鄭轉(zhuǎn)平，李愛(ài)東，李春艷，董 軍

西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121

引 言

太赫茲(Terahertz, THz)波(0.3～10 THz)處于微波和紅外波之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段。它是電子學(xué)向光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)，一直被稱為THz空隙。近年來(lái)，由于超快光學(xué)技術(shù)、半絕緣半導(dǎo)體生產(chǎn)及其微加工技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定可靠的THz輻射源成為了一種常規(guī)技術(shù)，使得基于THz波的各種技術(shù)開(kāi)始突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1-2]?，F(xiàn)階段，THz領(lǐng)域的研究及應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中最突出的就是THz時(shí)域光譜技術(shù)[3-4]。它是基于飛秒超快激光技術(shù)獲得物質(zhì)在THz波段的特征指紋譜，繼而可以有效地研究物質(zhì)在低頻下的作用模式。據(jù)調(diào)研，很多生物大分子的低頻振動(dòng)模式大多是由于分子間的集體振動(dòng)、分子間氫鍵的擺動(dòng)及大官能團(tuán)扭動(dòng)引起的[5]。而THz波恰好處于遠(yuǎn)紅外波段，對(duì)分子間相互作用及周圍環(huán)境極其敏感，并且其具有良好的穿透性和特殊的光譜特質(zhì)，可以運(yùn)用在物質(zhì)的無(wú)接觸式鑒別[6]。因此，利用THz時(shí)域光譜技術(shù)可以對(duì)藥品成分、藥品質(zhì)量以及藥品含量進(jìn)行快速檢測(cè)。

近年來(lái)，因?yàn)樗幤返臑E用造成的危害事件的報(bào)道越來(lái)越多，藥品的質(zhì)量安全問(wèn)題不斷引發(fā)各界人士的關(guān)注。因?yàn)?，藥品一旦變質(zhì)，其有效成分就會(huì)大打折扣。變質(zhì)的藥品會(huì)伴隨著其化學(xué)性質(zhì)的改變而毒性增強(qiáng)。服用了變質(zhì)藥品的患者，極有可能會(huì)產(chǎn)生身體損傷并且誘發(fā)其他并發(fā)癥，從而危害到生命健康。因此，對(duì)于藥品的快速有效檢測(cè)及其功能的揭示變得極其重要。

對(duì)乙酰氨基酚(Paracetamol，APAP，N-乙酰-P氨基苯酚)，又名撲熱息痛、必理通等，是一種解熱鎮(zhèn)痛消炎類藥，廣泛被用于治療疼痛和發(fā)燒，也可用于對(duì)阿司匹林過(guò)敏或不耐受的患者，具有安全、副作用小等特點(diǎn)。目前被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床的治療[7]。阮健等測(cè)定了不同濃度的對(duì)乙酰氨基酚注射液的拉曼光譜[8]； 李銳測(cè)定研究了對(duì)乙酰氨基酚的紅外吸收光譜[9]。而針對(duì)對(duì)乙酰氨基酚的寬帶THz吸收譜及其吸收譜來(lái)源解析的文章，并未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)報(bào)道。然而，研究藥物分子的THz時(shí)域光譜，不僅可以對(duì)其進(jìn)行有效標(biāo)定，而且其吸收峰揭示的分子間作用模式對(duì)于藥品的生化功能研究有重大意義。

基于此，采用THz時(shí)域光譜技術(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了對(duì)乙酰氨基酚在0.3～4.5 THz范圍內(nèi)的THz光譜； 接著，采用密度泛函理論對(duì)實(shí)驗(yàn)所得指紋吸收峰進(jìn)行了模擬； 通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論比對(duì)，對(duì)吸收峰的來(lái)源進(jìn)行了討論和歸納； 最后，對(duì)比了對(duì)乙酰氨酚樣品與商用品牌藥片的THz吸收譜，發(fā)現(xiàn)變質(zhì)前后的對(duì)乙酰氨基酚藥片的THz吸收譜存在明顯差異。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

乙酰氨基酚樣品購(gòu)于西安優(yōu)博生物科技有限公司，純度大于99%，使用之前均未曾經(jīng)過(guò)進(jìn)一步純化處理。中美史克品牌的對(duì)乙酰氨基酚片購(gòu)買于中美天津史克制藥有限公司。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)乙酰氨基酚和分散劑(聚四氟乙烯)比例分別為1∶2和1∶4，其余藥品都選用的是純樣品。所有樣品重量均為120 mg，經(jīng)過(guò)研缽研磨7 min，使樣品呈均勻粉末狀，然后在壓片機(jī)10 MPa的壓力下保持5 min，制成直徑為13 mm，厚度為0.7～1.1 mm，表面平滑且無(wú)裂痕的樣本。

對(duì)乙酰氨基酚的藥品熔點(diǎn)為168～172 ℃，因此中美史克品牌的對(duì)乙酰氨基酚藥品選擇了兩組溫度(170和190 ℃)分別為熔點(diǎn)范圍內(nèi)和超過(guò)熔點(diǎn)范圍，用烘箱對(duì)藥品分別進(jìn)行兩組溫度下時(shí)長(zhǎng)均為1 h的烘烤，獲取其變質(zhì)藥品。表1為所測(cè)幾種樣品的編號(hào)和厚度。

表1 樣品編號(hào)和厚度Table 1 Sample number and thickness

1.2 儀器及參數(shù)

XRD實(shí)驗(yàn)采用的是D/Max2550VB+/PC型X射線衍射儀。其中，X射線源為銅靶(電壓40 kV，電流40 mA)，數(shù)據(jù)采集范圍是5～50°。

THz光譜測(cè)試使用的是萊儀特太赫茲(天津)科技有限公司的(Advantest，TAS7500SU)光譜儀。采用透射式測(cè)試系統(tǒng)，飛秒激光器產(chǎn)生超短激光脈沖，THz脈沖產(chǎn)生方式為光電導(dǎo)天線，光譜范圍為0.5～7 THz，動(dòng)態(tài)范圍為50 dB，頻譜分辨率為7.6 GHz，實(shí)驗(yàn)都是在室溫中進(jìn)行。

1.3 計(jì)算方法

運(yùn)用原子線性軌道的密度泛函理論進(jìn)行單分子理論計(jì)算，計(jì)算方法選用B3LYP[10-11]，基組采用6-311G(d, p)，對(duì)單個(gè)對(duì)乙酰氨基酚分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和振動(dòng)模式分析，收斂程度為“tight”。晶胞模擬計(jì)算中，運(yùn)用平面波贗勢(shì)密度泛函理論，采用局域密度泛函PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof)方法，常規(guī)保守贗勢(shì)[12-14]。平面波的截?cái)嗄転? 000 eV。具體的，能量偏差為5.0×10-8eV·atom-1，最大力偏差為1.0×10-5eV·?-1，最大應(yīng)力偏差為0.02 GPa，最大位移偏差為1.0×10-5?。圖1為對(duì)乙酰氨基酚單個(gè)分子(a)及晶胞結(jié)構(gòu)(b)。紅色虛線代表晶胞中分子間的氫鍵，每個(gè)晶胞都有4個(gè)分子。對(duì)乙酰氨基酚的晶胞參數(shù)如下[15]： 空間群P21/a(Z=4)，a=12.930 ?,b=9.400 ?,c=7.100 ?,α,γ=90.00°，β=115.90°，晶胞體積為V=776.272 ?3。

圖1 對(duì)乙酰氨基酚分子結(jié)構(gòu)(a)及晶胞結(jié)構(gòu)(b)Fig.1 The molecular structure (a) and crystal cell (b) of paracetamol

2 結(jié)果與討論

圖2是對(duì)乙酰氨基酚的X衍射譜。在測(cè)試THz特征譜之前，為驗(yàn)證對(duì)乙酰氨基酚的純度，先測(cè)試了其X衍射譜，并與已存庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。其中，圖2(a)是本次X實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖2(b)為晶體庫(kù)已保存的數(shù)據(jù)[15]。由比較發(fā)現(xiàn)，對(duì)乙酰氨基酚為單斜晶體及P21/a對(duì)稱性。從圖2可以看出，測(cè)試結(jié)果與模擬所用結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)匹配良好，這也為THz吸收譜的準(zhǔn)確解析奠定基礎(chǔ)。

圖2 對(duì)乙酰氨基酚的X衍射實(shí)驗(yàn)譜(a)及參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)(b)Fig.2 The Powder XRD pattern (a) and the data previously published (b) [15] of paracetamol

圖3是對(duì)乙酰氨基酚的THz實(shí)驗(yàn)譜。由圖可見(jiàn)，純樣品的對(duì)乙酰氨基酚(圖3a)在2.4 THz以內(nèi)可以清晰的觀察到三個(gè)吸收峰，但高頻部分由于吸收太過(guò)強(qiáng)烈，基本無(wú)法標(biāo)定THz特征吸收峰。為了測(cè)試對(duì)乙酰氨基酚的寬帶THz吸收譜，測(cè)試樣品中加入了聚四氟乙烯分散劑。其中，對(duì)乙酰氨基酚與分散劑PTFE比例分別為1∶2(圖3b)和1∶4(圖3c)。通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)在0.3～4.5 THz測(cè)試范圍中，隨著分散劑的比例加大，對(duì)乙酰氨基酚高頻的THz吸收峰愈加清晰。在混合比為1∶4(圖3c)的譜圖中，對(duì)乙酰氨基酚共獲得了六個(gè)指紋特征吸收峰，分別位于1.46，1.88，2.11，2.95，3.48和4.27 THz。另外，還可以觀察到一個(gè)位于2.52 THz的肩峰。

圖3 對(duì)乙酰氨基酚的THz實(shí)驗(yàn)譜a： 純樣品； b： 1∶2混合樣品； c: 1∶4混合樣品Fig.3 The experimental THz spectra of paracetamola： The pure sample; b: The mixed samples with the ratio of 1∶2；c: The ratio of 1∶4

由對(duì)乙酰氨基酚的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)得知，它的晶胞共含有4個(gè)分子，其空間群為P21/a，對(duì)稱性為C2h。由于每個(gè)分子含有20原子，則對(duì)乙酰氨基酚共有240個(gè)光學(xué)模式，其中包含21個(gè)分子間振動(dòng)模式： 4Au+5Bu+6Bg+6Ag，但由于對(duì)乙酰氨基酚對(duì)稱性為C2h，而對(duì)稱性為Bg和Ag的模式并不顯示紅外活性，所以實(shí)際只有9個(gè)分子間光學(xué)模式。

為解析吸收峰的來(lái)源，本文首先采用氣態(tài)理論的密度泛函B3LYP對(duì)對(duì)乙酰氨基酚的單個(gè)分子進(jìn)行模擬。在0.3～4.5 THz范圍內(nèi)共獲得4個(gè)光學(xué)模式，分別位于1.27，1.50，2.41及4.69 THz。其中，1.27 THz來(lái)源于苯環(huán)和CH3官能團(tuán)的反向面外扭轉(zhuǎn)； 1.50 THz主要源于CH3官能團(tuán)的面外擺動(dòng)； 2.41 THz主要來(lái)源于苯環(huán)和側(cè)鏈的面外擺動(dòng)； 4.69 THz來(lái)源于苯環(huán)和CH3基團(tuán)的剪式面內(nèi)振動(dòng)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果比對(duì)，發(fā)現(xiàn)位于1.46，2.11和4.27 THz的吸收峰有可能存在分子內(nèi)作用模式的貢獻(xiàn)。但由于氣態(tài)方法只考慮分子內(nèi)作用力，無(wú)法對(duì)實(shí)驗(yàn)吸收峰進(jìn)行全面解析，所以在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)譜解析中，以晶胞為模型的固態(tài)密度泛函成為主要光譜解析手段。

圖4是對(duì)乙酰氨基酚固態(tài)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)譜。理論計(jì)算采用基于固態(tài)理論的PBE泛函，譜圖展寬采用半高寬為0.15 THz的洛倫茲函數(shù)。由圖可見(jiàn)，模擬結(jié)果能較好地對(duì)實(shí)驗(yàn)譜進(jìn)行重構(gòu)。相較于單個(gè)分子的計(jì)算，固態(tài)理論計(jì)算在0.3～4.5 THz范圍內(nèi)，共得到了13個(gè)具有紅外活性的光學(xué)模式(6a+7b)。表2給出了實(shí)驗(yàn)所測(cè)THz吸收峰和理論計(jì)算的光學(xué)模式。

圖4 對(duì)乙酰氨基酚實(shí)驗(yàn)和固態(tài)模擬譜圖Fig.4 The experimental and solid-state calculated spectra of paracetamol

表2 對(duì)乙酰氨基酚實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果Table 2 The experimental and theoretical results of paracetamol

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論匹配，發(fā)現(xiàn)大于3.06 THz的光學(xué)模式，主要來(lái)源于分子內(nèi)的振動(dòng)。圖5是大于3.06 THz的四種光學(xué)模式。由圖可見(jiàn)，這四種光學(xué)模式均主要來(lái)源于CH3官能團(tuán)的擺動(dòng)及扭動(dòng)。綜合氣態(tài)和固態(tài)密度泛函理論的計(jì)算結(jié)果，對(duì)乙酰氨基酚的THz吸收峰的來(lái)源情況歸納如下： 1.46和2.11 THz的吸收峰既有分子間作用力也有分子內(nèi)作用力，1.88，2.52和2.95 THz的吸收峰主要源于分子間相互作用模式，而3.48和4.27 THz的吸收峰主要來(lái)源于分子內(nèi)作用模式。

圖5 對(duì)乙酰氨基酚的四種分子振動(dòng)模式Fig.5 The four vibrational modes of paracetamol

圖6為中美史克品牌的對(duì)乙酰氨基酚片在未變質(zhì)和變質(zhì)后的THz譜測(cè)試結(jié)果。由于測(cè)試中藥片均為純藥片壓制，所以只能在0.3～2.75 THz的測(cè)試范圍內(nèi)觀察到清晰的吸收峰。由圖6可見(jiàn)，未變質(zhì)前的藥片圖6(b)(CZR)與對(duì)乙酰氨基酚樣品圖6(a)的THz吸收峰峰位一致。說(shuō)明可以用對(duì)乙酰氨基酚的THz特征吸收峰對(duì)其商用藥品進(jìn)行標(biāo)定。

圖6(b)(CER)和(CNR)分別是藥片經(jīng)過(guò)170和190 ℃烘烤變質(zhì)的藥片所測(cè)試的THz吸收譜。其中，對(duì)乙酰氨基酚的熔點(diǎn)為168～172 ℃。由圖可見(jiàn)，CER的測(cè)試結(jié)果并未有明顯的變化，說(shuō)明170℃的環(huán)境溫度并未對(duì)乙酰氨基酚的分子三維結(jié)構(gòu)造成破壞，也說(shuō)明在熔點(diǎn)范圍內(nèi)，中美史克的對(duì)乙酰氨基酚能較好的保持性狀。CNR是藥片在超出熔點(diǎn)(190 ℃)情況下重制壓片測(cè)試的THz譜。由圖可見(jiàn)，能標(biāo)定對(duì)乙酰氨基酚的三個(gè)特征吸收峰完全消失，說(shuō)明分子間的三維結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全被破壞，藥品的物化性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變； 另一方面也說(shuō)明位于1.46和2.11 THz處的吸收峰雖然有分子內(nèi)作用力，但是貢獻(xiàn)量較小，其主要來(lái)源仍然是分子間作用力。此外，CNR在0.69 THz處發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的吸收峰，說(shuō)明分子間已經(jīng)形成了新的三維結(jié)構(gòu)，藥片也開(kāi)始產(chǎn)生了新的物化功能。此研究結(jié)果表明運(yùn)用THz光譜儀完全可以對(duì)商用藥品進(jìn)行監(jiān)測(cè)和檢測(cè)。

圖6 對(duì)乙酰氨基酚樣品(a)和中美史克對(duì)乙酰氨基酚片(b)的THz吸收譜Fig.6 The THz spectra of paracetamol sample (a) and its commercial tablets (b)

3 結(jié) 論

測(cè)試了室溫條件下對(duì)乙酰氨基酚在0.3～4.5 THz范圍的THz光譜，結(jié)合密度泛函理論模擬計(jì)算，對(duì)測(cè)試到的七個(gè)特征吸收峰的來(lái)源進(jìn)行了分析并歸納。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)乙酰氨基酚的THz特征吸收峰既有分子間相互作用，也有分子內(nèi)作用力的貢獻(xiàn)。通過(guò)對(duì)中美史克對(duì)乙酰氨基酚片變質(zhì)前后的THz時(shí)域光譜的測(cè)試與分析，發(fā)現(xiàn)未變質(zhì)的藥片與對(duì)乙酰氨基酚樣品的THz吸收峰完全一致； 當(dāng)藥片變質(zhì)后，其THz特征吸收峰完全消失，說(shuō)明通過(guò)其THz特征吸收峰完全可以辨別藥品有無(wú)變質(zhì)； 變質(zhì)后的對(duì)乙酰氨基酚片出現(xiàn)新的特征吸收峰，說(shuō)明其分子間新的相互作用力已經(jīng)形成，開(kāi)始產(chǎn)生了新的生化功能。本文的研究有望對(duì)藥品的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)、藥物生化功能的揭示起到促進(jìn)作用。