黄酮类药物的太赫兹光谱研究.docx

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黄酮类药物的太赫兹光谱研究

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

中药提取物中黄酮类药物分子的太赫兹光谱研究

TheterahertzspectroscopystudiesofflavonoidsintheextractofChinesemedicinedrugmolecules

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

Abstract

Terahertz（THz）technologyanditsapplicationsarenowadvancingrapidly.Thishasresultedinanumberofpromisingapplicationsinthefieldsofhomelandsecurity，informationandcommunications，condensedmaterphysics，globalenvironmentalmonitoring，nondestructiveevaluation，physicalandanalyticalchemistry，biologyandmedicalsciencesandmanyothers.Artemether、Genistin、ApigeninandGastrodinwerestudiedbyaterahertztime-domainspectroscopysystembuiltbytheauthors．Allfouramoxicillinsamplesherepresentedobviouscharacteristicabsorptions．Thepositionsandtheamplitudesoftheabsorptionpeaksoffoursamplesweredifferenttooneanothertosomeextent．Theexperimentresultsconfirmedtheapplicationprospectsofmedicinesbytheterahertztime-domainspectroscopytechnique．

KeyWords:

terahertz（THz）;terahertzspectroscopy;terahertzimaging;Flavonoidsdrugs

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-10THz（对应波长3mm～30μm）[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（terahertztime-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μW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T