基于太赫茲輻射的甘草主成分光譜分析

燕 芳，張俊林，劉成毫，于 洋

〈太赫茲技術〉

基于太赫茲輻射的甘草主成分光譜分析

燕 芳1，張俊林1，劉成毫1，于 洋2,3

（1. 內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭 014010；2. 北京科技大學 自動化學院，北京 100083；3. 北京市工業波譜成像工程技術研究中心，北京 100083）

采用透射式太赫茲時域光譜系統測試了甘草主成分甘草酸、甘草次酸以及甘草苷的太赫茲光譜，發現甘草酸、甘草次酸以及甘草苷在0.3～1.72THz頻段內具有明顯的吸收特征，此頻段內它們的太赫茲吸收峰峰位接近、吸收譜譜線相似。利用量子化學方法模擬甘草酸的太赫茲吸收譜，并與實驗譜進行對比指認完成對3種單質的定性分析工作。本文分別采用基于DFT和PM3模型，完成對甘草酸單分子構型的結構優化與頻率計算。結果表明，兩種方法得到的太赫茲模擬吸收峰與實驗吸收峰基本吻合，而且基于DFT模型得到的太赫茲模擬吸收譜波形與實驗譜更為接近。最后選取了甘草酸的特征吸收峰1.655THz及其附近6個數值點的太赫茲吸收系數，將其取平均值后與濃度進行了一元線性回歸擬合，擬合結果從理論上驗證了甘草酸太赫茲吸收譜符合朗伯比爾定律。

太赫茲時域光譜；甘草酸；一元線性回歸；量子化學

0 引言

近年來，太赫茲時域光譜技術在藥物檢測方面展現出無與倫比的優勢。Zhang等[1]獲取了不同比例混合的金胺O粉末與蒲黃太赫茲光譜數據，并采用2DCOS-PLSR模型預測樣品中金胺O粉末含量。逯美紅等[2]以鹽酸罌粟堿為研究對象，利用密度泛函理論計算其振動頻率，并在此基礎上討論其分子構象和振動模式。周永軍等[3]驗證了太赫茲光譜在中藥材鑒別中的可行性。劉曉慶等人[4]利用太赫茲時域光譜系統獲得純青霉素鈉以及來自3個不同廠商的阿莫西林膠囊在0.2～1.4THz波段的吸收光譜，分析了樣品質量與吸收峰的關系。Wang等[5]建立了一種綠色、無損的基于太赫茲指紋峰的膳食補充劑中L-組氨酸和α-乳糖的快速原位分析方法。劉麗萍等[6]將THz-TDS技術與量子化學計算軟件Materials Studio相結合，檢測并分析了天麻膠囊和天麻素，并對天麻素的吸收峰進行了振動模式分析。Chen[7]的研究結果提示甘草酸是潛在的抗COVID-19的化合物。申美倫等[8]歸納了甘草中甘草酸、甘草次酸的提取和分離純化方法。丁玲等[9]證實了HPLC（high performance liquid chromatography）法測得甘草中甘草酸、甘草苷含量與利用可見-短波紅外技術結合PLS（partial least-square）回歸模型預測得到的數據相關性較高。

本文實驗測得甘草酸、甘草次酸與甘草苷單質的太赫茲光譜，運用Gaussian09計算甘草酸單分子的太赫茲吸收譜，最后采用一元線性回歸模型預測甘草酸濃度。

1 實驗分析

1.1 實驗儀器

本實驗所用儀器為北京市工業波譜成像工程技術研究中心的透射式THz-TDS平臺[10]實驗前將干燥的氮氣充入密閉的太赫茲光路中，將濕度降低至7%以下才開始實驗數據采集，并保證實驗進行中樣品室及密閉光路系統的濕度始終小于7%，溫度保持在約20℃。

1.2 樣品制備

甘草酸、甘草苷與甘草次酸性狀相似，均為白色粉末。本文實驗中均選取純度大于98%高純度粉末狀樣品，其中甘草酸、甘草次酸購買于北京百靈威科技有限公司，甘草苷購置于南京秋實生物科技有限公司，聚乙烯購于Sigma-Aldridge。

根據表1樣品配比，將適量的樣品粉末和聚乙烯粉末倒入瑪瑙研缽，并混合均勻。然后，將混合后的粉末送入內徑13mm的壓片模具，由壓片機以6MPa的壓強壓制3min制備成直徑約13mm，厚度約1mm的圓柱形樣片，取出后送入樣品干燥柜中備用。按照上述方法，每種樣品配置5組，將5組樣品的測量數據取平均值，得到最終的太赫茲吸收光譜。

1.3 數據處理

首先，分別記錄太赫茲光路中的樣品信號sam()與參考信號ref()。然后進行傅里葉變換得到對應的頻域信號sam(w)與ref(w)，代入吸收系數計算公式(1)、(2)，得到樣品的太赫茲吸收光譜[11-12]。

able 1 Sample Mixing Information

表1 樣品配比信息 T

式中：是角頻率；為真空中光速；為樣品厚度；()參考信號與樣品信號的相位差，|sam|、|ref|分別為樣品信號和參考信號的頻域幅值。s()為樣品折射率，()為樣品吸收系數。

2 結果討論

2.1 實驗譜分析

圖1中3種樣品的吸收譜線均隨頻率增加呈不斷上升的趨勢，且甘草酸、甘草苷及甘草次酸的吸收譜線形狀相似，但吸收峰位與強度有明顯差別。3種單質的太赫茲吸收峰位參見表2。

圖1 三種單質的太赫茲吸收譜

表2 三種樣品吸收峰位

觀察圖1虛線框內局部放大的吸收特性可知，在0.3～1THz內甘草酸并無吸收峰，而甘草苷與甘草次酸均存在接近的吸收峰位。1～1.6THz頻段內，可以根據1.004、1.131兩個峰位區別甘草苷與甘草次酸。另外，甘草酸、甘草苷及甘草次酸3種物質在多個位置的吸收峰較為接近甚至相同，這是因為三者在化學結構與化學性質上有著很大的相似性。

2.2 甘草酸實驗譜與計算譜對比

如圖2所示將甘草酸單分子分為含氧碳環塊、碳環塊。

圖2 甘草酸的分子構型

首先，采用PM3算法對上述單分子構型進行結構優化與頻率計算，得到甘草酸分子的太赫茲吸收計算譜，如圖3黑色虛線所示。觀察黑色虛線，甘草酸分子在0.3～1.7THz范圍內3個理論吸收峰分別位于0.869THz、1.176THz、1.565THz處。PM3算法吸收計算譜波形與實驗譜波形相差較大，需要改善理論方法，獲取更為精確的吸收譜。

密度泛函（Density functional theory）理論中的B3LYP泛函適用于較大體系的單分子結構計算，基組選擇6-31G(d)，引入色散校正項DFT-D3。另外采用諧振頻率校正因子校正分子理論構型與計算方法選擇引起的計算頻率與實驗數據之間的偏差。在CCCBDB查得6-31G(d)基組的校正因子為0.96。最終計算譜如圖3藍色點劃線所示。觀察藍色點劃線發現，PM3理論計算值1.565THz與實驗值1.561THz吻合，但是1.561THz吸收強度的實驗值相對較弱。計算譜中1.176THz的理論計算值接近實驗光譜中1.131THz的峰值位置?；贒FT計算的吸收光譜的峰值位于1.279THz和1.661THz，并且波形與實驗譜更加一致，而理論計算值1.661THz與實驗值1.655THz符合，證明理論方法的選擇是合理的。

圖3 甘草酸實驗光譜與PM3、DFT計算譜對比

2.3 一元線性回歸模型預測

朗伯比爾定律是光吸收基本定律，其表達形式為：

＝**(3)

式中：為樣片吸收系數；為單位摩爾吸收系數；為樣片厚度；為樣片濃度。本節制備不同質量分數的甘草酸樣片，樣片信息如表3所示，利用太赫茲時域光譜系統獲取太赫茲吸收光譜。觀察圖4發現3種甘草酸太赫茲吸收譜的基線斜率會隨濃度的增大而上升。為了驗證甘草酸太赫茲吸收系數與濃度之間的線性關系，選取特征吸收峰1.655THz及其附近6個數值點的太赫茲吸收系數如表4所示，取其平均值與濃度進行一元線性回歸擬合。結果如圖5所示。從圖中可以看出甘草酸太赫茲吸收光譜符合朗伯比爾定律。一元線性回歸模型為：＝93.74173－18.56105，相關系數2＝0.99824。利用一元線性回歸模型預測樣品的濃度，結果見表5。

3 結論

本文首先制備了甘草酸、甘草次酸以及甘草苷樣片，利用透射式太赫茲時域光譜系統測得上述樣片的太赫茲光譜，發現它們的譜線相似。其次，構建甘草酸單分子構型，并利用Gaussian09軟件對其進行了結構優化與頻率計算，獲得了太赫茲計算譜。對比發現，隨著理論方法的改進，甘草酸的太赫茲吸收計算譜和實驗譜不僅在峰位上對應，且太赫茲吸收譜波形也趨于一致。最后制備含量分別為20%，30%，40%的甘草酸樣品，通過一元線性回歸模型擬合了甘草酸太赫茲光譜吸收系數與濃度的關系，驗證了甘草酸的太赫茲吸收光譜符合朗伯比爾定律。

圖4 不同濃度的甘草酸太赫茲吸收譜

圖5 一元線性回歸預測模型

表3 不同濃度甘草酸樣品的配比信息

表4 1.655THz及其附近6個頻率點的吸收系數值

表5 濃度預測值及相對誤差

致謝：感謝北京市工業波譜成像工程技術研究中心提供的太赫茲時域光譜實驗平臺，感謝北京科技大學自動化學院的于洋博士在實驗方面給予的幫助和有益討論。

[1] ZHANG H, LI Z, CHEN T, et al. Quantitative Determination of Auramine O by Terahertz Spectroscopy with 2DCOS-PLSR Model[J]., 2017, 184: 335-341.

[2] 逯美紅, 雷海英, 黃振芬, 等. 基于密度泛函理論的鹽酸罌粟堿太赫茲振動光譜計算與分析[J]. 原子與分子物理學報, 2019, 36(6): 908-916.

LU Meihong, LEI haiying, HUANG zhenfen, et al. Density functional theoretical calculations and analysis on terahertz vibrational spectra of papaverine hydrochloride[J]., 2019, 36(6): 908-916.

[3] 周永軍, 劉勁松, 王可嘉, 等. 基于太赫茲譜分析中藥材鑒別[J]. 光譜學與光譜分析, 2014, 34(7): 1840-1843.

ZHOU Yongjun, LIU Jinsong, WANG Kejia, et al. Identification of Chinese Herbal Medicines Based on Terahertz Spectroscopy Analysis[J]., 2014, 34(7): 1840-1843.

[4] 劉曉慶, 姚嘉麗, 黃凡, 等. 基于太赫茲時域光譜的青霉素類藥物檢測研究[J]. 光學學報, 2020, 40(6): 0630001.

LIU Xiaoqing, YAO Jiali, HUANG Fan, et al. Studuy on Detection of Penicillin Drugs Based on Terahertz Time-Domain Spectroscopy[J]., 2020, 40(6): 0630001.

[5] WANG Yongmei, ZHAO Zongshan, QIN Jianyuan, et al. Rapid in situ analysis of l-histidine anda-lactose in dietary supplements by fingerprint peaks using terahertz frequency-domain spectroscopy[J]., 2020, 208: 120469.

[6] 劉麗萍, 王煜斐, 楊霏, 等. 基于太赫茲時域光譜技術的天麻素檢測[J]. 中藥材, 2018, 41(4): 909-911.

LIU Liping, WANG Yufei, YANG fei, et al. Detection of Gastrodin Based on the Terahertz Time-domain Spectroscopy[J]., 2018, 41(4): 909-911.

[7] CHEN H S, DU Q H. Potential natural compounds for preventing 2019-nCOV infection[J]., 2020. Doi: 10.20944/ preprints202001.0358.v3.

[8] 申美侖, 劉廣欣, 梁業飛, 等. 甘草酸和甘草次酸提取分離方法的研究進展[J]. 食品工業科技, 2019, 40(18): 326-333.

SHEN Meilun, LIU Guangxin, LIANG Yefei, et al. Progress on Extraction and Separation of Glycyrrhizic Acid and Glycyrrhetinic Acid[J]., 2019, 40(18): 326-333.

[9] 丁玲, 李宏益, 張學文. 實測甘草冠層光譜定量估算甘草酸和甘草苷含量[J]. 光譜學與光譜分析, 2014, 34(7): 1933-1937.

DING Ling, LI Hongyi, ZHANG Xuewen. Quantitative Estimation of Glycyrrhizic Acid and Liquirit in Contents Using In- Situ Canopy Spectroscopy[J]., 2014, 34(7): 1933-1937.

[10] ZHANG Tianyao. Characterization of Terahertz Absorption and Dielectric Properties of Solids Based on Time Domain Spectroscopy[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2019.

[11] Duvillaret L, Garet F, Coutaz J L. A Reliable Method for Extraction of Material Parameters in Terahertz Time-Domain Spectroscopy[J]., 1996, 2(3): 739-746.

[12] Duvillaret L, Garet F, Coutaz J L. Highly Precise Determination of Optical Constants and Sample Thickness in Terahertz Time-Domain Spectroscopy[J]., 1999, 38(2): 409-415.

Principal Component Spectrum Analysis of Licorice Based on Terahertz Radiation

YAN Fang1，ZHANG Junlin1，LIU Chenghao1，YU Yang2,3

(1.,014010,；2.,100083,;3.,100083,)

In this study, a transmission terahertz time-domain spectrum system was used to test the terahertz spectra of glycyrrhizic acid, glycyrrhetic acid, and glycyrrhizin as the main components of glycyrrhiza (licorice). The characteristics of these licorice constituents and their terahertz absorption peaks were found to be close to each other and their absorption spectra were similar. A quantum chemistry method was used to simulate the terahertz absorption spectrum of glycyrrhizic acid; this spectrum was then compared with the experimental spectrum to perform a qualitative analysis of the three elements. In this study, based on the density functional theory (DFT) and PM3 models, a single molecular configuration of glycyrrhizic acid was introduced for structural optimization and frequency calculation. The results showed that the terahertz simulated absorption peaks obtained by the two methods coincided with the experimental absorption peaks, and the terahertz simulated absorption spectrum waveforms obtained based on the DFT model were closer to those of the experimental spectrum. Finally, the characteristic absorption peak of glycyrrhizic acid at 1.655THz and the terahertz absorption coefficients of six nearby numerical points were selected, and the average value was used to perform a one-dimensional linear regression fitting with the concentration. The fitting results verified the licorice theoretically, and the acid terahertz absorption spectrum conformed to Lambert's law.

terahertz time-domain spectroscopy, glycyrrhizic acid, univariate linear regression, quantum chemistry

O657.3

A

1001-8891(2021)03-0279-05

2020-04-30 ；

2020-12-30.

燕芳（1980-），女，副教授，博士，主要研究領域為太赫茲技術及應用。E-mail: 0472yanfang@163.com。

張俊林（1994-），男，碩士研究生，主要研究方向為太赫茲時域光譜技術。E-mail: zhangjunlin88888@163.com。

國家自然科學基金項目（61463041）；內蒙古自然基金項目（2018MS06020）