黄酮类药物的太赫兹光谱研究

中央民族大学本科生毕业论文(设计)中药提取物中黄酮类药物分子的太赫兹光谱研究 年 级： 09级 院 系： 理学院 专 业： 应用物理 2013年5月7日II中药提取物中黄酮类药物分子的太赫兹光谱研究The terahertz spectroscopy studies of flavonoids in the extract of Chinese medicine drug molecules摘 要太赫兹( THz) 技术及其应用研究近些年发展迅速，许多研究表明该技术在国防安全、信息通信、材料、环境、化学和生物医学等领域有巨大的应用前景。本文利用自行搭建的太赫兹时域光谱系统对染料木素、染料木苷、芹菜素、天麻素进行了测试。测试结果表明，四种样品在太赫兹波段显示出了明显的特征吸收，且不同的药品在吸收峰位置以及强度等方面均有所差别。研究结果证实了太赫兹光谱技术在药品的质量监控及无损检测等方面具有广阔的应用前景。关键词： 太赫兹( THz) ；太赫兹光谱；太赫兹成像；黄酮类药物AbstractTerahertz ( THz) technology and its applications are now advancing rapidly. This has resulted in a number of promising applications in the fields of homeland security，information and communications，condensed mater physics，global environmental monitoring，nondestructive evaluation，physical and analytical chemistry，biology and medical sciences and many others. Artemether、Genistin、Apigenin and Gastrodin were studied by a terahertz time-domain spectroscopy system built by the authorsAll four amoxicillin samples here presented obvious characteristic absorptionsThe positions and the amplitudes of the absorption peaks of four samples were different to one another to some extentThe experiment results confirmed the application prospects of medicines by the terahertz time-domain spectroscopy techniqueKey Words: terahertz (THz) ; terahertz spectroscopy; terahertz imaging; Flavonoids drugs 目录一、前言1（一）太赫兹光谱简介1（二）药品简介21、黄酮类药物22、异黄酮类药物2二、THz-TDS 技术3（一）异构体的THz-TDS 研究3（二）多晶型的THz-TDS 研究4（三）药物相互作用、反应机理5三、实验6（一）样品的制备6（二）实验装置6（三）数据处理8四、结果与讨论8（一）染料木素（Genistein）8（二）染料木苷（Genistin）9（三）芹菜素（Apigenin）10（四）天麻素（Gastrodin）11五、综述12参考文献14附录16致谢28一、前言（一）太赫兹光谱简介太赫兹(Terahertz，THz)辐射是指一个特定波段的电磁辐射，在电磁波谱上位于微波和红外辐射之间。在电子学领域，这一频段的电磁波被称作毫米波或亚毫米波；在光谱学领域，它也被称为远红外射线。通常所指的THz辐射其频率范围为0.1THz-10 THz(对应波长3 mm30m)1。由于THz 波的透视性、安全性以及具有光谱分辨等特点，人们对该波段产生了浓厚的兴趣。近年来，在THz 辐射光源和探测器方面取得的进步,极大地促进了THz 技术的应用研究2。THz 时域光谱( terahertz time-domainspectroscopy，THz-TDS) 和THz 成像是该技术在实际应用中的重要方法和手段。THz-TDS 技术是利用飞秒激光脉冲产生并探测时间分辨的THz 电场，通过傅里叶变换获得被测物品的光谱信息。由于THz辐射的功率在W量级，比热背景辐射的功率还要小，样品中的热应变可以忽略。THz 光谱技术主要有透射、镜面反射光谱、漫反射光谱、衰减全反射光谱和光抽运THz 技术等。THz 成像技术是利用THz射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像。利用所获得的THz 电磁波强度和相位的二维信息，THz 成像技术不仅可以得到样品的表面特征，而且可以对样品的内部结构、物质组成和其空间分布进行探测，实现功能性成像3。太赫兹( THz) 技术及其应用研究近些年发展迅速，许多研究表明该技术在国防安全、信息通信、材料、环境、化学和生物医学等领域有巨大的应用前景。普通红外光谱技术（通常指中红外和近红外）可以用来确定化合物分子所含的官能团，或者根据其指纹特征对未知物样品进行鉴定，且具有快速、简便、灵敏、样品用量少等优点，已成为分析和表征化合物常用的手段。但是，对于分子结构相似的化合物，由于基团共振在红外波段引起的吸收峰位几乎相同，因此在对其构效关系鉴别和药理分析等方面产生了一定的困难。太赫兹光谱不但具有单纯化合物的高度专属性和特异性，又具有混合体系的“宏观指纹特征”，可以鉴别混合物化学成分的多样性和复杂性，且具有安全、快速、灵敏、重现性好、样品用量少等优点4。THz 技术在生物医药领域的应用受到越来越多的关注。近年来，THz-TDS 技术和THz 成像技术在药物成分的探测、异构体的区分、药物的多晶型和假多晶型的鉴别以及混合物的定性与定量分析等方面取得了诸多研究成果和进展。在药物相互作用和反应机理和反应动力学研究等方面也取得了令人瞩目的成果。（二）药品简介1、黄酮类药物黄酮类化合物（flavonoids）是一类存在于自然界的具有2-苯基色原酮（flavone）结构的化合物（见图1）。它们分子中有一个酮式羰基，第一位上的氧原子具碱性，能与强酸成盐，其羟基衍生物多具黄色，故又称黄碱素或黄酮。黄酮类化合物在植物体中通常与糖结合成苷类，小部分以游离态（苷元）的形式存在5。黄酮属于酚类化合物，植物中的黄酮大体上可分为“黄酮类”与“黄烷酮类”两大类物质。已知化学结构的黄酮类物质至少有4000余种，其中包括人们熟知的茶多酚（儿茶素）、大豆异黄酮（染料木素与黄豆甙）和来自柑橘的橙皮甙与柚甙等。黄酮具有多种药理作用，其中包括：抗氧化作用、消炎作用、抗癌和抗基因诱变作用。大多数黄酮类物质的化学结构属于“二丙基丙酸类”，系由植物自身所合成的。随着研究的深入，科学家逐渐认识到：蔬菜、水果中的植物黄酮对人体健康有无可替代的重要作用。例如蔬菜中的“芹菜配质”可抑制致癌物质引起的细胞癌变；大豆中的“染料木素”可大大降低乳癌、前列腺癌的发病率；来自茶叶的“茶多酚”已被证实具有防止多种肿瘤（如结直肠癌、胃癌、食管癌、肺癌、乳癌、皮肤癌等）的功效6。图1 黄酮类化合物基本分子结构2、异黄酮类药物异黄酮，是植物苯丙氨酸代谢过程中，由肉桂酰辅酶A侧链延长后环化形成以苯色酮环为基础的酚类化合物，其3-苯基衍生物即为异黄酮，属植物次生代谢产物。类黄酮属，是一种芳香族含氧杂环化合物，黄酮的异构体。精制的异黄酮呈片状或针状结晶。一般无色，但随着羟基的增加，可呈黄至深黄色。为广泛分布于高等植物的色素。有些异黄酮是植保素，有些可用于心血管病的治疗7。图2 异黄酮类化合物分子结构图二、THz-TDS 技术药物活性成分( APIs) 的分析检测是药物化学领域的一个重要方面。固态APIs 常常存在着两种或两种以上的晶型，而不同晶型的物理化学性质、生产工艺和临床疗效往往是不同的8。在药品生产和储藏过程中APIs 还可能与溶剂或药用辅料发生作用，其存在形式可能发生改变1。因此，APIs 这些存在形式的定性定量分析及其转变过程的研究在药物生产、医学以及商标保护等方面具有很重要的现实意义。目前，常见的固态分析技术主要有X 射线衍射法、红外光谱法、拉曼光谱法、固态核磁共振法( ssNMR) 等。与这些技术相比，THz-TDS 技术有着其自身的特点，是它们在药学领域应用的重要补充。THz-TDS 化合物晶型具有高的灵敏度，能够体现晶体中的声子振动模式，有效地反映晶体的长程有序结构信息。与X 射线粉末衍射( XPRD) 相比，THz-TDS 有择优取向的问题。与红外光谱和拉曼光谱不同，THz-TDS 主要反映分子整体低频振动、晶体的声子振动及氢键等分子间的弱相互作用。与激光拉曼光谱的激发能相对较高对比，THz 辐射能量很低，不会导致光化学反应，避免了因内部热应力造成样品晶型转变的可能。与ssNMR 相比，THz-TDS 对样品需求量小，测量简单快速，可以实现药物的高通量检测分析。此外，测量可以同时获得THz 脉冲的振幅和相位信息，加上药物的辅料在THz 波段通常几乎是透明的，这使得药品内部的物理化学信息的无损检测成为可能。（一）异构体的THz-TDS 研究THz-TDS 能够有效地分辨药物的同分异构体，并表现出一定的特征指纹吸收9,10。Walther 等11首次利用太赫兹时域光谱技术在298K 和10K 对视黄醛三种顺反异构体进行了研究，发现视黄醛分子在不同构型下的THz 吸收谱有明显的差异。这些差异是由于视黄醛异构体分子的集体扭转振动模式的不同而造成的。通过对分子扭转振动模式进行洛伦兹振子拟合和定位，获得了中心频率、线宽和振子强度等信息。通常，晶体材料在THz 频段的响应，主要来自于各种声子振动，其响应强度由晶胞里原子的极化分布、分子间的结合方式和晶体结构决定 12,13。手性是化学不对称合成及药学领域的一个研究热点。手性药物可能会有不同的治疗效果，即表现出某些药物只有一种异构体有生物活性，而另一种则可能无效甚至有毒性。因此，识别药物的光学异构体至关重要。Upadhya 等14研究了D-，L-葡萄糖的THz 光谱，得到了不同的特征吸收，其差别源于分子间振动模式的不同，有可能涉及糖环分子的变形及分子间的相互作用。马金龙等15利用THz-TDS 技术获得了D-，L-，DL-奥硝唑随温度变化的THz 特征吸收谱，发现光学异构体和其消旋体的差异在低温下变得更加明显。作者采用量子化学计算的方法，从理论上对其特征吸收信号进行了分析和指认。根据实验结果和理论计算，奥硝唑及其消旋体的光谱差异是由于消旋体中存在分子间氢键相互作用，其低频振动导致THz 吸收光谱发生较大变化。Nishikiori 等16利用L-酒石酸和DL-酒石酸的THz 光谱差异和化学计量学手段偏最小二乘法( PLS) 对混合物中的L-酒石酸进行了有效的定量分析。其他关于光学异构体的THz 光谱研究有:D-，L-，DL-丙氨酸17，D-，DL-丝氨酸18以及D-，L-，DL-青霉胺19等。研究结果表明THz-TDS 技术对手性物质光学纯度具有较好的敏感性，能够在手性药物检测和分析中发挥作用，同时，还可能为深入了解手性药物与生物靶分子之间相互作用提供帮助和借鉴。（二）多晶型的THz-TDS 研究药物的多晶型现象较为普遍。晶型不同，它们的物理性质，如密度、熔点、溶解度和溶出速率、生物利用度等方面均有显著的差异。药物多晶型的研究已经成为新药开发和审批、药物的生产和质量控制所不可缺少的重要组成部分。Taday 等20研究了两种不同晶型盐酸雷尼替丁纯品的THz 光谱，发现两者有显著差异。两种晶型的分子结构虽相同，但分子间的相互作用导致了晶体内部的局部环境不同，从而使THz 吸收峰的强度和位置发生变化。利用这一特点能够对不同制药公司的产品进行有效的区分。研究表明THz 光谱技术能够用作该药物多晶型鉴别的直接证据，并将在药物合成、生产及存储过程中发挥作用。最近，Aaltonen 等21利用近红外光谱、拉曼光谱和THz 光谱联用研究了呋喃妥英的多晶型物，充分展现了THz 光谱技术在多晶型鉴别方面的互补优势。此外，相对于近红外光谱和拉曼光谱，THz 光谱技术还能够有效区分一些结构相似的晶型，比如硫胺噻唑的5 种多晶型22。Strachan 等23,24研究了药物氨甲酰氮草( CBZ)晶型和( 图3) ，苯酯丙脯酸( EM) 晶型和，吲哚美辛( IM) 晶体和无定型，非诺洛芬钙( FC) 晶体和液晶的THz 光谱，并对其进行了定性和定量分析。研究表明，THz 波谱能轻易地区分药物的不同存在形式。从图3 可以看出，CBZ 晶型在23，31，44，52，70cm-1 处有明显的特征吸收峰，而晶型在41，60，68cm-1处有特征吸收。混合物中随着的增加和的减少，的吸收峰强度增大，相应的特征峰强度降低。根据这些特征吸收，作者利用PLS 对CBZ 混合物中晶型进行了定量分析，在010% 含量范围内，交叉验证均方差为0. 349% ，检测限0. 356%1. 23%。这些研究表明该技术在药物成分定量分析中的巨大潜力。图3 CBZ 的晶型和晶型混合物的TPS 图Day 等25利用刚性分子晶格动力学理论对CBZ 晶型和的声子振动模式进行了计算和特征峰的指认，指出虽然两种晶型含有同样的氢键二聚体，但二聚体在和内的堆积排列方式不同，从而导致它们THz 吸收谱的差异。目前，对THz 光谱的解析尚处于起步阶段。随着实验数据的不断积累，理论计算和模型方法的进一步探索和发展，对THz光谱的理解将取得进展，这会加深人们对晶体结构和低频振动机制方面的认识。（三）药物相互作用、反应机理THz-TDS技术的脉冲性、相干性和快速性等优点，十分适合对反应动力学和反应机理进行研究。由于THz光谱能反映晶体中的分子相互作用，并给出和气态分子的转动跃迁信息，这使得观察药物多晶型转变过程、假多晶型转变过程、超分子体系共晶过程以及其他反应过程成为可能。Zeitler 等26,27,28,29,30,31利用THz 光谱技术，在变温条件下研究了磺胺噻唑的多晶型转变过程和CBZ的无定型结晶过程。根据THz 光谱特征峰位和峰强变化，他们直接观测到了CBZ 从玻璃态到橡胶态，到晶型，再到晶型的弛豫过程和相变过程的发生。进一步研究表明，CBZ 晶型到晶型的转变是分两步进行的，晶型升华成气态CBZ，气态CBZ 再凝结生成晶型。晶型的升华活化能为327kJmol-1 ，这与拉曼光谱所得的一致。Zeitler等32和Upadhya等33分别利用THz光谱研究了水合茶碱脱水反应，有效地观察到假多晶型物的转变过程。Al-Douseri等34利用THz光谱技术对咖啡因与戊二酸、奈与苦味酸、2-氨基嘧啶与苯甲酸之间的酸碱反应也分别进行了研究，发现反应物和产物在测量范围内均表现出特征的THz吸收峰。另外，两种药物分子间的相互作用和转换，如烟酸、烟酰胺及烟碱，L-和DL-福多司坦，胆酸和脱氧胆酸等，也可利用THz吸收光谱进行研究。三、实验（一）样品的制备聚乙烯在THz波段几乎完全透明，所以作为稀释支撑材料。将药片颗粒变成粉末，通过混合一定量高密度聚乙烯粉末（PE粉）形成化学制备，把80毫克的这种粉末压缩为一个直径10毫米的样片。样片的厚度分别为0.7mm、0.8mm、0.8mm和0.9mm。为了消除光谱的影响，该实验发生在样片两个表面之间的多次反射，我们从信号多重反射的傅里叶变换之前的时域信号以获得频域谱。这些厚度值，为我们提供了足够的路径长度，来消除光谱中的倍数的影响。由于从窗口会引入错误的数据，在低的频率信息内，我们不使用光谱在0-0.5 THz进一步分析。（二）实验装置自行搭建的时间扫描THz-TDs系统光路结构如图4所示，图5为实验光学系统实物图。飞秒激光振荡器输出激光中心波长800 nm，脉宽35fs，重复频率74MHz。输出功率大于250mW。飞秒激光首先通过1/2波片和偏振棱镜进行光束能量分配。其中反射的一路作为泵浦光，经光学延迟线后直接照射到大孔径GaAs光电导天线上产生THz辐射，利用4块90。离轴抛物面镜收集和准直THz波。最后透射过硅片将其聚焦到(110)ZnTe晶体上。从偏振棱镜透射的一路作为探针。经过聚焦透镜汇聚并经硅片反射后与产生的THz波共线照射到ZnTe晶体上，利用电光采样法对太赫兹波进行探测。1/4波片和沃拉斯顿棱镜将对被THz波凋制的探针光进行偏振分束，以便进行平衡探测。平衡光电探测器输出的电压信号由锁相放大器进行消噪和放大处理，最后用数据采集软件进行采样，再经过适当的数据处理即可获得太赫兹脉冲的时域电场波形。实验中样品位于离轴抛物面镜的焦点上，为便于调节将样品夹具安装在了一个具有升降和平移功能的调节台上。实验室环境温度为25摄氏度，相对湿度为30%。图4实验光学系统图5 实验光学系统实物图（三）数据处理实验数据处理采用文献35提出的太赫兹时域光谱测量材料光学参数提取的模型。令材料复数折射率，其中为实数折射率，为消光系数。设样品信号为Esample(t),参考信号为Eref(t),相应的复数频谱分别为Esample()和Eref()，则样品光谱响应函数H()为：式中： 为样品信号与参数信号振幅比； 为样品信号与参考信号的相位差。由此可得样品折射率为：消光系数为：吸收系数为：其中：c为真空中光速；d为样品厚度。实验测得参考信号和样品信号的时域波形并通过快速傅立叶变换得到其相应的频谱后，利用上式即可得到被测样品的折射率和吸收系数谱。四、结果与讨论（一）染料木素（Genistein）染料木素，4，,5,7-三羟基异黄酮，C15H10O5（见图6），属于异黄酮类药物，淡黄色树枝状针晶粉末。中药提取来源：豆科植物染料木(金雀花) 根茎。具有雌性激素及抗雌激素性质；抗氧化作用；可以抑制酪氨酸蛋白激酶（PTK）的活性；可以抑制拓扑异购酶的活性；具有诱发细胞程序性死亡、提高抗癌药效、抑制血管生成等作用，是一种很有潜力的癌症化学预防剂，其抗癌作用及机制具有广泛的应用前景36。实验得到了染料木素的太赫兹特征吸收光谱（见图7），在图中可以观察到染料木素在1.45、1.69、2.01THz处有明显的吸收峰。图6 染料木素分子结构图7 染料木素的太赫兹光谱图（二）染料木苷（Genistin）染料木苷4,5,7-三羟异黄酮-7-糖苷，分子式C21H20O10，分子结构式见图8。该药品属于Flavonoids黄酮类药物，多来源于豆科植物大豆种子，性状为淡黄色针状晶体，具有一定的抗肿瘤、降低血脂的作用37。实验得到了染料木苷的太赫兹特征吸收光谱（见图9），在图中可以观察到染料木苷在0.82、1.05、1.55THz处有明显的吸收峰，但是并不是非常尖锐，可能造成这种现象的原因有：药品制成样片时，惨杂比例不够高，药品有效成分较少；购买所得药品的提纯不是特别完美，样片中杂质含量较高。图8 染料木苷的分子结构图9 染料木苷的THz吸收图谱（三）芹菜素（Apigenin）芹菜素4,5,7-三羟基黄酮，分子式C15H10O5，分子结构见图10。该药品属于黄酮类药物，具有抑制致癌物质的致癌活性，作为治疗HIV和其它病毒感染的抗病毒药物，MAP激酶的抑制剂，治疗各种炎症抗氧化剂；镇静、安神、降压等作用。与其他黄酮类物质(槲皮素、山奈黄酮)相比具有低毒、无诱变性等特点38。实验得到了芹菜素的太赫兹特征吸收光谱（见图11），在图中可以观察到芹菜素在0.45、0.65、1.49、2.00THz 处有比较明显的吸收峰，但是并不是非常尖锐，可能造成这种现象的原因有：药品制成样片时，惨杂比例不够高，药品有效成分较少；购买所得药品的提纯不是特别完美，样片中杂质含量较高。图10 芹菜素的分子结构图图11 芹菜素的THz吸收光谱（四）天麻素（Gastrodin）天麻素4-羟甲基苯基-beta-D-吡喃葡萄糖甙，分子式C13H18O7，分子结构见图12。呈白色针状结晶或棱柱状从晶。天麻素本品为兰科植物天麻的干燥根块提取，原料产地为云南。天麻素具有较好的镇静和安眠作用，对神经衰弱、失眠、头痛症状有缓解作用。中药天麻可治疗痛眩晕、肢体麻木、惊痛抽搐。临床应用：治疗椎一基底动脉供血不足；治疗前庭神经元炎；治疗眩晕症39。实验得到了天麻素的太赫兹特征吸收光谱（见图13），在图中可以观察到天麻素在在0.55、1.01、1.21、1.61、2.01THz处有明显的吸收峰。图12 天麻素的分子结构图图13 天麻素的THz吸收光谱（五）总结太赫兹吸收峰位置（THz） 芹菜素 0.65 1.49 1.98 染料木苷 0.82 1.05 1.61 2.01 染料木素 1.45 1.69 天麻素 0.55 1.01 1.61 2.01 实验利用自行搭建的太赫兹时域光谱系统对芹菜素、染料木苷、染料木素、天麻素进行了测试。测试结果如上表所示，四种样品在太赫兹波段显示出了明显的特征吸收，且不同的药品在吸收峰位置有所差别。 研究结果证实了太赫兹光谱技术在药品的质量监控及在线检测等方面具有广阔的应用前景。五、综述太赫兹脉冲光谱（TPS）是一种新的技术，其能够调查医药原料时，引出了丰富的信息。在固体探头远距离晶格振动和低能量的扭转和氢接合振动。这些特性使得TPS能够调查潜在的药物结晶性和多态性。在这项研究中药物不同的固态性能进行了分析，使用TPS将药物多态性和结晶水平量化。在一定程度的多态性与变化在药物的结晶度可能具有理化差异的影响在治疗中，制造业，商业，和法律的水平。虽然X-射线衍射是最常用的技术，用于识别和表征多晶型，振动光谱分析已成为越来越受欢迎作为一个免费的技术来监测结晶度和多态性，由于它的速度，最小的样品制备，和适应性在线使用。振动光谱已被使用广泛的监测的结晶度的差异由于分振动模式的改变轻微的分子包装的变化。红外（IR）光谱，最常见的配置漫反射傅里叶变换红外光谱（漂移）和衰减全反射（ATR），已被广泛用于监测量化的多态性和结晶度。此外，拉曼光谱和近红外（NIR）光谱已被用于同样的目的。光谱定量技术的能力多态性和结晶度提高了与多元的技术分析的光谱的应用大大。多元校准的方法，如主成分回归（PCR）和偏最小二乘分析（PLS）显示在经典的几个优点单因素分析。这些包括能力同时多组分分析在不同的峰归因于缺乏单一成分的复杂系统，量化即使大多数的成分是未知的，改进的检测和干扰能力。近年来，THz 光谱和THz 成像技术在药物化学领域的应用受到越来越多的关注，研究也在逐步深入。已从最初的单一纯样品的光谱分析到混合物及药物成品的定量分析和光谱成像;从静态分析到动态的反应机理和动力学研究;从最初的探索性研究，到逐渐成为一种重要的药物分析检测手段和生产过程分析技术( PAT)。然而，作为一种新型的分析技术，还存在一些问题和制约因素。由于水对THz 辐射的强烈吸收，该技术在水溶液体系药物分析方面的应用受到限制。对于THz 光谱解析和理论解释仍处于起步探索阶段，这有待于相关理论模型的建立和模拟计算的进一步发展。大量化合物光谱数据的积累和化学计量学理论的进步将有助于实现对复杂混合体系的THz 光谱定量。对于THz 成像，分辨率和成像速率的提高也是该技术应用于实践亟待解决的问题。此外，现有的THz 辐射产生和检测装置结构复杂、体积较大并且价格昂贵。因此，装置的小型化和低成本化也有待解决。虽然，目前THz 技术还面临很多制约和挑战，但随着THz 发射源和探测技术的逐步发展以及相关理论模型的建立，THz 技术在制药领域的应用将越来越广泛和深入。参考文献1 Taday P F. 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Material parameter estimation with terahertz time-domain spectroscopyJ.Journal of the Optical Society of America A，2001，1 8(7):1562157I36 ,2013.5.8 10:0037 13:5238 14:1039 15:00附录文献翻译太赫兹时域光谱对食品添加剂中氨基酸的定量分析（2010年12月17日收到；2011年2月23日接受；2011年4月10日出版）我们利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）进行分析只有12%的误差，成功地分析了商业中食品添加剂里的五个氨基酸的浓度。我们也成功地对包装里的样片进行分析，通过太赫兹波对包装材料的几种类型的测定，从而表明一个事实：太赫兹波优点是可用于包装样品的无损定量分析。太赫兹波的这一特点实现了：使用同一标准光谱用于无包装样品进行定量分析和对有包装的样品直接定量分析的准确度相当，并且几乎相同。 一、引言太赫兹时域光谱（THz TDS）是一种很有前途的工具，是物理表征特殊的远红外和化学的振动模式，如旋转、扭转、声子、分子间和分子内的模式。在0.33赫兹（10100厘米1）的范围内，这些模型对应于有吸收性的远红外区的下端。太赫兹波的特性是能够通过各种各样的材料，从而使我们能够透过许多包装材料，包括纸张、塑料、皮革和木材。此属性允许这样的无损检测项目可以用于邮局中信封里的药物检测。高透明度适用于几个分子，形成一些分子内的模式，如氢键。因此，就可以达到一定的选择性检测来确定混合样品中的分子，形成强有力的样品中混有杂质的分子内的模式。此外，太赫兹波的几乎没有损坏材料，所以他们可以用来检测生物样品和医药材料表征。因此，太赫兹技术正吸引着越来越多的关注，不仅在基础研究，同时在各种领域的应用都得到关注。最近，在太赫兹有特征吸收的化学物质区域，如氨基酸，利用太赫兹已证明定量分析的有效性。然而，在实际的食品或药物氨基酸分析方面尚未测试。在本文中，我们描述了在实际的饮食里利用太赫兹针对五种氨基酸的定量分析。添加剂氨基酸含有其他成分，如糖和维生素，因此使用太赫兹时域光谱进行一个选择性检测要有合适的氨基酸样本。我们还分析了市售的包装好的食品添加剂氨基酸样片。在论文中，比较直接地准确地定量分析了包装的样品和无包装的样品。由于太赫兹波的特点之一是能够透过常用的包装材料，如纸塑料，可以提供包装样品的准确的无损定量分析。因此和拉曼光谱比较，利用太赫兹对包装样品的直接定量分析的优点突显出来。二、实验1、样品的制备从两个不同的制造商购买日常的氨基酸添加剂。这两种不同的样品在这里被表示为添加剂A和B。样品中氨基酸和其他成分的浓度根据营养事实表计算（见表1）。添加剂颗粒变成粉末，和80毫克的这种粉末压缩为一个直径10毫米的样片。A和B样片的厚度分别为0.7毫米和0.8毫米。为了消除光谱的影响，该实验发生在样片两个表面之间的多次反射，我们从信号多重反射的傅里叶变换之前的时域信号以获得频域谱。这些厚度值，为我们提供了足够的路径长度，来消除光谱中的倍数的影响。由于从窗口会引入错误的数据，在低的频率信息内，我们不使用光谱在0-0.5 THz进一步分析。每个药片中所包含的氨基酸的含量也可测量出来。所制备的样品用包裹的包装片的无损检测见表1。浓度/%补充剂A补充剂B氨基酸精氨酸17.37.5谷氨酸18.07.5异亮氨酸12.310.0亮氨酸15.315.0缬氨酸10.310.0其他成分麦芽糖醇无无柠檬酸无无糖无无天然香料无无维生素C0.631.25烟酸0.130.21泛酸0.080.06维生素B60.010.02维生素B20.010.02维生素B10.010.01维生素A0.010.01维生素D0.010.01维生素E0.540.13表1 补充氨基酸A和B的浓度和其他成分的浓度（称量纸约30m厚）。得到标准的太赫兹光谱，即在一定波段的摩尔吸光系数，主要组分的标准片（精氨酸（L-Arg）、谷氨酰胺（L-Gln）、异亮氨酸（L-Ile）、亮氨酸（L-Leu）、缬氨酸（L-Val）、麦芽糖醇和柠檬酸）通过混合一定量在高密度聚乙烯粉末（PE粉）形成各化学制备。2、测量我们测量了太赫兹光谱结合近红外脉冲激光产生的10 fs的持续时间和800 nm波长的光脉冲，重复频率为80兆赫。我们使用了一个50-v低温生长砷化镓（LT-GaAs），光电导天线都生成太赫兹脉冲进行检测。其他光学系统详细描述了在其他地方的特征，样品片连接在支架后部中心（直径7毫米）使太赫兹光束通过它。通过探测器收集样本数据，参考数据包括太赫兹通过在一个没有相同口径脉冲片。32累计数是用于两个样品和提高S / N测量，参考时间是在5分钟之内，光谱分辨率为0.96厘米1。所有的测量均在室温下50 Pa，并且避免水蒸气吸收。我们测量拉曼光谱的近红外拉曼探针系统（纤维反射），励磁光源的激光二极管发出785 nm线激光连续波，约30兆瓦的近红外激光的光是集中在物镜与样品之间（50，Na0.55），这是在样品的激光功率为约3毫瓦的所有测量。激光聚焦在一片添加剂中氨基酸或氨基酸粉的样片上。光斑大小对样品的直径约为1m，并且震源深度小于 10m，散射光通过1800后呈几何形状散射，并在光多色仪为1200线/毫米进行收集。拉曼光谱测量的曝光时间为10到30秒，光谱分辨率小于2 cm1。并且我们进行所有的测量都在室温下进行。3.定量分析获得的主要成分（精氨酸、谷氨酰胺、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸根、麦芽糖醇和柠檬酸）的标准光谱之前，我们通过使用下列各标准片成分方程计算出浓度： C=Ww(w+wpe)MV , (1)V = r2d , (2)其中，C、W、w、wpe、M、d和r分别指浓度、样片重量、混合氨基酸粉的重量、混合聚乙烯粉末的重量、氨基酸分子量、样片的厚度和半径。一个样品的吸收光谱，A（v）计算使用：Av=-lnEsumv/Eref(v)2 (3)通过傅立叶变换的时域信号，我们得到的的振幅谱Esam(v)和Eref(v) 为例，厚度d分别放置在光束和一个参考系中，我们删除在傅里叶变换中多重反射的信号。从窗口数据获得低的频率引入错误的信息，我们不能使用0到0.5 THz光谱的进一步分析。我们以前的研究14表明一个A（v）造成样品吸收的浓度成正比，所以A（v）可以用Beer定律来表达， Av=vCd (4)其中，v是摩尔吸收系数。因此，我们通过v的几种不同浓度标准曲计算v的平均值的标准化。该v样片获得标准谱。我们使用标准光谱集（精氨酸、谷氨酰胺、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、麦芽糖醇和柠檬酸）为进一步定量分析。我们可以通过使用标准的谱集计算出任何混合物质（精氨酸、谷氨酰胺、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、麦芽糖醇和柠檬酸）的频谱（尺度（），Scalcv=kL-ArgvL-Arg+kL-GluvL-Glu+ (5)+kcitric acidcitric acidv其中，kl-Arg, kl-Glu, kl-Ile, kl-leu, kl-Val, kmaltitol, and kcitric acid为精氨酸、谷氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、麦芽糖醇和柠檬酸成分的系数。得到的系数对应的氨基酸，就是加入添加剂A和B的最确切的比例，使我们计算和实验光谱之间的误差最小化。三、结果与讨论1、添加剂A，无包装图1 展开补充剂的THz光谱（a）和包裹在一个包裹纸里的样片（B），实验（粗实线）和计算（加粗虚线）谱进行了比较，光谱的成分叠加显示各自贡献的计算光谱。表2添加剂A在0.5到3 THz清楚地观察到几个特征峰。虚线显示计算谱加入标准得到的光谱进行缩放，以计算出五种氨基酸和麦芽糖醇的浓度。光谱的氨基酸成分和麦芽糖醇覆盖显示他们对计算得到的光谱影响。实验谱的计算如图3（a）和表2总结了五个氨基酸的营养浓度表所示添加剂回收率的计算结果（计算浓度超过给定的营养浓度事实表）。估计误差定义为（回收率1）100，在12%范围内为三种成分（L-精氨酸，谷氨酰胺，和异亮氨酸根）。对亮氨酸和缬氨酸的估计误差分别为59和29%。根据预测的浓度，结果为亮氨酸。因此，尽管使用一个粗略的分析，没有以微量成分分析，如维生素，我们利用太赫兹TDS成功地分析了实际的补充成分。2、添加剂B，无包裹图2中的实线（一）显示添加剂B的太赫兹吸收谱在0.5至3 THz。清楚地观察到几个特征峰，和光谱形状是不同的，补充的虚线显示计算谱加入标准得到了光谱进行缩放，以计算出的比例五个氨基酸组成，麦芽糖醇和柠檬酸的浓度。表明了用补充B营养事实，但柠檬酸的百分比、L-亮氨酸和缬氨酸的浓度没有说明。我们分析了柠檬酸的光谱。光谱的五个氨基酸组成，麦芽糖醇和柠檬酸覆盖显示他们对计算得到的光谱作用。实验光谱很好地再现了计算出的频谱。图3（b）和表2总结了这五个氨基酸的营养浓度和补充的计算结果。图2 展开添加剂B样片和太赫兹光谱包裹在包裹纸里的样片（B）。实验（粗实线）和计算（加粗虚线）谱进行了比较。光谱的成分叠加显示各自贡献的计算光谱。图3五种氨基酸浓度比较，由一个营养事实表（黑色）提供，计算结果展开（灰色），包裹（斜纹）维生素A和B的样品回收率表明，异亮氨酸根和缬氨酸估计误差均在10%，谷氨酸和亮氨酸估计误差分别为+37和-56%。估计误差和精氨酸误差很大为160%。由于氨基酸添加剂B浓度小于添加剂A，补充其他成分的浓度B是大于A，误差较大的氨基酸的定量分析B。结果表明， THz光谱检测目前约有百分之几的误差，大约0.01到0.1米/平方毫米；分子尺寸大约是102，和定量分析的准确性比较，也有百分之几的误差。这意味着，跟其他光谱检测方法比较，太赫兹光谱是无法跟踪分析，在检测范围并没有什么优势。然而，在光学设计的进步，更明亮的光源和更敏感的检测器，可以提高检测极限，从而使THz光谱成为更强大的分析工具。3、添加剂A，有包裹我们还测量了有包裹的添加剂A和B的样品，通过称量纸之间的片（3M厚）作为无损检测的一个包装样片。图1中的实线（B）表明，太赫兹有包裹的添加剂样片在0.5- 3 THz。我们发现虽然在总体频率的吸光度略有增加（光谱的吸收强度比打开样本增加0.11 1.7赫兹），但是包装纸在光谱的影响下形状的变化很小。因此，噪声在以上2.5 THz频率。本文通过太赫兹波的特性，我们可以执行通过使用相同的标准谱图的定量分析用于打开样品。虚线显示计算出的频谱通过添加标准光谱，这是用以计算出的浓度比例五种氨基酸和麦芽糖醇。我们没有使用嘈杂区域的上方 2.5 THz的计算。实验谱的计算谱再现回收率（表2表明），估计误差在33%为L-精氨酸、谷氨酰胺和异亮氨酸根。对L-亮氨酸和缬氨酸，估计误差为50-83%，异亮氨酸根的估计误差和缬氨酸的估计误差可以混淆这两个同时发生的组件，具有相似的太赫兹吸收谱。使用一个打开的样品或改变更宽的光谱区域测量温度在看谱的差异的形状，将有助于避免混淆，让我们提高精度。（图4）无包裹的样品添加剂A和B的五种氨基酸拉曼分析4、添加剂B，有包裹图2中的实线（B）表明有包裹的添加剂B的样片在0.5-3 THz的THz光谱。再次，我们发现包装纸上的光谱形状的影响是非常小的，峰的位置和光谱的形状没有改变。由于小的整体频率吸收，噪声是足够小，以允许我们观察到类似的样本区域，我们使用2.7 THz的包裹和打开的样品。虚线显示计算通过添加标准光谱得到的谱，这是缩放到五计算出的浓度比例氨基酸，麦芽糖醇和柠檬酸。实验谱的计算谱再现。回收率表明，估计误差40，+ 28，+ 17的 L-谷氨酸，异亮氨酸根和缬氨酸，对应的L-精氨酸和L-亮氨酸的估计误差分别为165%和156%。尽管L-亮氨酸的结果中的显着的变化，估计误差的程度是由小的改变包装。值得注意的是，太赫兹TDS可以实现几乎同等精度的定量分析为包装和打开的样品。添加剂A添加剂B精氨酸谷氨酸亮氨酸缬氨酸异亮氨酸4044184584564554584804894905395415445385345425