引用本文
崔雪子, 陈永生, 陈桂良, 徐金伦, 汪蓉, 张玉荣. 基于电感耦合等离子体质谱法的海洛因检材的关联性判别研究[J].刑事技术, 2020,45(6):551-555
CUI Xuezi, CHEN Yongsheng, CHEN Guiliang, XU Jinlun, WANG Rong, ZHANG Yurong. Correlative Discrimination into Sorting Heroin Based on Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry[J]. Forensic Science and Technology,2020,45(6): 551-555  
doi: 10.16467/j.1008-3650.2020.06.001
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基于电感耦合等离子体质谱法的海洛因检材的关联性判别研究
崔雪子1,2, 陈永生2, 陈桂良3, 徐金伦2, 汪蓉2, 张玉荣2,*
1.中国医药工业研究总院,上海医药工业研究院,创新药物与制药工艺国家重点实验室,上海 201203
2.上海市公安局物证鉴定中心,上海市现场物证重点实验室,上海 200083
3.上海药品审评核查中心,上海 201203

第一作者简介：崔雪子,女,山东淄博人,博士在读,研究方向为毒物分析。E-mail: xuezi5@126.com

基金资助: 上海市科委项目 (16dz1205600)
摘要

目的 使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定海洛因检材中无机元素,根据无机元素的含量对海洛因进行分类,实现案件串并。方法 超声辅助溶解用于溶解海洛因检材。使用ICP-MS检测28种无机元素及其同位素。比较65种数据预处理的统计组合,使用层次聚类分析法分析所有数据。结果 测定28种无机元素及其同位素的标准曲线,统计海洛因检材中的各元素的浓度范围。归一化/欧几里得距离的数据预处理组合方式为最好的统计组合方式。对33个海洛因样本进行层次聚类分析（HCA）,判断样本之间的联系。结论 本文使用ICP-MS法测定海洛因中的无机元素,可同时测定多种元素,方法简便快速。使用优化的数据处理方式,准确判断检材之间的联系,为案件侦破提供情报。

关键词: 毒品检测; 电感耦合等离子体质谱; 海洛因; 无机元素; 层次聚类分析
中图分类号:DF795.1 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2020)06-0551-05
Correlative Discrimination into Sorting Heroin Based on Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry
CUI Xuezi1,2, CHEN Yongsheng2, CHEN Guiliang3, XU Jinlun2, WANG Rong2, ZHANG Yurong2,*
1. Shanghai Institute of Pharmaceutical Industry & China State Institute of Pharmaceutical Industry & State Key Laboratory of Innovative Pharmaceuticals and Pharmaceutical Industry, Shanghai 201203, China;
2. Institute of Forensic Evidence, Shanghai Public Security Bureau & Shanghai Key Laboratory of Scene Evidence, Shanghai 200083, China;
3. Shanghai Center for Pharmaceuticals Evaluation and Inspection, Shanghai 201203, China

* 通讯作者简介：张玉荣,男,福建福田人,学士,主任法医师,研究方向为毒物分析。E-mail: yr_zhang803@126.com

Abstract

Objective To analyze the elements in seized heroin samples with inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) to determine the contents of tested elements and therewith categorize the samples so as to have the relevant cases clustered.Methods Ultrasonic-assisted dissolution was used to prepare the heroin samples from which ICP-MS was optimized to simultaneously quantify 28 elements and their isotopes. Sixty-five statistical combinations were compared and consecutively analyzed into all the obtained data with hierarchical cluster analysis (HCA).Results Standard curves were established for determination of 28 elements and their isotopes. For all the heroin samples analyzed through ICP-MS, their harbored elements were obtained of each one’s respective concentration range. Data pre-processing of normalization followed by Euclidean distance was found to be the best statistical compromise for optimal discrimination on whether the samples are correlated. Resultant from HCA to analyze the data of 33 heroin samples, the corresponding cases were classified.Conclusions Multiple elements harbored in heroin can be determined with ICP-MS simultaneously and quickly, valuable of providing intelligence for cases connection and/or relevance with their disclosed correlation of the involving samples.

Key words: drug analysis; ICP-MS; heroin; elements; HCA

海洛因是世界上滥用最为严重的毒品之一, 通过分析海洛因的特征成分可以为禁毒执法部门提供情报信息[1, 2, 3]。海洛因是由吗啡经过一系列化学反应制得, 而吗啡是从鸦片中提取出来的, 吗啡分离的过程和海洛因的合成反应在许多地区是相似的, 而反应过程使用的仪器、化学品和有机溶剂又各有特征。本研究致力于研究不同案件的海洛因样品之间的联系, 而不是追溯海洛因的来源。

电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometer, ICP-MS）技术是具有高温电离特性的电感耦合等离子体与四级杆质量分析器相结合而形成的一种元素及同位素分析技术, 具有进样技术简单、质量扫描速度快、用时短等特点[4, 5, 6]。ICP-MS用于测定痕量无机元素, 通过元素分析追踪许多毒品的来源或生产过程, 如摇头丸、可卡因、甲基安非他明和海洛因[7, 8, 9, 10]。

本研究使用ICP-MS对33个海洛因检材的28种无机元素特征进行分析, 以推断不同案件的海洛因之间的关联性。本实验使用简单、快速、高效的超声辅助溶解法[1]作为检材制备方法。选择65个统计组合方式中最优统计组合方式, 使用层次聚类分析对缴获的18份海洛因进行分析, 判断海洛因之间的关联性, 实现案件串并。

1 实验试剂与仪器
1.1 试剂和样品

硝酸（质量分数68％）（超纯级）, 购自Merck（德国）。使用ELGA（英国）的PURELAB Ultra实验室水净化系统产生18.2 MΩ · cm去离子水。多元素标准溶液（100 mg/L的Al、Sb、As、B、Ba、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Mo、Na、Ni、Pb、Ag、Se、Si、Ti、Tl、V、Zn和1 000 mg/L的K）, Hg标准溶液, U标准溶液, Li标准溶液（1 000 mg/L）, I标准溶液（100 mg/L）; 6Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi内标溶液（10 mg/L）, 均购自上海安谱实验科技股份有限公司。

Hg测定：校准曲线分别为0、0.1、0.5、1、2、5 µ g/L, K的校准曲线分别为0、5、20、100、500和1 000 µ g/L, 其他元素的校准曲线分别为0、0.5、2、10、50、100 µ g/L。在线添加的内标溶液为1 000 µ g/L。

33份海洛因检材是经过本实验室日常收集得到。其中2017-610-3, 2017-610-7, 2017-610-1, 2017 -610-2, 2017-610-4, 2017-610-5, 2017-610-6这7份样品为相关样品, 从同一案例中缴获, 具有相关性; 17-413, 2016-1467, 2016-1615, 2016-1747, 2016-1933, 2016-1985, 2016-2143, 2016-2149这8份样品是从不同的案件中缴获而得到。其余样品均不知其来源。

1.2 样品处理

超声辅助溶解用于溶解海洛因检材。称量100 mg的海洛因检材于15 mL聚乙烯塑料瓶中, 加入10 mL 5％硝酸溶液。将溶液超声处理30 min, 涡旋30 s并强力振荡。检查溶液中是否存在未溶解的物质, 若存在则再超声10 min, 若未溶解的物质不能再溶解, 则重新取样进行分析, 操作同上。

试剂空白溶液制备过程如上。

1.3 仪器与条件

带有八极杆反应系统ORS碰撞/反应池（CRC）的Agilent 7700电感耦合等离子体质谱仪（美国）, 仪器在He模式下运行。ASX-500系列ICP-MS自动进样器（Agilent, 美国）, 使用蠕动泵进行检材吸收, 并使用玻璃同心雾化室和微雾化器（Agilent, 美国）进行检材溶液雾化。

仪器操作条件：1 550 W正向功率, 15 L/min等离子气流速, 1.0 L/min辅助气流速, 0.9 L/min载气流速。使用峰值跳跃扫描模式, 停留时间As为1 s, Se、Cd、Hg为2 s, 其他元素为0.3 s。检测的元素有：9Be、11B、23Na、24Mg、26Mg、27Al、39K、43Ca、44Ca、47Ti、51V、52Cr、53Cr、55Mn、56Fe、57Fe、59Co、60Ni、63Cu、65Cu、66Zn、75As、77As、78Se、82Se、95Mo、107Ag、108Cd、109Ag、111Cd、114Cd、121Sb、123Sb、127I、137Ba、200Hg、201Hg、202Hg、205Tl、206Pb、207Pb、208Pb、238U。

1.4 数据处理方法

使用SPSS® 21.0软件和Microsoft Office Excel统计处理获得的数据。

2 结果与讨论
2.1 方法验证

微波消解和超声辅助溶解是处理海洛因检材的方法。Liu等[1]对这两种方法进行比较, 发现用5％HNO3超声处理缴获的海洛因检材更符合实际需求。超声辅助溶解能够快速进行高通量分析, 因此本实验采用此方法。

本论文采用ICP-MS方法, 对33个海洛因样品中的28种无机元素及稳定同位素进行分析, 如表1所示。各元素的决定系数范围为0.999 0~1。检出限（LOD）等于空白测定标准偏差3倍时对应的分析物浓度。质控样品为含有所有选定元素的检材, 用于方法学验证。质控样品在同一天测定五次, 以确定该方法的日内精密度; 在三天分别测定, 以确定该方法的日间精密度。日内精密度的相对标准偏差小于12.13％, 日间精密度的相对标准偏差小于23.29％。由于碘（I）在酸性条件下通过溶解氧容易氧化成挥发性分子碘[11], 所以碘日间精密度大于20％, 而其日内精密度小于15％, 故同一天内I元素检测结果具有可信性。

表1 决定系数, 标准曲线方程, 检出限, 海洛因检材浓度范围, 方法的日内精密度和日间精密度 Table 1 The determination coefficients, standard curves, LODs, concentration ranges of elements in the tested heroin samples, and the intra- and inter-day precisions of the method adopted
2.2 缉获海洛因样本分析

本研究测定了2016~2017年收集的33个海洛因检材, 所有海洛因检材中各元素的含量见补充材料表S1。所有元素的分布显示在箱形图中（见补充材料图S1）。海洛因检材中含量最多的是Ca, 为1 038.35~4 836.94 mg/kg, 主要是有碳酸氢钙和滑石粉作为稀释剂[10]。Na元素含量也很高, 为18.834~1 000 mg/kg。在某些检材中Na的浓度仅次于Ca可能归因于在制造过程中使用Na2CO3或NaHCO3。发现Mg（24.737~214.395 mg/kg）、Zn（7.612~151.576 mg/kg）、K（1.333~141.064 mg/kg）、Mn（0.873 9~89.63 mg/kg）、Fe（0.451 7~52.588 mg/kg）和Al（0.682~15.312 mg/kg）含量较高, 可能是因为金属罐在加工和储存中的使用导致的。

2.3 数据预处理方法的评估

为了减少仪器误差对结果的影响, 预处理步骤是化学计量学分析的一个非常重要的部分。表2和表3列出了13种数据预处理方式和5种不同的距离/相关性测试。

表2 数据预处理方式 Table 2 Data pre-processing
表3 距离/相关性测试方法 Table 3 Distance/correlation determinations

2.3.1 判别功率估计

通过测定7个相关和8个不相关的已知海洛因检材, 确定不同组合方式的最佳分析结果。数据预处理（表2）和距离/相关性（表3）的每个组合应用于所有检材。最后, 观察到总共21个相关的和28个不相关的距离/相关性数值。由此获得每种组合的平均值（µ ）和标准偏差（σ ）。通过下面的公式计算判别值Eq（可以对统计组合进行判别力评估, 值越大, 说明组合方式越好）[12]。Eq值从大到小的五种组合方式依次是S / Squ Dij, N / Euc Dij, N / Cheb Dij, S / Euc Dij, S / Cheb Dij, 这五种组合方式比其他组合方法更好地区分相关和不相关的样本。

Eq： Estimation of the discrimination =$\frac{μ(不相关)-σ（不相关）}{μ（相关）+σ（相关）}$

2.3.2 ROC曲线

对每个目标元素的浓度值进行统计预处理之后, 测定相关和不相关海洛因检材的距离/相关性值。计算每个统计组合的ROC曲线和AUC（ROC曲线下面积）, AUC值越大, 越能证明数据统计组合方式能很好地分开相关样本和不相关样本。表4列出了5种组合N / Cheb Dij, N / Euc Dij, N + 2R / Euc Dij, S / Cheb Dij, S / Euc Dij（统计组合分析中5个最好的组合方式）的AUC值。根据AUC值, N/ Euc Dij是最优的组合方式。

2.3.3 判定阈值

表4展现了N / Cheb Dij, N / Euc Dij, N + 2R / Euc Dij, S / Cheb Dij, S / Euc Dij的五种统计组合相关检材和不相关检材的距离/相关性数值的范围。距离/相关性数值低于不相关样本的最小值被认为是相关, 高于相关样本的最大值被认为不相关。为保证测定结果准确性, 选择同时满足低于不相关样本的最小值和相关样本的最大值的距离值作为判定标准。

表4 相关检材和不相关检材的不同结合方式的ROC曲线下面积及阈值 Table 4 The areas and threshold values below the ROC curves about different statistical combinations from the relevant/irrelevant samples
2.4 层次聚类分析

经过上述对比, 最终决定用N/Euc Dij统计组合来分析33个未知海洛因检材的无机元素的数据。33个海洛因检材中的元素浓度首先进行归一化处理, 之后使用SPSS中的层次聚类分析（hierarchical cluster analysis, HCA）, 在方法中选择Euclidean Distance进行聚类分析。通过得到的图表和树状图分析检材之间的关联性。如图1所示。相关样本组的样品的Euclidean距离值小于0.399 7, 在图中可以看出具有相关性; 而不相关样本的欧几里得距离值大于0.399 7, 在图中可以看出为不相关, 证明此方法可行。另外18个未知样品中, 1、2、3、4、6、7、8、9、10、11与相关样本组具有相关性, 其中1、3、4、7、8、10与相关样本-1的关联性更强。通过判断检材之间的关联性, 并且调查案件的来源, 根据实际情况进而对案件进行串并。聚类分析的方法便是通过检材之间的关联性来推断对应的案件之间的关联性, 将这些信息提供给基层的实战部门, 由此可以对它们对应的案件进行串并分析。

图1 33个海洛因检材的层次聚类分析的树状图Fig.1 Dendrogram resulted from hierarchical cluster analysis into 33 heroin samples

3 结论

本研究使用ICP-MS测定海洛因中28种无机元素及其同位素, 使用层次聚类法分析所有海洛因检材数据。比较最优的数据预处理方法及距离/相关性测试的组合方式, 增加测定结果的可靠性。使用层次聚类分析分析海洛因检材间的关联性, 实现案件的串并。

补充材料

本文补充材料文件见：http://www.xsjs-cifs.com/CN/volumn/home.shtml。

参考文献
[1] LIU C, HUA Z, BAI Y, et al. Profiling and classification of illicit heroin by ICP-MS analysis of inorganic elements[J]. Forensic Science International, 2014, 239: 37-43. [本文引用:3]
[2] CASALE J F. CASALE E S, TOSKE S G, et al. Characterization and origin of the ‘B’ and ‘C’ compounds in the acid/neutral forensic signatures of heroin - products from the acylation of porphyroxine and subsequent hydrolysis[J]. Drug Testing & Analysis, 2017, 9(3): 462-469. [本文引用:1]
[3] CHAN K, TAN G, WONG R C. ICP-MS method validation for the analysis of trace elements in illicit heroin[J]. Analytical Letters, 2012, 45(9): 1122-1132. [本文引用:1]
[4] 宋小娇, 郭洪玲, 梅宏成, 等. 电感耦合等离子体质谱检验弹头研究进展[J]. 刑事技术, 2015, 40(3): 173-178.
(SONG Xiaojiao, GUO Hongling, MEI Hongcheng, et al, Advances in the application of ICP-MS in bullet identification[J]. Forensic Science and Technology, 2015, 40(3): 173-178. ) [本文引用:1]
[5] 张更宇, 吴超, 邓宇杰. 电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)联用技术的应用及展望[J]. 中国无机分析化学, 2016, 13: 19-26.
(ZHANG Gengyu, WU Chao, DENG Yujie. Application and outlook of the hyphenated ICP-MS technique[J]. Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry, 2016, 13: 19-26. ) [本文引用:1]
[6] 郭洪玲, 乔婷, 宋小娇, 等. 电感耦合等离子体质谱在微量物证检验中的应用(英文)[J]. 刑事技术, 2016, 41(6): 470-475.
(GUO Hongling, QIAO Ting, SONG Xiaojiao, et al. The application of inductively coupled plasma mass spectrometry in trace evidence examination[J]. Forensic Science and Technology, 2016, 41(6): 470-475. ) [本文引用:1]
[7] KOPER C, VAN D B C, WIARDA W, et al. Elemental analysis of 3, 4-methylenedioxymethamphetamine (MDMA): a tool to determine the synthesis method and trace links[J]. Forensic Science International, 2007, 171(2-3): 171-179. [本文引用:1]
[8] LIU C, HUA Z, XIN M. Profiling of illicit cocaine seized in China by ICP-MS analysis of inorganic elements[J]. Forensic Science International, 2017, 276: 77-84. [本文引用:1]
[9] XU Z, DU P, LI K, et al. Tracing methamphetamine and amphetamine sources inwastewater and receiving waters via concentration and enantiomeric profiling[J]. Science of the Total Environment, 2017, 601-602: 159-166. [本文引用:1]
[10] CHAN K, TAN G, WONG R C S. Investigation of trace inorganic elements in street doses of heroin[J]. Science & Justice, 2013, 53(1): 73-80. [本文引用:2]
[11] NICDAÉID N, JAYARAM S, KERR W J. Elemental profiling using ICPMS of methylamphetamine hydrochloride prepared from proprietary medication using the Moscow and hypophosphorous synthesis[J]. Science & Justice, 2013, 53(3): 278-285. [本文引用:1]
[12] LOCICIRO S, ESSEIVA P, HAYOZ P, et al. Cocaine profiling for strategic intelligence, a cross-border project between France and Switzerland [J]. Forensic Science International, 2008, 177(2-3): 199-206. [本文引用:1]