L-和DL-福多司坦的太赫茲光譜分析

趙容嬌 何金龍 李 璟 郭昌盛 杜 勇 洪 治

(中國計量學院太赫茲技術與應用研究所,杭州310018)

L-和DL-福多司坦的太赫茲光譜分析

趙容嬌 何金龍 李 璟*郭昌盛 杜 勇 洪 治

(中國計量學院太赫茲技術與應用研究所,杭州310018)

利用太赫茲時域光譜技術(THz-TDS)在室溫下對L-福多司坦和DL-福多司坦進行測量,發現L-和DL-福多司坦在THz波段都有特征吸收峰,且兩者的吸收譜有明顯差異.運用密度泛函理論的B3LYP方法計算了L-和DL-福多司坦在太赫茲波段的吸收譜,并對L-和DL-福多司坦的特征吸收峰進行了指認,理論計算與實驗結果基本吻合.此外,還對福多司坦膠囊成品藥進行了測量,發現該膠囊的吸收譜與L-福多司坦非常吻合,證明膠囊藥的主要成分為L-福多司坦.這項研究對手性物質的檢測以及化合物有效成分的鑒別有一定的參考作用.

L-、DL-福多司坦;太赫茲光譜;密度泛函理論;振動模式

1 引言

太赫茲(terahertz,THz)是對頻率在0.1-10 THz (1 THz=1012Hz)區間的電磁波的總稱,1其光子能量與大部分有機分子及分子團的振動和轉動能級之間躍遷的能量大致相當,因此物質的THz譜包含豐富的物理和化學信息.2近年來,它被廣泛應用于化學和生物醫藥等領域.3德國科學家Walther等4首次利用太赫茲時域光譜(THz-TDS)技術研究了視黃醛分子不同異構體9-順式視黃醛、13-順式視黃醛和全反-視黃醛的THz吸收譜,發現這些異構體的吸收譜都有著顯著差異,這是由于THz-TDS技術可測定物質結構存在的微小差異,且對其變化非常靈敏.5-7因此,利用THz譜可以區分一些紅外譜難以區分的手性藥物.目前已經有研究開始關注利用THz技術分析手性物質和其消旋體.8-10

手性藥物對映體常具有不同的藥理活性和毒性,在體內的代謝作用也往往不同.11當前藥物研究的發展趨勢是追求療效高、毒副作用小、用藥量少,所以一般要求手性藥物以光學純的單一異構體形式應用于臨床.手性藥物的檢查逐漸成為藥學領域的一個研究熱點.新一代祛痰藥福多司坦正是一種手性藥物,其分子結構中有一個手性中心,存在一對對映異構體,具有藥理活性的是左旋體福多司坦(L-Fudosteine,S-(3-羥丙基)-半胱氨酸)),而右旋體D-Fudosteine無生物活性,消旋體DL-Fudosteine是L-和D-福多司坦兩種對映體以等量的形式共存于晶格中.福多司坦對咳嗽、慢性支氣管炎、支氣管擴張癥、塵肺病、肺氣腫、非定型抗酸菌癥等疾患均有很強的祛痰效果,并且具有藥效強、副作用小、市場潛力大等優點.12,13

本文利用THz-TDS技術在0-3.0 THz波段對L-和DL-福多司坦進行了測量,并運用密度泛函理論對L-和DL-福多司坦進行了模擬計算,模擬結果與實驗結果都表明它們的特征吸收譜有很大差距.此外,我們還對福多司坦膠囊成品藥進行了測量,結果表明膠囊藥的吸收譜與L-福多司坦的吸收譜基本一致.本研究為檢測手性物質,以及鑒別化合物的主要成分有一定的參考意義.

2 實驗和數據處理

2.1 實驗系統和樣品

實驗裝置是美國Zomega公司的Z-2太赫茲時域光譜系統,如圖1所示.摻鈦藍寶石飛秒鎖模激光器輸出中心波長為780 nm、重復頻率為80 MHz、脈沖寬度為100 fs的激光.激光束經分束鏡分為泵浦光和探測光.泵浦光經過斬波器調制,入射到砷化鎵基底的光電導天線激發THz脈沖,另一組作為探測光與THz脈沖一同通過ZnTe電光晶體,利用電光效應探測太赫茲波,并通過改變延遲線長度的方法取樣探測太赫茲信號的整個時域波形.測量環境為干燥的氮氣環境,相對濕度小于1%.

實驗所用L-和DL-福多司坦來自于中國藥品生物制品檢定所,純度均大于98%,使用前未經過進一步純化處理,福多司坦膠囊(由L-福多司坦及輔料制成)來自于正大青春寶藥業有限公司.L-、D-福多司坦,以及其消旋體DL-的分子結構見圖2.所有樣品都是多晶體粉末.

實驗將純L-、DL-福多司坦和福多司坦膠囊,分別與聚乙烯(PE)粉末按1:9的質量比混合均勻,經研磨后,用7 MPa的壓力壓成試片.

2.2 數據處理方法

樣品在THz波段的折射率及消光系數利用Timothy和Duvillaret等14,15提出的如下物理模型獲得:

其中n(ω)為樣品的實折射率,簡稱折射率,α(ω)為樣品的吸收系數,d為樣品厚度,ω為頻率,φ(ω)和ρ(ω)分別是樣品和參考信號的相位差和振幅比值.

圖1 太赫茲時域光譜(THz-TDS)實驗裝置示意圖Fig.1 Experimental setup for terahertz time-domain spectroscopy(THz-TDS)

圖2 福多司坦的分子結構Fig.2 Molecule structures of Fudosteine(a)L-Fudosteine;(b)D-Fudosteine;(c)DL-Fudosteine

由于所測樣品是L-、DL-福多司坦與聚乙烯(PE)混合而成的,根據朗伯-比爾定律,16混合物的吸收系數為其中αi為組分i的吸收系數,bi為混合物中組分i的質量比.由于實驗樣品中L-和DL-福多司坦純品的質量比例都是1/10,故純品的吸收系數計算公式為:

其中,αs表示樣品的吸收系數,αpure為純品的吸收系數,αPE為PE的吸收系數.

3 實驗結果與討論

室溫下,通過THz-TDS裝置測量得到待測樣品的時域譜,經傅里葉變換得到頻域譜.利用公式(2)計算得到吸收系數αs.考慮到TDS系統的動態范圍(DR),及其對光譜有效頻率范圍(或光譜置信區間)的影響,定義了參數amax:17

式中的DR我們用信噪比代替,實驗中通過對10次測試獲得的參考信號在頻域中計算振幅均值與其均方誤差的比值.

當吸收系數αs超過了αmax,其數值不再可信,則αmax和αs兩曲線的交點即為待測樣品光譜的可信頻率上限.圖3為DL-福多司坦樣品實驗得到的αmax和αs曲線,從圖中可得出DL-福多司坦的有效頻率上限為2.450 THz,同理L-福多司坦、PE及福多司坦膠囊的有效頻率上限分別為2.330、2.470和2.090 THz.

圖4為L-及DL-福多司坦實驗樣品在0.2-2.0 THz區間的吸收譜,從圖中可以看出這兩種樣品吸收譜的強度和吸收峰的位置都存在明顯的差別,這說明可以利用THz光譜分析對L-及DL-福多司坦進行有效鑒別.

圖3 DL-福多司坦的有效頻率上限Fig.3 Upper limit of effective frequency of DL-Fudosteine

圖4 0.2-2.0 THz范圍L-、DL-福多司坦的吸收光譜Fig.4 Absorption spectra of L-,DL-Fudosteine in the range of 0.2-2.0 THz

4 DFT計算與分析

本文對福多司坦進行了理論計算,選用密度泛函理論(DFT)中準確度非常高的Becke-3-Lee-Yang-Parr(B3LYP)方法,18,19以及6-31G*基組對孤立L-和DL-福多司坦分子進行了模擬計算.選取了D-和L-福多司坦分子的二聚體(如圖2c)近似模擬其消旋體.兩者通過兩個CO2…HO氫鍵相連,氫鍵鍵長為0.17721 nm,呈反式構型,其氫鍵相關的部分參數見表1.其中R、A、D分別代表鍵長、鍵角、二面角,數字表示原子的相應序列.

結果沒有出現虛頻,說明幾何優化結果是分子的最小能量結構.考慮到Gaussian模擬中沒有完全考慮電子相關作用和其對非簡諧性效應的忽略,以及我們對基組的選擇等因素的影響,20,21故采用了B3LYP/6-31G*的矯正因子0.961.22,23

利用公式(3)計算得到純L-和DL-福多司坦的吸收系數,并將模擬結果分別與實驗結果進行比較(見圖5),發現實驗和模擬的吸收峰位置基本相吻合.L-福多司坦實驗的吸收峰在1.108、1.426、1.844 THz恰好分別對應模擬計算的吸收峰1.106、1.496和1.846 THz;DL-福多司坦的實驗吸收峰1.896、1.050 THz處,恰好對應模擬計算的1.931和1.040 THz.模擬和實驗之間有少許偏移,這是因為實驗是在常溫下進行的,而理論模擬是在絕對零度下進行的,沒有考慮這種熱效應.

表1 氫鍵相關的部分參數Table 1 Some parameters of hydrogen bond

圖5 L-福多司坦(a)和DL-福多司坦(b)計算光譜與實驗光譜的比較圖Fig.5 Comparison between experimental and calculated spectra of L-Fudosteine(a)and DL-Fudosteine(b)

此外,實驗結果中L-福多司坦在1.643 THz、DL-福多司坦在1.667 THz存在吸收峰,這兩個吸收峰沒有對應的模擬結果.這是由于實驗測量的是多分子的晶體結構,晶格中存在分子間的弱相互作用,導致樣品的特征THz波吸收,24而模擬計算的模型是單分子,25未考慮到分子間的相互作用,26,27所以認為不能與理論計算結果對應的振動模式是由分子間振動模式引起的.28

計算結果表明,分子在THz低頻波段的振動主要源于多個原子參與的變形振動、扭動振動和彎曲振動.29不同峰位的振動模式不同,借助于Gaussian-View 3.0的視頻功能,通過動態觀察,可以對福多司坦的振動模式進行大致的指認,結果見表2.L-福多司坦分子在1.106 THz處的吸收是由于O9－C8－C7－C6鏈扭動,以及N3氨基團和O10氫氧鍵以鏈O10－C2－C1－N3為軸的扭動,如圖6a所示;在 1.496 THz處的吸收峰是由于O11－C2鍵的搖擺振動,以及C7和C8兩個甲基團的扭動,C7甲基的振動還帶動了與之相連的C6甲基團的搖擺振動,如圖6b所示;在1.846 THz處的吸收是由于C7甲基團和C8甲基團的扭動,該扭動模式還帶動了整條鏈O9－C9－C7－C6－S5－C4－C1－C2－O10集體振動,并引起N3氨基團的擺動振動,如圖6c所示; DL-福多司坦分子在1.931 THz處的吸收是由于C7甲基和C8甲基的扭動,以及C31甲基和C32甲基的扭動,如圖6d所示;1.040 THz處的吸收,一部分是由于C6甲基、C7甲基和C8甲基的扭動,如圖6e-1所示;另一部分由于C30甲基、C31甲基和C32甲基的扭動,如圖6e-2所示.這些吸收都屬于基團集體振動模式的范疇.

實驗結果和理論計算都表明L-福多司坦和DL-福多司坦的吸收譜確實有很大的差異,這是因為消旋體中存在分子間的弱相互作用(如氫鍵等),其低頻區的振動導致太赫茲吸收光譜發生變化.26

另外,我們還對福多司坦膠囊進行了測量,并分別與L-、DL-福多司坦純品吸收譜進行了比較,如圖7所示.可見,福多司坦膠囊與L-福多司坦的吸收譜大致相同,至于吸收強度上的差異,則是因為膠囊成品藥中的添加物影響.福多司坦膠囊與DL-福多司坦的吸收譜差距較大,特別是膠囊在1.1和1.5THz附近有很明顯的吸收峰,而DL-福多司坦則不明顯.這表明以整個或部分吸收譜作為化合物指紋特征,可實現化合物主要成分的有效鑒別.

表2 福多司坦的振動模式Table 2 Vibration modes of Fudosteine

圖6 福多司坦的振動模式Fig.6 Vibration modes of Fudosteinea,b,c are vibration modes of L-Fudosteine;d,e-1,e-2 are vibration modes of DL-Fudosteine.

圖7 福多司坦膠囊、純L-和DL-福多司坦的吸收譜Fig.7 Absorption spectra of Fudosteine capsule,pure L-and DL-Fudosteine

5 結論

利用THz-TDS系統在室溫下測量了L-和DL-福多司坦的THz光譜,在實驗樣品的有效頻率范圍內進行分析,發現L-和DL-福多司坦在吸收峰的位置、吸收強度等方面都有明顯差異.選用密度泛函理論對L-和DL-福多司坦在太赫茲波段的吸收光譜進行了模擬,并對福多司坦吸收峰的振動模式進行了指認,發現都是以基團和鏈的扭動為主要特征,不同峰位的扭轉模式及振動幅度不同.此外,我們還對福多司坦膠囊成品藥進行了測量,結果表明膠囊藥的吸收譜與L-福多司坦的吸收譜基本一致.這一研究結果為利用THz技術檢測手性物質和進一步分析分子內和分子間相互作用提供了參考.

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July 26,2011;Revised:September 19,2011;Published on Web:October 10,2011.

Terahertz Time-Domain Spectroscopy of L-and DL-Fudosteine

ZHAO Rong-Jiao HE Jin-Long LI Jing*GUO Chang-Sheng DU Yong HONG Zhi
(Centre for Terahertz Research,China Jiliang University,Hangzhou 310018,P.R.China)

The absorption spectra of L-and DL-Fudosteine were measured using terahertz time-domain (THz-TDS)system at room temperature.Experimental results show that L-and DL-Fudosteine both have distinct fingerprint spectra in the THz region and their characteristics are different from each other.The absorption frequencies for the vibration and rotation of Fudosteine in the THz spectral range were simulated and the results are consistent with the experimental results.We also interpret the origin of the absorption peaks using a simulation.Finally,the absorption spectra of the Fudosteine capsule,pure L-Fudosteine and DL-Fudosteine are compared.The results verify that the main component of the capsule is L-Fudosteine.This study provides a reference for the analysis of the main ingredients of compounds.

L-,DL-Fudosteine;Terahertz spectrum;Density functional theory;Vibration mode

10.3866/PKU.WHXB20112743

?Corresponding author.Email:lijing@cjlu.edu.cn;Tel:+86-571-86875672.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(61001064)and Natural Science Foundation of Zhejiang Province, China(Y1090912).

國家自然科學基金(61001064)和浙江省自然科學基金(Y1090912)資助項目

O641;O657.61