利用台式核磁共振（NMR）技术与数据库搜索相结合，对新精神活性物质进行自动化快速筛查

《Forensic Science International》：Automated rapid screening of new psychoactive substances using benchtop NMR technology combined with database search

本研究利用 benchtop 1H NMR联用数据库搜索工具（MestReNova），构建含360种NPS的数据库，优化光谱处理，发现峰纯度算法检测率最高，能准确识别单一成分并辅助未知物结构预测，为快速筛查提供高效方案。

　　

摘要

为了应对新型精神活性物质（NPS）的泛滥，需要对大量查获的NPS样本进行常规且高效的筛查。本研究建立了一种快速的NPS筛查方法，该方法结合了台式核磁共振（NMR）技术和MestReNova软件中的光谱数据库搜索工具包。为此构建了一个包含360种NPS参考物质的¹H NMR光谱数据库用于搜索。尽管结构差异较小的NPS类似物（例如在一个甲基、乙基、氧原子或卤素原子上）在光谱上具有高度相似性，但它们仍可以通过台式NMR技术区分开来。化学位移校正以及溶剂峰的识别和去除是影响搜索结果准确性的关键因素。使用50个查获的NPS样本的光谱数据，比较了四种数据库搜索算法的性能，其中峰值纯度搜索算法显示出最高的阳性检测率。所有40个单组分样本均能通过首次搜索结果被正确识别。此外，还发现了一些未知的新化合物及其结构类似物，这有助于结构预测和阐明。尽管峰值纯度搜索算法在识别混合样本中的所有分析物时并不完全有效，但它成功检测出了主要成分。这种结合了台式NMR和数据库搜索的NPS筛查方法快速、高效且用户友好，能够提供更直接的结构信息。随着商业数据库搜索工具包的日益普及，预计台式NMR将在未来被广泛用于NPS和非法药物的快速筛查。

引言

新型精神活性物质（NPS）是一类快速发展的药物，旨在模仿大麻、海洛因、可卡因、安非他明或麦角酸二乙酰胺（LSD）等受管制物质的药理效应，同时规避法律监管[1]、[2]、[3]。截至2025年2月，联合国毒品和犯罪问题办公室（UNODC）已报告了1265种不同的NPS，这些物质被归类为15个化学结构组。NPS的结构多样性和在全球市场上的快速出现给法医药物分析师带来了重大挑战，因此需要改进分析方法、提升实验室能力，并实施全面的常规筛查协议，以确保有效检测和监测NPS[2]。

NPS的常见分析方法包括气相色谱-质谱（GC-MS）、液相色谱-质谱（LC-MS）、核磁共振光谱（NMR）、红外光谱（IR）和拉曼光谱[4]、[5]、[6]。在这些技术中，NMR被认为是结构鉴定和阐明方面最强大的工具[7]。传统的高场NMR系统需要庞大的基础设施，并使用液氦和氮气作为冷却剂，这限制了它们在专门研究设施中的使用。相比之下，现代的低场或台式NMR采用紧凑的永磁体设计，无需冷却剂，从而可以在标准实验室环境中使用，提高了可访问性和成本效益[8]、[9]、[10]。

台式NMR主要被用于NPS的鉴定、结构阐明、分类和定量[10]、[11]、[12]、[13]。然而，其在快速NPS筛查中的应用仍然有限[7]、[11]。Castaing-Cordier等人设计了一种结合了一维和二维NMR测量与红外光谱的工作流程，以开发用于表征纯NPS和混合NPS的多技术数据库[7]。Antonides等人[11]将台式NMR与Matlab中定制的模式识别算法结合使用，计算样本光谱与参考光谱之间的相关性得分，用于筛查分析。为了提高台式NMR在NPS筛查中的准确性和效率，开发自动化数据库搜索算法成为当务之急。先前的研究已经探索了使用IR和拉曼方法进行现场快速筛查[5]、[14]。然而，与这些光谱方法相比，台式NMR提供了更直接的结构信息，特别有利于未知化合物的结构预测[7]、[11]。

本研究旨在基于台式NMR结合数据库搜索，开发一种自动化、快速、准确且高效的NPS筛查方法。使用80 MHz的台式NMR光谱仪收集了360种NPS参考化合物的¹H NMR光谱。经过光谱处理程序的优化后，使用MestReNova软件建立了NPS的台式¹H NMR数据库。为了评估和验证各种匹配算法的性能，使用MestReNova软件的Gears/DB Search工具包分析了50种不同类型的NPS查获样本。

章节片段

试剂和样本

二甲基砜（DMSO）中含有0.05%的TMS，购自美国马萨诸塞州Tewksbury的Cambridge Isotope Laboratories。

共分析了360种NPS标准物质（表S1），用于数据库构建，其中包括107种合成大麻素、89种合成卡西酮、46种苯乙胺、38种芬太尼类似物、15种苯环利定类物质和52种“其他物质”。这些标准物质均来自中国国家麻醉品实验室。

NMR参考标准数据库的构建

使用台式NMR光谱仪收集了360种NPS参考化合物的¹H NMR光谱，其中包括107种合成大麻素、89种合成卡西酮、46种苯乙胺、38种芬太尼类似物、15种苯环利定类物质和52种“其他物质”。在完成全面的光谱处理后，包括基线校正、相位校正、化学位移校正和峰提取，将校正后的光谱与目标化合物的化学结构一起保存。

结论

使用MestReNova软件构建了一个包含360种NPS参考化合物的台式¹H NMR光谱数据库。大量且多样的NPS化合物确保了测试样本的高阳性检测率。化学位移校正以及溶剂峰的识别和去除被认为是影响数据库搜索结果准确性的关键因素。通过50个查获的NPS样本对不同的数据库搜索算法进行了比较和验证。

CRediT作者贡献声明

Cui-mei Liu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，方法学，研究，正式分析，数据管理，概念化。Wei Jia：验证，方法学，研究，正式分析。Zhen-Dong Hua：监督，资源管理，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢国家重点研发计划（2022YFC3300902）和项目2021JC23对本项目的资助。

作者感谢Mestrelab Research SL的Chen Peng对软件算法的优化。作者还感谢青岛腾龙微博科技有限公司的Chang-zhu Ji和Shuo-chao Dai在软件使用方面提供的帮助。

支持信息

测试样本S49-S50的峰值纯度搜索算法的前五名结果（图S1-S2）；前五名