台式NMR谱仪应用于法医毒品检测中鉴别未知物
作者：Joerg Koehler博士， Bruker BioSpin集团，工业业务部门负责人
非法药物检测是一场持续的斗争。每年大约有100种新型精神活性物质（NPS）出现在边境检查站，因而快速检测和识别这些毒品对于防止其广泛传播至关重要。
近年来，仅在美国，因毒品致死的人数已攀升至每年4万多人。这种“阿片类药物流行”具体指的是阿片类药物(包括NPS等非法药物)导致的死亡和住院人数不断增加，而用药过量现在已成为美国意外死亡的主要原因。
这对有关当局构成了重大挑战。主要问题是，测试依赖于将待测物质与已知物质的数据库进行匹配。然而，NPS的开发正是为了模仿海洛因和大麻等药物，并通过改变其分子结构来规避检测。这种‘伪装’试图消除通过法医检测发现与已知毒品匹配的可能性。
警方和刑事调查人员需要一种新的、准确的，更重要的是快速的方法，来追踪未知和已知的信息。
识别未知物质
分析可疑物质的一个关键目标是提供法律上可接受的证据，以证明药物的化学成分。各种样品被送往检测实验室进行鉴定和定量，但由于种种原因，很难提供明确的证据。
MS筛选
目前的药物检测主要依靠质谱（MS）筛选。这种久经考验且值得信赖的方法能产生可靠的结果，但需要将未知物质与对照物质的谱峰进行比较，并通过两者的峰是否接近来判断，这使得其检测受到限制。因为这依赖于需要获得特定化合物的标准品，这使得任何改性的分子都可能呈现不同的碎片模式，从而被漏检。
NMR方法
NMR波谱是临床研究机构以及警察、海关和边境控制实验室法医学中一种成熟的测试方法。NMR可以鉴别未知物质并对其进行定量，而无需特定化合物的参考标品。其在法医学中的使用得到了欧盟委员会报告的支持，该报告指出，“对被海关发现并怀疑为NPS的许多未知物质进行化学鉴定，需要使用更复杂的分析技术，例如NMR[…]。”
NMR在法医学应用中的显著优势，是无需参考标品即可检测、识别和定量未知物质的能力。分析表明，新的模拟分子在谱图中显示出与已知物质的细微差异。可以对这种新物质进一步研究，并将其数据添加到库中，以便在将来可立即匹配和识别。
高规格NMR系统通常只有大型测试中心才能配备，并且必须依靠训练有素的工作人员进行操作。这一特点，加上其高昂的初始投资成本和总体维护成本，限制了NMR的应用。
法律可采性的双重测试
在全球大多数国家，毒品测试中必须至少使用两种正交分析方法，以提供充分且可接受的证据。为了验证研究结果，第二种方法必须与第一种方法完全不同。然而，使用两种完全独立的方法既耗时又费资源，在实践中通常很难实行。因此，使用两种基于数据库的方法，如MS和FT-IR，被广泛认为可对已知物质提供鉴定证据。然而，由于需要特定化合物的参考标品，准确的定量仍然具有挑战。
在识别和定量NPS（或未知物质）时，NMR起着关键作用，因为它不依赖特定化合物的参考标品。然而，NPS的不断增加和NMR测试需求的快速增长，可能会在大型测试中心造成大量样本积压，影响出具分析结果的时效。
缩短筛查时间
NMR的快速检测使得筛查时间从几天缩短到几分钟。当缉获毒品时，无论其数量多寡，在鉴定和分析毒品化学成分所需时间内完成扣押可疑物所必须的文书工作，可能会令人望而却步。在传统的NMR分析中，样品可能需要送往测试中心进行检测，与之相比，台式NMR仪提供结论性鉴定结果的时间则大大缩短。例如，任何机场或警察当局现在都可以拥有一套台式NMR仪器，使用全球数据库快速提供常规筛查结果，且无需经过专业培训的操作员就可以运行测试和解读结果。
与传统的大型NMR仪器不同，台式机仅需一个电源插座就可以使用，无需进行补充液氦制冷剂等复杂维护。新的台式NMR仪提供了无制冷剂磁体设计，使任何实验室都可以获得具成本效益的NMR独特的鉴定结果。
数据库维护
欧洲药物和毒瘾监测中心（EMCDDA）、欧洲法医科学研究所网络（ENFSI）和海关实验室欧洲网络（CLEN）等组织正在推动采用全球物质数据库。该数据库的维护在打击非法贩运毒品方面发挥着至关重要的作用。
一旦某种新物质在全球任何地方被NMR鉴别出来，其波谱数据就可以上传到全球数据库中，而全球任何实验室都可以使用类似的台式NMR仪，只需按一下按钮就可以通过核磁指纹图谱识别并定量该物质。单独使用质谱是不可行的，因为这种方法需要设计一种氘代化合物，并需要每个实验室都能获得参考标品；然而，以NPS每周新增两个的速度，这是根本无法实现的。
中央式集成
当高规格谱仪与台式系统集成时，NMR的真正潜力能够最大化地释放。熟悉NMR软件的操作员可以不需要额外培训就能控制台式系统，而没有经验的NMR用户也很容易熟悉按钮式的界面及其优化的工作流程。
因此，如果某个样品的结果不确定而被打回重新检测，中心实验室的NMR专家可以登录到系统，并帮助检查是否有参数优化和数据处理的问题。为方便该流程，这两个系统需使用相同的软件界面和同样的实验SOP。本地用户和中心实验室都使用同一系统，这样的集成为超越当前毒品库共享的全球合作开辟了令人振奋的潜力，有助于实现国家级工作流程的定义和方法的统一，而这对证据的生成至关重要，
分散式NMR分析，在每个毒品检测中心安装一套仪器，不仅有可能大幅提高通量，更快地交付结果，还可以解放中心实验室的高规格仪器和操作员，使得他们可以将进行更多的专业测试。
台式系统代表未来
对于像EMCDDA这样的实体，其目标之一是“提高法医学和毒理学实验室鉴别新物质的能力，[……]这需要培训支持、测试资源，以及从分析数据、参考标品到专业知识的一整套产出和共享机制，”台式NMR仪可以很好地支持新物质测试、数据共享和参考库创建，从而支持这一目标。
台式NMR仪提供与高规格NMR仪器相同的功能，无需专业化操作或安装，即可轻松融入到任何实验室中，提供快速、自动、易用且不受限制的毒品筛查方法，从而广泛投入实际使用。
有关更多信息，请访问：https://www.bruker.com/products/mr/nmr/benchtop-nmr.html。
关于作者
Joerg Koehler博士在雷根斯堡大学生物物理与物理生物化学研究所，学习物理学并获得博士学位，他还曾在雷根斯堡大学担任博士后研究科学家，专注于基于核磁共振的生物化学活性大分子折叠中间体的研究。Joerg Koehler博士在加入布鲁克之前曾担任过销售、销售管理和企业管理的多个职位。加入布鲁克后担任工业部门业务主管。如今，他负责布鲁克工业市场部门磁共振业务的全球活动，包括法医学方向。
ENDS
About Bruker Corporation (NASDAQ: BRKR)
Bruker is enabling scientists to make breakthrough discoveries and develop new applications that improve the quality of human life. Bruker’s high-performance scientific instruments and high-value analytical and diagnostic solutions enable scientists to explore life and materials at molecular, cellular, and microscopic levels. In close cooperation with our customers, Bruker is enabling innovation, improved productivity, and customer success in life science molecular research, in applied and pharma applications, in microscopy and nano analysis, and in industrial applications, as well as in cell biology, preclinical imaging, clinical phenomics and proteomics research and clinical microbiology. For more information, please visit: www.bruker.com.
参考文献
iGlobal Synthetic Drugs Assessment 2017,United Nations Office on Drugs and Crime, https://www.unodc.org/documents/scientific/Global_Drugs_Assessment_2017.pdf
iiAddiction Center, The Opioid Epidemic, 2019, https://www.addictioncenter.com/opiates/opioid-epidemic/
iiiReport on Characterization of New Psychoactive Substances (NPS), European Commission, 2014
https://ec.europa.eu/jrc/sites/jrcsh/files/jrc-characterisation-new-psychoactive-substances_en.pdf with citation on page 4
iv EU Drug Markets Report 2019, European Monitoring Centre for Drugs and Drug Addiction, http://www.emcdda.europa.eu/system/files/publications/12078/20192630_TD0319332ENN_PDF.pdf
非法药物检测是一场持续的斗争。每年大约有100种新型精神活性物质（NPS）出现在边境检查站，因而快速检测和识别这些毒品对于防止其广泛传播至关重要。
近年来，仅在美国，因毒品致死的人数已攀升至每年4万多人。这种“阿片类药物流行”具体指的是阿片类药物(包括NPS等非法药物)导致的死亡和住院人数不断增加，而用药过量现在已成为美国意外死亡的主要原因。
这对有关当局构成了重大挑战。主要问题是，测试依赖于将待测物质与已知物质的数据库进行匹配。然而，NPS的开发正是为了模仿海洛因和大麻等药物，并通过改变其分子结构来规避检测。这种‘伪装’试图消除通过法医检测发现与已知毒品匹配的可能性。
警方和刑事调查人员需要一种新的、准确的，更重要的是快速的方法，来追踪未知和已知的信息。
识别未知物质
分析可疑物质的一个关键目标是提供法律上可接受的证据，以证明药物的化学成分。各种样品被送往检测实验室进行鉴定和定量，但由于种种原因，很难提供明确的证据。
MS筛选
目前的药物检测主要依靠质谱（MS）筛选。这种久经考验且值得信赖的方法能产生可靠的结果，但需要将未知物质与对照物质的谱峰进行比较，并通过两者的峰是否接近来判断，这使得其检测受到限制。因为这依赖于需要获得特定化合物的标准品，这使得任何改性的分子都可能呈现不同的碎片模式，从而被漏检。
NMR方法
NMR波谱是临床研究机构以及警察、海关和边境控制实验室法医学中一种成熟的测试方法。NMR可以鉴别未知物质并对其进行定量，而无需特定化合物的参考标品。其在法医学中的使用得到了欧盟委员会报告的支持，该报告指出，“对被海关发现并怀疑为NPS的许多未知物质进行化学鉴定，需要使用更复杂的分析技术，例如NMR[…]。”
NMR在法医学应用中的显著优势，是无需参考标品即可检测、识别和定量未知物质的能力。分析表明，新的模拟分子在谱图中显示出与已知物质的细微差异。可以对这种新物质进一步研究，并将其数据添加到库中，以便在将来可立即匹配和识别。
高规格NMR系统通常只有大型测试中心才能配备，并且必须依靠训练有素的工作人员进行操作。这一特点，加上其高昂的初始投资成本和总体维护成本，限制了NMR的应用。
法律可采性的双重测试
在全球大多数国家，毒品测试中必须至少使用两种正交分析方法，以提供充分且可接受的证据。为了验证研究结果，第二种方法必须与第一种方法完全不同。然而，使用两种完全独立的方法既耗时又费资源，在实践中通常很难实行。因此，使用两种基于数据库的方法，如MS和FT-IR，被广泛认为可对已知物质提供鉴定证据。然而，由于需要特定化合物的参考标品，准确的定量仍然具有挑战。
在识别和定量NPS（或未知物质）时，NMR起着关键作用，因为它不依赖特定化合物的参考标品。然而，NPS的不断增加和NMR测试需求的快速增长，可能会在大型测试中心造成大量样本积压，影响出具分析结果的时效。
缩短筛查时间
NMR的快速检测使得筛查时间从几天缩短到几分钟。当缉获毒品时，无论其数量多寡，在鉴定和分析毒品化学成分所需时间内完成扣押可疑物所必须的文书工作，可能会令人望而却步。在传统的NMR分析中，样品可能需要送往测试中心进行检测，与之相比，台式NMR仪提供结论性鉴定结果的时间则大大缩短。例如，任何机场或警察当局现在都可以拥有一套台式NMR仪器，使用全球数据库快速提供常规筛查结果，且无需经过专业培训的操作员就可以运行测试和解读结果。
与传统的大型NMR仪器不同，台式机仅需一个电源插座就可以使用，无需进行补充液氦制冷剂等复杂维护。新的台式NMR仪提供了无制冷剂磁体设计，使任何实验室都可以获得具成本效益的NMR独特的鉴定结果。
数据库维护
欧洲药物和毒瘾监测中心（EMCDDA）、欧洲法医科学研究所网络（ENFSI）和海关实验室欧洲网络（CLEN）等组织正在推动采用全球物质数据库。该数据库的维护在打击非法贩运毒品方面发挥着至关重要的作用。
一旦某种新物质在全球任何地方被NMR鉴别出来，其波谱数据就可以上传到全球数据库中，而全球任何实验室都可以使用类似的台式NMR仪，只需按一下按钮就可以通过核磁指纹图谱识别并定量该物质。单独使用质谱是不可行的，因为这种方法需要设计一种氘代化合物，并需要每个实验室都能获得参考标品；然而，以NPS每周新增两个的速度，这是根本无法实现的。
中央式集成
当高规格谱仪与台式系统集成时，NMR的真正潜力能够最大化地释放。熟悉NMR软件的操作员可以不需要额外培训就能控制台式系统，而没有经验的NMR用户也很容易熟悉按钮式的界面及其优化的工作流程。
因此，如果某个样品的结果不确定而被打回重新检测，中心实验室的NMR专家可以登录到系统，并帮助检查是否有参数优化和数据处理的问题。为方便该流程，这两个系统需使用相同的软件界面和同样的实验SOP。本地用户和中心实验室都使用同一系统，这样的集成为超越当前毒品库共享的全球合作开辟了令人振奋的潜力，有助于实现国家级工作流程的定义和方法的统一，而这对证据的生成至关重要，
分散式NMR分析，在每个毒品检测中心安装一套仪器，不仅有可能大幅提高通量，更快地交付结果，还可以解放中心实验室的高规格仪器和操作员，使得他们可以将进行更多的专业测试。
台式系统代表未来
对于像EMCDDA这样的实体，其目标之一是“提高法医学和毒理学实验室鉴别新物质的能力，[……]这需要培训支持、测试资源，以及从分析数据、参考标品到专业知识的一整套产出和共享机制，”台式NMR仪可以很好地支持新物质测试、数据共享和参考库创建，从而支持这一目标。
台式NMR仪提供与高规格NMR仪器相同的功能，无需专业化操作或安装，即可轻松融入到任何实验室中，提供快速、自动、易用且不受限制的毒品筛查方法，从而广泛投入实际使用。
有关更多信息，请访问：https://www.bruker.com/products/mr/nmr/benchtop-nmr.html。
关于作者
Joerg Koehler博士在雷根斯堡大学生物物理与物理生物化学研究所，学习物理学并获得博士学位，他还曾在雷根斯堡大学担任博士后研究科学家，专注于基于核磁共振的生物化学活性大分子折叠中间体的研究。Joerg Koehler博士在加入布鲁克之前曾担任过销售、销售管理和企业管理的多个职位。加入布鲁克后担任工业部门业务主管。如今，他负责布鲁克工业市场部门磁共振业务的全球活动，包括法医学方向。
ENDS
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参考文献
iGlobal Synthetic Drugs Assessment 2017,United Nations Office on Drugs and Crime, https://www.unodc.org/documents/scientific/Global_Drugs_Assessment_2017.pdf
iiAddiction Center, The Opioid Epidemic, 2019, https://www.addictioncenter.com/opiates/opioid-epidemic/
iiiReport on Characterization of New Psychoactive Substances (NPS), European Commission, 2014
https://ec.europa.eu/jrc/sites/jrcsh/files/jrc-characterisation-new-psychoactive-substances_en.pdf with citation on page 4
iv EU Drug Markets Report 2019, European Monitoring Centre for Drugs and Drug Addiction, http://www.emcdda.europa.eu/system/files/publications/12078/20192630_TD0319332ENN_PDF.pdf
