潤，可卡因經常被使用多種具有藥理活性的化學品被稀釋。選擇這些化學品是因為它們在物理或化學上與可卡因相似，低成本，或因它們增加的生理效應。最常用的添加劑包括左旋咪唑、非那西丁、咖啡因、利多卡因、羥嗪、澱粉和醣類，如甘露醇、乳糖和葡萄糖。
我們將重點介紹左旋咪唑，它主要是一種咪唑並噻唑，主要用於獸醫中為牲畜驅蟲，但在過去十年卻常用於可卡因的稀釋劑。
在警方調查的背景下，可卡因樣品的鑒定包括兩個步驟：確定樣品的化學形式，然後定量其純度。傅立葉轉換紅外光譜儀(FTIR)目前用於法國法醫實驗室以鑒定可卡因的化學形態，再透過GC-MS篩选和後續GC-FID定量分析。
為了減少分析時間並確保快速有效的監管，里爾法醫警察實驗室，隸屬於國家警察科學研究局(SNPS)開發了一種拉曼光譜技術與化學計量學定量方法，可用於鑒定混合粉末樣品中可卡因和左旋咪唑的濃度。

實驗步驟：使用Thermo Scientific™ Nicolet™ iS50 FTIR光譜儀進行數據收集

來自38次不同緝獲的167份可卡因/左旋咪唑樣本以及標準未稀釋的可卡因，被用於建立定量校準模型。
所有的樣品之前都通過GC-MS和GC-FID分析量測過。
在分析之前，樣品先使用瑪瑙研缽和研杵磨成均勻成勻相粉末，並在室溫下保存。
數據使用Thermo Scientific™ Nicolet™ iS50 FTIR光譜儀收集，配備CaF2材質的分光鏡及FT-Raman模組(包含1064nm雷射)(圖1)。共收集了60個掃描，4cm^-1 光譜解析度，總收集時間約70秒。雷射功率設為50mW，每個樣品皆收集兩個圖譜。
樣品置於48孔盤中，並使用Thermo Scientific Array Automation軟體進行自動對焦及分析。由於雷射光斑尺寸小於60微米，非常少量的樣品就足以進行分析。Thermo Scientific™ OMNIC™軟體則是用於儀器控制、數據收集、和數據處理。

圖1

首先，將圖譜與Thermo Scientific拉曼資料圖庫進行比對分析，以確定可卡因的化學形式。圖2顯示了兩種形式的可卡因(鹽酸鹽和鹼)及鹽酸左旋咪唑的拉曼圖譜。

圖2

接著，利用Thermo Scientific™ TQ Analyst™軟體建立Individual partial least squares(PLS)模組，以用於可卡因及左旋咪唑鹽酸鹽的定量分析。PLS模組使用統計方法檢查標準圖譜的選定區域，判斷哪些區域在統計上隨著組成份濃度變化而改變。
232個圖譜被用作校準標準品，以及104個圖譜被用作驗證標準品來建立兩個模組。組成份濃度範圍(使用參考GC-FID方法定量)列於表1。

表1

為了與一級標準一致，左旋咪唑濃度值將從2.0%到68.0%被報告。兩個模組都用standard normal variate(SNV)路徑長度處理以降低光譜基線偏移和強度效應。

結果與討論：PLS 模型計算得到的結果與一級標準(GC-FID)數據一致

兩種PLS模型都顯示出很低的校正均方根誤差(RMSEC)，並且與一級標準的數據有著良好的相關性。相關係數和RMSEC會顯示出校正模組所預測的成分濃度是否接近。理想情況下，相關係數數值接近一，並且RMSEC應接近一級標準的標準誤差(5%)。
表2顯示了PLS模組定量可卡因和粉末混合物中的左旋咪唑的接近程度。

表2

此外，預測均方根誤差(RMSEP)與RMSEC的比較，可顯示出模組預測不在標準曲線範圍內樣品濃度的準確性。
模組可靠性的另一個測試是均方根交叉驗證錯誤(RMSECV)。這個診斷模組會按照順序從標準模組集合中刪除指定數量的標準品。(在這個案例，有10個標準品在每次校準期間移除)，並再次校準方法，然後使用新的校準模型來定量從校準集中移除的標準品。一直重複直到標準模組集合中的所有標準品都被定量為驗證標準。
一個好的模組精準度，其RMSECV及RMSEP應小於RMSEC的1.5倍。正如同我們正在討論的兩種PLS模組的情況。
圖3中可卡因的校準曲線說明了計算得到的數值(FT-Raman)與一級標準的參考值(GC-FID)相當接近，相關係數為0.982，RMSEC值為2.09。在圖4中，左旋咪唑的校準曲線也顯示了計算得到的數值與一級標準的參考值非常接近，相關係數為0.990，RMSEC值為和1.67。

圖3和圖4

圖5和6為predicted residual error sum of squares(PRESS)圖，對variation factors進行排序並顯示他們相關的變化。每增加一個factor，代表對校準模型有用的信息，因此RMSECV和PRESS值便會下降。

圖5和圖6

為了評估這種新方法與一級標準(GC-FID)相較之下的準確性，89個樣品同時使用兩種方法進行分析。對於可卡因，所有結果之間的差異低於4.0%，其中81.0%的樣品偏差甚至低於2.0%。而對於旋咪唑，所有結果之間的差異低於2.6%，其中96.6%的樣品偏差低於2.0%。

結論：Nicolet iS50 FTIR 光譜儀配備iS50 拉曼模組附件，配合專用的軟體配套，提供創新、快速、準確的定量方法

Nicolet iS50 FTIR光譜儀，配備iS50 拉曼模組附件，配合專用的軟體配套，提供創新的解決方案，可同時測定可卡因樣品的化學成分形態(鹽酸鹽或鹼)並且量化其可卡因和左旋咪唑的濃度。這種非破壞性方法已成功應用於定量100個樣品，並且測試結果與實驗室一級標準參考方法(GC-FID)獲得的數值相當一致。樣品製備更快更容易，使其成為理想的可卡因純度常規測定方法，尤其當警察單位要求的較短期限。這個分析方法也適用於其他可卡因稀釋劑，例如：非那西丁或咖啡因。

參考資料

1. UNODC, Cocaine - A spectrum of products, Cocaine Insights 2, UNODC, Vienna, October 2021
2. Quantitative Analysis of Wheat Flour Using FT-NIR, Application note AN52269, Thermo Scientific Learn

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