鄭轉(zhuǎn)平，李愛(ài)東，董 軍，職 言，鞏稼民

西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121

引 言

藥物分子的多形態(tài)是指藥物分子結(jié)構(gòu)排列規(guī)律、分子構(gòu)型或構(gòu)象等方面存在差異。 出現(xiàn)這種“同質(zhì)異晶”現(xiàn)象的本質(zhì)原因是化合物或者元素的生成條件或環(huán)境不同[1]，使得質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力以及結(jié)合能量不同，直接造成藥物活性生化功能等方面產(chǎn)生差異[2]。 所以，解析藥物的多形態(tài)現(xiàn)象，對(duì)于分析藥物的穩(wěn)定性、提高藥物的生物利用度、減少毒性和增進(jìn)療效等方面都具有重要意義。

現(xiàn)階段，光譜分析技術(shù)已被廣泛用于表征晶型。 然而，目前還沒(méi)有一種方法能夠完全有效的解決物質(zhì)多態(tài)的篩選問(wèn)題，也沒(méi)有一種方法能夠快速方便地確認(rèn)藥物在儲(chǔ)存或生產(chǎn)過(guò)程中的晶體狀態(tài)。 傳統(tǒng)用來(lái)表征多態(tài)性的技術(shù)有粉末X射線衍射法(PXRD)[3-4]、近紅外光譜法(NIR)[5]和拉曼光譜法[6]等。 雖然這些分析技術(shù)可以識(shí)別大多數(shù)多態(tài)性，但也有其局限性。 例如： 由于X射線具有有害的電離作用，在PXRD測(cè)量中應(yīng)考慮其安全使用；在拉曼光譜中，由于需要高能激光照射，化合物會(huì)發(fā)生相變或產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。 因此，無(wú)損低能量的光譜技術(shù)對(duì)藥物多形態(tài)的檢測(cè)至關(guān)重要[7]。

太赫茲波處于中紅外和微波波段之間，光子能量很低，不會(huì)對(duì)藥物分子的作用模式產(chǎn)生影響，并且對(duì)固態(tài)分子之間的相互作用很敏感，近年來(lái)已成為一種研究多形態(tài)的分析工具。 在其波源的產(chǎn)生方式成為一種常規(guī)技術(shù)以后，開(kāi)始被應(yīng)用于不同的領(lǐng)域[8-9]。 太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(Terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)，其是以THz波為載體的，在研究物質(zhì)相互作用中，對(duì)分子間的相互作用力非常敏感，被認(rèn)為是一種有潛力的鑒別多形態(tài)的光譜技術(shù)[10-11]。

馬來(lái)酰肼(maleic hydrazide，MH)，又稱為青鮮素和順丁烯二酸酰肼。 它對(duì)植物的生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，可以作為農(nóng)田的除草劑，也可以將其配成水溶液灑在一些蔬菜上延長(zhǎng)植物的存儲(chǔ)時(shí)間[12]。 Cradwick和Katrusiak分別研究了MH的三種多形態(tài)MH1，MH2及MH3，確定了馬來(lái)酰肼三種多形態(tài)的三維空間結(jié)構(gòu)[12-14]；Morzyk-Ociepa研究了馬來(lái)酰肼及其衍生物的紅外吸收譜[15]；Qu等測(cè)試了馬來(lái)酰肼0.06～4 THz的吸收譜[16]。 但截止目前，針對(duì)馬來(lái)酰肼多形態(tài)MH2和MH3的THz譜的研究還沒(méi)有相關(guān)報(bào)道，而研究藥物多形態(tài)的THz光譜對(duì)藥物晶型的辨別表征及其藥品生化功能的揭示具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

以MH2和MH3兩種多形態(tài)為研究對(duì)象，測(cè)試了兩種多形態(tài)在0.25～2.25 THz范圍的THz譜，比較了兩種多形態(tài)的特征吸收峰異同；基于密度泛函理論，對(duì)MH2和MH3的光學(xué)模式進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了分子作用模式對(duì)實(shí)驗(yàn)特征吸收峰的貢獻(xiàn)，并對(duì)各個(gè)吸收峰的來(lái)源進(jìn)行了歸納；最后，對(duì)馬來(lái)酰肼的商用藥品青鮮素進(jìn)行了THz吸收譜測(cè)試，確定了商用馬來(lái)酰肼藥品的晶型。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

MH2和MH3購(gòu)買于杭州領(lǐng)業(yè)有限公司，純度為分析純(99%)；青鮮素藥品生產(chǎn)于美國(guó)，所有藥品使用之前均未曾經(jīng)過(guò)進(jìn)一步純化處理。 實(shí)驗(yàn)中，馬來(lái)酰肼MH2、MH3晶型、青鮮素各取300 mg，經(jīng)過(guò)研缽研磨7 min，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)裂痕的片劑。

1.2 儀器及參數(shù)

XRD實(shí)驗(yàn)是在西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院進(jìn)行測(cè)試的，使用的儀器是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°。

MH2的THz實(shí)驗(yàn)測(cè)試使用的是北京大恒的THz-TDS系統(tǒng)(型號(hào)： CIP-TDS)。 具體的，飛秒激光振蕩器(波長(zhǎng)800 nm，脈沖寬度100 fs)產(chǎn)生超短激光脈沖，激發(fā)光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲脈沖，同時(shí)采用光電導(dǎo)天線探測(cè)；系統(tǒng)測(cè)試范圍0.1～2.7 THz，光譜分辨率2.0 cm-1。 MH3的THz光譜測(cè)試采用萊儀特太赫茲(天津)科技有限公司的(Advantest，TAS7500SU)光譜儀。 其中，飛秒激光器(波長(zhǎng)800和1 550 nm)產(chǎn)生超短激光脈沖，THz脈沖產(chǎn)生和探測(cè)方式均為光電導(dǎo)天線；系統(tǒng)測(cè)試范圍0.5～6 THz，光譜分辨率0.26 cm-1。

1.3 方法

兩種晶型主要采用固態(tài)密度泛函理論(density functional theory, DFT)對(duì)馬來(lái)酰肼兩種晶型的幾何構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化，繼而計(jì)算其頻譜特性。 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泛函方法，平面波的截?cái)嗄転? 400 eV，常規(guī)保守贗勢(shì)[17-19]。 具體的，能量偏差為1.0×10-8eV·atom-1，最大位移偏差為1.0×10-4?。 MH2和MH3的晶胞參數(shù)如下[13-14]： MH2空間群P21/c(Z=14)，a=6.891 ?,b=9.674 ?,c=6.946 ?,α,γ=90.00°，β=100.07°，晶胞體積為V=455.912 ?3；MH3空間群P21/n(Z=14)，a=6.607 ?,b=6.907 ?,c=10.539 ?,α,γ=90.00°，β=104.00°，晶胞體積為V=466.656 ?3。 圖1分別為MH2和MH3的分子結(jié)構(gòu)(a)及晶胞結(jié)構(gòu)(b)(c)。

2 結(jié)果與討論

圖2是馬來(lái)酰肼兩種晶型的X衍射譜。 在測(cè)試THz特征譜之前，為驗(yàn)證馬來(lái)酰肼多形態(tài)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中(a)是本次X衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，(b)為晶體庫(kù)已保存的數(shù)據(jù)[13-14]。 通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，MH2和MH3都為單斜晶體，MH2為P21/c對(duì)稱性，MH3為P21/n對(duì)稱性。 從圖2可以看出，測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配良好，確認(rèn)了研究樣品的晶型，為本文THz吸收譜的準(zhǔn)確解析奠定基礎(chǔ)。

圖2 馬來(lái)酰肼MH2和MH3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 previouslypublished (b) of MH2 and MH3

圖3為馬來(lái)酰肼MH2和MH3兩種晶型在0.25～2.25 THz范圍的THz實(shí)驗(yàn)譜。 MH2實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲取了三個(gè)特征吸收峰，分別位于0.34，1.41和1.76 THz；MH3獲取了兩個(gè)特征吸收峰，分別位于0.75和1.86 THz處。 從實(shí)驗(yàn)譜測(cè)試結(jié)果來(lái)看，MH2和MH3的THz特征峰的峰位完全不同。 此實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明馬來(lái)酰肼的多形態(tài)可以憑借其THz光譜進(jìn)行辨別表征。 Qu等測(cè)試了馬來(lái)酰肼0.06～4 THz的吸收峰，獲取了位于2.34 THz處的一個(gè)吸收峰[16]，此結(jié)果無(wú)法確認(rèn)其晶型，且超出本文的研究范圍，故不對(duì)其進(jìn)行討論。 此外，本文THz實(shí)驗(yàn)中采用了兩種測(cè)試范圍不同的系統(tǒng)，原因一是MH2低頻有吸收峰(0.34 THz)，而TAS7500SU系統(tǒng)的測(cè)試范圍是0.5～6 THz；二是MH3采用CPI-TDS系統(tǒng)測(cè)試的第二個(gè)吸收峰無(wú)法觀測(cè)清楚。

圖3 馬來(lái)酰肼MH2和MH3的THz實(shí)驗(yàn)譜Fig.3 The experimental THz spectra of MH2 and MH3

由馬來(lái)酰肼的結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，其分子含有13個(gè)原子。 由于單個(gè)分子沒(méi)有對(duì)稱性，它的33個(gè)分子內(nèi)振動(dòng)模式均有紅外活性。 通過(guò)單個(gè)分子的量化模擬，馬來(lái)酰肼在3.59 THz處獲得了最低頻的分子內(nèi)振動(dòng)模式。 此結(jié)果說(shuō)明，MH2(MH3)在3.5 THz以下的吸收峰均來(lái)源于分子間相互作用。 想要進(jìn)一步解析THz吸收譜，必須借助于以晶胞結(jié)構(gòu)為計(jì)算模型的固態(tài)密度泛函。 根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)[13-14]，MH2和MH3的晶胞均含有4個(gè)分子，各自有21個(gè)(4Bu+5Au+6Ag+6Bg)分子間作用模式，由于C2h的群對(duì)稱性，其中12個(gè)分子間的模式具有紅外活性。

圖4是MH2和MH3的太赫茲實(shí)驗(yàn)及固態(tài)密度泛函理論計(jì)算的譜圖。 由圖可見(jiàn)，模擬結(jié)果能較好的對(duì)實(shí)驗(yàn)譜進(jìn)行重構(gòu)。 說(shuō)明固態(tài)理論是分析物質(zhì)THz譜的有力工具。 在0.25～2.25 THz范圍內(nèi)，MH2和MH3都分別獲得了3個(gè)具有紅外活性的光學(xué)模式，為了與實(shí)驗(yàn)譜進(jìn)行更直觀的比較，理論數(shù)據(jù)采用半高寬為0.15 THz的洛倫茲函數(shù)進(jìn)行了展寬。

在實(shí)驗(yàn)吸收峰和理論數(shù)據(jù)匹配情況下，MH2和MH3的實(shí)驗(yàn)吸收峰的來(lái)源歸納如下： MH2位于0.34和1.41 THz特征吸收峰來(lái)源于繞晶胞c軸的面外分子間轉(zhuǎn)動(dòng)；1.76 THz則來(lái)源于以N—H…O氫鍵弱相互作用為主的面內(nèi)集體擺動(dòng)。 MH3位于0.75 THz特征吸收峰來(lái)源于兩個(gè)光學(xué)模式，基于原子位移及模式中最大貢獻(xiàn)量，此吸收峰來(lái)源于面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；位于1.86 THz的吸收峰來(lái)源于分子繞a軸的面外集體振動(dòng)。

圖4 馬來(lái)酰肼多形態(tài)MH2和MH3實(shí)驗(yàn)和固態(tài)模擬譜圖Fig.4 The experimental and calculated spectra of MH2 and MH3

表1羅列了MH2以及MH3的實(shí)驗(yàn)THz吸收峰和理論計(jì)算的光學(xué)模式。 盡管固態(tài)理論計(jì)算結(jié)果對(duì)MH2和MH3的THz吸收峰能夠較好的進(jìn)行解析，但是固態(tài)計(jì)算中也出現(xiàn)了一些誤差。 例如： MH2位于1.41 THz的理論計(jì)算光學(xué)模式位于1.05 THz，理論數(shù)值相較于實(shí)驗(yàn)頻率向低頻移動(dòng)。 這可能的原因是固態(tài)理論在這個(gè)模式處低估了體系的總能量。 由于固態(tài)計(jì)算的優(yōu)化環(huán)境與實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境的差異，理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些偏差。 一種改善的方法是提高計(jì)算中的截?cái)嗄?，但截?cái)嗄艿奶岣邥?huì)帶來(lái)大量的運(yùn)算成本[20]。

為使藥物THz光譜研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，本文進(jìn)一步測(cè)試了馬來(lái)酰肼的商用藥品青鮮素在0.25～2.25 THz范圍內(nèi)的吸收譜。 圖5為青鮮素和MH3晶型的THz實(shí)驗(yàn)譜。

表1 MH2和MH3的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果(THz)Table 1 The calculated and experimental THzspectral data (THz) of MH2 and MH3

由圖中可見(jiàn)，青鮮素與MH3的兩個(gè)THz吸收峰完全匹配，說(shuō)明了市面上使用的青鮮素是MH3晶型。 此研究結(jié)果說(shuō)明THz光譜儀不但可以辨別不同藥品，也可以對(duì)臨床藥物的晶型進(jìn)行確認(rèn)。 此外，發(fā)現(xiàn)青鮮素在1.86 THz處的吸收峰變得略顯平滑，這可能是由于商用藥品中添加的其他輔料對(duì)馬來(lái)酰肼純度稀釋造成的。

3 結(jié) 論

采用THz-TDS系統(tǒng)，在室溫情況下測(cè)試了馬來(lái)酰肼多形態(tài)MH2和MH3在0.25～2.25 THz范圍的吸收譜，結(jié)果表明這兩種晶型的THz指紋譜信息完全不同，證明通過(guò)THz-TDS技術(shù)可以對(duì)馬來(lái)酰肼多形態(tài)進(jìn)行辨別表征。 結(jié)合固態(tài)密度泛函理論對(duì)兩種晶型的吸收峰來(lái)源進(jìn)行了分析歸納。 結(jié)果表明，MH2和MH3在0.25～2.25 THz范圍內(nèi)的吸收峰皆來(lái)源于分子間的作用力。 最后，對(duì)商用藥品青鮮素進(jìn)行了THz光譜測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其吸收峰與MH3的THz特征峰匹配，說(shuō)明商用植物發(fā)芽抑制藥品青鮮素主成分是MH3。 此結(jié)果說(shuō)明藥物多形態(tài)的THz光譜研究對(duì)藥物晶型的辨認(rèn)及其藥品生化功能的揭示具有重大的實(shí)際意義。

圖5 MH3和青鮮素的THz實(shí)驗(yàn)譜Fig.5 The experimental THz spectra of MH3and Qingxiansu (b)