趙容嬌 何金龍 李 璟 郭昌盛 杜 勇 洪 治

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院太赫茲技術(shù)與應(yīng)用研究所,杭州310018)

L-和DL-福多司坦的太赫茲光譜分析

趙容嬌 何金龍 李 璟*郭昌盛 杜 勇 洪 治

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院太赫茲技術(shù)與應(yīng)用研究所,杭州310018)

利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(THz-TDS)在室溫下對(duì)L-福多司坦和DL-福多司坦進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)L-和DL-福多司坦在THz波段都有特征吸收峰,且兩者的吸收譜有明顯差異.運(yùn)用密度泛函理論的B3LYP方法計(jì)算了L-和DL-福多司坦在太赫茲波段的吸收譜,并對(duì)L-和DL-福多司坦的特征吸收峰進(jìn)行了指認(rèn),理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合.此外,還對(duì)福多司坦膠囊成品藥進(jìn)行了測(cè)量,發(fā)現(xiàn)該膠囊的吸收譜與L-福多司坦非常吻合,證明膠囊藥的主要成分為L(zhǎng)-福多司坦.這項(xiàng)研究對(duì)手性物質(zhì)的檢測(cè)以及化合物有效成分的鑒別有一定的參考作用.

L-、DL-福多司坦;太赫茲光譜;密度泛函理論;振動(dòng)模式

1 引言

太赫茲(terahertz,THz)是對(duì)頻率在0.1-10 THz (1 THz=1012Hz)區(qū)間的電磁波的總稱,1其光子能量與大部分有機(jī)分子及分子團(tuán)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間躍遷的能量大致相當(dāng),因此物質(zhì)的THz譜包含豐富的物理和化學(xué)信息.2近年來,它被廣泛應(yīng)用于化學(xué)和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域.3德國(guó)科學(xué)家Walther等4首次利用太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)技術(shù)研究了視黃醛分子不同異構(gòu)體9-順式視黃醛、13-順式視黃醛和全反-視黃醛的THz吸收譜,發(fā)現(xiàn)這些異構(gòu)體的吸收譜都有著顯著差異,這是由于THz-TDS技術(shù)可測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)存在的微小差異,且對(duì)其變化非常靈敏.5-7因此,利用THz譜可以區(qū)分一些紅外譜難以區(qū)分的手性藥物.目前已經(jīng)有研究開始關(guān)注利用THz技術(shù)分析手性物質(zhì)和其消旋體.8-10

手性藥物對(duì)映體常具有不同的藥理活性和毒性,在體內(nèi)的代謝作用也往往不同.11當(dāng)前藥物研究的發(fā)展趨勢(shì)是追求療效高、毒副作用小、用藥量少,所以一般要求手性藥物以光學(xué)純的單一異構(gòu)體形式應(yīng)用于臨床.手性藥物的檢查逐漸成為藥學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn).新一代祛痰藥福多司坦正是一種手性藥物,其分子結(jié)構(gòu)中有一個(gè)手性中心,存在一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體,具有藥理活性的是左旋體福多司坦(L-Fudosteine,S-(3-羥丙基)-半胱氨酸)),而右旋體D-Fudosteine無生物活性,消旋體DL-Fudosteine是L-和D-福多司坦兩種對(duì)映體以等量的形式共存于晶格中.福多司坦對(duì)咳嗽、慢性支氣管炎、支氣管擴(kuò)張癥、塵肺病、肺氣腫、非定型抗酸菌癥等疾患均有很強(qiáng)的祛痰效果,并且具有藥效強(qiáng)、副作用小、市場(chǎng)潛力大等優(yōu)點(diǎn).12,13

本文利用THz-TDS技術(shù)在0-3.0 THz波段對(duì)L-和DL-福多司坦進(jìn)行了測(cè)量,并運(yùn)用密度泛函理論對(duì)L-和DL-福多司坦進(jìn)行了模擬計(jì)算,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明它們的特征吸收譜有很大差距.此外,我們還對(duì)福多司坦膠囊成品藥進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果表明膠囊藥的吸收譜與L-福多司坦的吸收譜基本一致.本研究為檢測(cè)手性物質(zhì),以及鑒別化合物的主要成分有一定的參考意義.

2 實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和樣品

實(shí)驗(yàn)裝置是美國(guó)Zomega公司的Z-2太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng),如圖1所示.摻鈦藍(lán)寶石飛秒鎖模激光器輸出中心波長(zhǎng)為780 nm、重復(fù)頻率為80 MHz、脈沖寬度為100 fs的激光.激光束經(jīng)分束鏡分為泵浦光和探測(cè)光.泵浦光經(jīng)過斬波器調(diào)制,入射到砷化鎵基底的光電導(dǎo)天線激發(fā)THz脈沖,另一組作為探測(cè)光與THz脈沖一同通過ZnTe電光晶體,利用電光效應(yīng)探測(cè)太赫茲波,并通過改變延遲線長(zhǎng)度的方法取樣探測(cè)太赫茲信號(hào)的整個(gè)時(shí)域波形.測(cè)量環(huán)境為干燥的氮?dú)猸h(huán)境,相對(duì)濕度小于1%.

實(shí)驗(yàn)所用L-和DL-福多司坦來自于中國(guó)藥品生物制品檢定所,純度均大于98%,使用前未經(jīng)過進(jìn)一步純化處理,福多司坦膠囊(由L-福多司坦及輔料制成)來自于正大青春寶藥業(yè)有限公司.L-、D-福多司坦,以及其消旋體DL-的分子結(jié)構(gòu)見圖2.所有樣品都是多晶體粉末.

實(shí)驗(yàn)將純L-、DL-福多司坦和福多司坦膠囊,分別與聚乙烯(PE)粉末按1:9的質(zhì)量比混合均勻,經(jīng)研磨后,用7 MPa的壓力壓成試片.

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

樣品在THz波段的折射率及消光系數(shù)利用Timothy和Duvillaret等14,15提出的如下物理模型獲得:

其中n(ω)為樣品的實(shí)折射率,簡(jiǎn)稱折射率,α(ω)為樣品的吸收系數(shù),d為樣品厚度,ω為頻率,φ(ω)和ρ(ω)分別是樣品和參考信號(hào)的相位差和振幅比值.

圖1 太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental setup for terahertz time-domain spectroscopy(THz-TDS)

圖2 福多司坦的分子結(jié)構(gòu)Fig.2 Molecule structures of Fudosteine(a)L-Fudosteine;(b)D-Fudosteine;(c)DL-Fudosteine

由于所測(cè)樣品是L-、DL-福多司坦與聚乙烯(PE)混合而成的,根據(jù)朗伯-比爾定律,16混合物的吸收系數(shù)為其中αi為組分i的吸收系數(shù),bi為混合物中組分i的質(zhì)量比.由于實(shí)驗(yàn)樣品中L-和DL-福多司坦純品的質(zhì)量比例都是1/10,故純品的吸收系數(shù)計(jì)算公式為:

其中,αs表示樣品的吸收系數(shù),αpure為純品的吸收系數(shù),αPE為PE的吸收系數(shù).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

室溫下,通過THz-TDS裝置測(cè)量得到待測(cè)樣品的時(shí)域譜,經(jīng)傅里葉變換得到頻域譜.利用公式(2)計(jì)算得到吸收系數(shù)αs.考慮到TDS系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍(DR),及其對(duì)光譜有效頻率范圍(或光譜置信區(qū)間)的影響,定義了參數(shù)amax:17

式中的DR我們用信噪比代替,實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)10次測(cè)試獲得的參考信號(hào)在頻域中計(jì)算振幅均值與其均方誤差的比值.

當(dāng)吸收系數(shù)αs超過了αmax,其數(shù)值不再可信,則αmax和αs兩曲線的交點(diǎn)即為待測(cè)樣品光譜的可信頻率上限.圖3為DL-福多司坦樣品實(shí)驗(yàn)得到的αmax和αs曲線,從圖中可得出DL-福多司坦的有效頻率上限為2.450 THz,同理L-福多司坦、PE及福多司坦膠囊的有效頻率上限分別為2.330、2.470和2.090 THz.

圖4為L(zhǎng)-及DL-福多司坦實(shí)驗(yàn)樣品在0.2-2.0 THz區(qū)間的吸收譜,從圖中可以看出這兩種樣品吸收譜的強(qiáng)度和吸收峰的位置都存在明顯的差別,這說明可以利用THz光譜分析對(duì)L-及DL-福多司坦進(jìn)行有效鑒別.

圖3 DL-福多司坦的有效頻率上限Fig.3 Upper limit of effective frequency of DL-Fudosteine

圖4 0.2-2.0 THz范圍L-、DL-福多司坦的吸收光譜Fig.4 Absorption spectra of L-,DL-Fudosteine in the range of 0.2-2.0 THz

4 DFT計(jì)算與分析

本文對(duì)福多司坦進(jìn)行了理論計(jì)算,選用密度泛函理論(DFT)中準(zhǔn)確度非常高的Becke-3-Lee-Yang-Parr(B3LYP)方法,18,19以及6-31G*基組對(duì)孤立L-和DL-福多司坦分子進(jìn)行了模擬計(jì)算.選取了D-和L-福多司坦分子的二聚體(如圖2c)近似模擬其消旋體.兩者通過兩個(gè)CO2…HO氫鍵相連,氫鍵鍵長(zhǎng)為0.17721 nm,呈反式構(gòu)型,其氫鍵相關(guān)的部分參數(shù)見表1.其中R、A、D分別代表鍵長(zhǎng)、鍵角、二面角,數(shù)字表示原子的相應(yīng)序列.

結(jié)果沒有出現(xiàn)虛頻,說明幾何優(yōu)化結(jié)果是分子的最小能量結(jié)構(gòu).考慮到Gaussian模擬中沒有完全考慮電子相關(guān)作用和其對(duì)非簡(jiǎn)諧性效應(yīng)的忽略,以及我們對(duì)基組的選擇等因素的影響,20,21故采用了B3LYP/6-31G*的矯正因子0.961.22,23

利用公式(3)計(jì)算得到純L-和DL-福多司坦的吸收系數(shù),并將模擬結(jié)果分別與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較(見圖5),發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和模擬的吸收峰位置基本相吻合.L-福多司坦實(shí)驗(yàn)的吸收峰在1.108、1.426、1.844 THz恰好分別對(duì)應(yīng)模擬計(jì)算的吸收峰1.106、1.496和1.846 THz;DL-福多司坦的實(shí)驗(yàn)吸收峰1.896、1.050 THz處,恰好對(duì)應(yīng)模擬計(jì)算的1.931和1.040 THz.模擬和實(shí)驗(yàn)之間有少許偏移,這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是在常溫下進(jìn)行的,而理論模擬是在絕對(duì)零度下進(jìn)行的,沒有考慮這種熱效應(yīng).

表1 氫鍵相關(guān)的部分參數(shù)Table 1 Some parameters of hydrogen bond

圖5 L-福多司坦(a)和DL-福多司坦(b)計(jì)算光譜與實(shí)驗(yàn)光譜的比較圖Fig.5 Comparison between experimental and calculated spectra of L-Fudosteine(a)and DL-Fudosteine(b)

此外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果中L-福多司坦在1.643 THz、DL-福多司坦在1.667 THz存在吸收峰,這兩個(gè)吸收峰沒有對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果.這是由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是多分子的晶體結(jié)構(gòu),晶格中存在分子間的弱相互作用,導(dǎo)致樣品的特征THz波吸收,24而模擬計(jì)算的模型是單分子,25未考慮到分子間的相互作用,26,27所以認(rèn)為不能與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模式是由分子間振動(dòng)模式引起的.28

計(jì)算結(jié)果表明,分子在THz低頻波段的振動(dòng)主要源于多個(gè)原子參與的變形振動(dòng)、扭動(dòng)振動(dòng)和彎曲振動(dòng).29不同峰位的振動(dòng)模式不同,借助于Gaussian-View 3.0的視頻功能,通過動(dòng)態(tài)觀察,可以對(duì)福多司坦的振動(dòng)模式進(jìn)行大致的指認(rèn),結(jié)果見表2.L-福多司坦分子在1.106 THz處的吸收是由于O9－C8－C7－C6鏈扭動(dòng),以及N3氨基團(tuán)和O10氫氧鍵以鏈O10－C2－C1－N3為軸的扭動(dòng),如圖6a所示;在 1.496 THz處的吸收峰是由于O11－C2鍵的搖擺振動(dòng),以及C7和C8兩個(gè)甲基團(tuán)的扭動(dòng),C7甲基的振動(dòng)還帶動(dòng)了與之相連的C6甲基團(tuán)的搖擺振動(dòng),如圖6b所示;在1.846 THz處的吸收是由于C7甲基團(tuán)和C8甲基團(tuán)的扭動(dòng),該扭動(dòng)模式還帶動(dòng)了整條鏈O9－C9－C7－C6－S5－C4－C1－C2－O10集體振動(dòng),并引起N3氨基團(tuán)的擺動(dòng)振動(dòng),如圖6c所示; DL-福多司坦分子在1.931 THz處的吸收是由于C7甲基和C8甲基的扭動(dòng),以及C31甲基和C32甲基的扭動(dòng),如圖6d所示;1.040 THz處的吸收,一部分是由于C6甲基、C7甲基和C8甲基的扭動(dòng),如圖6e-1所示;另一部分由于C30甲基、C31甲基和C32甲基的扭動(dòng),如圖6e-2所示.這些吸收都屬于基團(tuán)集體振動(dòng)模式的范疇.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算都表明L-福多司坦和DL-福多司坦的吸收譜確實(shí)有很大的差異,這是因?yàn)橄w中存在分子間的弱相互作用(如氫鍵等),其低頻區(qū)的振動(dòng)導(dǎo)致太赫茲吸收光譜發(fā)生變化.26

另外,我們還對(duì)福多司坦膠囊進(jìn)行了測(cè)量,并分別與L-、DL-福多司坦純品吸收譜進(jìn)行了比較,如圖7所示.可見,福多司坦膠囊與L-福多司坦的吸收譜大致相同,至于吸收強(qiáng)度上的差異,則是因?yàn)槟z囊成品藥中的添加物影響.福多司坦膠囊與DL-福多司坦的吸收譜差距較大,特別是膠囊在1.1和1.5THz附近有很明顯的吸收峰,而DL-福多司坦則不明顯.這表明以整個(gè)或部分吸收譜作為化合物指紋特征,可實(shí)現(xiàn)化合物主要成分的有效鑒別.

表2 福多司坦的振動(dòng)模式Table 2 Vibration modes of Fudosteine

圖6 福多司坦的振動(dòng)模式Fig.6 Vibration modes of Fudosteinea,b,c are vibration modes of L-Fudosteine;d,e-1,e-2 are vibration modes of DL-Fudosteine.

圖7 福多司坦膠囊、純L-和DL-福多司坦的吸收譜Fig.7 Absorption spectra of Fudosteine capsule,pure L-and DL-Fudosteine

5 結(jié)論

利用THz-TDS系統(tǒng)在室溫下測(cè)量了L-和DL-福多司坦的THz光譜,在實(shí)驗(yàn)樣品的有效頻率范圍內(nèi)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)L-和DL-福多司坦在吸收峰的位置、吸收強(qiáng)度等方面都有明顯差異.選用密度泛函理論對(duì)L-和DL-福多司坦在太赫茲波段的吸收光譜進(jìn)行了模擬,并對(duì)福多司坦吸收峰的振動(dòng)模式進(jìn)行了指認(rèn),發(fā)現(xiàn)都是以基團(tuán)和鏈的扭動(dòng)為主要特征,不同峰位的扭轉(zhuǎn)模式及振動(dòng)幅度不同.此外,我們還對(duì)福多司坦膠囊成品藥進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果表明膠囊藥的吸收譜與L-福多司坦的吸收譜基本一致.這一研究結(jié)果為利用THz技術(shù)檢測(cè)手性物質(zhì)和進(jìn)一步分析分子內(nèi)和分子間相互作用提供了參考.

(1) Xu,J.Z.;Zhang,X.C.Technology and Applications of Terahertz Wave;Peking University Press:Beijing,2007; pp 1-5.[許景周,張希成.太赫茲科學(xué)技術(shù)和應(yīng)用.北京:北京大學(xué)出版社,2007:1-5.]

(2) Li,J.R.;Li,J.S.Journal of the Chinese Cereals and Oils Association 2010,25(3),112. [李建蕊,李九生.中國(guó)糧油學(xué)報(bào),2010,25(3),112.]

(3) Siegel,P.H.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 2004,52(10),2438.

(4)Walther,M.;Fischer,B.;Schall,M.;Helm,H.;Jepsen,P.U. Chem.Phys.Lett.2000,332,389.

(5)Yamaguchi,M.;Miyamaru,F.;Yamamoto,K.;Tani,M.; Hangyo,M.Appl.Phys.Lett.2005,86(5),053903.

(6)Wang,W.N.;Yue,W.W.;Yan,H.T.;Zhang,C.L.;Zhao,G.Z. Chinese Science Bulletin 2005,50(15),1561.

(7) Shi,Y.L.;Wang,L.J.Phys.D-Appl.Phys.2005,38,3741.

(8)Ge,M.;Zhao,H.W.;Ji,T.;Yu,X.H.;Wang,W.F.;Li,W.X. Sci.China Ser.B-Chem.2005,35(6),441. [葛 敏,趙紅衛(wèi),吉 特,余笑寒,王文鋒,李文新.中國(guó)科學(xué)B輯:化學(xué),2005, 35(6),441.]

(9)Gi,T.;Zhao,H.W.;Zhang,Z.Y.;Ge,M.;Wang,W.F.;Yu,X. H.;Xu,H.J.Acta Phys.-Chim.Sin.2006,22,1159.[吉 特,趙紅衛(wèi),張?jiān)銎G,葛 敏,王文鋒,余笑寒.徐洪杰.物理化學(xué)學(xué)報(bào),2006,22,1159.]

(10) Xu,H.;Yu,X.H.;Zhang,Z.Y.;Han,J.G.;Li,Q.N.;Zhu,Z.Y.; Li,W.X.Journal of the Graduate School of the Chinese Academy of Sciences 2005,22,90.[徐 慧,余笑寒,張?jiān)鲅?韓家廣,李晴暖,朱志遠(yuǎn),李文新.中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào), 2005,22,90.]

(11) Zhang,L.;Yao,T.W.;Zeng,S.Chinese Journal of Modern Applied Pharmacy 1999,16(2),4.[章 立,姚彤煒,曾 蘇.中國(guó)現(xiàn)代應(yīng)用藥學(xué)雜志,1999,16(2),4.]

(12) Takahashi,K.;Kai,H.;Mizuno,H.;Koda,T.;Miyata,T. J.Pham.Phamacol.2001,53(6),911.

(13) Wang,Y.J.;Liu,F.J.Tianjin Pharmacy 2006,18(5),73. [王亞江,劉福景.天津藥學(xué),2006,18(5),73.]

(14)Timothy,D.D.;Richard,G.B.;Daniel,M.M.J.Opt.Soc.Am.A 2001,18(7),1562.

(15) Duvillaret,L.;Garet,F.;Coutaz,J.L.IEEE J.Sel.Top.Quant. 1996,2(3),739.

(16) Markelz,A.G.;Roitberg,A.;Heilweil,E.J.Chem.Phys.Lett. 2000,320,42.

(17) Jepsen,P.U.;Fischer,B.M.Opt.Lett.2005,30,29.

(18)Axel,D.B.J.Chem.Phys.1993,98,5648.

(19) Scoot,P.;Radom,L.J.Chem.Phys.1996,100,16502.

(20)Anthony,P.S.;Leo,R.J.Chem.Phys.Lett.1996,100,16502.

(21) Halls,M.D.;Velkovski,J.;Schlegel,H.B.Theor.Chem.Acc. 2001,105,413.

(22) Liu,J.Y.;Wu,S.B.Chemical Graphic Design and Molecular Calculations;South China Science and Technology University Press:Guangzhou,2009;pp 253-256.[劉江燕,武書彬.化學(xué)圖文設(shè)計(jì)與分子模擬計(jì)算.廣州:華南理工大學(xué)出版社,2009: 253-256.]

(23) Wong,M.Chem.Phys.Lett.1996,256,391.

(24) Ma,J.L.;Xu,K.J.;Li,Z.;Jin,B.B.;Fu,R.;Zhang,C.H.;Ji, Z.M.;Zhang,C.;Chen,Z.X.;Chen,J.;Wu,P.H.Acta Physica Sinica 2009,58(9),6101. [馬金龍,徐開俊,李 哲,金飚兵,傅 榮,張彩虹,吉爭(zhēng)鳴,張 倉,陳兆旭,陳 健,吳培亨.物理學(xué)報(bào),2009,58(9),6101.]

(25) Takahashi,M.;Ishikawa,Y.;Nishizawa,J.;Hiromasa,I.Chem. Phys.Lett.2005,401,475.

(26)Chen,Y.Q.;Liu,H.B.;Zhang,X.C.Proceedings of SPIE 2006,6212,62120P-l.

(27) Walther,M.;Plochocka,P.;Fischer,B.;Helm,H.;Uhd,J.P. Biopolymers 2002,67,310.

(28) Chen,Y.Q.;Liu,H,B.;Deng,Y.Q.;Schauki,D.;Fitch,M.J.; Osiander,R.;Dodson,C.;Spicer,J.B.;Shur,M.;Zhang,X.C. Chem.Phys.Lett.2004,400,357.

(29)Yu,B.;Zeng,F.;Yang,Y.;Xing,Q.;Chechin,A.;Xin,X.; Zeylikovich,I.;Alfano,R.R.Biophysical Journal 2004,86, 1649.

July 26,2011;Revised:September 19,2011;Published on Web:October 10,2011.

Terahertz Time-Domain Spectroscopy of L-and DL-Fudosteine

ZHAO Rong-Jiao HE Jin-Long LI Jing*GUO Chang-Sheng DU Yong HONG Zhi
(Centre for Terahertz Research,China Jiliang University,Hangzhou 310018,P.R.China)

The absorption spectra of L-and DL-Fudosteine were measured using terahertz time-domain (THz-TDS)system at room temperature.Experimental results show that L-and DL-Fudosteine both have distinct fingerprint spectra in the THz region and their characteristics are different from each other.The absorption frequencies for the vibration and rotation of Fudosteine in the THz spectral range were simulated and the results are consistent with the experimental results.We also interpret the origin of the absorption peaks using a simulation.Finally,the absorption spectra of the Fudosteine capsule,pure L-Fudosteine and DL-Fudosteine are compared.The results verify that the main component of the capsule is L-Fudosteine.This study provides a reference for the analysis of the main ingredients of compounds.

L-,DL-Fudosteine;Terahertz spectrum;Density functional theory;Vibration mode

10.3866/PKU.WHXB20112743

?Corresponding author.Email:lijing@cjlu.edu.cn;Tel:+86-571-86875672.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(61001064)and Natural Science Foundation of Zhejiang Province, China(Y1090912).

國(guó)家自然科學(xué)基金(61001064)和浙江省自然科學(xué)基金(Y1090912)資助項(xiàng)目

O641;O657.61