馬來酰肼多形態(tài)的太赫茲光譜研究

鄭轉(zhuǎn)平，李愛東，董 軍，職 言，鞏稼民

西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121

引 言

藥物分子的多形態(tài)是指藥物分子結(jié)構(gòu)排列規(guī)律、分子構(gòu)型或構(gòu)象等方面存在差異。 出現(xiàn)這種“同質(zhì)異晶”現(xiàn)象的本質(zhì)原因是化合物或者元素的生成條件或環(huán)境不同[1]，使得質(zhì)點間的相互作用力以及結(jié)合能量不同，直接造成藥物活性生化功能等方面產(chǎn)生差異[2]。 所以，解析藥物的多形態(tài)現(xiàn)象，對于分析藥物的穩(wěn)定性、提高藥物的生物利用度、減少毒性和增進療效等方面都具有重要意義。

現(xiàn)階段，光譜分析技術(shù)已被廣泛用于表征晶型。 然而，目前還沒有一種方法能夠完全有效的解決物質(zhì)多態(tài)的篩選問題，也沒有一種方法能夠快速方便地確認藥物在儲存或生產(chǎn)過程中的晶體狀態(tài)。 傳統(tǒng)用來表征多態(tài)性的技術(shù)有粉末X射線衍射法(PXRD)[3-4]、近紅外光譜法(NIR)[5]和拉曼光譜法[6]等。 雖然這些分析技術(shù)可以識別大多數(shù)多態(tài)性，但也有其局限性。 例如： 由于X射線具有有害的電離作用，在PXRD測量中應(yīng)考慮其安全使用；在拉曼光譜中，由于需要高能激光照射，化合物會發(fā)生相變或產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。 因此，無損低能量的光譜技術(shù)對藥物多形態(tài)的檢測至關(guān)重要[7]。

太赫茲波處于中紅外和微波波段之間，光子能量很低，不會對藥物分子的作用模式產(chǎn)生影響，并且對固態(tài)分子之間的相互作用很敏感，近年來已成為一種研究多形態(tài)的分析工具。 在其波源的產(chǎn)生方式成為一種常規(guī)技術(shù)以后，開始被應(yīng)用于不同的領(lǐng)域[8-9]。 太赫茲時域光譜技術(shù)(Terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)，其是以THz波為載體的，在研究物質(zhì)相互作用中，對分子間的相互作用力非常敏感，被認為是一種有潛力的鑒別多形態(tài)的光譜技術(shù)[10-11]。

馬來酰肼(maleic hydrazide，MH)，又稱為青鮮素和順丁烯二酸酰肼。 它對植物的生長有明顯的抑制作用，可以作為農(nóng)田的除草劑，也可以將其配成水溶液灑在一些蔬菜上延長植物的存儲時間[12]。 Cradwick和Katrusiak分別研究了MH的三種多形態(tài)MH1，MH2及MH3，確定了馬來酰肼三種多形態(tài)的三維空間結(jié)構(gòu)[12-14]；Morzyk-Ociepa研究了馬來酰肼及其衍生物的紅外吸收譜[15]；Qu等測試了馬來酰肼0.06～4 THz的吸收譜[16]。 但截止目前，針對馬來酰肼多形態(tài)MH2和MH3的THz譜的研究還沒有相關(guān)報道，而研究藥物多形態(tài)的THz光譜對藥物晶型的辨別表征及其藥品生化功能的揭示具有重大的現(xiàn)實意義。

以MH2和MH3兩種多形態(tài)為研究對象，測試了兩種多形態(tài)在0.25～2.25 THz范圍的THz譜，比較了兩種多形態(tài)的特征吸收峰異同；基于密度泛函理論，對MH2和MH3的光學(xué)模式進行了模擬計算，分析了分子作用模式對實驗特征吸收峰的貢獻，并對各個吸收峰的來源進行了歸納；最后，對馬來酰肼的商用藥品青鮮素進行了THz吸收譜測試，確定了商用馬來酰肼藥品的晶型。

1 實驗部分

1.1 樣品制備

MH2和MH3購買于杭州領(lǐng)業(yè)有限公司，純度為分析純(99%)；青鮮素藥品生產(chǎn)于美國，所有藥品使用之前均未曾經(jīng)過進一步純化處理。 實驗中，馬來酰肼MH2、MH3晶型、青鮮素各取300 mg，經(jīng)過研缽研磨7 min，在壓片機10 MPa的壓力下保持5 min，制成直徑為13 mm，厚度為0.7～1.1 mm，表面平滑且無裂痕的片劑。

1.2 儀器及參數(shù)

XRD實驗是在西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院進行測試的，使用的儀器是D/Max2550VB+/PC型X射線衍射儀。 其中，X射線源為銅靶(電壓40 kV，電流40 mA)，數(shù)據(jù)采集范圍是5°～50°。

MH2的THz實驗測試使用的是北京大恒的THz-TDS系統(tǒng)(型號： CIP-TDS)。 具體的，飛秒激光振蕩器(波長800 nm，脈沖寬度100 fs)產(chǎn)生超短激光脈沖，激發(fā)光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲脈沖，同時采用光電導(dǎo)天線探測；系統(tǒng)測試范圍0.1～2.7 THz，光譜分辨率2.0 cm-1。 MH3的THz光譜測試采用萊儀特太赫茲(天津)科技有限公司的(Advantest，TAS7500SU)光譜儀。 其中，飛秒激光器(波長800和1 550 nm)產(chǎn)生超短激光脈沖，THz脈沖產(chǎn)生和探測方式均為光電導(dǎo)天線；系統(tǒng)測試范圍0.5～6 THz，光譜分辨率0.26 cm-1。

1.3 方法

兩種晶型主要采用固態(tài)密度泛函理論(density functional theory, DFT)對馬來酰肼兩種晶型的幾何構(gòu)型進行優(yōu)化，繼而計算其頻譜特性。 計算中，運用平面波贗勢密度泛函理論，采用局域密度泛函PBE泛函方法，平面波的截斷能為1 400 eV，常規(guī)保守贗勢[17-19]。 具體的，能量偏差為1.0×10-8eV·atom-1，最大位移偏差為1.0×10-4?。 MH2和MH3的晶胞參數(shù)如下[13-14]： MH2空間群P21/c(Z=14)，a=6.891 ?,b=9.674 ?,c=6.946 ?,α,γ=90.00°，β=100.07°，晶胞體積為V=455.912 ?3；MH3空間群P21/n(Z=14)，a=6.607 ?,b=6.907 ?,c=10.539 ?,α,γ=90.00°，β=104.00°，晶胞體積為V=466.656 ?3。 圖1分別為MH2和MH3的分子結(jié)構(gòu)(a)及晶胞結(jié)構(gòu)(b)(c)。

2 結(jié)果與討論

圖2是馬來酰肼兩種晶型的X衍射譜。 在測試THz特征譜之前，為驗證馬來酰肼多形態(tài)的純度，先測試了其X衍射譜，并與已存庫數(shù)據(jù)進行了比較。 其中，圖2中(a)是本次X衍射實驗結(jié)果，(b)為晶體庫已保存的數(shù)據(jù)[13-14]。 通過比較發(fā)現(xiàn)，MH2和MH3都為單斜晶體，MH2為P21/c對稱性，MH3為P21/n對稱性。 從圖2可以看出，測試結(jié)果與數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配良好，確認了研究樣品的晶型，為本文THz吸收譜的準確解析奠定基礎(chǔ)。

圖2 馬來酰肼MH2和MH3的X衍射實驗譜(a)及參考文獻數(shù)據(jù)(b)Fig.2 The Powder XRD pattern (a) and the data previouslypublished (b) of MH2 and MH3

圖3為馬來酰肼MH2和MH3兩種晶型在0.25～2.25 THz范圍的THz實驗譜。 MH2實驗測試獲取了三個特征吸收峰，分別位于0.34，1.41和1.76 THz；MH3獲取了兩個特征吸收峰，分別位于0.75和1.86 THz處。 從實驗譜測試結(jié)果來看，MH2和MH3的THz特征峰的峰位完全不同。 此實驗結(jié)果說明馬來酰肼的多形態(tài)可以憑借其THz光譜進行辨別表征。 Qu等測試了馬來酰肼0.06～4 THz的吸收峰，獲取了位于2.34 THz處的一個吸收峰[16]，此結(jié)果無法確認其晶型，且超出本文的研究范圍，故不對其進行討論。 此外，本文THz實驗中采用了兩種測試范圍不同的系統(tǒng)，原因一是MH2低頻有吸收峰(0.34 THz)，而TAS7500SU系統(tǒng)的測試范圍是0.5～6 THz；二是MH3采用CPI-TDS系統(tǒng)測試的第二個吸收峰無法觀測清楚。

圖3 馬來酰肼MH2和MH3的THz實驗譜Fig.3 The experimental THz spectra of MH2 and MH3

由馬來酰肼的結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，其分子含有13個原子。 由于單個分子沒有對稱性，它的33個分子內(nèi)振動模式均有紅外活性。 通過單個分子的量化模擬，馬來酰肼在3.59 THz處獲得了最低頻的分子內(nèi)振動模式。 此結(jié)果說明，MH2(MH3)在3.5 THz以下的吸收峰均來源于分子間相互作用。 想要進一步解析THz吸收譜，必須借助于以晶胞結(jié)構(gòu)為計算模型的固態(tài)密度泛函。 根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)[13-14]，MH2和MH3的晶胞均含有4個分子，各自有21個(4Bu+5Au+6Ag+6Bg)分子間作用模式，由于C2h的群對稱性，其中12個分子間的模式具有紅外活性。

圖4是MH2和MH3的太赫茲實驗及固態(tài)密度泛函理論計算的譜圖。 由圖可見，模擬結(jié)果能較好的對實驗譜進行重構(gòu)。 說明固態(tài)理論是分析物質(zhì)THz譜的有力工具。 在0.25～2.25 THz范圍內(nèi)，MH2和MH3都分別獲得了3個具有紅外活性的光學(xué)模式，為了與實驗譜進行更直觀的比較，理論數(shù)據(jù)采用半高寬為0.15 THz的洛倫茲函數(shù)進行了展寬。

在實驗吸收峰和理論數(shù)據(jù)匹配情況下，MH2和MH3的實驗吸收峰的來源歸納如下： MH2位于0.34和1.41 THz特征吸收峰來源于繞晶胞c軸的面外分子間轉(zhuǎn)動；1.76 THz則來源于以N—H…O氫鍵弱相互作用為主的面內(nèi)集體擺動。 MH3位于0.75 THz特征吸收峰來源于兩個光學(xué)模式，基于原子位移及模式中最大貢獻量，此吸收峰來源于面內(nèi)轉(zhuǎn)動；位于1.86 THz的吸收峰來源于分子繞a軸的面外集體振動。

圖4 馬來酰肼多形態(tài)MH2和MH3實驗和固態(tài)模擬譜圖Fig.4 The experimental and calculated spectra of MH2 and MH3

表1羅列了MH2以及MH3的實驗THz吸收峰和理論計算的光學(xué)模式。 盡管固態(tài)理論計算結(jié)果對MH2和MH3的THz吸收峰能夠較好的進行解析，但是固態(tài)計算中也出現(xiàn)了一些誤差。 例如： MH2位于1.41 THz的理論計算光學(xué)模式位于1.05 THz，理論數(shù)值相較于實驗頻率向低頻移動。 這可能的原因是固態(tài)理論在這個模式處低估了體系的總能量。 由于固態(tài)計算的優(yōu)化環(huán)境與實驗測試環(huán)境的差異，理論計算數(shù)據(jù)與實驗測試結(jié)果經(jīng)常會出現(xiàn)一些偏差。 一種改善的方法是提高計算中的截斷能，但截斷能的提高會帶來大量的運算成本[20]。

為使藥物THz光譜研究與實際應(yīng)用相結(jié)合，本文進一步測試了馬來酰肼的商用藥品青鮮素在0.25～2.25 THz范圍內(nèi)的吸收譜。 圖5為青鮮素和MH3晶型的THz實驗譜。

表1 MH2和MH3的實驗和理論計算結(jié)果(THz)Table 1 The calculated and experimental THzspectral data (THz) of MH2 and MH3

由圖中可見，青鮮素與MH3的兩個THz吸收峰完全匹配，說明了市面上使用的青鮮素是MH3晶型。 此研究結(jié)果說明THz光譜儀不但可以辨別不同藥品，也可以對臨床藥物的晶型進行確認。 此外，發(fā)現(xiàn)青鮮素在1.86 THz處的吸收峰變得略顯平滑，這可能是由于商用藥品中添加的其他輔料對馬來酰肼純度稀釋造成的。

3 結(jié) 論

采用THz-TDS系統(tǒng)，在室溫情況下測試了馬來酰肼多形態(tài)MH2和MH3在0.25～2.25 THz范圍的吸收譜，結(jié)果表明這兩種晶型的THz指紋譜信息完全不同，證明通過THz-TDS技術(shù)可以對馬來酰肼多形態(tài)進行辨別表征。 結(jié)合固態(tài)密度泛函理論對兩種晶型的吸收峰來源進行了分析歸納。 結(jié)果表明，MH2和MH3在0.25～2.25 THz范圍內(nèi)的吸收峰皆來源于分子間的作用力。 最后，對商用藥品青鮮素進行了THz光譜測試，發(fā)現(xiàn)其吸收峰與MH3的THz特征峰匹配，說明商用植物發(fā)芽抑制藥品青鮮素主成分是MH3。 此結(jié)果說明藥物多形態(tài)的THz光譜研究對藥物晶型的辨認及其藥品生化功能的揭示具有重大的實際意義。

圖5 MH3和青鮮素的THz實驗譜Fig.5 The experimental THz spectra of MH3and Qingxiansu (b)