1 引言

太赫兹(THz)指的是频率范围为0.1~10.0 THz,波长范围为0.03~3.00 mm的电磁波。它介于微波波段和远红外波段之间,是宏观电子学到微观光子学的过渡频段^[1]。太赫兹在电磁波段独特的位置决定了其不同于其他电磁波的独特性质,如THz辐射对于很多非金属、非极性或弱极性材料(如纸板、塑料、木料和布料)等常规的包装材料具有很强的穿透性。太赫兹波的单光子能量很低(约为4.1 meV),对生物体无电离损伤,不会对生物组织与细胞造成损害。许多物质大分子的振转能级,以及很多凝聚态体系的声子和其他元激发都位于太赫兹波段,表现出很强的吸收和谐振特性,因此可以通过特征共振与吸收对物质进行指纹谱的分析^[2]。

太赫兹的特点决定了它在安全检查、无损检测、质量检测等领域具有重要的价值。基于以上特性发展起来的太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是近些年来发展较为迅速的无损检测技术,它利用太赫兹波段对物质进行光谱分析,是目前应用太赫兹波研究物质的主要技术之一。近些年来,国内外很多学者应用太赫兹光谱技术在物质检测方面进行了大量研究,取得了不少研究成果。孟坤等^[3]采用太赫兹时域光谱技术对炸药老化进行了理论研究。Hua等^[4]对固体农药吡虫啉的太赫兹光谱进行了定量分析。浙江大学的研究小组开展了基于THz技术的农产品、食品质量与安全检测的研究。曹丙花等^[5]利用THz光谱技术进行了农药残留的检测研究。朱莉等^[6]利用THz光谱技术进行了食品添加剂的检测研究,为利用THz光谱技术检测食品中的有害成分提供了依据。

青霉素钠的分子式为C₁₆H₁₇N₂NaO₄S,熔点为209~212 ℃。它是起杀菌作用的一类抗生素。

阿莫西林的分子式为C₁₆H₁₉N₃O₅S,是一种最常用的半合成青霉素类广谱抗生素,临床用于治疗泌尿系统、呼吸系统、消化系统等感染病症^[7]。

近些年来,许多学者使用不同的光谱对阿莫西林进行了大量研究。王昆林等^[8]利用傅里叶红外光谱法对几种西药阿莫西林胶囊进行了检测鉴别分析。冯华东等^[9]利用近红外光谱技术对不同厂家的阿莫西林颗粒进行了定性分析。然而,目前对阿莫西林药物进行太赫兹光谱检测的研究鲜有报道。因此,本文利用实验室自行搭建的太赫兹时域光谱系统,对纯青霉素钠和3种不同厂家的阿莫西林胶囊进行太赫兹时域光谱检测,得到了四种药品在0.2~1.4 THz处的吸收峰,并得到了相同质量下不同阿莫西林含量的强度。这对该药物的物质鉴别以及质量检查有着重要的意义。

2 实验装置及样品

2.1 实验样品及其制备

实验样品选用纯度大于1500 U·mg^-1(U为酶活力单位)的纯青霉素钠和三种不同厂家的阿莫西林成品胶囊,分别是国药集团汕头金石制药有限公司的金石宁牌阿莫西林胶囊(批准文号:H20003254),通药制药集团股份有限公司的修正牌阿莫西林胶囊(批准文号:H20053909)和安徽安科恒益药业有限公司的仁和牌阿莫西林胶囊(批准文号:H34023532)。三种药品均是粉末状物质,使用前未经过处理。三种厂家的C₁₆H₁₉N₃O₅S含量如表1所示。

实验样品的制备是实验分析的基础,因此规范的样品制备流程对实验结果起着至关重要的作用。首先,为了降低样品颗粒对太赫兹波的散射作用,将阿莫西林胶囊中的药品放在玛瑙研钵中进行充分研磨。其次,采用电子天平(精度为0.1 mg)称取研磨后的粉末200.0 mg,并将称量好的粉末样品转入成型磨具中,用专业压片机在10⁴ kg的压力下持续压制1 min。最后形成直径约为13 mm,厚度为1.1 mm (误差为±0.1 mm)的样品压片并将其密封保存。对每种药品重复压片5次,四种药品共有20个样品。

2.2 实验装置

实验室自主设计搭建的透射式太赫兹时域光谱系统^[10-11]如图1所示。系统中所用的激光器为飞秒光纤激光器,中心波长为1557 nm,3 dB带宽为42.4 nm,重复频率为100 MHz,脉宽为84 fs,最大平均功率为610 mW。系统的主要参数可详见文献[ 10]和文献[ 11]。

3 实验结果及分析

3.1 数据处理方法

首先,在THz光路上不放置压片样品进行测量,可得到THz光在空气中传播的光谱(参考信号)。之后,将制备好的压片样品放置在光路上进行测量,可得到THz光穿过此样品后的光谱(样品信号)。在获取参考信号时域波形和样品信号时域波形之后,需要对数据进行进一步处理才能得到样品的特征信息。

样品光学参数的提取采用Duvillaret等^[12]提出的方法,样品信号(放置样品)均是每个样品测量20次后取平均的结果。

图 1. 太赫兹时域光谱系统

Fig. 1. Terahertz time-domain spectroscopy system

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对时域信号作傅里叶变换可以得到对应的频域信号。傅里叶变换为

E(w)=A(w)exp[-iφ(w)]=∫E(t)exp(-iwt)dt,(1)

式中:E(w)为频域内的电场;E(t)为时域内的电场;A(w)为频域内电场的振幅;φ(w)为频域内电场的相位;t为时间;w为频率。

由(1)式以及测得的参考信号时域谱E_r(t),可以得到参考信号的频域谱E_r(w):

Er(w)=Ar(w)exp[-iφr(w)]=∫Er(t)exp(-iwt)dt,(2)

式中:A_r(w)为参考信号的振幅;φ_r(w)为参考信号的相位。

同样,可以根据样品信号的时域谱E_s(t),得到样品信号的频域谱E_s(w):

Es(w)=As(w)exp[-iφs(w)]=∫Es(t)exp(-iwt)dt,(3)

式中:A_s(w)为样品信号的振幅;φ_s(w)为样品信号的相位。

根据(2)式和(3)式可以得到样品的光谱响应函数H(w):

H(w)=EswErw=α(w)exp[-iφ(w)],(4)α(w)=AswArw,(5)φ(w)=φs(w)-φr(w),(6)

式中:α(w)是样品信号和参考信号的振幅比;φ(w)是样品信号和参考信号的相位差。

3.2 实验结果与讨论

3.2.1 青霉素钠

青霉素钠药品压片的测量结果如图2所示。从图2(a)可以看出,样品信号的时域谱相对于参考信号在强度上出现了一定程度的衰减,这是样品自身的表面反射、色散和对太赫兹光的吸收造成的。同时,样品信号相较于参考信号出现了一定的时间延迟,这是由于样品的折射率大于空气的折射率,且样品存在一定的厚度^[13]。从图2(b)可以看到,空气中的水蒸气在0.56,0.76,0.99 THz等频段有明显的吸收峰^[14],这与文献[ 14]中的报道是一致的。由图2(c)可以看出,青霉素钠在0.84 THz处的吸收峰最强。

在相同质量下对同一厂家药品的5个压片进行了测量,每个压片测量10次。如图3(a)所示,提取单个压片10次测量结果在0.84 THz吸收峰处对应的强度,并对10个强度值进行处理,得到了单个压片强度值的平均值和标准差。

将5个压片均按照此种方法进行处理,每个压片的强度标准差均反映了系统稳定性对测量结果的影响;每个压片的强度均值反映了由实验操作及系统稳定性引入的质量差异。

如图3(b)所示,将5个样品的平均吸收峰强度值与质量的关系进行单点连线并进行拟合,拟合因子R²=0.98,可看出在如此小的质量变化范围内,强度和质量仍然呈线性关系。

图 2. 青霉素钠药品的测量结果。 (a)时域光谱;(b)频谱;(c)吸收谱

Fig. 2. Measurement results of penicillin sodium tablets. (a) Time domain spectra; (b) frequency spectra; (c) absorption spectra

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图 3. 5个青霉素钠样品的测量结果。(a)吸收峰强度值和标准差;(b)吸收峰强度和质量的关系

Fig. 3. Measurement results of five penicillin sodium samples. (a) Absorption peak intensity and standard deviation; (b) relationship between absorption peak intensity and mass

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最后,对5个压片的质量取均值,得到该样品平均质量为203.4 mg。5个压片的质量标准差与它们的平均质量的比值称为系统的精度。经计算,青霉素钠的精度为0.67%。

3.2.2 阿莫西林

采用同样的操作方法对三个不同厂家相同质量的阿莫西林进行了测试。首先,得到了阿莫西林在0.2~1.4 THz处的吸收谱。其次,由于不同厂家药物含量不同,得到了不同含量的纯阿莫西林对应的强度值。结果如图4~6所示。

从图4(a)、5(a)、6(a)可以看出,阿莫西林在0.94 THz和1.14 THz处有明显的吸收峰,且5个压片的重复结果均很好。对5个压片的吸收峰强度进行了误差棒分析,结果如图4(b)、5(b)、6 (b)所示。经计算,金石宁牌阿莫西林的质量测量均值为197.3 mg,精度为0.54%;仁和牌阿莫西林的质量测量均值为196.7 mg,精度为1.75%;修正牌阿莫西林的质量测量均值为197.3 mg,精度为0.99%。结果表明,实验操作和系统的稳定性会影响最终的强度测量值,但这些误差均在可接受范围之内。

图 4. 金石宁牌阿莫西林药品的测量结果。 (a)吸收谱;(b)吸收峰强度值和标准差;(c)吸收峰强度和质量的关系

Fig. 4. Measurement results of Jin Shining brand amoxicillin drugs. (a) Absorption spectra; (b) absorption peak intensity and standard deviation; (c) relationship between absorption peak intensity and mass

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图 5. 仁和牌阿莫西林药品的测量结果。(a)吸收谱;(b)吸收峰强度值和标准差;(c)吸收峰强度和质量的关系

Fig. 5. Measurement results of Ren He brand amoxicillin drugs. (a) Absorption spectra; (b) absorption peak intensity and standard deviation; (c) relationship between absorption peak intensity and mass

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图 6. 修正牌阿莫西林药品的测量结果。(a)吸收谱;(b)吸收峰强度值和标准差;(c)吸收峰强度和质量的关系

Fig. 6. Measurement results of Xiu Zheng brand amoxicillin drugs. (a) Absorption spectra; (b) absorption peak intensity and standard deviation; (c) relationship between absorption peak intensity and mass

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如图4(c)、5(c)、6(c)所示,可看出强度随着质量的增加而增加,且二者呈近似正比线性关系。

对比阿莫西林三种药品的吸收谱,结果如图7所示。每种药品的吸收峰强度最大值与基线的强度之差为相对强度。结果表明,质量分数为42.54%的修正牌阿莫西林胶囊吸收峰的相对强度最弱;质量分数为86.13%的金石宁胶囊和质量分数为86.59%的仁和牌阿莫西林胶囊的吸收峰的相对强度相当。由于三个厂家的药品掺杂了不同的其他药物成分,因此在整体的强度分布上,修正牌比其他两家的药品强度高。同时获得了三个厂家的药物在含量和强度上的对应关系,这对药品的质量检测分析有着至关重要的参考价值。

图 7. 三种阿莫西林样品的吸收谱

Fig. 7. Absorption spectra of three amoxicillin samples

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3.2.3 两种物质的理论解释

运用Gaussian 09软件,基于密度泛函理论,不考虑多分子间的相互作用、环境影响和溶剂效应,对青霉素钠和阿莫西林分子进行了几何构型优化和频率分析(假定为理想模型)。结合频率分析结果,运用Multiwfn^[15]绘制两个分子在0.2~1.4 THz处的光谱,结果如图8所示。特征峰均对应分子骨架的弯曲和扭转振动模式。其中,青霉素钠在0.842 THz处的吸收峰与实验测得的0.84 THz有很好的对应,阿莫西林在0.78 THz和1.17 THz处的吸收峰与实验结果中的0.94 THz和1.14 THz略有差异,这可能是由于模拟方法引入的误差,但也存在对应的关系。

图 8. 青霉素钠和阿莫西林的二维结构及分子计算结果。(a)青霉素钠的二维化学结构;(b)阿莫西林的二维化学结构;(c)青霉素钠的理论计算结果;(d)阿莫西林的理论计算结果

Fig. 8. Two-dimensional structures and molecular calculation results of penicillin sodium and amoxicillin. (a) Two-dimensional chemical structure of penicillin sodium; (b) two-dimensional chemical structure of amoxicillin; (c) theoretical calculation result of penicillin sodium; (d) theoretical calculation result of amoxicillin

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4 结论

利用实验室搭建的太赫兹时域光谱系统,测量了纯青霉素钠和三种不同厂家的阿莫西林胶囊的太赫兹光谱。结果表明:在实验室常温条件下,两种药品仍有较明显的吸收峰,这为两种药物的检测提供了一种新方法,对打击假冒伪劣药品具有重要的意义。其次,不同含量的阿莫西林对应的吸收峰强度值存在明显的差异,且含量越高对应的强度值越大。另外,对每种样品的系统精度进行了分析计算。最后,对物质的分子结构进行了理论计算,结果很好地解释了实验中出现的现象。综上所述,太赫兹波对青霉素类药品的质量检测有重要的作用。