引用本文
朱宏伟, 魏春生, 张凯, 刘久玲, 邵剑瑛, 陆艳艳, 孙林, 何世堂. 基于声表面波气相色谱仪的羟亚胺现场快速分析[J].刑事技术, 2019,44(6):477-482
ZHU Hongwei, WEI Chunsheng, ZHANG Kai, LIU Jiuling, SHAO Jianying, LU Yanyan, SUN Lin, HE Shitang. On-site Rapid Analysis of Hydroxylimine Based on Surface Acoustic Wave Gas Chromatography[J]. Forensic Science and Technology,2019,44(6): 477-482  
Doi: 10.16467/j.1008-3650.2019.06.002
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基于声表面波气相色谱仪的羟亚胺现场快速分析
朱宏伟1, 魏春生2, 张凯3, 刘久玲1, 邵剑瑛1, 陆艳艳1, 孙林1, 何世堂1,*
1.中国科学院声学研究所,北京 100190
2.中国刑事警察学院禁毒学系,沈阳 110854
3.天津市公安局禁毒总队,天津 300240
* 通讯作者简介：何世堂,男,湖南平江人,硕士,研究员,研究方向为声学微传感与表面波技术。E-mail:heshitang@mail.ioa.ac.cn

第一作者简介：朱宏伟,男,江西弋阳人,硕士,研究实习员,研究方向为分析化学。E-mail:zhuhongwei1211@mail.ioa.ac.cn

基金资助: 中国科学院科研装备研制项目（No. YZ201547）; “十三五”国家重点研发计划子课题（NO.2017YFC0803603-Z04）; 中科院声学所青年英才计划项目（NO.Y754611331）
摘要

目的 对羟亚胺制毒现场收集的残留物含有的挥发性和半挥发性成分进行分析。方法 使用声表面波气相色谱仪对羟亚胺残留物进行检测,并对相关的标准物质进行测定,再结合使用气相色谱-质谱的方法对测定结果进行验证。结果 声表面波气相色谱和气相色谱-质谱法分析结果显示,羟亚胺残留物中含有主成分羟亚胺,并含有合成羟亚胺的原料2-氯苯甲腈、环戊酮等。结论 声表面波气相色谱仪能够实现对羟亚胺残留物中挥发性和半挥发性成分的现场快速分析。本文提出的方法,具有待检样品无需前处理、分析速度快、能够实现现场检测等优点,为易制毒化学品及毒品的快速检测提供了高效、便捷的新途径。

关键词: 羟亚胺; 快速分析; 声表面波气相色谱仪; 气相色谱-质谱
中图分类号:DF795.1 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2019)06-0477-06
On-site Rapid Analysis of Hydroxylimine Based on Surface Acoustic Wave Gas Chromatography
ZHU Hongwei1, WEI Chunsheng2, ZHANG Kai3, LIU Jiuling1, SHAO Jianying1, LU Yanyan1, SUN Lin1, HE Shitang1,*
1.Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
2.Department of Drug Control, Criminal Investigation Police University of China, Shenyang 110854, China
3.Anti-Drug Corps of Tianjin Public Security Bureau, Tianjin 300240, China
Abstract

Objective To analyze the volatile and semi-volatile components contained in the residual hydroxylimine manufacture collected on the scene.Methods The hydroxylimine residues were collected, then detected by gas chromatography with surface acoustic wave (GC-SAW), with the related standard materials being determined. The gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) was applied to verify the above determination.Results Both GC-SAW and GC-MS showed that the hydroxylimine residues contains the main component of hydroxylimine plus the raw materials of the synthesized hydroxylamine: 2-chlorobenzonitrile, cyclopentanone and the like.Conclusions GC-SAW can achieve accurate and rapid qualitative analysis of hydroxylimine residues. The method proposed here has the advantages of no pretreatment, fast analysis, and the ability to detect on site, thus bringing forward a new avenue for the rapid detection of precursor chemicals and drugs.

Key words: hydroxylimine; rapid analysis; surface acoustic wave gas chromatography; GC-MS

近年来, 氯胺酮（俗称“ K粉” ）的滥用越来越严重。非法滥用的氯胺酮多由其同分异构体羟亚胺经加热重排得到。羟亚胺加热至210 ℃时即可发生重排反应充分转化成氯胺酮[1], 如图1所示。自2008年8月1日起[2], 羟亚胺被列为一类易制毒化学品严格管理, 有效降低了合法羟亚胺产品流入非法渠道的风险。快速测定此类案件现场缴获样品的成分, 对判断加工厂的性质及其在制毒环节中的作用具有重要意义。

图1 羟亚胺加热重排转化成氯胺酮Fig.1 The rearrangement of hydroxylimine into ketamine

目前常用的羟亚胺检测方法包括气相色谱-氢火焰离子化检测器法（GC-FID）[3]、气相色谱质谱联用法（GC-MS）[4]、液相色谱质谱联用法（LC-MS）[5]以及液相色谱紫外法（LC-UV）[6]等, 但这些方法需要使用实验室大型仪器, 无法实现在制毒现场的快速检测, 且测试耗时较长。本文使用声表面波气相色谱法（GC-SAW）, 实现对羟亚胺制毒现场收集的残留物中挥发和半挥发成分的快速定性分析, 同时以GC-MS的方法验证本文方法的可行性。其中, 声表面波气相色谱仪利用气相色谱对气体成分进行分离（即以保留时间或保留指数进行定性分析）, 利用声表面波传感器进行定量测量, 具有分析快速、体积小、仅需一种载气、操作简便等特点, 适合于现场分析[7]。本文提出的方法, 待测样品无需前处理、分析快速, 为易制毒化学品及毒品的检测提供了高效、便捷的新途径。

1 材料与方法
1.1 仪器、试剂与材料

GC-SAW（中国科学院声学研究所）; GC-MS（岛津GCMS-QP2010 Ultra）; 载气He（99.999%, 北京兆格气体有限公司）; 甲醇（色谱纯, 美国Fichser公司）; 正构烷烃C6-C18混合标准溶液（美国EST公司）; 2-氯苯甲腈（固体, 纯度98%, 阿拉丁试剂）; 氯胺酮标准溶液; 采集自羟亚胺制毒现场的残留物样品。

1.2 测试方法

GC-SAW的测试条件如下：色谱柱DB-5（1 m × 0.25 mm × 0.25 μ m）, 初始温度40 ℃, 10 ℃/s程序升温至180 ℃, 柱流量3 mL/min; 进样口温度200 ℃; 六通阀温度170 ℃; 预浓缩管烘烤温度250 ℃, 采样流量30 mL/min; 检测器60 ℃, 检测器烘烤温度150 ℃; 载气He; 泵吸时间10 s; 分析时间20 s。采集的样品无需前处理, 采用直接顶空进样测试。使用GC-SAW测试时, 先使用C6-C18正构烷烃标准溶液对仪器进行保留指数校准。

GC-MS分别在两种测试条件下分两次进行：

1）DB-5MS型石英毛细管色谱柱(30 m× 0.25 mm× 0.25 μ m); 进样口温度250 ℃; 柱温160 ℃, 以10 ℃/min升至280 ℃保持3 min; 载气He; 进样量1.0 μ L; 分流比为20:1。

MS条件：EI源, 电子能量70 eV, 离子源温度230 ℃, GC-MS接口温度280 ℃, 四极杆温度150 ℃, 电子倍增器电压1 106 V, 质量扫描m/z 50~550, 扫描方式为SCAN。

2）DB-5MS型石英毛细管色谱柱(30 m × 0 .25 mm × 0.25 μ m); 进样口温度250 ℃; 柱温40 ℃保持1 min, 然后以5 ℃/min升温至80 ℃保持并保持1 min, 继续以10 ℃/min升温至160 ℃, 不保持, 再以20 ℃/min升至250 ℃保持1 min。载气He; 进样量1.0 μ L; 不分流。

MS条件：EI源, 电子能量70 eV, 离子源温度230 ℃, GC-MS接口温度280 ℃, 四极杆温度150 ℃, 电子倍增器电压1 106 V, 质量扫描m/z 30~350, 扫描方式为SCAN。

2 结果与讨论
2.1 羟亚胺制毒现场检测

将声表面波气相色谱仪置于制毒现场空地处, 仪器内置采样泵, 直接采集现场空气进行检测, 测试得到如图2所示色谱图, 其中横坐标为时间, 单位为秒（s）, 此后出现的由GC-SAW测试得到的色谱图与此一致。从图2中可以看到, 在保留指数642、762、894、1 169、1 203、1 596、1 625和1 792处共检测到8个主要的色谱峰, 保留时间低于13.04 s。现场多次检测的结果列于表1, 表中给出了保留指数642、762、1 169和1 792处四个峰的信息, 其响应值的相对标准偏差在7.61%~12.4%范围内, 检测结果具有较好的稳定性。

图2 羟亚胺制毒现场空气测试色谱图（测试条件：检测器60 ℃, 泵吸时间10 s）Fig.2 Chromatogram of hydroxylimine manufacture tested on the scene (Detector temperature, 60℃; pump time, 10 s)

表1 声表面波气相色谱仪对制毒现场空气多次检测的结果（n= 6） Table 1 Air detection of hydroxylimine manufacture with GC-SAW on the scene (n = 6)

由于在没有标准物测定的情况下, 气相色谱无法进行定性。为了对羟亚胺制毒现场检测到的色谱峰进行准确归属, 从现场取回少量残留物样品继续测试, 一方面选择残留物中可能存在的标准物质使用GC-SAW进行测试, 另一方面对取回的样品进行GC-MS测试, 以对其成分进行准确定性。

2.2 GC-SAW对羟亚胺实际样品的测试

2.2.1 羟亚胺残留物样品的测试

将从羟亚胺制毒现场取回的棕色残留物样品装于顶空瓶中, 样品呈半湿状态, 含有部分未知溶剂。图3是该样品在GC-SAW上直接顶空测试的色谱图, 表2中给出了测试色谱图中4个主要的色谱峰信息。

图3 残留物样品顶空测试色谱图（测试条件：检测器60 ℃, 泵吸时间10 s; 内嵌图：出峰时间4~8.5 s内色谱图局部放大。Fig.3 Headspace-tested chromatogram of the sampling hydroxylimine residues (SAW detector, 60 ℃; pump time, 10 s. Insert: enlarged chromatogram in 4~8.5 s)

表2 羟亚胺残留物样品在GC-SAW上的测试结果 Table 2 The results of the sampling hydroxylimine residues tested with GC-SAW

2.2.2 标准品的测定

文献[8]显示, 羟亚胺的合成原料中含有环戊酮、2-氯苯甲腈, 以及其他有机溶剂。此外, 羟亚胺与氯胺酮属于同分异构体, 氯胺酮通常是由羟亚胺加热制得, 因此氯胺酮样品中可能含有少量的羟亚胺。我们用GC-SAW对2-氯苯甲腈标准物和氯胺酮标准品进行测试。

1）2-氯苯甲腈的测定

使用声表面波气相色谱仪, 在检测器60 ℃, 泵吸时间为10 s条件下对2-氯苯甲腈纯固体样品进行直接顶空测试, 测试得到的色谱图如图4所示, 结果显示主峰的保留时间为3.26 s, 保留指数为1 179。2-氯苯甲腈的响应不同时, 其保留指数在1 169~1 189范围内波动。GC-SAW在羟亚胺制毒现场的检测结果显示, 在保留指数1 169处出峰, 出峰位置与2-氯苯甲腈接近, 因此推断现场检测时保留指数1 169处的色谱峰来自2-氯苯甲腈。同时, 现场检测结果与羟亚胺残留物样品的测试结果一致, 后者在保留指数1 189处出现了一个响应较大的色谱峰。

图4 2-氯苯甲腈在GC-SAW上顶空测试色谱图Fig.4 Headspace-tested chromatogram of 2-chlorobenzonitrile with GC-SAW

与此同时, 测试了该色谱条件下2-氯苯甲腈的检出限和标准曲线, 用于对现场检测结果中2-氯苯甲腈的定量分析。以甲醇为溶剂, 配制含量为0.842 8、1.685 6、2.107 0、4.214 0、8.428 0和16.856 0 μ g/mL的2-氯苯甲腈标准系列, 在该色谱条件下, 进样0.1 μ L, 测试结果列于表3中, 各浓度测试的响应值的相对标准偏差在3.45%~4.85%范围内, 测试稳定性较好。以峰面积进行线性回归, 得到线性回归曲线y = 108.20x + 53.12, 线性相关系数R2 = 0.999 8, 在0.842 8~16.856 0 μ g/mL范围内呈良好的线性关系。GC-SAW测试的基线噪声低于30 Hz, 测试色谱图如图5所示, 按照本条件下基线噪声的3倍所对应的标准物质浓度计算, 最低检出限为0.574 6 μ g/mL, 绝对质量为57.46 pg。仪器采样时, 采样流量为30 mL/min, 采样时间为10 s, 单次测试采集的空气样品量计算得到为5 mL, 因此将检出限换算成空气中的含量为0.011 49 mg/m3。

图5 仪器基线噪声Fig.5 Baseline noise of GC-SAW

表3 不同浓度2-氯苯甲腈甲醇标准溶液在GC-SAW上测试的结果（n = 6） Table 3 Results of concentration-different 2-chlorobenzonitrile methanol solution detected with GC-SAW

GC-SAW在制毒现场检测时, 2-氯苯甲腈的响应值为499 Hz, 根据标准曲线得到现场测试的2-氯苯甲腈的浓度为4.12 μ g/mL, 换算成气体浓度为
0.082 4 mg/m3。

2）氯胺酮的测定

同样地, 利用GC-SAW测试了0.002 5 mg/mL氯胺酮标准溶液, 检测器温度为60 ℃, 采取液体进样测试, 进样量为0.5 μ L。表4给出了多次测试的数据, 图6为氯胺酮液体进样测试色谱图, 其中1#峰为主峰, 保留时间在8.04 s附近（8.04~8.12 s）, 平均响应值3 007 Hz, 该峰即为氯胺酮的色谱峰。同时, 在保留时间7.42 s附近（7.40~7.48 s）一直存在一个响应较小的0#色谱峰, 平均响应值为478 Hz, 该色谱峰来自于氯胺酮标样中存在的少量同分异构体羟亚胺。因此, 我们将保留指数1 885± 10作为氯胺酮的定性依据, 保留指数1 800± 10作为羟亚胺的定性依据。

表4 0.002 5 mg/mL氯胺酮液体进样测试结果（检测器60 ℃, 泵吸时间10 s, 进样量0.5 μ L） Table 4 Results of 0.002 5 mg/mL ketamine standard solution tested with GC-SAW by liquid injection (Detector, 60℃; pump time, 10s; injection volume, 0.5 μ L)

图6 0.002 5 mg/mL氯胺酮标准溶液液体进样测试色谱图（检测器60 ℃, 泵吸时间10 s, 进样量0.5 μ L）Fig.6 Chromatogram of 0.002 5 mg/mL ketamine standard solution (Detector temperature, 60℃; pump time, 10 s; injection volume, 0.5 μ L)

羟亚胺制毒现场的测试色谱图中, 在保留指数1 792处出峰, 推断该色谱峰可能来自羟亚胺。而羟亚胺残留物样品的测试结果中, 在保留指数1 800和1 880出现两个峰, 与氯胺酮标准品中测得的两个峰峰位置一致, 因此推断羟亚胺残留物中检出羟亚胺和氯胺酮。

2.3 GC-MS测试

2.3.1 第一次GC-MS测试结果

为了进一步确认现场检测结果, 我们对取回的羟亚胺残留样品进行了GC-MS测试。

首先, 按照文献[9]给出的GC-MS条件进行测试, 得到了与文献报道一致的结果, 残留物样品的总离子流色谱图（TIC图）如图7所示, 在出峰时间5.353 min和6.435 min处的色谱峰分别来自羟亚胺和氯胺酮。另外, 出峰时间为2.05 min的色谱峰, GC-MS检索结果显示其为2-氯苯甲腈及其间、对位的同分异构体。前已述及, 羟亚胺合成原料或中间体含有2-氯苯甲腈, 因此判断该色谱峰即来自于2-氯苯甲腈。

图7 羟亚胺残留物样品的TIC图Fig.7 Total ion chromatogram of the sampling hydroxylimne residues

2.3.2 第二次GC-MS测试结果

由于第一次GC-MS测试时, 主要针对羟亚胺和氯胺酮两种物质进行考虑, 未能检测到更多低沸点的物质。因此本次测试条件中色谱柱温度主要集中在低温段。

GC-MS测试的TIC图如图8所示, 图中保留时间14.49 min处的峰, 其质谱检索结果显示为2-氯苯甲腈, 与第一次GC-MS测试结果一致; 保留时间5.075 min处出峰的物质检索为环戊酮, 而文献[8]显示在羟亚胺的合成过程中, 环戊酮可作为原料之一, 因此确认该样品中含有环戊酮。此外, NIST库中显示环戊酮在DB-5色谱柱上的保留指数为771, 而使用GC-SAW在现场检测及残留物的测试中, 分别在保留指数762和778处出峰, 表明GC-SAW在羟亚胺制毒现场及残留物中检测到了环戊酮的存在。另外, 对TIC图中其他色谱峰进行NIST谱库检索, 得到了其他几种可能存在的物质, 检索结果见表5。

图8 羟亚胺残留物样品第二次GC-MS测试的TIC图Fig.8 Total ion chromatogram of the sampling hydroxylimne residues in the second GC-MS

表5 GC-MS测试结果显示的羟亚胺残留物样品中可能存在的物质 Table 5 Possible substances detected in the sampling hydroxylimine by GC-MS

两次GC-MS测试结果显示, 羟亚胺制毒现场残留物样品中含有主成分羟亚胺, 羟亚胺的同分异构体氯胺酮, 生产原料中的2-氯苯甲腈、环戊酮, 可能含有二甲氧基环戊烷、氯苯和邻二氯苯等。其中, 二甲氧基环戊烷为环戊酮的衍生物, 可由环戊酮和甲醇反应得到; 而氯苯和邻二氯苯几种物质的来源暂不明确。

综合GC-SAW和GC-MS的测试结果, 可以确定GC-SAW在羟亚胺现场检测时, 保留指数762、1 169和1 792处的三个峰分别来自环戊酮、2-氯苯甲腈和羟亚胺, 保留指数894处的峰可能来自二甲氧基环戊烷。由于环戊酮和2-氯苯甲腈具有较好的挥发性, 再结合羟亚胺在GC-SAW测试色谱图中的出峰时间, 可用于制毒现场羟亚胺的快速筛查。GC-MS虽然具有定性准确的特点, 但测试单个样品的时间较长, 无法实现现场的快速检测, 而GC-SAW因其体积小, 分析速度快, 为羟亚胺的现场快速筛查提供可能。但GC-SAW仍只是一种检测器不同的气相色谱仪器, 无法实现特异性识别, 即无法对物质进行准确定性。如需进行准确定性, 仍需进行质谱分析。

3 结论

本文分别通过声表面波气相色谱法和气相色谱-质谱两种分析方法对某羟亚胺制毒现场取回的残留物样品的成分进行鉴定, 结果显示残留物中除含有主成分羟亚胺外, 还包含了一些原料物如2-氯苯甲腈、环戊酮等。同时, 在羟亚胺制毒现场直接进行空气采样检测的结果与残留物检测结果一致, 即检测到环戊酮、2-氯苯甲腈和羟亚胺的存在。羟亚胺制毒现场的测试结果显示, 环戊酮、2-氯苯甲腈和羟亚胺三种物质在13.04 s内即全部出峰, 能够实现样品的快速检测。本文提出的声表面波气相色谱法, 对2-氯苯甲腈而言, 空气中的检出限浓度为0.011 49 mg/m3, 降低检测器温度将进一步提高方法的检出限; 定量分析结果显示制毒现场空气中2-氯苯甲腈的含量为0.082 4 mg/m3。上述结果表明, 声表面波气相色谱仪能够实现羟亚胺的快速检测分析, 因此可作为氯胺酮前体羟亚胺生产现场侦查的有效工具。同时, 因GC-SAW可直接采空气样进行分析, 使其可用于部分挥发性较好的毒品的现场快速检测, 如苯丙胺类等毒品的检测。本文提出的方法适用于现场的快速侦查, 可作为初步的判断依据, 如需进行准确定性, 则仍需进行质谱分析。

参考文献
[1] 王世玉, 李崇熙. 氯胺酮合成的重排反应改进[J]. 中国医药工业杂志, 1986, 17(2): 49-50.
(WANG Shiyu, LI Chongxi. Improved thermal rearrangement in 2-(o-chlorophenyl)-2-methylamino-cyclohexanone synthesis[J]. Chinese Journal of Pharmaceuticals, 1986, 17(2): 49-50. ) [本文引用:1]
[2] 中华人民共和国公安部. 关于将羟亚胺列入《易制毒化学品管理条例》的公告[EB/OL]. (2008-07-08)[2017-11-23]. http://www.sdaj.gov.cn/index.php?s=/Article/detail/column/3175/articleid/1513.html [本文引用:1]
[3] 苗翠英, 徐浩龙. 羟亚胺GC/FID定量分析方法的条件优化[J]. 中国人民公安大学学报(自然科学版), 2014(1): 1-5.
(MIAO Cuiying, XU Haolong. Optimum conditions for quantitative analysis of hydroxyimine by GC/FID[J]. Journal of Chinese People’s Public Security University (Science and Technology Edition), 2014(1): 1-5. ) [本文引用:1]
[4] 肖翔, 吴惠勤, 黄晓兰, 等. 一种制毒原料的气相色谱-质谱法分析鉴定[J]. 质谱学报, 2009, 30: 187-189.
(XIAO Xiang, WU Huiqin, HUANG Xiaolan, et al. Identification of a raw material for drug-making by gas chromatography-mass spectrometry[J]. Journal of Chinese Mass Spectrometry Society, 2009, 30: 187-189. ) [本文引用:1]
[5] 苗翠英, 潘星宇, 翟晚枫. 液相色谱-质谱联用技术检验羟亚胺方法研究[J]. 中国人民公安大学学报(自然科学版), 2015, 21(3): 11-15.
(MIAO Cuiying, PAN Xingyu, ZHAI Wanfeng. Study on the detection of hydroxyimine by liquid chromatography-mass spectrometry[J]. Journal of Chinese People’s Public Security University (Science and Technology Edition), 2015, 21(3): 11-15. ) [本文引用:1]
[6] 周爽, 贾薇, 刘翠梅, 等. 三种羟亚胺分析方法的比较[J]. 中国法医学杂志, 2013, 28(3): 192-195.
(ZHOU Shuang, JIA Wei, LIU Cuimei, et al. Comparison of three methods for the analysis of hydroxylimine seizures[J]. Chinese Journal Forensic Medicine, 2013, 28(3): 192-195. ) [本文引用:1]
[7] 何世堂, 王文, 刘久玲, 等. 声表面波气体传感器研究进展[J]. 应用声学, 2013, 32(4): 252-262.
(HE Shitang, WANG Wen, LIU Jiuling, et al. Research progress of surface acoustic wave based gas sensors[J]. Applied Acoustics, 2013, 32(4): 252-262. ) [本文引用:1]
[8] BRUNNER H, KAGAN H B, KREUTZER G. Asymmetric catalysis. Part 153: Metal-catalysed enantioselective α-ketol rearrangement[J]. Tetrahedron: Asymmetry, 2003, 14(15): 2177-2187. [本文引用:2]
[9] 钱振华, 徐鹏, 高利生. GC-MS检验氯胺酮制毒原料羟亚胺1例[J]. 刑事技术, 2011(1): 65-66.
(QIAN Zhenhua, XU Peng, GAO Lisheng. Detection of hydroxyimine as a raw material for ketamine production by GC-MS: a case report[J]. Forensic Science and Technology, 2011(1): 65-66. ) [本文引用:1]