孫樹祥,梅紅櫻,劉真,鄭新艷,2,孫東雪,司儀寒

(1.黃淮學(xué)院 電子信息學(xué)院,河南 駐馬店463000;2.河南省智慧照明重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 駐馬店 463000;3.電子科技大學(xué)重慶微電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,重慶 401331;4.信息功能材料結(jié)構(gòu)與器件安徽普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 阜陽(yáng) 236037)

艾草作為“草中鉆石”具有抑菌、抗蟲、抗病毒等巨大的應(yīng)用價(jià)值,正所謂“小艾草,大功效”,對(duì)中醫(yī)藥的發(fā)展起了重要作用[1-2]。但是,人們對(duì)它的認(rèn)知往往僅存于表面,靠古書記載或者民間流傳,如使用時(shí)需要水煮、燃燒等各種方法才能最大可能發(fā)揮出藥性等,缺乏現(xiàn)代科學(xué)原理的闡述[3]。自新冠病毒爆發(fā)以來(lái),人們對(duì)中草藥的關(guān)注和應(yīng)用更是上了一個(gè)階層,因此對(duì)中草藥的質(zhì)量提供科學(xué)判定是非常有必要的[4]。

現(xiàn)代的中藥成分檢測(cè)技術(shù)主要有兩大類[5]:第一類是傳統(tǒng)鑒別方法,如基原鑒定、性狀鑒定、顯微鑒定等;第二類是現(xiàn)代鑒定方法,主要有理化鑒定和色譜鑒定兩種,理化鑒定的原理是利用中藥材中含有的某些化學(xué)成分的物理或化學(xué)反應(yīng)來(lái)鑒定中藥材的真?zhèn)?。這些鑒別方法資料不夠完善,成本偏高,且需要專業(yè)人才操作。

物質(zhì)被太赫茲脈沖輻照,在相互作用的過程中,表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散特性,具有指紋譜性,可以用來(lái)鑒別物質(zhì)的種類。因此,太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)手段,被廣泛地應(yīng)用于食品藥品安全檢查領(lǐng)域。燕芳[6]等借助透射式的太赫茲時(shí)域光譜、DFT模型等技術(shù)對(duì)中草藥甘草中的甘草酸、甘草次酸以及甘草苷等主要成分進(jìn)行了光譜研究,完成了物質(zhì)的定性分析工作。劉燕德[5]等采用太赫茲光譜技術(shù)研究了四種常見的貝母,并建立了多種分類模型,對(duì)貝母的種類進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用,識(shí)別率高達(dá)97.49%以上,為把控中藥材的質(zhì)量提供了一種新的手段。殷明[7]等研究了黃酮類化合物在太赫茲波段的吸收光譜,并結(jié)合深度學(xué)習(xí)模型定量地分析了不同濃度含量的黃酮類物質(zhì),表明太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)在中草藥檢測(cè)方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。彭滟[8]等結(jié)合太赫茲技術(shù)和密度泛函理論,對(duì)松油醇含量的變化進(jìn)行檢測(cè),精確地分析出不同生長(zhǎng)年限和純度的艾絨。

綜上,太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)是現(xiàn)代中草藥成分鑒定方法中最有前景的定性定量探測(cè)方法之一。同一株艾草的入藥部位不同,藥性是有差異的,不同的加熱溫度也一定程度上影響中藥成分的提取,稍不注意就會(huì)嚴(yán)重影響中草藥的實(shí)際藥效,甚至關(guān)乎人們的生命。本文是基于自行搭建的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng),從太赫茲的頻譜、透射率和吸收系數(shù)等角度對(duì)艾草的不同部位和不同烹煮溫度下的藥性進(jìn)行分析,為艾草在生活中的具體應(yīng)用方法奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ),指導(dǎo)艾草使用者從傳統(tǒng)用法向精確用法轉(zhuǎn)變。

1 基本原理

1.1 樣品制備

在本實(shí)驗(yàn)中,所使用的艾草是從河南省駐馬店市泌陽(yáng)縣田地采集,經(jīng)過篩選和曬干處理,然后將艾草放置在不同溫度的生活用水中,比如25 ℃、50 ℃、80 ℃等,烹煮20 min后將艾草取出來(lái)并用鼓風(fēng)干燥箱烘干,分別摘取艾草的葉、莖、根等部位進(jìn)行研磨,隨后用200目篩子過濾。借助電子天平分別稱取一定質(zhì)量的艾草根、艾草沫和艾草絨,大約在0.1～0.2 g范圍,通過壓片機(jī)對(duì)粉末進(jìn)行壓片,壓力設(shè)置為30 MPa。樣品直徑約13 mm,厚度大約為8 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)

太赫茲時(shí)域光譜是一種無(wú)損光譜檢測(cè)手段,由太赫茲輻射源、樣品架、太赫茲探測(cè)器、位移臺(tái)等部分組成,如圖1所示。其中,飛秒激光器為整個(gè)系統(tǒng)的光源部分,購(gòu)買于德國(guó)的Toptica公司,中心波長(zhǎng)是780 mm,重復(fù)頻率是80 MHz,脈寬< 100 fs,功率為120 mW。分束晶體將飛秒激光脈沖分為兩束,一束作為激發(fā)脈沖,另外一束作為采樣脈沖。首先,飛秒激光激發(fā)脈沖經(jīng)過透鏡聚焦到砷化鎵材料的光電導(dǎo)天線上輻射出太赫茲光源,產(chǎn)生的太赫茲光斑直徑大約是3 mm,脈沖寬度是0.2 ～ 2.7 THz。太赫茲脈沖經(jīng)過拋物鏡組準(zhǔn)直聚焦到樣品架上。其次,另外一束采樣飛秒激光脈沖經(jīng)過位移臺(tái)、反射鏡、透鏡等聚焦到碲化鋅晶體上,經(jīng)過四分之一波片時(shí)線偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光,后經(jīng)過渥拉斯頓棱鏡,由晶體的雙折射效應(yīng)輻射出兩束強(qiáng)度相等的光束進(jìn)入探測(cè)器。若此時(shí)透過樣品的太赫茲電場(chǎng)也聚焦到碲化鋅晶體上采樣光聚焦的相同位置處時(shí),由于晶體的雙折射效應(yīng),太赫茲電場(chǎng)會(huì)改變晶體極化率進(jìn)而改變采樣光的偏振,這樣從渥拉斯頓棱鏡輻射出的兩束光的強(qiáng)度會(huì)有差別,通過鎖相放大器可以將這個(gè)差值探測(cè)出來(lái)。因此,利用電光采樣的原理,可以實(shí)現(xiàn)太赫茲脈沖的探測(cè)。系統(tǒng)中的太赫茲產(chǎn)生和探測(cè)部分封閉在有機(jī)玻璃罩中,所有實(shí)驗(yàn)過程中充入氮?dú)?降低太赫茲系統(tǒng)中的濕度至5%以下,排除水汽吸收,提高信噪比。測(cè)試過程:首先是空測(cè)太赫茲信號(hào),當(dāng)作系統(tǒng)的背景;其次是測(cè)試不同烹煮溫度、不同部位艾草的太赫茲信號(hào)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)記錄參考太赫茲時(shí)域信號(hào)和樣本的太赫茲時(shí)域信號(hào),利用快速傅里葉變換算法可以得到光譜。根據(jù)菲涅耳公式,從文獻(xiàn)[7]中可以知道,對(duì)于薄膜,太赫茲時(shí)域光譜的透射公式為:

而文中艾草樣本的厚度在毫米量級(jí),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于薄膜的尺寸,當(dāng)作塊體處理。對(duì)于塊體,太赫茲透射公式可以表述為:

進(jìn)而可以得到材料的折射率。

運(yùn)用折射率、消光系數(shù)和吸收系數(shù)之間的關(guān)系,得到材料的消光系數(shù)和吸收系數(shù)如下:

其中,d代表樣品的厚度,c是光速,ω是角頻率。

2 分析與討論

本文的數(shù)據(jù)處理過程全部是通過軟件Labview完成的,通過調(diào)入襯底和樣品信號(hào),借助編寫的程序進(jìn)行傅里葉變換和光學(xué)常數(shù)的計(jì)算,如圖2所示。

圖3展示的是空測(cè)狀態(tài)與80 ℃下烹煮過的艾草的太赫茲時(shí)域光譜信號(hào),由于艾草具有比空氣大的折射率,因此,一定厚度的艾草的時(shí)域信號(hào)會(huì)往后延遲,延遲的時(shí)間長(zhǎng)度Δt由樣品的厚度決定,其一般的計(jì)算公式是:

其中,d是樣品的厚度,n是樣品的折射率,c是光速。

圖3 80 ℃下艾草與空測(cè)時(shí)的太赫茲時(shí)域光譜 圖4 不同溫度下艾草不同位置的太赫茲波段頻域光譜

至今為止,艾草中的化合物已有300余個(gè),當(dāng)艾草與太赫茲脈沖相互作用時(shí),各化學(xué)成分會(huì)對(duì)太赫茲波具有一定的吸收和色散,吸收的多少會(huì)不同程度地影響艾草的太赫茲脈沖幅度,因此,艾草的太赫茲透射信號(hào)比空測(cè)情況的信號(hào)弱,如圖4所示。一般太赫茲時(shí)域信號(hào)不能夠直觀地觀察物質(zhì)的吸收,在數(shù)據(jù)處理過程中,一般將測(cè)試的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,得到太赫茲信號(hào)的頻譜展現(xiàn)在圖4中。可以看出,艾草對(duì)太赫茲系統(tǒng)頻譜的高頻部分(>1.4 THz)具有強(qiáng)烈的吸收。另外,從傅里葉變換的頻譜還可以看出,針對(duì)同樣的樣品直徑和厚度,艾草的部位不同,頻譜的中心頻率、吸收峰位置和強(qiáng)度都略有不同。通過對(duì)數(shù)據(jù)的整理和分類,來(lái)研究烹煮溫度和艾草部位在太赫茲光譜下的光電特性,進(jìn)而分析艾草的藥效成分分布,推動(dòng)艾草產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

圖5給出了艾草在25℃、50℃和80℃下不同部位的太赫茲光譜。一般太赫茲幅度表示物質(zhì)成分的多少,針對(duì)不同溫度下的樣品固定其水平位置在某一頻率處,發(fā)現(xiàn)根部的幅值相對(duì)艾葉都較低,說明艾草的主要成分都存在于艾葉中。

圖5 不同溫度下的太赫茲光譜對(duì)比展示

如圖6所示,對(duì)于同一根部位的原料來(lái)說,烹煮溫度越高,艾草烘干后的太赫茲頻譜越低。可能是高溫煮過的艾草,大部分成分物質(zhì)都已揮發(fā)或者他們的分子結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到溫度的破壞,藥效成分大部分都被提取于溶液中,因此,剩余的艾草成分含量較少,太赫茲脈沖的幅度較低。在艾草成分中占主要含量的松油醇屬于易揮發(fā)性物質(zhì),在20 min內(nèi),經(jīng)過不同溫度的烹煮,成分的損耗幾乎類似,所以艾草的沫、絨部分太赫茲光譜幅度隨溫度的變化相對(duì)較小,但依然可見80℃的位置比較低,物質(zhì)成分損耗的多一些。

為了正確地分析上述結(jié)果,現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的透射率處理。透射率是指物質(zhì)的太赫茲頻譜與小孔的太赫茲頻譜的比值。在分析過程中排除了物質(zhì)之外的其他測(cè)量環(huán)境的干擾,一般物質(zhì)所含成分越多,太赫茲幅度越高,透射率越高,或者說物質(zhì)在溫度的影響下?lián)p耗的越多,太赫茲幅度越低,物質(zhì)的透射率越低。圖7為不同烹飪溫度下艾草不同部位的太赫茲波段透射光譜。從圖7中可以發(fā)現(xiàn),艾草的不同部位在不同烹飪溫度下的信號(hào)的透射率隨著太赫茲頻率的增加都在近似線性地降低。對(duì)于同一部位的艾草來(lái)說,透射率與烹飪溫度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系,說明艾草隨著烹飪溫度的增加,艾草的物質(zhì)成分損耗加快;對(duì)同一溫度的艾草來(lái)說,根、絨、沫的透射率依次遞增,說明艾草的主要成分存在于葉中,葉中含有的營(yíng)養(yǎng)成分和有效成分強(qiáng)于艾草的根部位。

圖7 不同烹飪溫度下艾草不同部位的太赫茲波段透射光譜 圖8 不同烹飪溫度下艾草不同部位的太赫茲波段吸收系數(shù)光譜

吸收系數(shù)光譜可以用來(lái)表征物質(zhì)在與太赫茲脈沖相互作用過程中光波被吸收的多少,一般吸收系數(shù)越大,物質(zhì)的透射幅度越低,所含成分越少;吸收系數(shù)越小,物質(zhì)的透射幅度越高,所含成分越多,但是這也要考慮物質(zhì)的有效頻段。對(duì)艾草不同烹飪溫度和不同部位的太赫茲吸收系數(shù)進(jìn)行比較,如圖8所示。對(duì)于同一部位的艾草來(lái)說,烹飪溫度越高,高頻的吸收系數(shù)大,進(jìn)而表明物質(zhì)所含成分越少,大部分成分已經(jīng)損耗;對(duì)于同一烹飪溫度的艾草來(lái)說,根部的吸收系數(shù)相比較于其他部位較高,所含的有效成分較低。

3 結(jié)語(yǔ)

借助自行搭建的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng),以本地采集的艾草為研究對(duì)象,無(wú)損檢測(cè)了艾草不同部位及不同烹煮溫度下的光學(xué)特性,在這一過程中排除了栽培技術(shù)、加工炮制、儲(chǔ)藏等多個(gè)因素的影響,保留了物質(zhì)完整的分子結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,艾草不同部位及不同烹煮溫度下的頻域譜、透射光譜、吸收光譜等,具有明顯差異,意味著太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)可以方便快捷地來(lái)評(píng)估艾草藥性情況,為艾草的廣泛推廣與應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。