汪澤方

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

人體對各種藥物的敏感含量不一致[1]，藥品中各成分的含量過多會(huì)導(dǎo)致人體產(chǎn)生許多副作用[2]，例如惡心、嘔吐、暈厥等，嚴(yán)重的甚至?xí)氯嘶杳砸约八劳鯷3]。然而，藥品中各種藥物成分含量過低，對所需治療的病癥又不能起到醫(yī)學(xué)上的治療效果，甚至?xí)涎硬∪说牟∏閇4]。因此，在藥物生產(chǎn)端，對藥物主要成分的含量以及各種次要成分的配比都需要嚴(yán)格的控制。在此階段，用傳統(tǒng)的化學(xué)方法（如高效液相色譜法[5]等）檢測會(huì)產(chǎn)生耗時(shí)長、藥品損耗高、檢測方法繁瑣、檢測精確度低、樣品前處理復(fù)雜等不足，同時(shí)不能及時(shí)把控藥物各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，會(huì)造成生產(chǎn)緩慢，經(jīng)濟(jì)成本過高。因此，在藥物生產(chǎn)的同時(shí)，能夠快速地檢測藥品各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，降低檢測成本至關(guān)重要。

太赫茲（THz）波是頻率在0.1～10 THz范圍的電磁波[6-7]。當(dāng)太赫茲波通過樣品時(shí)，如果太赫茲頻率與樣品分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)頻率一致，就會(huì)發(fā)生共振吸收，且這些特征吸收峰譜是唯一的。因此，太赫茲光譜可以鑒別不同的物質(zhì)，與之相比，NIR/MIR光譜和Raman光譜主要分析化學(xué)鍵和官能團(tuán)的振動(dòng)模式，對于來自同一類別的物質(zhì)（它們的化學(xué)鍵和官能團(tuán)非常相似）準(zhǔn)確度低。太赫茲光譜技術(shù)還具有快速、無損、靈敏度高、無接觸、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。基于該技術(shù)，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了腫瘤代謝物2-HG[8]的同分異構(gòu)體、同型半胱氨酸[9]，心血管高風(fēng)險(xiǎn)因子[10]等生物分子的精準(zhǔn)檢測。鑒于太赫茲波的特點(diǎn)，使太赫茲光譜技術(shù)在材料、生物、安全、通信[11-13]及成像等科學(xué)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

本文采用太赫茲光譜技術(shù)，通過檢測藥物的太赫茲光譜特征峰頻點(diǎn)、峰下面積差來定性檢測和定量分析藥物。以氯雷他定、消旋卡多曲為例，通過分析兩者的太赫茲光譜，建立其質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度曲線，驗(yàn)證了基于太赫茲技術(shù)區(qū)分藥物的有效性和穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及樣品制備

材料：氯雷他定（ > 99% ，上海市藥品監(jiān)督管理局提供），消旋卡多曲（ > 98% ，上海市藥品監(jiān)督管理局提供）。環(huán)烯烴共聚物粉末（COC粉末，顆粒大小為50～80 μm，購買自中國科學(xué)院上海原子核研究所），COC在太赫茲波段的折射率彌散可以忽略不計(jì)，對太赫茲具有低吸收的特點(diǎn)，因此非常適合用于物質(zhì)的太赫茲光譜分析。

制備樣品時(shí)，不對純品做任何的物理和化學(xué)處理，將氯雷他定、消旋卡多曲粉末與COC粉末混合均勻，并壓片。壓片采用普通壓片機(jī)，以3 t壓力壓制3 min，樣片的直徑為13 mm，厚度為0.8 mm，誤差均小于2%。壓好的樣片放置于太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)中進(jìn)行檢測。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)由飛秒激光、光電導(dǎo)天線、時(shí)間延遲控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)發(fā)射頻率為0.5～5.0 THz的寬頻太赫茲波，選用7.6 GHz的分辨率，單點(diǎn)掃描次數(shù)為256次，儀器樣品倉的濕度維持在2%以內(nèi)，以便減少空氣中的水蒸氣對實(shí)驗(yàn)的干擾。在環(huán)境溫度保持為20 ℃的情況下，測得樣品的太赫茲時(shí)域信號(hào)，并對測得信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換和計(jì)算處理，然后再進(jìn)行后續(xù)的光譜分析。

1.3 主成分分析法

為了更好地推廣應(yīng)用到多種藥品的大數(shù)據(jù)分析，我們基于上述太赫茲光譜檢測方法結(jié)合主成分分析法（PCA）對樣品進(jìn)行區(qū)分度測試。PCA是一種統(tǒng)計(jì)的提取方法，其可以將數(shù)據(jù)集簡化。PCA是一個(gè)線性轉(zhuǎn)換，所有主要成分都是不相關(guān)且有序的。這種轉(zhuǎn)換是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為新的坐標(biāo)系，最大方差位于第一個(gè)坐標(biāo)上，稱為第一主成分（PC1），第二大方差位于第二個(gè)坐標(biāo)（PC2）上，依此類推（PCp）（p為≥1的正整數(shù)）[14]。當(dāng)前p個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率足夠大時(shí)（PC1+PC2+···+PCp>85%），原始數(shù)據(jù)集可以近似替換為前p個(gè)主成分。因此，可以使用PC1和PC2近似分析實(shí)驗(yàn)中的光譜數(shù)據(jù)。在主成分分析中，任意2個(gè)樣本的PC1得分偏差越小，它們之間越相似。相反，樣本的PC1得分偏差越大，它們之間的差異就越大[15]。這些差異是對數(shù)據(jù)集的差異貢獻(xiàn)最大的特征，例如材料成分，光譜幅度等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析討論

首先選取氯雷他定、消旋卡多曲2種藥物樣品為例，用太赫茲波譜系統(tǒng)檢測它們的太赫茲時(shí)域波形，再通過傅里葉變換可得到頻域光譜E（ω）。樣品的吸光度α（ω）則通過以下公式計(jì)算：

式中：d（為0.8 mm）是樣品的厚度；Isam（ω）是樣品的功率譜；Iref（ω）是參考信號(hào)的功率譜。通過式（1）計(jì)算得到樣品的太赫茲吸收圖譜，如圖1所示。

太赫茲波涵蓋多數(shù)分子振動(dòng)頻率，當(dāng)太赫茲波通過樣品時(shí)，如果太赫茲頻率與分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)頻率一致，就會(huì)發(fā)生共振吸收，這些特征吸收峰譜是唯一的，因此，大多數(shù)物質(zhì)在太赫茲波范圍內(nèi)都有其特定的指紋譜。而指紋譜特征峰的頻點(diǎn)是最直接的藥物檢測方法。通過對每組數(shù)據(jù)4次測量，單點(diǎn)掃描次數(shù)為128次，得到測試數(shù)據(jù)的平均方差＜0.01。圖1（a）是藥物消旋卡多曲的太赫茲吸收光譜圖，由圖可見，消旋卡多曲在1.18 THz、1.71 THz、3.78 THz 3個(gè)頻點(diǎn)處呈現(xiàn)出特異性吸收峰，且在3.78 THz處吸收峰強(qiáng)高，因此可以選擇此頻點(diǎn)吸收峰建立質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度，進(jìn)行定量分析。圖1（b）是藥物氯雷他定的太赫茲吸收光譜圖，如圖所示，氯雷他定在1.60 THz、1.20 THz、1.70 THz、2.91 THz、4.03 THz 5個(gè)頻點(diǎn)處呈現(xiàn)出特異性吸收峰，且在2.91 THz處吸收峰強(qiáng)高，因此可以選擇此頻點(diǎn)吸收峰建立質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度，進(jìn)行定量分析。比較圖1中消旋卡多曲與氯雷他定的太赫茲吸收光譜，我們可以很清楚地識(shí)別出這2種藥物。由于2種藥物吸光度標(biāo)準(zhǔn)差＜0.02，可以說明，太赫茲光譜穩(wěn)定性極高，但是在1.18 THz和1.71 THz處2種藥物的吸收峰十分相近，這可能是藥物的其他輔料相同引起的。

圖1 樣品的太赫茲光譜Fig.1 Terahertz spectrum of sample

通過太赫茲吸收光譜可對藥物進(jìn)行精確的定性識(shí)別，但是在藥物生產(chǎn)環(huán)節(jié)，還需要對藥物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)把控。因此，我們通過太赫茲光譜建立藥物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度曲線，以解決在生產(chǎn)環(huán)節(jié)不能快速檢測藥物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的難題。將樣品與COC配比成7種質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度（消旋卡多曲的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.63%～33.3%，氯雷他定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.63%～22.1%），但當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.63%時(shí)，由于樣品本身的質(zhì)量分?jǐn)?shù)太低，很難精確識(shí)別。測試結(jié)果如圖2所示，可以看到，隨著樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，其特征峰下面積也都逐漸升高。

圖2 藥物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度曲線Fig.2 Concentration gradient of drug

為了實(shí)現(xiàn)對藥物的高精度定量分析，進(jìn)一步量化吸收峰幅值隨著藥物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，我們提取了消旋卡多曲在3.78 THz這一處吸收峰（1.18 THz，1.71 THz 2個(gè)頻點(diǎn)處吸收峰不明顯）下面積來分析其與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的函數(shù)關(guān)系。同樣地，我們選取氯雷他定具有比較高幅度的特征峰下面積來分析其與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)Beer-Lambert定律，我們對數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)測得消旋卡多曲和氯雷他定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下吸收峰幅度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的擬合曲線Fig.3 Fitting curve of absorption peak amplitude with different concentrations of racecadotril and loratadinez

消旋卡多曲相應(yīng)的線性擬合函數(shù)表達(dá)式為

其線性擬合度為R2=0.997 62。

氯雷他定相應(yīng)的線性擬合函數(shù)表達(dá)式為

其線性擬合度為R2=0.995 84。

由此可以得到，特征峰的下面積隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的擬合曲線都具有較好的R2，證明太赫茲光譜定量分析質(zhì)量分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確性平均可達(dá)98.1%以上。由于幅度高的特征峰下面積隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的直線斜率更大，更有利于低質(zhì)量分?jǐn)?shù)樣本和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)樣本的準(zhǔn)確判定。此外，由于太赫茲檢測過程是穿透式的物理光譜分析，對樣本本身無損耗，與化學(xué)檢測法相比，太赫茲光譜法具有無損、快速的優(yōu)勢。由于太赫茲波對空氣中的水分十分敏感，需要嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境的干燥度，目前太赫茲光譜法還沒有成熟的實(shí)際應(yīng)用。

由于許多藥物都有相似的輔料成分，在太赫茲光譜范圍內(nèi)會(huì)有相似的響應(yīng)。消旋卡多曲和氯雷他定在1.18 TH、1.71 THz處有相似的吸收峰，因此為了驗(yàn)證太赫茲技術(shù)檢測藥物的適用性，將其他的藥物與消旋卡多曲和氯雷他定進(jìn)行定性分析。本文在實(shí)驗(yàn)中還增加測量了其他4個(gè)藥物樣品的光譜信息，測量參數(shù)與前者保持一致，每個(gè)樣品的光譜數(shù)據(jù)測量4次，單點(diǎn)掃描次數(shù)為128次。采用MATLAB軟件，對消旋卡多曲、氯雷他定、格列美脲、阿莫西林、異丙安替比林和維生素等6種藥物樣品的太赫茲吸收光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA（主成分分析法）分類鑒定。首先將氯雷他定、消旋卡多曲等樣品的太赫茲吸收光譜數(shù)據(jù)代入算法中進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果如圖4所示。x軸和y軸分別表示第一和第二PC得分，因此前2個(gè)PC，尤其是PC1，代表了大多數(shù)樣本信息。不同的樣品在坐標(biāo)系中的位置不同。圖4顯示了樣本的太赫茲光譜數(shù)據(jù)的主成分評分（PC1的值等于96.1%，PC1+PC2的值等于98.4%），由于圖中得分偏差較大，能直觀地區(qū)分實(shí)驗(yàn)使用的6種樣品。

圖4 6個(gè)樣本的主成分得分圖Fig.4 Principal component scores of six samples

3 結(jié) 論

本文基于太赫茲光譜技術(shù)，對消旋卡多曲和氯雷他定的太赫茲光譜進(jìn)行了分析，在2種藥物的指紋譜基礎(chǔ)上成功建立其不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的太赫茲光譜曲線圖，并且分析了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下吸收峰下面積的線性變化規(guī)律，還結(jié)合主成分分析法(PCA)驗(yàn)證了太赫茲光譜法的適用性。研究結(jié)果表明，本文采用的方法可對藥物實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定性、定量識(shí)別，且能快速、準(zhǔn)確地識(shí)別各種藥物。