药物分子的多形态是指药物分子结构排列规律、 分子构型或构象等方面存在差异。 出现这种“ 同质异晶” 现象的本质原因是化合物或者元素的生成条件或环境不同^[1], 使得质点间的相互作用力以及结合能量不同, 直接造成药物活性生化功能等方面产生差异^[2]。 所以, 解析药物的多形态现象, 对于分析药物的稳定性、 提高药物的生物利用度、 减少毒性和增进疗效等方面都具有重要意义。

现阶段, 光谱分析技术已被广泛用于表征晶型。 然而, 目前还没有一种方法能够完全有效的解决物质多态的筛选问题, 也没有一种方法能够快速方便地确认药物在储存或生产过程中的晶体状态。 传统用来表征多态性的技术有粉末X射线衍射法(PXRD)^{[3, 4]}、 近红外光谱法(NIR)^[5]和拉曼光谱法^[6]等。 虽然这些分析技术可以识别大多数多态性, 但也有其局限性。 例如: 由于X射线具有有害的电离作用, 在PXRD测量中应考虑其安全使用; 在拉曼光谱中, 由于需要高能激光照射, 化合物会发生相变或产生化学反应。 因此, 无损低能量的光谱技术对药物多形态的检测至关重要^[7]。

太赫兹波处于中红外和微波波段之间, 光子能量很低, 不会对药物分子的作用模式产生影响, 并且对固态分子之间的相互作用很敏感, 近年来已成为一种研究多形态的分析工具。 在其波源的产生方式成为一种常规技术以后, 开始被应用于不同的领域^{[8, 9]}。 太赫兹时域光谱技术(Terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS), 其是以THz波为载体的, 在研究物质相互作用中, 对分子间的相互作用力非常敏感, 被认为是一种有潜力的鉴别多形态的光谱技术^{[10, 11]}。

马来酰肼(maleic hydrazide, MH), 又称为青鲜素和顺丁烯二酸酰肼。 它对植物的生长有明显的抑制作用, 可以作为农田的除草剂, 也可以将其配成水溶液洒在一些蔬菜上延长植物的存储时间^[12]。 Cradwick和Katrusiak分别研究了MH的三种多形态MH1, MH2及MH3, 确定了马来酰肼三种多形态的三维空间结构^{[12, 13, 14]}; Morzyk-Ociepa研究了马来酰肼及其衍生物的红外吸收谱^[15]; Qu等测试了马来酰肼0.06~4 THz的吸收谱^[16]。 但截止目前, 针对马来酰肼多形态MH2和MH3的THz谱的研究还没有相关报道, 而研究药物多形态的THz光谱对药物晶型的辨别表征及其药品生化功能的揭示具有重大的现实意义。

以MH2和MH3两种多形态为研究对象, 测试了两种多形态在0.25~2.25 THz范围的THz谱, 比较了两种多形态的特征吸收峰异同; 基于密度泛函理论, 对MH2和MH3的光学模式进行了模拟计算, 分析了分子作用模式对实验特征吸收峰的贡献, 并对各个吸收峰的来源进行了归纳; 最后, 对马来酰肼的商用药品青鲜素进行了THz吸收谱测试, 确定了商用马来酰肼药品的晶型。

图2是马来酰肼两种晶型的X衍射谱。 在测试THz特征谱之前, 为验证马来酰肼多形态的纯度, 先测试了其X衍射谱, 并与已存库数据进行了比较。 其中, 图2中(a)是本次X衍射实验结果, (b)为晶体库已保存的数据^{[13, 14]}。 通过比较发现, MH2和MH3都为单斜晶体, MH2为P_21/c对称性, MH3为P_21/n对称性。 从图2可以看出, 测试结果与数据库的结构参数的匹配良好, 确认了研究样品的晶型, 为本文THz吸收谱的准确解析奠定基础。

图2

Fig.2

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	图2 马来酰肼MH2和MH3的X衍射实验谱(a)及参考文献数据(b)Fig.2 The Powder XRD pattern (a) and the data previously published (b) of MH2 and MH3

图3为马来酰肼MH2和MH3两种晶型在0.25~2.25 THz范围的THz实验谱。 MH2实验测试获取了三个特征吸收峰, 分别位于0.34, 1.41和1.76 THz; MH3获取了两个特征吸收峰, 分别位于0.75和1.86 THz处。 从实验谱测试结果来看, MH2和MH3的THz特征峰的峰位完全不同。 此实验结果说明马来酰肼的多形态可以凭借其THz光谱进行辨别表征。 Qu等测试了马来酰肼0.06~4 THz的吸收峰, 获取了位于2.34 THz处的一个吸收峰^[16], 此结果无法确认其晶型, 且超出本文的研究范围, 故不对其进行讨论。 此外, 本文THz实验中采用了两种测试范围不同的系统, 原因一是MH2低频有吸收峰(0.34 THz), 而TAS7500SU系统的测试范围是0.5~6 THz; 二是MH3采用CPI-TDS系统测试的第二个吸收峰无法观测清楚。

图3

Fig.3

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	图3 马来酰肼MH2和MH3的THz实验谱Fig.3 The experimental THz spectra of MH2 and MH3

由马来酰肼的结构参数可知, 其分子含有13个原子。 由于单个分子没有对称性, 它的33个分子内振动模式均有红外活性。 通过单个分子的量化模拟, 马来酰肼在3.59 THz处获得了最低频的分子内振动模式。 此结果说明, MH2(MH3)在3.5 THz以下的吸收峰均来源于分子间相互作用。 想要进一步解析THz吸收谱, 必须借助于以晶胞结构为计算模型的固态密度泛函。 根据结构参数^{[13, 14]}, MH2和MH3的晶胞均含有4个分子, 各自有21个(4Bu+5Au+6Ag+6Bg)分子间作用模式, 由于C_2h的群对称性, 其中12个分子间的模式具有红外活性。

图4是MH2和MH3的太赫兹实验及固态密度泛函理论计算的谱图。 由图可见, 模拟结果能较好的对实验谱进行重构。 说明固态理论是分析物质THz谱的有力工具。 在0.25~2.25 THz范围内, MH2和MH3都分别获得了3个具有红外活性的光学模式, 为了与实验谱进行更直观的比较, 理论数据采用半高宽为0.15 THz的洛伦兹函数进行了展宽。

图4

Fig.4

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	图4 马来酰肼多形态MH2和MH3实验和固态模拟谱图Fig.4 The experimental and calculated spectra of MH2 and MH3

在实验吸收峰和理论数据匹配情况下, MH2和MH3的实验吸收峰的来源归纳如下: MH2位于0.34和1.41 THz特征吸收峰来源于绕晶胞c轴的面外分子间转动; 1.76 THz则来源于以N-H…O氢键弱相互作用为主的面内集体摆动。 MH3位于0.75 THz特征吸收峰来源于两个光学模式, 基于原子位移及模式中最大贡献量, 此吸收峰来源于面内转动; 位于1.86 THz的吸收峰来源于分子绕a轴的面外集体振动。

表1罗列了MH2以及MH3的实验THz吸收峰和理论计算的光学模式。 尽管固态理论计算结果对MH2和MH3的THz吸收峰能够较好的进行解析, 但是固态计算中也出现了一些误差。 例如: MH2位于1.41 THz的理论计算光学模式位于1.05 THz, 理论数值相较于实验频率向低频移动。 这可能的原因是固态理论在这个模式处低估了体系的总能量。 由于固态计算的优化环境与实验测试环境的差异, 理论计算数据与实验测试结果经常会出现一些偏差。 一种改善的方法是提高计算中的截断能, 但截断能的提高会带来大量的运算成本^[20]。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 MH2和MH3的实验和理论计算结果(THz) Table 1 The calculated and experimental THz spectral data (THz) of MH2 and MH3 实验 理论 MH2 PBE Assignment 0.34 0.36 (1.15)* 绕晶胞c轴面外转动 1.41 1.05 (0.65) 绕晶胞c轴面外转动 1.76 1.71 (1.56) 绕晶胞b轴面内集体摆动 MH3 PBE Assignment 0.75 0.78 (0.07) 绕晶胞a轴面内转动 0.82 (0.18) 绕晶胞b轴面内转动 1.86 1.89 (0.35) 绕晶胞a轴面外转动 注: * 指的是红外强度(km· mol-1)

表1 MH2和MH3的实验和理论计算结果(THz) Table 1 The calculated and experimental THz spectral data (THz) of MH2 and MH3

为使药物THz光谱研究与实际应用相结合, 本文进一步测试了马来酰肼的商用药品青鲜素在0.252.25 THz范围内的吸收谱。 图5为青鲜素和MH3晶型的THz实验谱。

图5

Fig.5

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	图5 MH3和青鲜素的THz实验谱Fig.5 The experimental THz spectra of MH3 and Qingxiansu (b)

由图中可见, 青鲜素与MH3的两个THz吸收峰完全匹配, 说明了市面上使用的青鲜素是MH3晶型。 此研究结果说明THz光谱仪不但可以辨别不同药品, 也可以对临床药物的晶型进行确认。 此外, 发现青鲜素在1.86 THz处的吸收峰变得略显平滑, 这可能是由于商用药品中添加的其他辅料对马来酰肼纯度稀释造成的。

采用THz-TDS系统, 在室温情况下测试了马来酰肼多形态MH2和MH3在0.25~2.25 THz范围的吸收谱, 结果表明这两种晶型的THz指纹谱信息完全不同, 证明通过THz-TDS技术可以对马来酰肼多形态进行辨别表征。 结合固态密度泛函理论对两种晶型的吸收峰来源进行了分析归纳。 结果表明, MH2和MH3在0.25~2.25 THz范围内的吸收峰皆来源于分子间的作用力。 最后, 对商用药品青鲜素进行了THz光谱测试, 发现其吸收峰与MH3的THz特征峰匹配, 说明商用植物发芽抑制药品青鲜素主成分是MH3。 此结果说明药物多形态的THz光谱研究对药物晶型的辨认及其药品生化功能的揭示具有重大的实际意义。