余榮 江月松? 余蘭 歐軍

1)(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100191)

2)(蘭州大學(xué)藥學(xué)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(shù)紀(jì)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(lái),光聲光譜以其高靈敏度、高普適性的特點(diǎn)吸引了眾多光譜工作者的關(guān)注,目前利用光聲光譜技術(shù)測(cè)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(shù)[3-6].與傳統(tǒng)的吸收光譜技術(shù)不同的是,光聲光譜技術(shù)不直接測(cè)量光子,而是測(cè)量試樣吸收光能后經(jīng)無(wú)輻射退激發(fā)過(guò)程產(chǎn)生的周期性熱流引起的聲振動(dòng).從原理上講,光聲信號(hào)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(huì)引起光聲信號(hào)[1].光聲光譜技術(shù)的這一優(yōu)勢(shì)使它成為目前研究不透明、弱吸收或高散射試樣的理想測(cè)試手段之一[7-9].

然而,實(shí)際對(duì)光散射試樣的光聲光譜測(cè)量顯示散射光仍會(huì)對(duì)光聲光譜產(chǎn)生影響[10-14].究其原因,一方面是因?yàn)楣饴暢貎?nèi)壁吸收散射光產(chǎn)生背景光聲信號(hào)[15],另一方面,試樣內(nèi)部的光散射效應(yīng)會(huì)對(duì)其吸收產(chǎn)生影響[16-19],因此光聲光譜也會(huì)受到影響[20].Helander等[10,21]實(shí)驗(yàn)研究并且在理論上推導(dǎo)了試樣內(nèi)部光散射效應(yīng)對(duì)光聲光譜的影響.McClelland和Kniseley[22]發(fā)現(xiàn)光散射效應(yīng)甚至可對(duì)試樣的光聲信號(hào)產(chǎn)生較大影響,他們對(duì)SiC的光聲光譜實(shí)驗(yàn)顯示：粉末SiC的光聲信號(hào)比片狀SiC的光聲信號(hào)高出一個(gè)數(shù)量級(jí).然而,理論研究只給出了光聲信號(hào)與試樣的吸收系數(shù)和散射系數(shù)的關(guān)系,無(wú)法從理論結(jié)果直觀地看出光散射效應(yīng)對(duì)試樣光聲光譜的影響.實(shí)驗(yàn)研究方面,雖然陸續(xù)有光散射效應(yīng)對(duì)試樣光聲信號(hào)影響的報(bào)道[23-25],但是在一個(gè)波譜范圍內(nèi)研究光散射效應(yīng)對(duì)試樣(尤其是混合物試樣)光聲光譜影響的報(bào)道很少.本文研究了光散射效應(yīng)對(duì)固體混合物光聲光譜的影響,通過(guò)對(duì)弱吸收固體混合物——奧氮平藥片的光聲光譜研究發(fā)現(xiàn)：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(shí)驗(yàn)

2.1 材料

奧氮平藥片及其空白片參考美國(guó)專(zhuān)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(xué)名：2-methyl-4-(4-methyl-1-piperazinyl)-10H-thieno[2,3-b][1,5]benzodiazepine).每片奧氮平藥片質(zhì)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(wú)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(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)室自行搭建了傳統(tǒng)的氣體-微音器光聲光譜測(cè)量系統(tǒng)[27],借助LabVIEW軟件,通過(guò)計(jì)算機(jī)控制單色儀和鎖相放大器并采集數(shù)據(jù),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.分別測(cè)量奧氮平藥片及其粉末、空白片及其粉末的光聲光譜.實(shí)驗(yàn)中設(shè)定斬波器的調(diào)制頻率為20 Hz,單色儀步進(jìn)波長(zhǎng)1 nm,波長(zhǎng)變化范圍350—1020 nm,鎖相放大器的時(shí)間常數(shù)為1 s.為便于解釋所測(cè)量的結(jié)果,還在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下分別測(cè)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(jīng)過(guò)重復(fù)測(cè)量.為了消除光源和光學(xué)系統(tǒng)對(duì)試樣光聲光譜的影響,對(duì)所有試樣的光聲光譜均進(jìn)行了碳黑歸一化處理[3].

2.3 數(shù)據(jù)處理

本文采用差值法來(lái)消除由于池壁吸收散射光而產(chǎn)生的背景光聲信號(hào).

實(shí)驗(yàn)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(gè)試樣凝聚狀態(tài)相同,并且有29/30的組分相同,可近似認(rèn)為每組中兩個(gè)試樣吸收入射光和散射入射光的情形相同.對(duì)每組試樣,可近似認(rèn)為：相同組分產(chǎn)生相同的光聲信號(hào),并且光聲池內(nèi)壁吸收相同的散射光,產(chǎn)生相同的背景光聲信號(hào).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(hào)

式中,qot(λ)為奧氮平藥片的光聲信號(hào),qbt(λ)為空白片的光聲信號(hào).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(zhì)的光聲信號(hào).

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(hào)

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(hào),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(zhì)的光聲信號(hào).

這樣,通過(guò)取每組中兩個(gè)試樣的差值譜就可以排除光聲池壁背景信號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(gè)吸收帶,其短波端的吸收更強(qiáng),并有較高的吸收峰,這與文獻(xiàn)中關(guān)于奧氮平在紫外可見(jiàn)光區(qū)吸收光譜的報(bào)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(gè)小的吸收峰,而且從強(qiáng)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(jiàn),在奧氮平藥片中奧氮平原料藥是主要的光吸收物質(zhì).

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(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的結(jié)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(xiàn)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(gè)峰的位置與奧氮平原料藥的光聲光譜中各個(gè)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(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較小有關(guān)：奧氮平藥片的主成分奧氮平原料藥的質(zhì)量與空白物質(zhì)量之比為1：29,故奧氮平原料藥所產(chǎn)生的光聲信號(hào)被藥片中質(zhì)量分?jǐn)?shù)高得多的空白物的光聲信號(hào)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(xiàn)出藥片中少量光吸收物質(zhì)——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(hào)明顯高于片狀試樣的光聲信號(hào).同一固體混合物在同樣的實(shí)驗(yàn)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(guān).由于已對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做了差值處理,排除了池壁背景信號(hào)的干擾,因此上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的主要原因可以歸結(jié)為粉末試樣內(nèi)部的光散射效應(yīng).

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(duì)于單組分固體片狀試樣比粉末試樣的光聲譜信號(hào)強(qiáng)的原因,McClelland等[22]歸納為以下兩點(diǎn)：1)相對(duì)于片狀試樣,粉末試樣的鏡面反射減小,隨機(jī)取向的漫反射和散射光大大增強(qiáng),使試樣內(nèi)部受光照射的范圍增加,因此光聲信號(hào)增強(qiáng);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(cè)量光聲信號(hào)增大.以上機(jī)制在將多組分固體混合物中片狀試樣碾成粉末時(shí)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(hào)與塊體的十分接近,甚至?xí)葔K體的更低.這是無(wú)法用上述原因加以解釋的.因此可以推測(cè),光散射效應(yīng)作用于固體混合物光聲光譜的機(jī)制比其作用于單組分固體光聲光譜的機(jī)制更為復(fù)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(duì)于粉末試樣,由于其內(nèi)部的光散射效應(yīng),試樣中的光子分布向表面移動(dòng),增強(qiáng)了光聲信號(hào);同時(shí),散射導(dǎo)致試樣實(shí)際吸收的光能減少,由光能轉(zhuǎn)化而來(lái)的總熱能下降,從而降低了光聲信號(hào).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(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果.

需要補(bǔ)充說(shuō)明的是,圖3奧氮平藥片及其粉末的光聲光譜中有時(shí)取值為負(fù)值,這是因?yàn)檫@兩條譜線不是實(shí)測(cè)譜線而是經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理后得到的差值譜.實(shí)測(cè)的光聲振幅信號(hào)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(duì)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(jìn)一步的探究.按照奧氮平藥片組分的質(zhì)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(duì)實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)譜線的比較

由圖4可以看出奧氮平藥片粉末的實(shí)測(cè)譜線與模擬譜明顯不同,尤其在短波端,實(shí)測(cè)譜線的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于模擬譜的強(qiáng)度.這證實(shí)了前面的推測(cè),即光散射效應(yīng)作用于固體混合物光聲光譜的機(jī)制與其作用于單組分固體光聲光譜的機(jī)制確有不同之處.其原因我們認(rèn)為可以用如下的簡(jiǎn)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(duì)單組分固體,粉末試樣與片狀試樣組分相同,可認(rèn)為二者吸收同樣的光輻射,產(chǎn)生相同的光聲信號(hào).但是粉末試樣中存在光散射效應(yīng),多重散射(散射光在試樣內(nèi)部經(jīng)過(guò)多次反射和散射)導(dǎo)致一小部分散射光最終在試樣內(nèi)部被吸收,因而產(chǎn)生額外的光聲信號(hào),故粉末試樣的光聲信號(hào)比片狀試樣的更強(qiáng).

對(duì)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(jìn)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(gè)分子分得光輻射的機(jī)會(huì)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?chē)际侨跷战M分的分子,它們對(duì)光輻射的吸收弱而散射強(qiáng),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(qiáng)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(qiáng)吸收組分吸收得最多,因而強(qiáng)吸收組分對(duì)試樣總的光聲信號(hào)貢獻(xiàn)更大,這導(dǎo)致了光散射效應(yīng)作用于固體混合物光聲光譜的機(jī)制與其作用于單組分固體光聲光譜的機(jī)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(jié)果的應(yīng)用

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果有潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.對(duì)固體藥片進(jìn)行成分鑒定時(shí),近紅外反射光譜[30,31]和光聲光譜[32]都可以無(wú)需樣品預(yù)處理,直接對(duì)試樣進(jìn)行光譜測(cè)量從而快速鑒別其成分.但是藥物對(duì)劑量有著嚴(yán)格的規(guī)定,配方藥物的主成分通常在藥片中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小,在光譜測(cè)量時(shí)其主成分的光譜特征有可能被比其質(zhì)量分?jǐn)?shù)高得多的輔料的光譜特征所掩蓋.如果在所測(cè)量的光譜波段,主成分有特征吸收而輔料沒(méi)有,則可將試樣碾成粉末再測(cè)量其光聲光譜,這時(shí)藥物主成分的吸收特征就會(huì)凸顯出來(lái).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(yīng)用于礦物、土壤等固體混合物的初步快速鑒別.

4結(jié) 論

本文通過(guò)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(xiàn)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(xiàn),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(yīng)用于固體藥物、礦物和土壤分析等領(lǐng)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(jì)煥,李宜德,杜英磊,吳柏枚2003物理學(xué)報(bào)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(xué)報(bào)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