综述：法医分离中的绿色方法——概述

《Separations》：Green Approaches in Forensic Separations—An Overview Thomas A. Brettell

　　

绿色分析化学（Green Analytical Chemistry, GAC）为减少有害试剂、能源消耗和废物提供了框架。过去25年间，该主题在许多化学行业中获得了发展势头；然而，在法医实验室中实施可持续方法和进行绿色评估的进展相对缓慢。本综述的目的是强调文献中报道的法医化学和毒理学应用中分析分离方法的绿色方法，包括绿色评估指标，并提高法医领域对GAC的认识。近期科学文献强调了绿色样品制备和色谱方法的可喜进展，特别是在法医毒理学和缉获药物分析中。新兴趋势包括使用绿色溶剂、生物基和深共熔溶剂体系，以及微萃取技术如固相微萃取（SPME）、液相微萃取（LPME）、微萃取填充吸附剂（MEPS）、织物相吸附萃取（FPSE）和分散液液微萃取（DLLME）的快速扩展，这些技术减少了溶剂用量，最小化了废物，并支持更高通量的工作流程。便携式和微型化色谱仪器的平行发展，例如具有更高检测特异性的微型化液相色谱-质谱（LC–MS）系统和芯片实验室（Lab-on-a-Chip）应用，展示了现场原位测量的前景。环境电离质谱——特别是解吸电喷雾电离（DESI）和实时直接分析（DART）——通过提供快速直接分析复杂基质中化合物且几乎无需样品制备的工具，对法医化学产生了重大影响。绿色评估工具——包括AGREE、AGREEprep、Eco-Scale、GAPI和BAGI——越来越多地被用于评估法医化学和毒理学中的分析方法，包括用于新型精神活性物质的方法。尽管许多绿色方法已被充分记录，但其常规实施仍然有限。绿色溶剂、微萃取、便携式仪器和标准化绿色指标的持续整合对于推进可持续法医分离至关重要。

1. 引言（Introduction）
法医实验室中最常见的任务是从混合物或基质中分离分析物，例如在药物影响下驾驶（DUID）案件中提取体液中的药物，或从缉获药物样品中去除干扰物。常用分离技术为气相色谱-质谱（GC–MS）和液相色谱-质谱（LC–MS），但色谱分析能耗高（LC–MS系统单次运行能耗可达简单配置的六倍），且消耗大量溶剂，样品制备常需多步操作。经典方法如固相萃取（SPE）和液液萃取（LLE）虽应用广泛，但微萃取技术如固相微萃取（SPME）和液相微萃取（LPME）虽有报道却未在犯罪实验室普及，原因包括案件量大、人员短缺、方法开发耗时、培训与验证成本以及缺乏对绿色方法（如绿色溶剂）的认识。绿色分析化学（GAC）和绿色样品制备（GSP）原则为改进可持续性提供了指南，重点包括直接分析、减少样品数与体积、自动化及降低能耗和废物。

2. 绿色溶剂与样品制备（Green Solvents and Sample Preparation）
绿色方法聚焦于减少有毒化学品使用和健康风险，优先替换而非回收溶剂。溶剂选择需考虑极性、溶解度、物理性质及环境毒性，推荐使用亚临界水、超临界流体、生物基溶剂（如乙醇、D-柠檬烯、Cyrene^?）、深共熔溶剂（DES）及天然深共熔溶剂（NADES）、离子液体和磁性离子液体、超分子溶剂（SUPRAS）等。具体应用包括：碳二硫化碳（CS₂）被乙醚替代用于火残渣分析；D-柠檬烯用于非甾体抗炎药（NSAIDs）的低密度分散液液微萃取（LD-DLLME）；SUPRAS用于头发中汞和铝的预浓缩及尿液中药物辅助性侵（DFSA）物质的提取；离子液体虽具低蒸气压、高稳定性等优点，但合成过程不够环保。微萃取技术如固相微萃取（SPME）、液相微萃取（LPME）、分散液液微萃取（DLLME）、微萃取填充吸附剂（MEPS）和织物相吸附萃取（FPSE）可显著减少溶剂用量和废物，已应用于法医毒理学和药物分析，例如用FPSE结合高效液相色谱-二极管阵列检测（HPLC–DAD）分析死后样品中的抗抑郁药，以及用SPME结合快速气相色谱-质谱（GC–MS）分析火残渣中的易燃液体残留物（ILR）。2022年的一篇综述总结了微萃取技术在新型精神活性物质（NPS）分析中的新应用，而分子印迹聚合物（MIPs）和氧化石墨烯纳米片等新材料进一步提高了特异性与可重复使用性。尽管这些方法文献充分，但常规应用仍有限。

3. 仪器分离技术的绿色方面（Green Aspects of Instrumental Separation Techniques）
3.1 便携式色谱仪器（Portable Chromatographic Instrumentation）
现场分析（符合GAC原则）可减少样品运输和保存的能耗，便携式仪器如便携式GC–MS、微型化液相色谱-质谱（LC–MS）系统、芯片实验室（Lab-on-a-Chip）、便携式拉曼光谱（Raman）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线荧光光谱（XRF）等已用于毒品、爆炸物、化学战剂的快速筛查。性能验证显示，便携式GC–MS在检测麻醉剂和兴奋剂时准确率达90–100%，微型化LC–MS系统具有与实验室仪器相当的特异性。环境电离质谱（AMS）如解吸电喷雾电离（DESI）和实时直接分析（DART）已成为法医化学中的关键技术，能够以极少或无需样品制备的方式快速直接分析复杂基质中的化合物。此外，离子淌度谱（IMS）、毛细管电泳（CE）、便携式离子色谱（IC）和连续流声泳技术也应用于现场样品的分离与细胞分选。芯片实验室（Lab-on-a-Chip）被用于药物滥用检测和法医DNA纯化，实现了全集成微量分析。

3.2 气相色谱（Gas Chromatography）
气相色谱本身较为绿色，使用惰性载气（主要为氦气），但氦气不可再生且供应短缺。替代方案为氮气和氢气，其中氮气因可在实验室中从空气中直接生成、成本低且安全，被认为是最绿色的选择。例如，已有研究使用氮气载气的气相色谱-红外光谱（GC–IRD）分析29种取代卡西酮和芬太尼类似物。氦气切换模块也可用于节约载气消耗。

3.3 液相色谱（Liquid Chromatography）
超高效液相色谱（UHPLC）通过使用亚2 μm颗粒柱和更高压力，显著提升分辨率、灵敏度和速度，同时降低流速并减少溶剂消耗，已成为法医毒理学中筛查和定量生物样品中药物和毒素的主要平台。此外，使用乙醇、异丙醇、丙酮、碳酸酯等绿色有机改性剂替代传统乙腈和甲醇，可减少毒性风险。例如，已开发乙醇-磷酸缓冲液作为流动相分析艾司西酞普兰和依替唑仑的方法，以及异丙醇用于同时测定多佐胺、布林佐胺和噻吗洛尔的方法。回收液相色谱技术虽在法医实验室应用较少，但已被用于绿色溶剂（乙醇）纯化大麻提取物中的四氢大麻酚（THC）。

3.4 超临界流体萃取与色谱（Supercritical Fluid Extraction and Chromatography）
超临界流体萃取（SFE）使用二氧化碳（CO₂）作为溶剂，具有无毒、不可燃、廉价和易分离等优点，但需添加少量有机改性剂（如乙醇）以溶解非极性溶质。超临界流体色谱（SFC）是液相色谱的绿色替代品，但在法医中已有应用（如毒品分析）。主要缺点为设备复杂且能耗高，不符合绿色化学的第六原则（能量效率）。

4. 分离技术的绿色评估（Greenness Assessment of Separation Techniques）
评估方法或技术是否为绿色需要通过多种指标进行量化。常用的绿色评估工具有：分析型生态标度（Analytical Eco-Scale，满分100，高于75为绿色）、AGREE（基于GAC的12项原则，评分0–1）、AGREEprep（基于GSP的10项原则，专门评估样品制备）、蓝色适用性等级指数（BAGI，评估方法实用性和适用性，评分25–100）、复杂绿色分析程序指数（ComplexGAPI）、样品制备可持续性指标（SPMS）、六边形指标和白色分析化学（WAC）等。例如，使用分析型生态标度评估芬太尼及其类似物在口腔液中检测的LC–MS/MS方法得分为73（合格）；AGREEprep评估SPME–GC–FPD检测化学战剂的方法得分为0.71。在评估毛发生物样品中药物分析的电磁膜萃取（EME）方法时，AGREEprep得分0.49，优于传统的孵育+LLE方法的0.15。通过比较不同微萃取方法（LPME、SPME、SPE、DLLME），AGREEprep显示LPME（0.64）优于SPE和DLLME（因使用二氯甲烷等有毒溶剂）。多项研究还使用NEMI、AGREE、Eco-Scale和GAPI评估大麻油中大麻素分析的HPLC/UHPLC方法，以及甲基苯丙胺与其他滥用药物的色谱方法。评估工具的比较表明AGREE在区分方法绿色性方面最为有效。

5. 法医实验室可持续性的未来（Future of Sustainability in the Forensic Laboratory）
近十年，法医科学中分离技术的绿色样品制备策略显著增加，微萃取和溶剂减少技术发展迅速。绿色溶剂如亚临界水、超临界流体、生物基溶剂、深共熔溶剂（DES）及天然深共熔溶剂（NADES）的应用频率提高，预计未来十年将在法医样品制备中常规化。UHPLC在法医毒理学实验室中的普及已减少有毒溶剂废物；可再生载气（氮气、氢气）替代氦气在气相色谱（GC）中成为趋势。便携式仪器（如Raman、FTIR、环境电离质谱（AMS）、微型LC–MS、芯片实验室（Lab-on-a-Chip））的发展使得现场快速、无需溶剂的分析成为可能，但常规应用仍限于研究和部分联邦机构。绿色评估指标（如AGREE、AGREEprep、BAGI等）应成为法医方法验证的常规组成部分，以推动可持续实践的整合。随着自动化微萃取和标准化绿色评估的推进，法医实验室将逐步实现更可持续的操作流程。