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(shù)〉

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(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083；3. 北京市工業(yè)波譜成像工程技術(shù)研究中心，北京 100083）

采用透射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)測(cè)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(fā)現(xiàn)甘草酸、甘草次酸以及甘草苷在0.3～1.72THz頻段內(nèi)具有明顯的吸收特征，此頻段內(nèi)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(xué)方法模擬甘草酸的太赫茲吸收譜，并與實(shí)驗(yàn)譜進(jìn)行對(duì)比指認(rèn)完成對(duì)3種單質(zhì)的定性分析工作。本文分別采用基于DFT和PM3模型，完成對(duì)甘草酸單分子構(gòu)型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與頻率計(jì)算。結(jié)果表明，兩種方法得到的太赫茲模擬吸收峰與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)值點(diǎn)的太赫茲吸收系數(shù)，將其取平均值后與濃度進(jìn)行了一元線性回歸擬合，擬合結(jié)果從理論上驗(yàn)證了甘草酸太赫茲吸收譜符合朗伯比爾定律。

太赫茲時(shí)域光譜；甘草酸；一元線性回歸；量子化學(xué)

0 引言

近年來，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)在藥物檢測(cè)方面展現(xiàn)出無與倫比的優(yōu)勢(shì)。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(shù)據(jù)，并采用2DCOS-PLSR模型預(yù)測(cè)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(duì)象，利用密度泛函理論計(jì)算其振動(dòng)頻率，并在此基礎(chǔ)上討論其分子構(gòu)象和振動(dòng)模式。周永軍等[3]驗(yàn)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(shí)域光譜系統(tǒng)獲得純青霉素鈉以及來自3個(gè)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(zhì)量與吸收峰的關(guān)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(bǔ)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(shù)與量子化學(xué)計(jì)算軟件Materials Studio相結(jié)合，檢測(cè)并分析了天麻膠囊和天麻素，并對(duì)天麻素的吸收峰進(jìn)行了振動(dòng)模式分析。Chen[7]的研究結(jié)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(shí)了HPLC（high performance liquid chromatography）法測(cè)得甘草中甘草酸、甘草苷含量與利用可見-短波紅外技術(shù)結(jié)合PLS（partial least-square）回歸模型預(yù)測(cè)得到的數(shù)據(jù)相關(guān)性較高。

本文實(shí)驗(yàn)測(cè)得甘草酸、甘草次酸與甘草苷單質(zhì)的太赫茲光譜，運(yùn)用Gaussian09計(jì)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(yù)測(cè)甘草酸濃度。

1 實(shí)驗(yàn)分析

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)所用儀器為北京市工業(yè)波譜成像工程技術(shù)研究中心的透射式THz-TDS平臺(tái)[10]實(shí)驗(yàn)前將干燥的氮?dú)獬淙朊荛]的太赫茲光路中，將濕度降低至7%以下才開始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，并保證實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中樣品室及密閉光路系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)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(gòu)買于北京百靈威科技有限公司，甘草苷購(gòu)置于南京秋實(shí)生物科技有限公司，聚乙烯購(gòu)于Sigma-Aldridge。

根據(jù)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(nèi)徑13mm的壓片模具，由壓片機(jī)以6MPa的壓強(qiáng)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(cè)量數(shù)據(jù)取平均值，得到最終的太赫茲吸收光譜。

1.3 數(shù)據(jù)處理

首先，分別記錄太赫茲光路中的樣品信號(hào)sam()與參考信號(hào)ref()。然后進(jìn)行傅里葉變換得到對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)sam(w)與ref(w)，代入吸收系數(shù)計(jì)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(hào)與樣品信號(hào)的相位差，|sam|、|ref|分別為樣品信號(hào)和參考信號(hào)的頻域幅值。s()為樣品折射率，()為樣品吸收系數(shù)。

2 結(jié)果討論

2.1 實(shí)驗(yàn)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(shì)，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(qiáng)度有明顯差別。3種單質(zhì)的太赫茲吸收峰位參見表2。

圖1 三種單質(zhì)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(nèi)局部放大的吸收特性可知，在0.3～1THz內(nèi)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(nèi)，可以根據(jù)1.004、1.131兩個(gè)峰位區(qū)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(zhì)在多個(gè)位置的吸收峰較為接近甚至相同，這是因?yàn)槿咴诨瘜W(xué)結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)上有著很大的相似性。

2.2 甘草酸實(shí)驗(yàn)譜與計(jì)算譜對(duì)比

如圖2所示將甘草酸單分子分為含氧碳環(huán)塊、碳環(huán)塊。

圖2 甘草酸的分子構(gòu)型

首先，采用PM3算法對(duì)上述單分子構(gòu)型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與頻率計(jì)算，得到甘草酸分子的太赫茲吸收計(jì)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(nèi)3個(gè)理論吸收峰分別位于0.869THz、1.176THz、1.565THz處。PM3算法吸收計(jì)算譜波形與實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)計(jì)算，基組選擇6-31G(d)，引入色散校正項(xiàng)DFT-D3。另外采用諧振頻率校正因子校正分子理論構(gòu)型與計(jì)算方法選擇引起的計(jì)算頻率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jì)算譜如圖3藍(lán)色點(diǎn)劃線所示。觀察藍(lán)色點(diǎn)劃線發(fā)現(xiàn)，PM3理論計(jì)算值1.565THz與實(shí)驗(yàn)值1.561THz吻合，但是1.561THz吸收強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)值相對(duì)較弱。計(jì)算譜中1.176THz的理論計(jì)算值接近實(shí)驗(yàn)光譜中1.131THz的峰值位置?；贒FT計(jì)算的吸收光譜的峰值位于1.279THz和1.661THz，并且波形與實(shí)驗(yàn)譜更加一致，而理論計(jì)算值1.661THz與實(shí)驗(yàn)值1.655THz符合，證明理論方法的選擇是合理的。

圖3 甘草酸實(shí)驗(yàn)光譜與PM3、DFT計(jì)算譜對(duì)比

2.3 一元線性回歸模型預(yù)測(cè)

朗伯比爾定律是光吸收基本定律，其表達(dá)形式為：

＝**(3)

式中：為樣片吸收系數(shù)；為單位摩爾吸收系數(shù)；為樣片厚度；為樣片濃度。本節(jié)制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甘草酸樣片，樣片信息如表3所示，利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)獲取太赫茲吸收光譜。觀察圖4發(fā)現(xiàn)3種甘草酸太赫茲吸收譜的基線斜率會(huì)隨濃度的增大而上升。為了驗(yàn)證甘草酸太赫茲吸收系數(shù)與濃度之間的線性關(guān)系，選取特征吸收峰1.655THz及其附近6個(gè)數(shù)值點(diǎn)的太赫茲吸收系數(shù)如表4所示，取其平均值與濃度進(jìn)行一元線性回歸擬合。結(jié)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(guān)系數(shù)2＝0.99824。利用一元線性回歸模型預(yù)測(cè)樣品的濃度，結(jié)果見表5。

3 結(jié)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(shí)域光譜系統(tǒng)測(cè)得上述樣片的太赫茲光譜，發(fā)現(xiàn)它們的譜線相似。其次，構(gòu)建甘草酸單分子構(gòu)型，并利用Gaussian09軟件對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化與頻率計(jì)算，獲得了太赫茲計(jì)算譜。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著理論方法的改進(jìn)，甘草酸的太赫茲吸收計(jì)算譜和實(shí)驗(yàn)譜不僅在峰位上對(duì)應(yīng)，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(shù)與濃度的關(guān)系，驗(yàn)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(yù)測(cè)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(gè)頻率點(diǎn)的吸收系數(shù)值

表5 濃度預(yù)測(cè)值及相對(duì)誤差

致謝：感謝北京市工業(yè)波譜成像工程技術(shù)研究中心提供的太赫茲時(shí)域光譜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，感謝北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的于洋博士在實(shí)驗(yàn)方面給予的幫助和有益討論。

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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(lǐng)域?yàn)樘掌澕夹g(shù)及應(yīng)用。E-mail: 0472yanfang@163.com。

張俊林（1994-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘掌潟r(shí)域光譜技術(shù)。E-mail: zhangjunlin88888@163.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61463041）；內(nèi)蒙古自然基金項(xiàng)目（2018MS06020）