溫度對艾草不同部位藥性影響的太赫茲光譜分析

孫樹祥,梅紅櫻,劉真,鄭新艷,2,孫東雪,司儀寒

(1.黃淮學院 電子信息學院,河南 駐馬店463000;2.河南省智慧照明重點實驗室,河南 駐馬店 463000;3.電子科技大學重慶微電子產業技術研究院,重慶 401331;4.信息功能材料結構與器件安徽普通高校重點實驗室,安徽 阜陽 236037)

艾草作為“草中鉆石”具有抑菌、抗蟲、抗病毒等巨大的應用價值,正所謂“小艾草,大功效”,對中醫藥的發展起了重要作用[1-2]。但是,人們對它的認知往往僅存于表面,靠古書記載或者民間流傳,如使用時需要水煮、燃燒等各種方法才能最大可能發揮出藥性等,缺乏現代科學原理的闡述[3]。自新冠病毒爆發以來,人們對中草藥的關注和應用更是上了一個階層,因此對中草藥的質量提供科學判定是非常有必要的[4]。

現代的中藥成分檢測技術主要有兩大類[5]:第一類是傳統鑒別方法,如基原鑒定、性狀鑒定、顯微鑒定等;第二類是現代鑒定方法,主要有理化鑒定和色譜鑒定兩種,理化鑒定的原理是利用中藥材中含有的某些化學成分的物理或化學反應來鑒定中藥材的真偽。這些鑒別方法資料不夠完善,成本偏高,且需要專業人才操作。

物質被太赫茲脈沖輻照,在相互作用的過程中,表現出強烈的吸收和色散特性,具有指紋譜性,可以用來鑒別物質的種類。因此,太赫茲時域光譜技術作為一種無損檢測手段,被廣泛地應用于食品藥品安全檢查領域。燕芳[6]等借助透射式的太赫茲時域光譜、DFT模型等技術對中草藥甘草中的甘草酸、甘草次酸以及甘草苷等主要成分進行了光譜研究,完成了物質的定性分析工作。劉燕德[5]等采用太赫茲光譜技術研究了四種常見的貝母,并建立了多種分類模型,對貝母的種類進行了實踐應用,識別率高達97.49%以上,為把控中藥材的質量提供了一種新的手段。殷明[7]等研究了黃酮類化合物在太赫茲波段的吸收光譜,并結合深度學習模型定量地分析了不同濃度含量的黃酮類物質,表明太赫茲時域光譜技術在中草藥檢測方面具有重要的應用價值。彭滟[8]等結合太赫茲技術和密度泛函理論,對松油醇含量的變化進行檢測,精確地分析出不同生長年限和純度的艾絨。

綜上,太赫茲時域光譜技術是現代中草藥成分鑒定方法中最有前景的定性定量探測方法之一。同一株艾草的入藥部位不同,藥性是有差異的,不同的加熱溫度也一定程度上影響中藥成分的提取,稍不注意就會嚴重影響中草藥的實際藥效,甚至關乎人們的生命。本文是基于自行搭建的太赫茲時域光譜系統,從太赫茲的頻譜、透射率和吸收系數等角度對艾草的不同部位和不同烹煮溫度下的藥性進行分析,為艾草在生活中的具體應用方法奠定數據基礎,指導艾草使用者從傳統用法向精確用法轉變。

1 基本原理

1.1 樣品制備

在本實驗中,所使用的艾草是從河南省駐馬店市泌陽縣田地采集,經過篩選和曬干處理,然后將艾草放置在不同溫度的生活用水中,比如25 ℃、50 ℃、80 ℃等,烹煮20 min后將艾草取出來并用鼓風干燥箱烘干,分別摘取艾草的葉、莖、根等部位進行研磨,隨后用200目篩子過濾。借助電子天平分別稱取一定質量的艾草根、艾草沫和艾草絨,大約在0.1～0.2 g范圍,通過壓片機對粉末進行壓片,壓力設置為30 MPa。樣品直徑約13 mm,厚度大約為8 mm。

1.2 實驗裝置

圖1 太赫茲時域光譜系統

太赫茲時域光譜是一種無損光譜檢測手段,由太赫茲輻射源、樣品架、太赫茲探測器、位移臺等部分組成,如圖1所示。其中,飛秒激光器為整個系統的光源部分,購買于德國的Toptica公司,中心波長是780 mm,重復頻率是80 MHz,脈寬< 100 fs,功率為120 mW。分束晶體將飛秒激光脈沖分為兩束,一束作為激發脈沖,另外一束作為采樣脈沖。首先,飛秒激光激發脈沖經過透鏡聚焦到砷化鎵材料的光電導天線上輻射出太赫茲光源,產生的太赫茲光斑直徑大約是3 mm,脈沖寬度是0.2 ～ 2.7 THz。太赫茲脈沖經過拋物鏡組準直聚焦到樣品架上。其次,另外一束采樣飛秒激光脈沖經過位移臺、反射鏡、透鏡等聚焦到碲化鋅晶體上,經過四分之一波片時線偏振光轉化為圓偏振光,后經過渥拉斯頓棱鏡,由晶體的雙折射效應輻射出兩束強度相等的光束進入探測器。若此時透過樣品的太赫茲電場也聚焦到碲化鋅晶體上采樣光聚焦的相同位置處時,由于晶體的雙折射效應,太赫茲電場會改變晶體極化率進而改變采樣光的偏振,這樣從渥拉斯頓棱鏡輻射出的兩束光的強度會有差別,通過鎖相放大器可以將這個差值探測出來。因此,利用電光采樣的原理,可以實現太赫茲脈沖的探測。系統中的太赫茲產生和探測部分封閉在有機玻璃罩中,所有實驗過程中充入氮氣,降低太赫茲系統中的濕度至5%以下,排除水汽吸收,提高信噪比。測試過程:首先是空測太赫茲信號,當作系統的背景;其次是測試不同烹煮溫度、不同部位艾草的太赫茲信號。

1.3 實驗方法

實驗記錄參考太赫茲時域信號和樣本的太赫茲時域信號,利用快速傅里葉變換算法可以得到光譜。根據菲涅耳公式,從文獻[7]中可以知道,對于薄膜,太赫茲時域光譜的透射公式為:

而文中艾草樣本的厚度在毫米量級,遠遠大于薄膜的尺寸,當作塊體處理。對于塊體,太赫茲透射公式可以表述為:

進而可以得到材料的折射率。

運用折射率、消光系數和吸收系數之間的關系,得到材料的消光系數和吸收系數如下:

其中,d代表樣品的厚度,c是光速,ω是角頻率。

2 分析與討論

本文的數據處理過程全部是通過軟件Labview完成的,通過調入襯底和樣品信號,借助編寫的程序進行傅里葉變換和光學常數的計算,如圖2所示。

圖3展示的是空測狀態與80 ℃下烹煮過的艾草的太赫茲時域光譜信號,由于艾草具有比空氣大的折射率,因此,一定厚度的艾草的時域信號會往后延遲,延遲的時間長度Δt由樣品的厚度決定,其一般的計算公式是:

其中,d是樣品的厚度,n是樣品的折射率,c是光速。

圖3 80 ℃下艾草與空測時的太赫茲時域光譜 圖4 不同溫度下艾草不同位置的太赫茲波段頻域光譜

至今為止,艾草中的化合物已有300余個,當艾草與太赫茲脈沖相互作用時,各化學成分會對太赫茲波具有一定的吸收和色散,吸收的多少會不同程度地影響艾草的太赫茲脈沖幅度,因此,艾草的太赫茲透射信號比空測情況的信號弱,如圖4所示。一般太赫茲時域信號不能夠直觀地觀察物質的吸收,在數據處理過程中,一般將測試的信號進行傅里葉變換,得到太赫茲信號的頻譜展現在圖4中。可以看出,艾草對太赫茲系統頻譜的高頻部分(>1.4 THz)具有強烈的吸收。另外,從傅里葉變換的頻譜還可以看出,針對同樣的樣品直徑和厚度,艾草的部位不同,頻譜的中心頻率、吸收峰位置和強度都略有不同。通過對數據的整理和分類,來研究烹煮溫度和艾草部位在太赫茲光譜下的光電特性,進而分析艾草的藥效成分分布,推動艾草產業的高質量發展。

圖5給出了艾草在25℃、50℃和80℃下不同部位的太赫茲光譜。一般太赫茲幅度表示物質成分的多少,針對不同溫度下的樣品固定其水平位置在某一頻率處,發現根部的幅值相對艾葉都較低,說明艾草的主要成分都存在于艾葉中。

圖5 不同溫度下的太赫茲光譜對比展示

如圖6所示,對于同一根部位的原料來說,烹煮溫度越高,艾草烘干后的太赫茲頻譜越低。可能是高溫煮過的艾草,大部分成分物質都已揮發或者他們的分子結構已經受到溫度的破壞,藥效成分大部分都被提取于溶液中,因此,剩余的艾草成分含量較少,太赫茲脈沖的幅度較低。在艾草成分中占主要含量的松油醇屬于易揮發性物質,在20 min內,經過不同溫度的烹煮,成分的損耗幾乎類似,所以艾草的沫、絨部分太赫茲光譜幅度隨溫度的變化相對較小,但依然可見80℃的位置比較低,物質成分損耗的多一些。

為了正確地分析上述結果,現對數據做進一步的透射率處理。透射率是指物質的太赫茲頻譜與小孔的太赫茲頻譜的比值。在分析過程中排除了物質之外的其他測量環境的干擾,一般物質所含成分越多,太赫茲幅度越高,透射率越高,或者說物質在溫度的影響下損耗的越多,太赫茲幅度越低,物質的透射率越低。圖7為不同烹飪溫度下艾草不同部位的太赫茲波段透射光譜。從圖7中可以發現,艾草的不同部位在不同烹飪溫度下的信號的透射率隨著太赫茲頻率的增加都在近似線性地降低。對于同一部位的艾草來說,透射率與烹飪溫度呈負相關的關系,說明艾草隨著烹飪溫度的增加,艾草的物質成分損耗加快;對同一溫度的艾草來說,根、絨、沫的透射率依次遞增,說明艾草的主要成分存在于葉中,葉中含有的營養成分和有效成分強于艾草的根部位。

圖7 不同烹飪溫度下艾草不同部位的太赫茲波段透射光譜 圖8 不同烹飪溫度下艾草不同部位的太赫茲波段吸收系數光譜

吸收系數光譜可以用來表征物質在與太赫茲脈沖相互作用過程中光波被吸收的多少,一般吸收系數越大,物質的透射幅度越低,所含成分越少;吸收系數越小,物質的透射幅度越高,所含成分越多,但是這也要考慮物質的有效頻段。對艾草不同烹飪溫度和不同部位的太赫茲吸收系數進行比較,如圖8所示。對于同一部位的艾草來說,烹飪溫度越高,高頻的吸收系數大,進而表明物質所含成分越少,大部分成分已經損耗;對于同一烹飪溫度的艾草來說,根部的吸收系數相比較于其他部位較高,所含的有效成分較低。

3 結語

借助自行搭建的太赫茲時域光譜系統,以本地采集的艾草為研究對象,無損檢測了艾草不同部位及不同烹煮溫度下的光學特性,在這一過程中排除了栽培技術、加工炮制、儲藏等多個因素的影響,保留了物質完整的分子結構。實驗結果表明,艾草不同部位及不同烹煮溫度下的頻域譜、透射光譜、吸收光譜等,具有明顯差異,意味著太赫茲時域光譜技術可以方便快捷地來評估艾草藥性情況,為艾草的廣泛推廣與應用提供實驗基礎。