對乙酰氨基酚的太赫茲時域光譜研究

鄭轉平，李愛東，李春艷，董 軍

西安郵電大學電子工程學院，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，屬于遠紅外波段。它是電子學向光子學的過渡區，一直被稱為THz空隙。近年來，由于超快光學技術、半絕緣半導體生產及其微加工技術的發展，穩定可靠的THz輻射源成為了一種常規技術，使得基于THz波的各種技術開始突飛猛進的發展[1-2]。現階段，THz領域的研究及應用越來越廣泛，其中最突出的就是THz時域光譜技術[3-4]。它是基于飛秒超快激光技術獲得物質在THz波段的特征指紋譜，繼而可以有效地研究物質在低頻下的作用模式。據調研，很多生物大分子的低頻振動模式大多是由于分子間的集體振動、分子間氫鍵的擺動及大官能團扭動引起的[5]。而THz波恰好處于遠紅外波段，對分子間相互作用及周圍環境極其敏感，并且其具有良好的穿透性和特殊的光譜特質，可以運用在物質的無接觸式鑒別[6]。因此，利用THz時域光譜技術可以對藥品成分、藥品質量以及藥品含量進行快速檢測。

近年來，因為藥品的濫用造成的危害事件的報道越來越多，藥品的質量安全問題不斷引發各界人士的關注。因為，藥品一旦變質，其有效成分就會大打折扣。變質的藥品會伴隨著其化學性質的改變而毒性增強。服用了變質藥品的患者，極有可能會產生身體損傷并且誘發其他并發癥，從而危害到生命健康。因此，對于藥品的快速有效檢測及其功能的揭示變得極其重要。

對乙酰氨基酚(Paracetamol，APAP，N-乙酰-P氨基苯酚)，又名撲熱息痛、必理通等，是一種解熱鎮痛消炎類藥，廣泛被用于治療疼痛和發燒，也可用于對阿司匹林過敏或不耐受的患者，具有安全、副作用小等特點。目前被廣泛應用于醫學臨床的治療[7]。阮健等測定了不同濃度的對乙酰氨基酚注射液的拉曼光譜[8]； 李銳測定研究了對乙酰氨基酚的紅外吸收光譜[9]。而針對對乙酰氨基酚的寬帶THz吸收譜及其吸收譜來源解析的文章，并未發現有相關報道。然而，研究藥物分子的THz時域光譜，不僅可以對其進行有效標定，而且其吸收峰揭示的分子間作用模式對于藥品的生化功能研究有重大意義。

基于此，采用THz時域光譜技術，實驗測試了對乙酰氨基酚在0.3～4.5 THz范圍內的THz光譜； 接著，采用密度泛函理論對實驗所得指紋吸收峰進行了模擬； 通過實驗和理論比對，對吸收峰的來源進行了討論和歸納； 最后，對比了對乙酰氨酚樣品與商用品牌藥片的THz吸收譜，發現變質前后的對乙酰氨基酚藥片的THz吸收譜存在明顯差異。

1 實驗部分

1.1 樣品制備

乙酰氨基酚樣品購于西安優博生物科技有限公司，純度大于99%，使用之前均未曾經過進一步純化處理。中美史克品牌的對乙酰氨基酚片購買于中美天津史克制藥有限公司。實驗中，對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，經過研缽研磨7 min，使樣品呈均勻粉末狀，然后在壓片機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，表面平滑且無裂痕的樣本。

對乙酰氨基酚的藥品熔點為168～172 ℃，因此中美史克品牌的對乙酰氨基酚藥品選擇了兩組溫度(170和190 ℃)分別為熔點范圍內和超過熔點范圍，用烘箱對藥品分別進行兩組溫度下時長均為1 h的烘烤，獲取其變質藥品。表1為所測幾種樣品的編號和厚度。

表1 樣品編號和厚度Table 1 Sample number and thickness

1.2 儀器及參數

XRD實驗采用的是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)，數據采集范圍是5～50°。

THz光譜測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。采用透射式測試系統，飛秒激光器產生超短激光脈沖，THz脈沖產生方式為光電導天線，光譜范圍為0.5～7 THz，動態范圍為50 dB，頻譜分辨率為7.6 GHz，實驗都是在室溫中進行。

1.3 計算方法

運用原子線性軌道的密度泛函理論進行單分子理論計算，計算方法選用B3LYP[10-11]，基組采用6-311G(d, p)，對單個對乙酰氨基酚分子進行結構優化和振動模式分析，收斂程度為“tight”。晶胞模擬計算中，運用平面波贗勢密度泛函理論，采用局域密度泛函PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof)方法，常規保守贗勢[12-14]。平面波的截斷能為1 000 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，最大應力偏差為0.02 GPa，最大位移偏差為1.0×10-5?。圖1為對乙酰氨基酚單個分子(a)及晶胞結構(b)。紅色虛線代表晶胞中分子間的氫鍵，每個晶胞都有4個分子。對乙酰氨基酚的晶胞參數如下[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 對乙酰氨基酚分子結構(a)及晶胞結構(b)Fig.1 The molecular structure (a) and crystal cell (b) of paracetamol

2 結果與討論

圖2是對乙酰氨基酚的X衍射譜。在測試THz特征譜之前，為驗證對乙酰氨基酚的純度，先測試了其X衍射譜，并與已存庫數據進行了比較。其中，圖2(a)是本次X實驗結果，圖2(b)為晶體庫已保存的數據[15]。由比較發現，對乙酰氨基酚為單斜晶體及P21/a對稱性。從圖2可以看出，測試結果與模擬所用結構的數據匹配良好，這也為THz吸收譜的準確解析奠定基礎。

圖2 對乙酰氨基酚的X衍射實驗譜(a)及參考文獻數據(b)Fig.2 The Powder XRD pattern (a) and the data previously published (b) [15] of paracetamol

圖3是對乙酰氨基酚的THz實驗譜。由圖可見，純樣品的對乙酰氨基酚(圖3a)在2.4 THz以內可以清晰的觀察到三個吸收峰，但高頻部分由于吸收太過強烈，基本無法標定THz特征吸收峰。為了測試對乙酰氨基酚的寬帶THz吸收譜，測試樣品中加入了聚四氟乙烯分散劑。其中，對乙酰氨基酚與分散劑PTFE比例分別為1∶2(圖3b)和1∶4(圖3c)。通過比較，發現在0.3～4.5 THz測試范圍中，隨著分散劑的比例加大，對乙酰氨基酚高頻的THz吸收峰愈加清晰。在混合比為1∶4(圖3c)的譜圖中，對乙酰氨基酚共獲得了六個指紋特征吸收峰，分別位于1.46，1.88，2.11，2.95，3.48和4.27 THz。另外，還可以觀察到一個位于2.52 THz的肩峰。

圖3 對乙酰氨基酚的THz實驗譜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

由對乙酰氨基酚的結構數據得知，它的晶胞共含有4個分子，其空間群為P21/a，對稱性為C2h。由于每個分子含有20原子，則對乙酰氨基酚共有240個光學模式，其中包含21個分子間振動模式： 4Au+5Bu+6Bg+6Ag，但由于對乙酰氨基酚對稱性為C2h，而對稱性為Bg和Ag的模式并不顯示紅外活性，所以實際只有9個分子間光學模式。

為解析吸收峰的來源，本文首先采用氣態理論的密度泛函B3LYP對對乙酰氨基酚的單個分子進行模擬。在0.3～4.5 THz范圍內共獲得4個光學模式，分別位于1.27，1.50，2.41及4.69 THz。其中，1.27 THz來源于苯環和CH3官能團的反向面外扭轉； 1.50 THz主要源于CH3官能團的面外擺動； 2.41 THz主要來源于苯環和側鏈的面外擺動； 4.69 THz來源于苯環和CH3基團的剪式面內振動。通過對實驗和理論結果比對，發現位于1.46，2.11和4.27 THz的吸收峰有可能存在分子內作用模式的貢獻。但由于氣態方法只考慮分子內作用力，無法對實驗吸收峰進行全面解析，所以在進一步的實驗譜解析中，以晶胞為模型的固態密度泛函成為主要光譜解析手段。

圖4是對乙酰氨基酚固態模擬結果和實驗譜。理論計算采用基于固態理論的PBE泛函，譜圖展寬采用半高寬為0.15 THz的洛倫茲函數。由圖可見，模擬結果能較好地對實驗譜進行重構。相較于單個分子的計算，固態理論計算在0.3～4.5 THz范圍內，共得到了13個具有紅外活性的光學模式(6a+7b)。表2給出了實驗所測THz吸收峰和理論計算的光學模式。

圖4 對乙酰氨基酚實驗和固態模擬譜圖Fig.4 The experimental and solid-state calculated spectra of paracetamol

表2 對乙酰氨基酚實驗和理論計算結果Table 2 The experimental and theoretical results of paracetamol

通過實驗和理論匹配，發現大于3.06 THz的光學模式，主要來源于分子內的振動。圖5是大于3.06 THz的四種光學模式。由圖可見，這四種光學模式均主要來源于CH3官能團的擺動及扭動。綜合氣態和固態密度泛函理論的計算結果，對乙酰氨基酚的THz吸收峰的來源情況歸納如下： 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的吸收峰主要來源于分子內作用模式。

圖5 對乙酰氨基酚的四種分子振動模式Fig.5 The four vibrational modes of paracetamol

圖6為中美史克品牌的對乙酰氨基酚片在未變質和變質后的THz譜測試結果。由于測試中藥片均為純藥片壓制，所以只能在0.3～2.75 THz的測試范圍內觀察到清晰的吸收峰。由圖6可見，未變質前的藥片圖6(b)(CZR)與對乙酰氨基酚樣品圖6(a)的THz吸收峰峰位一致。說明可以用對乙酰氨基酚的THz特征吸收峰對其商用藥品進行標定。

圖6(b)(CER)和(CNR)分別是藥片經過170和190 ℃烘烤變質的藥片所測試的THz吸收譜。其中，對乙酰氨基酚的熔點為168～172 ℃。由圖可見，CER的測試結果并未有明顯的變化，說明170℃的環境溫度并未對乙酰氨基酚的分子三維結構造成破壞，也說明在熔點范圍內，中美史克的對乙酰氨基酚能較好的保持性狀。CNR是藥片在超出熔點(190 ℃)情況下重制壓片測試的THz譜。由圖可見，能標定對乙酰氨基酚的三個特征吸收峰完全消失，說明分子間的三維結構已經完全被破壞，藥品的物化性質已經發生了轉變； 另一方面也說明位于1.46和2.11 THz處的吸收峰雖然有分子內作用力，但是貢獻量較小，其主要來源仍然是分子間作用力。此外，CNR在0.69 THz處發現了一個新的吸收峰，說明分子間已經形成了新的三維結構，藥片也開始產生了新的物化功能。此研究結果表明運用THz光譜儀完全可以對商用藥品進行監測和檢測。

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

3 結 論

測試了室溫條件下對乙酰氨基酚在0.3～4.5 THz范圍的THz光譜，結合密度泛函理論模擬計算，對測試到的七個特征吸收峰的來源進行了分析并歸納。研究發現，對乙酰氨基酚的THz特征吸收峰既有分子間相互作用，也有分子內作用力的貢獻。通過對中美史克對乙酰氨基酚片變質前后的THz時域光譜的測試與分析，發現未變質的藥片與對乙酰氨基酚樣品的THz吸收峰完全一致； 當藥片變質后，其THz特征吸收峰完全消失，說明通過其THz特征吸收峰完全可以辨別藥品有無變質； 變質后的對乙酰氨基酚片出現新的特征吸收峰，說明其分子間新的相互作用力已經形成，開始產生了新的生化功能。本文的研究有望對藥品的檢測和監測、藥物生化功能的揭示起到促進作用。