利用太赫茲時域光譜檢測四環(huán)素類抗生素

王毅凡，張鵬鯤,張?zhí)熵?，黃韞飛，唐浩洋，談 澳，馮晉暉，李恒一

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院，安徽 合肥 230026)

抗生素一般是指由微生物或高等動植物在生活過程中產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物. 或根據(jù)抗生素的化學(xué)結(jié)構(gòu)人工合成的類似物，其中四環(huán)素類抗生素是由放射菌產(chǎn)生的一類廣譜抗生素. 四環(huán)素(TCs)對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細(xì)菌(包括Spirochete，放線菌和支原體)具有廣泛的抗菌譜. 在日常生活中，抗生素主要用于獸藥添加劑來預(yù)防動物疾病，有時也作為動物飼料添加劑來促進(jìn)動物生長. 在四環(huán)素類抗生素中，四環(huán)素(TC)、土霉素(OTC)、強力霉素(DTC)和金霉素(CTC)是應(yīng)用最廣泛[1]. 帶TCs殘留牛奶或肉制品的可能攝入者出現(xiàn)中毒或過敏反應(yīng)，也可能讓攝入者產(chǎn)生對抗生素的耐藥性[2].

為確保食品安全，一些檢測食品中是否含有TCs的方法被提出，其中使用最廣泛的方法是反相液相色譜，其優(yōu)點是靈敏度較高，缺點是周期長、成本高，而且樣品制備過程復(fù)雜[3]. 近年來，光譜方法也被應(yīng)用于TCs殘留檢測領(lǐng)域，光譜方法的優(yōu)點是無損性且樣品預(yù)處理過程簡單[4-5]. 但是傳統(tǒng)的光譜方法都有其自身的局限性，例如，近紅外光譜(NIR)通常適合定性分析而不適合定量分析.

太赫茲波頻率一般是在0.1～10 THz范圍內(nèi)的電磁波，波長在0.03～3 mm范圍內(nèi)，介于微波與紅外波段之間. 與傳統(tǒng)光源相比，太赫茲波具有瞬態(tài)性、低能性、寬帶性以及相干性等優(yōu)勢[6-7]. 同時，太赫茲波譜也因具有極強的透射性、高分辨率及與生物大分子作用敏感等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用到各種領(lǐng)域. 很多生物分子在太赫茲波段都有明顯的特征吸收峰，因而太赫茲譜在食品、藥品、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值[8].

本文利用太赫茲時域光譜技術(shù)(Terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)研究不同種類的四環(huán)素類抗生素在太赫茲波段的光譜特征，為奶制品等食品中抗生素的檢測提供快速、無損、低成本、準(zhǔn)確性高的方法.

1 實驗準(zhǔn)備

1.1 樣品制備

本文研究4種四環(huán)素類抗生素，包括鹽酸四環(huán)素(TCH)、鹽酸金霉素(CTHC)、鹽酸土霉素(OTCH)和鹽酸強力霉素(DTCH)，所有樣品的純度均大于99%,且購買于同一批次. 實驗前均放在恒溫恒濕箱中保存，未經(jīng)過其他預(yù)處理. 實驗樣品制備采用粉末壓片法，首先將樣品在瑪瑙研缽中充分研磨，然后與高密度聚乙烯(HDPE)粉末按照一定比例進(jìn)行充分混合，最后在壓片機下制成厚度約為1.5 mm，直徑約為1.5 cm的圓形薄片. 在做分類鑒別研究時，每種四環(huán)素類抗生素制備3個樣品，按照1∶2比例將抗生素樣品與高密度聚乙烯粉末混合，共有12個樣品作為待測樣品. 為防止樣品吸收空氣中的水蒸氣，每次樣品制備前都要將研缽和藥匙用乙醇洗滌并烘干，樣品制備后立即放入密封袋中.

1.2 實驗裝置

實驗裝置使用透射式的THz-TDS系統(tǒng)，其原理圖[9]如圖1所示. 飛秒激光器用于產(chǎn)生脈沖飛秒激光，分束器將光束分為探測光和泵浦光. 其中，泵浦光經(jīng)過延遲線，控制其相對于探測光的延遲時間，此后，經(jīng)過太赫茲波產(chǎn)生單元產(chǎn)生太赫茲脈沖. 產(chǎn)生的太赫茲光聚焦后透過樣品，到達(dá)太赫茲探測單元. 同時，探測飛秒光也入射至太赫茲探測單元，通過電光采樣獲得太赫茲時域脈沖信號. 為了使樣品被穩(wěn)定地放置在光譜儀上，本文自主設(shè)計了樣品夾持裝置，由2片圓形銣磁鐵和1片長方形不銹鋼片中心挖除樣品大小的圓圈組成. 經(jīng)過多次實踐嘗試，證實該裝置可以有效地固定待測樣品.

圖1 透射式時域光譜的光路圖

2 實驗方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集通過LabVIEW軟件實現(xiàn). 在實驗中，設(shè)定延遲線的起始延時值220 ps，終止延時值280 ps，步長0.1 ps. 采集到的信息為不同延時對應(yīng)的信號強度，也就是原始太赫茲時域光譜信號. 對于每個樣品，轉(zhuǎn)動樣品，取3個不同的點位測量. 每個點位測量3次，即每個樣品測量9組原始光譜數(shù)據(jù).

2.2 吸收系數(shù)計算

通過測量得到樣品的太赫茲脈沖信號和空氣參考信號的振幅和相位信息，利用樣品信號Es(ν)和參考信號Er(ν)計算得到透射系數(shù)T(ν),透射系數(shù)定義[9]為

(1)

(2)

(3)

式中：ω=2πν為角頻率，k(ω)為消光系數(shù). 可以根據(jù)以上公式計算出折射率與吸收系數(shù)，并畫出α-ν關(guān)系，得到待測樣品的吸收譜.

3 結(jié)果與分析

3.1 光譜信號的原始時域數(shù)據(jù)

將采集到的原始數(shù)據(jù)畫圖，得到樣品信號和參考信號的時域圖像如圖2所示. 從時域圖像上可以看出，含有抗生素的樣品對太赫茲信號吸收明顯. 相對參考信號，待測樣品的時域信號幅值從0.6下降到0.35，峰的位置也有約0.6 ps的向后位移. 太赫茲脈沖信號的幅值信號下降程度對應(yīng)樣品的吸收系數(shù)，而峰位置的時間后移量和樣品的折射率相關(guān). 因此，利用太赫茲脈沖信號可以獲取樣品的折射率和光吸收系數(shù)信息.

3.2 不同種類四環(huán)素類抗生素的吸收譜

在室溫下利用THz-TDS測量了所有待測樣品，為了保證實驗的準(zhǔn)確性，每個樣品測3次取平均值，得到樣品的太赫茲時域信號. 將原始時域信號經(jīng)過Savitsky-Golay濾波預(yù)處理后，再通過傅里葉變換后得到每種抗生素的太赫茲頻譜信號，由式(1)～(3)計算得到樣品在0.3～2.0 THz范圍內(nèi)的吸收系數(shù).

圖2 樣品信號和參考信號的時域光譜圖

4種四環(huán)素類抗生素物質(zhì)的太赫茲吸收譜如圖3所示，雖然這些四環(huán)素類抗生素物質(zhì)具有相似的分子結(jié)構(gòu)，但每種物質(zhì)在太赫茲波段都有明顯不同的特征吸收峰，體現(xiàn)了太赫茲對生物分子的指紋譜特性. 紅外波段光譜表征的多為分子內(nèi)化學(xué)鍵的轉(zhuǎn)動/振動，而太赫茲光譜表征的是生物大分子的振動，不同的分子對應(yīng)不同的振動頻率，因而對生物分子表現(xiàn)出特征吸收峰. 針對實驗中測量的4種抗生素，鹽酸四環(huán)素的太赫茲吸收系數(shù)最大，鹽酸土霉素的太赫茲吸收系數(shù)最小，但4種抗生素的吸收系數(shù)呈現(xiàn)隨著頻率增加而增大的

趨勢. 這表明，若利用更高更寬頻譜的太赫茲譜去表征這些抗生素，可獲取更多抗生素分子的振動頻率信息. 此外，圖3中這些吸收峰并不是尖銳的峰，說明分子之間的振動模式存在耦合，從而使得峰產(chǎn)生拓寬. 總體而言，不同種類抗生素的太赫茲吸收頻譜存在很大差異，可通過太赫茲特征吸收譜對四環(huán)素類抗生素物質(zhì)進(jìn)行種類鑒別.

(a)鹽酸四環(huán)素

(b)鹽酸土霉素

(c)鹽酸金霉素

(d)鹽酸強力霉素圖3 4種四環(huán)素類抗生素的太赫茲吸收譜

3.3 分析討論

實驗中存在一些不足之處，如在制樣過程中，需將樣品與高密度聚乙烯粉末按照一定比例進(jìn)行充分混合，并在壓片機下制成薄片. 然而，薄片厚度并不均勻，且聚乙烯粉末濃度越大這種不均勻的情況越明顯，制成的薄片也越容易損壞. 因此，在壓片過程中需要探索合適的壓強值以及改變聚乙烯粉末的顆粒尺寸. 在實驗過程中，空氣中的水蒸氣對太赫茲脈沖有一定的吸收作用，對實驗測量存在干擾，導(dǎo)致信號存在波動. 若徹底排除水蒸氣的影響，信號信噪比將會進(jìn)一步提升.

4 結(jié)束語

太赫茲時域光譜技術(shù)利用太赫茲脈沖在樣品表面發(fā)生反射或透射，測得通過樣品后的空氣參考信號和樣品測量信號，然后通過快速傅里葉變換將時域光譜變換為頻域光譜，經(jīng)過頻域光譜處理，提取出樣品的折射率、吸收系數(shù)等參量. 本文利用太赫茲時域光譜儀研究了4種常見的四環(huán)素類抗生素在0.3～2.0 THz波段的生物分子特性，結(jié)果顯示這4種四環(huán)素類抗生素具有明顯不同的特征吸收峰. 利用該原理可定性研究定性及鑒別抗生素類別和定量檢測抗生素含量.