利用散射光增強弱吸收固體混合物中主要光吸收物質的光聲光譜特征*

余榮 江月松? 余蘭 歐軍

1)(北京航空航天大學電子信息工程學院,北京 100191)

2)(蘭州大學藥學院,蘭州 730000)

(2012年6月20日收到;2012年12月24日收到修改稿)

1 引言

光聲

自光譜20技世術紀用7 0于年研代究R凝o s聚e n態(tài)c w試a ig樣和的G吸e r收s ho光[1,譜2]將以來,光聲光譜以其高靈敏度、高普適性的特點吸引了眾多光譜工作者的關注,目前利用光聲光譜技術測量各種固體、粉末、凝膠等凝聚態(tài)試樣的吸收光譜已逐漸發(fā)展成為比較成熟的光譜技術[3-6].與傳統(tǒng)的吸收光譜技術不同的是,光聲光譜技術不直接測量光子,而是測量試樣吸收光能后經無輻射退激發(fā)過程產生的周期性熱流引起的聲振動.從原理上講,光聲信號與試樣吸收的光能成正比,未被試樣吸收的光能,如透射光、反射和散射光,不會引起光聲信號[1].光聲光譜技術的這一優(yōu)勢使它成為目前研究不透明、弱吸收或高散射試樣的理想測試手段之一[7-9].

然而,實際對光散射試樣的光聲光譜測量顯示散射光仍會對光聲光譜產生影響[10-14].究其原因,一方面是因為光聲池內壁吸收散射光產生背景光聲信號[15],另一方面,試樣內部的光散射效應會對其吸收產生影響[16-19],因此光聲光譜也會受到影響[20].Helander等[10,21]實驗研究并且在理論上推導了試樣內部光散射效應對光聲光譜的影響.McClelland和Kniseley[22]發(fā)現光散射效應甚至可對試樣的光聲信號產生較大影響,他們對SiC的光聲光譜實驗顯示：粉末SiC的光聲信號比片狀SiC的光聲信號高出一個數量級.然而,理論研究只給出了光聲信號與試樣的吸收系數和散射系數的關系,無法從理論結果直觀地看出光散射效應對試樣光聲光譜的影響.實驗研究方面,雖然陸續(xù)有光散射效應對試樣光聲信號影響的報道[23-25],但是在一個波譜范圍內研究光散射效應對試樣(尤其是混合物試樣)光聲光譜影響的報道很少.本文研究了光散射效應對固體混合物光聲光譜的影響,通過對弱吸收固體混合物——奧氮平藥片的光聲光譜研究發(fā)現：將多組分的片狀固體碾成粉末后,其光聲光譜將凸顯出其主要光吸收組分的光聲光譜特征.

2 實驗

2.1 材料

奧氮平藥片及其空白片參考美國專利US 20090035332[26]配方制作.奧氮平藥片的主成分為奧氮平原料藥粉末(Olanzapine,分子式C17H20N4S,化學名：2-methyl-4-(4-methyl-1-piperazinyl)-10H-thieno[2,3-b][1,5]benzodiazepine).每片奧氮平藥片質量為300 mg,含奧氮平原料藥10 mg,空白物290 mg.空白片中不含奧氮平原料藥,以10 mg無水乳糖代替10 mg的奧氮平原料藥,其余組分與奧氮平藥片相同.空白片的制作方法與奧氮平藥片的制作方法相同.

2.2 實驗裝置及實驗項目

實驗室自行搭建了傳統(tǒng)的氣體-微音器光聲光譜測量系統(tǒng)[27],借助LabVIEW軟件,通過計算機控制單色儀和鎖相放大器并采集數據,系統(tǒng)結構如圖1所示.分別測量奧氮平藥片及其粉末、空白片及其粉末的光聲光譜.實驗中設定斬波器的調制頻率為20 Hz,單色儀步進波長1 nm,波長變化范圍350—1020 nm,鎖相放大器的時間常數為1 s.為便于解釋所測量的結果,還在同樣的實驗條件下分別測量了300 mg的奧氮平原料藥粉末和300 mg的空白物粉末的光聲光譜.所有試樣的光聲光譜都經過重復測量.為了消除光源和光學系統(tǒng)對試樣光聲光譜的影響,對所有試樣的光聲光譜均進行了碳黑歸一化處理[3].

2.3 數據處理

本文采用差值法來消除由于池壁吸收散射光而產生的背景光聲信號.

實驗中將試樣分為(Ⅰ)奧氮平藥片與空白片和(Ⅱ)奧氮平藥片粉末與空白粉末兩組.由于每組中兩個試樣凝聚狀態(tài)相同,并且有29/30的組分相同,可近似認為每組中兩個試樣吸收入射光和散射入射光的情形相同.對每組試樣,可近似認為：相同組分產生相同的光聲信號,并且光聲池內壁吸收相同的散射光,產生相同的背景光聲信號.則取組(Ⅰ)的差值,得到奧氮平藥片中奧氮平原料藥的光聲信號

式中,qot(λ)為奧氮平藥片的光聲信號,qbt(λ)為空白片的光聲信號.qolanzapine(λ)排除了池壁吸收散射光的干擾,是只取決于奧氮平藥片中奧氮平原料藥光吸收性質的光聲信號.

同理,取組(Ⅱ)的差值,得到奧氮平藥片粉末中奧氮平原料藥的光聲信號

式中,qop(λ)和qbp(λ)分別是奧氮平藥片粉末和空白片粉末的光聲信號,q′olanzapine(λ)排除了池壁吸收散射光的干擾,是只取決于藥片粉末中奧氮平原料藥光吸收性質的光聲信號.

這樣,通過取每組中兩個試樣的差值譜就可以排除光聲池壁背景信號的干擾,得到奧氮平原料藥在同一固體混合物——奧氮平藥片的非散射和散射兩種狀態(tài)下的光聲光譜.

3 實驗結果與討論

3.1 奧氮平原料藥粉末與空白物粉末光聲光譜的比較

圖2顯示奧氮平原料藥粉末在350—500nm和680—820 nm波段各有一個吸收帶,其短波端的吸收更強,并有較高的吸收峰,這與文獻中關于奧氮平在紫外可見光區(qū)吸收光譜的報道基本一致[28,29].由圖2可知,與奧氮平原料藥的光聲光譜相比,空白物粉末的光聲光譜起伏很小,僅在860 nm處有一個小的吸收峰,而且從強度上看,空白物粉末的光吸收比奧氮平原料藥的吸收低得多.可見,在奧氮平藥片中奧氮平原料藥是主要的光吸收物質.

圖2 奧氮平原料藥粉末與空白物粉末歸一化光聲光譜

3.2 奧氮平藥片及其粉末光聲光譜的比較

奧氮平藥片及其粉末的光聲光譜經過數據處理后的結果如圖3所示.從圖3中可以看出：在奧氮平藥片的光聲光譜中,其主成分奧氮平原料藥的光譜特征幾乎被掩蓋;而藥片粉末的光聲光譜卻明顯表現出與其主成分奧氮平原料藥相似的光譜特征,并且粉末的光聲光譜中各個峰的位置與奧氮平原料藥的光聲光譜中各個峰的位置基本符合.

在奧氮平藥片的光聲光譜中看不到奧氮平原料藥的光譜特征,這與奧氮平原料藥的質量分數相對較小有關：奧氮平藥片的主成分奧氮平原料藥的質量與空白物質量之比為1：29,故奧氮平原料藥所產生的光聲信號被藥片中質量分數高得多的空白物的光聲信號所掩蓋.

令人感興趣的是,將奧氮平藥片碾成粉末后其光聲光譜發(fā)生了顯著的變化,明顯地表現出藥片中少量光吸收物質——奧氮平原料藥的特征吸收.圖3顯示在奧氮平原料藥的特征吸收波段350—500 nm和680—790 nm,奧氮平藥片粉末的光聲信號明顯高于片狀試樣的光聲信號.同一固體混合物在同樣的實驗條件下,其粉末試樣與片狀試樣光聲光譜有如此大的差異,顯然與其凝聚狀態(tài)不同有關.由于已對實驗數據做了差值處理,排除了池壁背景信號的干擾,因此上述實驗結果產生的主要原因可以歸結為粉末試樣內部的光散射效應.

圖3 奧氮平原料藥粉末、奧氮平藥片及其粉末的歸一化光聲光譜

對于單組分固體片狀試樣比粉末試樣的光聲譜信號強的原因,McClelland等[22]歸納為以下兩點：1)相對于片狀試樣,粉末試樣的鏡面反射減小,隨機取向的漫反射和散射光大大增強,使試樣內部受光照射的范圍增加,因此光聲信號增強;2)與片狀試樣相比,粉末與空氣接觸的表面積增大,提高了試樣中的熱波與空氣耦合的效率,使測量光聲信號增大.以上機制在將多組分固體混合物中片狀試樣碾成粉末時同樣發(fā)揮作用.但是,比較圖3中奧氮平藥片及其粉末的光聲光譜可以看到,在非奧氮平特征吸收的波段,粉末試樣的光聲信號與塊體的十分接近,甚至會比塊體的更低.這是無法用上述原因加以解釋的.因此可以推測,光散射效應作用于固體混合物光聲光譜的機制比其作用于單組分固體光聲光譜的機制更為復雜.

Helander等[10]的理論可用于解釋圖3中奧氮平藥片與其粉末的光聲光譜不同的原因：對于粉末試樣,由于其內部的光散射效應,試樣中的光子分布向表面移動,增強了光聲信號;同時,散射導致試樣實際吸收的光能減少,由光能轉化而來的總熱能下降,從而降低了光聲信號.奧氮平藥片粉末的光聲光譜正是這兩種相反的作用共同競爭的結果.

需要補充說明的是,圖3奧氮平藥片及其粉末的光聲光譜中有時取值為負值,這是因為這兩條譜線不是實測譜線而是經過數學處理后得到的差值譜.實測的光聲振幅信號總是大于等于零的.

3.3 奧氮平藥片粉末的光聲光譜與模擬譜的比較

對于奧氮平藥片粉末的光聲光譜凸顯出其主成分奧氮平原料藥的光聲光譜特征的原因做了進一步的探究.按照奧氮平藥片組分的質量比,分別用圖2中奧氮平原料藥粉末的光聲譜乘以1/30,空白物粉末的光聲譜乘以29/30,然后求和得到奧氮平藥片粉末的模擬光聲譜.圖4是對實測的奧氮平藥片粉末的光聲光譜與模擬譜線的比較.

圖4 奧氮平藥片粉末的模擬歸一化光聲光譜與實測譜線的比較

由圖4可以看出奧氮平藥片粉末的實測譜線與模擬譜明顯不同,尤其在短波端,實測譜線的強度遠大于模擬譜的強度.這證實了前面的推測,即光散射效應作用于固體混合物光聲光譜的機制與其作用于單組分固體光聲光譜的機制確有不同之處.其原因我們認為可以用如下的簡化模型加以解釋.

將片狀固體看作非散射試樣,則其粉末為散射試樣.對單組分固體,粉末試樣與片狀試樣組分相同,可認為二者吸收同樣的光輻射,產生相同的光聲信號.但是粉末試樣中存在光散射效應,多重散射(散射光在試樣內部經過多次反射和散射)導致一小部分散射光最終在試樣內部被吸收,因而產生額外的光聲信號,故粉末試樣的光聲信號比片狀試樣的更強.

對固體混合物,上述情形同樣成立.所不同的是,在粉末試樣中那一小部分最終被吸收的散射光不是平均地被所有組分吸收,而是在組分間進行了重新分配.如圖5(a)所示,在單組分試樣(奧氮平原料藥粉末)中,每個分子分得光輻射的機會是均等的,故中心奧氮平分子分得1/5的光輻射;在混合物(奧氮平藥片粉末)試樣中,由于周圍都是弱吸收組分的分子,它們對光輻射的吸收弱而散射強,故中心奧氮平分子分得的光輻射將高于1/5,即在混合物試樣中吸收強的組分將分得更多的光輻射.這樣,在混合物試樣中由于多重散射而最終被試樣吸收的那一小部分光輻射不是平均地被各組分吸收,而是強吸收組分吸收得最多,因而強吸收組分對試樣總的光聲信號貢獻更大,這導致了光散射效應作用于固體混合物光聲光譜的機制與其作用于單組分固體光聲光譜的機制有所不同.

圖5 奧氮平分子在單組分試樣與在混合物試樣中的分布 (a)單組分(奧氮平原料藥粉末);(b)混合物(奧氮平藥片粉末)

3.4 結果的應用

以上實驗結果有潛在的實際應用價值.對固體藥片進行成分鑒定時,近紅外反射光譜[30,31]和光聲光譜[32]都可以無需樣品預處理,直接對試樣進行光譜測量從而快速鑒別其成分.但是藥物對劑量有著嚴格的規(guī)定,配方藥物的主成分通常在藥片中的質量分數較小,在光譜測量時其主成分的光譜特征有可能被比其質量分數高得多的輔料的光譜特征所掩蓋.如果在所測量的光譜波段,主成分有特征吸收而輔料沒有,則可將試樣碾成粉末再測量其光聲光譜,這時藥物主成分的吸收特征就會凸顯出來.這一方法有助于提高藥物鑒別的效率.該方法也可以推廣應用于礦物、土壤等固體混合物的初步快速鑒別.

4結 論

本文通過比較弱吸收固體混合物——奧氮平藥片及其粉末的光聲光譜,發(fā)現將片狀固體混合物碾成粉末后,其光聲光譜將凸顯出其中主要光吸收組分的光聲光譜特征.利用這一發(fā)現,本文提出了一種可以初步快速鑒別固體混合物中光吸收組分的新方法,該方法有可能推廣應用于固體藥物、礦物和土壤分析等領域.

[1]Rosencwaig A,Gersho A 1976 J.Appl.Phys.47 64

[2]Rosencwaig A 1975 Anal.Chem.47 592

[3]Rosencwaig A 1980 Photoacoustic and Photoacoustic Spectroscopy(New York：Wiley)

[4]West G A 1983 Rev.Sci.Instrum.54 797

[5]Tam A 1986 Rev.Mod.Phys.58 381

[6]Haisch C 2011 Meas.Sci.Technol.23 012001

[7]Lee K H,Li Y D,Du Y L,Wu B M 2003 Acta Phys.Sin.52 1260(in Chinese)[李紀煥,李宜德,杜英磊,吳柏枚2003物理學報52 1260]

[8]Wang H Y,Yang Y T,Liu X J,Zhang SY 2010 J.Rare Earth 28 211

[9]Wu D,Tao C,Liu X J2010 Acta Phys.Sin.59 5845(in Chinese)[吳丹,陶超,劉曉峻2010物理學報59 5845]

[10]Helander P,Lundstrom I,McQueen D 1980 J.Appl.Phys.51 3841

[11]Tilgner R 1981 Appl.Opt.20 3780

[12]Burggraf L W,Leyden D E 1981 Anal.Chem.53 759

[13]Becconsall JK,Percy J,Reid RF 1981 Anal.Chem.53 2037

[14]Rajian JR,Carson PL,Wang X 2009 Opt.Express17 4879

[15]McClelland JF,Kniseley RN 1976 Appl.Opt.15 2967

[16]Foldy L L 1945 Phys.Rev.67 107

[17]Lax M 1951 Rev.Mod.Phys.23 287

[18]Twersky V 1970 J.Opt.Soc.Am.60 1084

[19]Yip W,Li X 2008 Opt.Lett.33 2877

[20]Fisher A R,Schissler A J,Schotland JC 2007 Phys.Rev.E 76 036604

[21]Helander P 1983 J.Appl.Phys.54 3410

[22]McClelland JF,Kniseley RN 1976 Appl.Opt.15 2658

[23]Mironychev A P,Maksimova I L,Romanov S V 1998 Proc.SPIE BIOSEurope’97 3354 383

[24]Kawahara T,Yamaguchi N,Mihara M,Kiyotoo T,Kimura A,Funaki S,Morimoto J,Tahira K,Miyakawa T 2000 Mem.Nat.Def.Acad.Math.Phys.Chem.Eng.40 31

[25]Rajesh RJ,Carson PL,Wang X D 2009 Porc.SPIE p717715

[26]Stefansson SE 2009 U.S.Patent 0035332[2009-02-05]

[27]Rosencwaig A 1977 Rev.Sci.Instrum.48 1133

[28]Raggi M A,Casamenti G,Mandrioli R,Izzo G,Kenndler E 2000 J.Pharmaceu.Biomed.23 973

[29]Ayala A,Siesler H,Boese R,Hoffmann G,Polla G,Vega D 2006 Int.J.Pharm.326 69

[30]Reich G 2005 Adv.Drug Deliver.Rev.57 1109

[31]Roggo Y,Chalus P,Maurer L,Lema-Martinez C,Edmond A,Jent N 2007 J.Pharmaceut.Biomed.44 683

[32]Nakai Y,Yamamoto K,Terada K,Sakai M 1985 Chem.Pharm.Bull.33 3068