Development of Benchtop Low‑Field Nuclear Magnetic Resonance Technology and Its Application in Drug Control Field

doi:10.12116/j.issn.1004-5619.2024.340402

Abstract

Abstract:

At present, the drug substitutes represented by new psychoactive substances are gradually becoming popular, leading to an increasing demand for identifying novel drugs with unknown structures in drug investigation. Nuclear magnetic resonance （NMR） spectroscopy is an important tool for analyzing molecular structures. In the absence of standard substances, quantitative NMR （qNMR） can undertake the quantitative analysis of target substances in complex mixtures and has unique advantages in the research of new drugs and their precursor drugs. Due to the limitations of the site and maintenance costs, as well as relatively complex operation, high-field superconducting NMR is less commonly applied in drug research. The desktop low‑field NMR developed in recent years provides a new alternative solution. Due to the use of permanent magnets, its size is reduced, and the operation and maintenance costs are lowered. It has been widely used in various research fields. This article reviews the development of low-field NMR technology, summarizes the application of desktop low-field NMR in screening and identification of suspicious substances, rapid content determination, analysis of drug manufacturing processes and synthetic routes, and correlation traceability. It also looks forward to the prospects and development directions of this technology in drug research, aiming to provide a reference for researchers who work in analytical chemistry and drug research.

Key words: forensic medicine, toxicological analysis, nuclear magnetic resonance, low-field nuclear magnetic resonance （LF-NMR）, benchtop NMR, new psychoactive substance, review

CLC Number:

Qi LIAO, Yong-hong LIU, Ying JIAO, Xiao-ying YANG, Yi-hua YANG, Cui-mei LIU, Rui-xia GAO. Development of Benchtop Low‑Field Nuclear Magnetic Resonance Technology and Its Application in Drug Control Field[J]. Journal of Forensic Medicine, 2025, 41(3): 267-276.

Figures/Tables 2

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应用范围	样本来源	频率/MHz	观测核	目的	检测物质	文献
合成大麻素类物质	海关缴获的“spice”样本	60	¹H	定性	MAM-2201、JWH-073、JWH-210、JWH-122、JWH-081、JWH-250、UR-144、 XLR-11、 AKB-48-5F	[13]
合成大麻素类物质	海关扣押的电子烟油	60	¹H， ¹⁹F	定性、定量	JWH-210、5F-MDMB-PICA、5F-ADB、 5F-AKB48、ADB-FUBINACA	[14]
芬太尼类物质	购买的参考标准物质	62	¹H	定性	65种芬太尼类物质	[15]
芬太尼类物质	自主合成	60	¹⁹F	定性、定量	8种含氟芬太尼类物质	[16]
苯乙胺类物质	缴获的高纯度样品	60	¹H	定性	2C-B、2C-C、2C-D、 2C-E、 2C-P、 2C-T2、 2C-T7	[17]
哌嗪类物质	购买的参考标准物质	60	¹H	定性	苄基哌嗪、2-PMP、3-PMP、 4-PMP	[18]
含氟新精神活性物质	购买的参考标准物质及缴获的含氟新精神活性物质样品	80	¹⁹F	定性、定量	51种合成大麻素类物质、8种合成卡西酮类物质、7种苯乙胺类物质、8种芬太尼类物质和9种其他类新精神活性物质	[19]
传统阿片类、苯丙胺类、苯环利定类毒品	购买的参考标准物质和缴获的实际样品	80	¹H	定性	吗啡、海洛因、O³-单乙酰吗啡、O⁶-单乙酰吗啡、可待因、乙酰可待因、安非他明、甲基苯丙胺、MDA、MDMA、N，N-二甲基安非他明、氯胺酮	[20]
非法减肥药	互联网平台购买含有不明成分的减肥药	60	¹H	定性	西布曲明和酚酞	[21]
MDMA	缴获的实际样品	60	¹H	定量	MDMA	[22]
植物大麻	购买的参考标准物质和市售的3种大麻制品	60	¹H	定量	四氢大麻酚、大麻二酚	[23]
摇头丸及其混合物	缴获的实际样品	60	¹H	定量	MDMA、咖啡因、苯佐卡因、非那西丁、利多卡因、左旋咪唑	[24]
非法药物	购买的参考标准物质和缴获的实际样品	60	¹H	定性、定量	γ-羟基丁酸、可卡因、西布曲明、西地那非、他达拉非、咖啡因、对乙酰氨基酚、阿司匹林、双氯芬酸、布洛芬、萘普生	[25]
甲基苯丙胺的前体和制毒配剂	制毒工厂采集的可疑固体和液体	43	¹H， ³¹P	定性	麻黄碱、伪麻黄碱、磷酸、亚磷酸、次磷酸	[26]
冰毒及其混合物	购买的参考标准物质和缴获的实际样品	80	¹H	定性、定量	甲基苯丙胺、咖啡因、二甲基砜、N-异丙基苄胺、非那西汀、吡拉西坦	[27]
氯胺酮及其混合物	购买的参考标准物质和缴获的实际样品	80	¹H	定性、定量	氯胺酮、磺胺、烟酰胺和非那西丁	[28]
新精神活性物质自动化分析	购买的参考标准物质和缴获的实际样品	60	¹H，¹⁹F， ¹H-¹³C HSQC	定性、定量	包括卡西酮类、合成大麻素类、苯乙胺类、苯环利定类和芬太尼类等57种物质	[29]
新精神活性物质自动化分析	自主合成、购买的参考标准物质和缴获的实际样品	60	¹H	定性	包括麻醉剂、新精神活性物质和管控物质，以及常见的非列管物质和掺假物等302种物质	[30]

应用范围	样本来源	频率/MHz	观测核	目的	检测物质	文献
合成大麻素类物质	海关缴获的“spice”样本	60	¹H	定性	MAM-2201、JWH-073、JWH-210、JWH-122、JWH-081、JWH-250、UR-144、 XLR-11、 AKB-48-5F	[13]
合成大麻素类物质	海关扣押的电子烟油	60	¹H， ¹⁹F	定性、定量	JWH-210、5F-MDMB-PICA、5F-ADB、 5F-AKB48、ADB-FUBINACA	[14]
芬太尼类物质	购买的参考标准物质	62	¹H	定性	65种芬太尼类物质	[15]
芬太尼类物质	自主合成	60	¹⁹F	定性、定量	8种含氟芬太尼类物质	[16]
苯乙胺类物质	缴获的高纯度样品	60	¹H	定性	2C-B、2C-C、2C-D、 2C-E、 2C-P、 2C-T2、 2C-T7	[17]
哌嗪类物质	购买的参考标准物质	60	¹H	定性	苄基哌嗪、2-PMP、3-PMP、 4-PMP	[18]
含氟新精神活性物质	购买的参考标准物质及缴获的含氟新精神活性物质样品	80	¹⁹F	定性、定量	51种合成大麻素类物质、8种合成卡西酮类物质、7种苯乙胺类物质、8种芬太尼类物质和9种其他类新精神活性物质	[19]
传统阿片类、苯丙胺类、苯环利定类毒品	购买的参考标准物质和缴获的实际样品	80	¹H	定性	吗啡、海洛因、O³-单乙酰吗啡、O⁶-单乙酰吗啡、可待因、乙酰可待因、安非他明、甲基苯丙胺、MDA、MDMA、N，N-二甲基安非他明、氯胺酮	[20]
非法减肥药	互联网平台购买含有不明成分的减肥药	60	¹H	定性	西布曲明和酚酞	[21]
MDMA	缴获的实际样品	60	¹H	定量	MDMA	[22]
植物大麻	购买的参考标准物质和市售的3种大麻制品	60	¹H	定量	四氢大麻酚、大麻二酚	[23]
摇头丸及其混合物	缴获的实际样品	60	¹H	定量	MDMA、咖啡因、苯佐卡因、非那西丁、利多卡因、左旋咪唑	[24]
非法药物	购买的参考标准物质和缴获的实际样品	60	¹H	定性、定量	γ-羟基丁酸、可卡因、西布曲明、西地那非、他达拉非、咖啡因、对乙酰氨基酚、阿司匹林、双氯芬酸、布洛芬、萘普生	[25]
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冰毒及其混合物	购买的参考标准物质和缴获的实际样品	80	¹H	定性、定量	甲基苯丙胺、咖啡因、二甲基砜、N-异丙基苄胺、非那西汀、吡拉西坦	[27]
氯胺酮及其混合物	购买的参考标准物质和缴获的实际样品	80	¹H	定性、定量	氯胺酮、磺胺、烟酰胺和非那西丁	[28]
新精神活性物质自动化分析	购买的参考标准物质和缴获的实际样品	60	¹H，¹⁹F， ¹H-¹³C HSQC	定性、定量	包括卡西酮类、合成大麻素类、苯乙胺类、苯环利定类和芬太尼类等57种物质	[29]
新精神活性物质自动化分析	自主合成、购买的参考标准物质和缴获的实际样品	60	¹H	定性	包括麻醉剂、新精神活性物质和管控物质，以及常见的非列管物质和掺假物等302种物质	[30]

NPS种类	NPS数量	¹⁹F取代类型	δ_F/×10^-6（DMSO-d₆）
合成大麻素类	35 16	（RCH₂F）（para-ArF）	-217.0±0.2 -114.7±0.3
合成卡西酮类	1	（ortho-ArF）	-109.6
	1	（meta-ArF）	-111.5
	6	（para-ArF）	-103.1±0.4
苯乙胺类	1	（ortho-ArF）	-117.7
	3	（meta-ArF）	-113.3
	3	（para-ArF）	-116.2±0.1
哌嗪类	1	TFMPP （ArCF₃） 4-FPP （para-ArF）	-61.1 -123.6
哌嗪类	1	TFMPP （ArCF₃） 4-FPP （para-ArF）	-61.1 -123.6
苯环利定类	2	2-FDCK and 2-FXE （ortho-ArF）	-108.6±0.2
芬太尼类	3	（ortho-ArF）（meta-ArF）（para-ArF）	-119.5±0.2 -111.8 -113.7±0.3
	1
	4
苯二氮卓类	2	Flubromazolam and Flualprazolam （ortho-ArF）	-114.0±0.1
其他	1	3-FPM （meta-ArF） 4-CF₃-U47700 （ArCF₃）	-112.7 -61.2
其他	1	3-FPM （meta-ArF） 4-CF₃-U47700 （ArCF₃）	-112.7 -61.2

NPS种类	NPS数量	¹⁹F取代类型	δ_F/×10^-6（DMSO-d₆）
合成大麻素类	35 16	（RCH₂F）（para-ArF）	-217.0±0.2 -114.7±0.3
合成卡西酮类	1	（ortho-ArF）	-109.6
	1	（meta-ArF）	-111.5
	6	（para-ArF）	-103.1±0.4
苯乙胺类	1	（ortho-ArF）	-117.7
	3	（meta-ArF）	-113.3
	3	（para-ArF）	-116.2±0.1
哌嗪类	1	TFMPP （ArCF₃） 4-FPP （para-ArF）	-61.1 -123.6
哌嗪类	1	TFMPP （ArCF₃） 4-FPP （para-ArF）	-61.1 -123.6
苯环利定类	2	2-FDCK and 2-FXE （ortho-ArF）	-108.6±0.2
芬太尼类	3	（ortho-ArF）（meta-ArF）（para-ArF）	-119.5±0.2 -111.8 -113.7±0.3
	1
	4
苯二氮卓类	2	Flubromazolam and Flualprazolam （ortho-ArF）	-114.0±0.1
其他	1	3-FPM （meta-ArF） 4-CF₃-U47700 （ArCF₃）	-112.7 -61.2
其他	1	3-FPM （meta-ArF） 4-CF₃-U47700 （ArCF₃）	-112.7 -61.2