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案例研究:
运用 IR 光谱学进行假冒药物检测

未来依赖于快速检测假冒药物中的有害化学物质。

快速有效的
非法药物监测

类鸦片药物和假冒药物的危机并没有放缓蔓延速度。不幸的是,很难检测到过量服用非法药物,而检测到时为时已晚。光谱学技术运用金刚石车削反射镜、分光镜及其他光学组件,对于检测在假冒类鸦片药物和其他药物中可能存在的有害化合物特别有帮助。 

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什么是光谱学?

光谱学是研究物质和电磁辐射之间相互作用的学科。在某些光谱学应用中,可以运用辐射光的发射和吸收来检测样本中的特定分子化合物。

存在多种不同类型的光谱学,包括拉曼光谱学、傅里叶变换红外光谱学 (FTIR) 以及红外 (IR) 吸收光谱学。拉曼光谱学基于样本中分子旋转或振动跃迁所发出的光的散射。

很少有光子会出现拉曼效应,因此只有在长时间照射或使用诸如激光器等强光源时才会产生可接受的光谱。1 除了非常小的百分比之外,发射的波长与入射光相同。这少量的辐射光由透镜收集,并依次通过准直器和入射狭缝(它会限制入射的多色光)。然后使用反射镜将光准直地反射到光栅或其他色散元件。光栅也可以协助滤除激光波长。另一面反射镜将所选波长范围聚焦到探测器上(图 1)。 

SpectralMD’s wound imaging system in use
图 1: 宽带激光光源对样本进行照射。使用手持式光谱仪内的反射镜与光栅组件可以识别未知物质。

拉曼光谱仪:手持式药物分析仪

法证科学家可以使用光谱技术找出街头假冒药物中常见的特定化合物。拉曼设备凭借速度快、成本效益高和执行非破坏性分析的特点而适合现场使用。2 可将手持式版本携带到现场,并用于快速识别常见同分异构体(图 2)。同分异构体是指具有相同分子式,但原子空间排列不同的分子。3 在非法药物中,同分异构体也称为药物类似物,因为它们用于仿制特定药物。在光谱仪识别之前,通常无法检测到这些类似物。在非法毒品中已发现特定的同分异构体(例如芬太尼、卡芬太尼和丁基芬太尼),其效力是非类似物的一半到 10,000 倍不等。2

虽然拉曼光谱仪可以快速有效地进行现场检验,但无法捕捉每种化合物,应该将样本带到实验室使用 FTIR 光谱仪进行进一步检验。 

SpectralMD’s wound imaging system in use
图 2: 法证科学家经常将手持式光谱仪带入现场

FTIR 光谱仪:在实验室中精确测量

FTIR 是光谱学的一个分支,用于多种生命科学应用。其名称源自数学家和物理学家简·巴蒂斯特·约瑟夫·傅立叶,他发明了一种变换方法,可以使用由不同频率的余弦函数和正弦函数组成的替代形式来表示函数。这种方法常用于 FTIR 分析。

FTIR 光谱仪用来区分物质中发现的化合物。这些机器的主要组件包括光源、干涉仪、样本室、检测器、放大器、A/D 转换器和计算机。4 以下的图 3 中展示了组件的设置。

The optical designs of fluorescence-based or color detection screening systems for ELISA and IFA methods resemble this setup of a simple fluorescence microscope.
图 3: FTIR 光谱仪示意图(采用迈克耳逊干涉仪配置)。

所用干涉仪通常采用迈克耳逊干涉仪配置(由宽带光源、两面反射镜以及分光镜构成)。它会将最初的光束一分为二,将其中一束发送到固定的反射镜,将另一束发送到移动的反射镜,然后将两束重新合并。重新合并后的光束通过药物样本进入检测器。通过对移动的反射镜的位置进行调整,可以对各波长以周期性方式进行透射或阻挡,因为两束光由于光路差异而产生了相消干涉。4 光谱仪由此可以改变光源的光谱,以查看样本吸收了哪些波长。傅里叶变换运用针对每个反射镜位置记录的透射来确定每种波长的吸收,由此识别样品的化学成分。

在实验室中,科学家可以使用 FTIR 光谱仪所提供的精确光束分割技术,以辨认药物的特定同分异构体及氘化类似物。光谱仪会在干涉图中输出背景检测波长,然后收集样本的单束光谱。这包含样本和背景的吸收带。它会对这两幅图进行分析,最终以单束样本光谱与背景光谱比值的形式将其合并为一幅图,以展示完整的样本光谱(图 4)。4

The optical designs of fluorescence-based or color detection screening systems for ELISA and IFA methods resemble this setup of a simple fluorescence microscope.
图 4:背景 IR 光谱样本(随后转变为样本的完整单束光谱)。4

FTIR 光谱仪不仅可以检测有害的药物化合物,在制药行业中也发挥着至关重要的作用。制药公司需要在整个产品开发和制造过程中遵循严格的检验和生产指导方针。5  

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参考

1. Ball, D. W. (2006). Field guide to spectroscopy. Bellingham, WA: SPIE Press.

2. Seefeldt, Jordan. "Drug Identification Using Raman Spectroscopy." Advancing Materials, 10 Sept. 2019, www.thermofisher.com/blog/materials/drug-identification-using-raman-spectroscopy/.

3. Circuit, Public Defender 9th. "Review: Analysis of Isomeric Opioids in Urine Using LC-TIMS-TOF MS." Florida Forensic Science, Public Defender 9th Circuit Http://Floridaforensicscience.com/Wp-Content/Uploads/2016/12/Forensic-logo1-1030x153.Png, 17 July 2018, www.floridaforensicscience.com/review-analysis-isomeric-opioids-urine-using-lc-tims-tof-ms/.

4. Libretexts. "How an FTIR Spectrometer Operates." Chemistry LibreTexts, Libretexts, 14 July 2020, chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Spectroscopy/Vibrational_Spectroscopy/Infrared_Spectroscopy/How_an_FTIR_Spectrometer_Operates.

5. "FTIR Applications." Thermo Fisher Scientific - US, www.thermofisher.com/us/en/home/industrial/spectroscopy-elemental-isotope-analysis/spectroscopy-elemental-isotope-analysis-learning-center/molecular-spectroscopy-information/ftir-information/ftir-applications.html.

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爱特蒙特光学为 FTIR 光谱仪系统提供各种光学组件,包括金刚石车削离轴抛物面反射镜和分光镜。我们的金刚石车削机构由具有 10 多年金刚石车削经验的专家领导,可对包括金属、水晶材料和塑料在内的各种材料进行金刚石车削。爱特蒙特光学还可以制造用于原型和量产的高精密度分光镜。FTIR 光谱仪以及其他无数支持光学的技术正在协助打造更安全、更健康的未来。

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