部分临床药物的拉曼光谱研究

董 赫，刘 传，戴长建

天津理工大学理学院, 天津 300384

部分临床药物的拉曼光谱研究

董 赫，刘 传，戴长建*

天津理工大学理学院, 天津 300384

针对目前临床药物拉曼光谱的缺乏和药物检测领域的现状，利用拉曼光谱技术对抗生素、抗组织胺、血凝酶和止吐剂等几类常用临床药物进行了拉曼光谱的测量和研究。通过观测上述具有良好拉曼活性的药物样品拉曼光谱，不仅确定了样品拉曼峰的位移、强度和线宽，还探索了其包络的线形等光谱特性。通过分析和比较拉曼光谱图，找出各药物间的异同; 对于那些由于拉曼活性低或拉曼光谱的复杂样品，虽然暂时无法识别，但也进行了尝试性的测量或提出了测量建议。研究表明: 小分子药物的光谱特征很明显，拉曼峰分布较广, 对其进行光谱识别简单易行; 而大分子都表现出较弱的光谱特征峰, 常常伴随复杂的包络，不仅导致了对其光谱识别的困难, 也很难准确确定特征峰位置。对于不同药物，提出了用拉曼光谱测量和分析其药物成分的可行性，并通过分析其拉曼光谱的特性, 为医学工作者识别和分析药物成分提供了实验证据。不仅为建立药物的拉曼光谱数据库奠定了基础。还使业界看到了快速识别和检测药物的前景，从而促进拉曼光谱技术在药物检测上的运用。

拉曼光谱；抗生素；止吐剂；光谱分析

引 言

通过被测物质对光的散射，拉曼光谱可探测到其分子振动的信息，以便识别其振动模式是基于化学键的伸缩还是弯曲。虽然拉曼散射的强度通常很弱，但它即可对样品进行无接触、无损伤的测量，又具有分析速度快[1]，对极性基团灵敏[2]，不受水分子干扰[3]等优点而成为人们青睐的分析物质的成分和结构的重要方法[4]。

尽管对药物和食品的检测有多种方法，如：色谱法[5]和红外光谱法[6]等，但它们都有检测成本高、不适合水溶液样品等缺点。本工作曾采用拉曼光谱技术对碳系、油类材料进行过研究，可以较容易将其拓展到一些研究较少的材料，如：处方药物等。为此，对抗生素、止吐剂、血凝酶等十几种常用处方药进行了拉曼光谱的测量和分析。通过分类和比较其共性和异性，不但能获得其光谱信息，还为运用该技术检测处方药奠定了基础。

1 实验部分

1.1 原理

处于振动基态的分子在光子的作用下，先被激发到较高的振动激发态，再回到较低的振动激发态。因此，根据能量守恒原理，被分子散射的光子能量等于激发光的能量减去上下两个振动能级的能量差。换言之，当散射光与激发光的频率不相等时，该散射就称为拉曼散射，其频率改变的大小就称之为拉曼位移[7]。拉曼位移只与物质分子的振动和转动能级有关，其大小主要由发色基团的不同吸收峰所体现，而与入射光性质无关。实验的原理是，利用药物分子散射峰的拉曼位移大小、数目和强度的不同，可以获取和分析其分子振动和转动方面的信息，并进而对其进行识别。

1.2 装置和方法

实验装置为半导体激光拉曼光谱仪，由自行设计、组装的激光器系统、散射光产生系统、外光路系统、信号采集系统构成。半导体激光器的输出波长为532.8 nm，工作电流为1 A。光栅仪的扫描步长为0.1 nm，波段为300～800 nm。在进行波长修正、基线漂移校正和光路调节之后，还需设置测量参数，比如：响应阈值为80，工作电压为900 V，积分时间为100 ms。

当入射激光照射到样品上发生散射，具有不同波长的散射光经光学聚焦系统聚焦进入单色仪入射狭缝。经光栅分光后，由光电倍增管(PMT)将光信号转换并放大成电信号，通过模数(A/D)转换后的数字信号由数据采集软件输入到计算机中，去除光度噪声后生成被测样品的光谱数据供存储和处理。

针对瑞利散射的信号强度远大于拉曼散射信号(前者约为后者的102～103倍)情况，实验采用一个凹陷滤波器选择性衰减瑞利峰的强度，以便大幅增强拉曼散射峰的相对强度。实验中，需对凹陷滤波器的角度进行精细调节，反复优化使其达到最佳效果。先旋转其方位角，使基准线处于水平方向；然后调控其张角θ，使其在30°～ 50°之间反复优化，直至寻找到一个能使瑞利散射峰最弱而拉曼散射最强的位置。若被测药物有显著的特征峰，则可通过其强度和频移等来分析其特征和信息；若其缺乏特征时，则可进一步通过其包络位置和线形等特征和信息来识别。

实验所采用的被测样本主要为用于肿瘤临床诊疗的成品针剂。根据其结构和药性分成3组：(1)抗生素类：主要起杀菌和消炎作用；(2)止吐剂：主要起止咳、排痰和镇吐作用；(3)特殊功能药物，其功效不尽相同。部分样品见图1。

Fig.1 Some samples used in the experiment

上述药物都密封冷藏于冰箱中，测量时用蒸馏水将其稀释至1 mg·mL-1，现配现用，确保实验结果的准确可靠。

2 结果与讨论

实验对上述抗生素等三类药物，共计15种样品进行了拉曼光谱测量，并按照类别进行了举例和比较。在提供了样本的基本信息(如：名称和药理作用等)之后，给出了实验测得的拉曼光谱图，并讨论了其光谱特征。

2.1 抗生素类药物

地西泮：它属于苯二氮卓类的抗焦虑药，具有抗焦虑、镇静、催眠、抗惊厥、抗癫痫和中枢性肌肉松弛作用。首先对地西泮进行了拉曼光谱的测量, 其结果见图2。

由图2可见，532.8 nm的瑞利峰右侧存在4个较为明显的拉曼散射峰，其波长相对532.8 nm分别移动了12.5，25，44.5和98 nm，对应的拉曼频移分别为：430，841，1 446和2 914。另一方面，这4个拉曼散射峰的强度都很弱，它们与瑞利峰的强度比分别为0.002 6，0.002 7，0.002 1和0.001 2，这表明：地西泮的拉曼活性很低。为了，凸现拉曼散射峰，故在图2中不展示瑞利峰的顶端。

Fig.2 Raman spectrum of diazepam

奥硝唑：其在体内多以具有细胞毒作用的原药和具有细胞毒作用的中间代谢活性产物作用于厌氧菌、阿米巴原虫、贾第鞭毛虫和毛滴虫细胞的DNA，使其螺旋结构断裂或阻断其转录复制而至其死亡，达到抗菌抗原生质的目的。研究中对奥硝唑采用了两种测量方式，光谱见图3(a)和(b)。

Fig.3 Raman spectra of Dexamethasone (a) with and (b) without notch filter

结果表明，当使用滤波器衰减瑞利峰时，难免会使拉曼峰也被衰减见图3(a)，从而导致峰被部分掩盖。也不用滤波器测量，结果见图3(b)。显然从图3中可以看出，当采用凹陷滤波器时，尽管部分散射峰被掩盖了，但仍能看清拉曼包络的位置和宽度等光谱特征。

以瑞利散射峰的位置作为拉曼频移零点，绘制出其余四种药物的拉曼光谱见图4。该测量过程未加凹陷滤波器。

从图4可以看出，这四种药物的谱线虽然相似，但它们在低频区的差异相对显著。由于这些差异主要由相同发色基团旁的不同助色基团导致，所以可以通过各拉曼峰频移的大小来识别和区分。实验利用上述方法测量了多种抗生素药物的光谱数据，表1列出了部分实验结果。

Fig.4 Raman spectra of the antibiotics

Table 1 Experimental data of the popular antibiotics

由表1可见，总能找到药物之间的部分差异。如: 虽然奥硝唑和硫酸庆大霉素的3组特征峰的位置很接近，但其相对强度却有显著差异。换言之，即使在它们的拉曼频移相近时，上述的光谱特性仍可作为识别不同药物的依据。

2.2 止吐剂药物

采用同样的方法分析盐酸异丙嗪、盐酸托烷司琼、盐酸甲氧氯普胺、盐酸昂丹司琼和盐酸氨溴索这五种药物，它们都属于止吐镇吐剂和排痰药物，在临床具有重要运用，而且该类药物结构特点都具有许多苯环，并拓展了大量C—H，C—C和C—N键的基团。光谱特征数据见表2。

从表2数据中看出，止吐剂药物特征拉曼峰分布非常广，如盐酸甲氧氯普胺的拉曼频移，大到9 055 cm-1, 小到451 cm-1。查阅文献可知，在低频区峰对应C—C骨架的摇摆、伸缩振动，在高能区则对应C—H键的伸缩振动[7]。而1 400～1 300 cm-1波段为CH2变形振动，C—O—H弯曲和C—C伸缩振动区。CH键出现在1 350～650 cm-1的频即指纹区，所有有机化合物在此波段都有吸收带出现，而且分子结构的细微变化都能在此表现得十分灵敏，但该区光谱较少有特征性[8]，所以在前三种药物加装滤波器后检测，以线型来大致作为特征，发现他们都具有两个包络，一个延伸50 nm, 一个延伸100 nm，而且位置极为相近，必然他们具有非常相似的主链和助色基团所导致。

2.3 特殊功能药物

对低分子肝素钠、盐酸多巴胺、盐酸利多卡因、顺铂(冻干型)和尖吻蝮蛇血凝酶进行测量分析，该类药物功能差异很大，其中血凝酶在临床医学具有非常重要的作用。首先，比较五种药物的光谱特征，见表3。

Table 2 Spectral data of antiemetics

Table 3 Spectral data summary of special function drugs

可以看出，这些药物的拉曼频移多处于3 000～10 000 cm-1的范围内，其主要与药物分子主链端复杂的结构有关，如O—S双键、C—O键和磷酸基团等，其中2 800～3 000 cm-1为C—H伸缩振动，3 200～3 000 cm-1为N—H伸缩振动。

其次，尖吻蝮蛇血凝酶是从中国尖吻蝮蛇属毒蛇液中分离得到的酶性止血剂，为天然蛋白质，结构非常复杂。从数据对比中可以看到，顺铂和血凝酶这两种大分子药物在特征峰位置上十分相似，当仪器分辨率有限时，其具有的诸多发色基团以及侧链的不同构象，对振动峰位置产生复杂影响，使得区分比较困难。如：血凝酶作为一种蛋白质，其含有的二硫键，有三种构象，在510 cm-1的谱线属于扭曲-扭曲-扭曲构象，在525 cm-1的为扭曲-扭曲-反式构象，540 cm-1附近的为反式-扭曲-反式构象，各种多构象键互相交杂影响，导致拉曼活性低的样品光谱中出现无法寻找特征峰的包络，最终无法准确识别药物。

最后，再多考虑药物之间的包络线型，尝试至少能辨别出二者为不同的药物。各药物线型数据展示于表4。

虽然部分药物的拉曼峰数据差异小，但它们在包络数量，延伸长度上还有微弱的不同。如对顺铂和血凝酶两种药，拉曼峰位置没有差异，但包络位置有5 nm左右的区别，相对强度也有3×10-4的差异，虽然不能准确判断为何种药物，但至少可以判断出所测样本为不同的两种药物。

Table 4 Spectral data of some drugs

针对拉曼活性低的样本，常采用表面增强拉曼光谱技术(SERS)来提高样本拉曼信号，研究表明，吸附在粗糙金属如银、金、铜等表面的样品分子[1]，其散射截面要比普通样品分子高数倍，因此，表面增强拉曼谱的信号比常规拉曼谱强数倍。该技术常使用银胶或银镜作为SERS的基底[9]，确实可以辨别出更多的拉曼峰和谱线精细信息。但该基底对于样品的使用会有一定限制，如：仅用超纯水冲洗的银镜表面残留物会对样品增强拉曼谱产生微扰[10]。使分辨率不高的民用仪器雪上加霜，而且本研究测量的样本会与有还原性的物质反应，所以没有采用该方法。

在测量的过程中发现，有的物质在低频区斯托克斯线明显，而有的在高频区反斯托克斯线明显. 利用拉曼峰在瑞利峰两侧多对称分布的特性，以瑞利峰为中心向两侧波段灵活寻找对称峰，最终确定拉曼位移，也是操作上可取的方法。

3 结 论

研究了15种临床药物的拉曼光谱特性，不但分析通过讨论他们的拉曼频移和活性，还发现，上述药物的拉曼频移普遍较大，但活性却普遍较低。通过不同药物的拉曼光谱的对比，发现：部分样品在330～370和610～710 nm范围内都存在一个很宽的包络，且具有类似的线形；不同药品的特征峰的数目和相对强度都具有明显的差异，还对已有的分析方法进行了有力的补充。本文提供了许多采用拉曼光谱技术检测药物的实验证据，通过对临床药物的识别和检测，展现了拉曼光谱的快速、准确、简单和低成本等优越性和普适性。上述研究结果不但能增强业界对采用拉曼光谱分析和检测药物的认识，还为建立临床药物的拉曼光谱数据库奠定了基础。

致谢：青岛大学的李心如、厦门大学的薛森和山东中医药大学的李佳祎给予了建议和帮助并表示感谢。

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Study on Raman Spectra of Some Clinical Medicine

DONG He, LIU Chuan, DAI Chang-jian*

College of Science, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China

Aiming at the shortage of the Raman spectra of drugs and the current situation of drug testing, we have applied Raman spectroscopic technique to several kinds of medicine, such as antibiotics, antihistamine, hemocoagulase and antiemetics. The spectral properties for the samples with high Raman activity are investigated by observing their Raman spectra to yield the shift，intensity, and line width of the Raman peaks，as well as the line shape of Raman envelope. For those samples with weak Raman activity or complex structures that are hard to be identified，we have also made some tentative measurements or raise some suggestions for future measurement. Comparing the similarities or differences among many Raman spectra of drugs, it is evident that drugs with small molecule have apparent spectral characteristics, by which to recognize them is very feasible, while those with large molecule usually have weak peaks or complex envelope in their spectra, leading to a difficult recognition and uncertain peak positions. This work not only proposes to identify chemical ingredients of drugs by observing and analyzing their Raman spectra, but also provides experimental evidences for medical workers doing so. The present results lay the foundation for establish the database of Raman spectra for drugs, and point out the prospect for rapid identification and detection of drugs, promoting the application of Raman spectroscopy technology on drug detection to a certain extent.

Raman spectroscopy；Antibiotics；Antiemetics；Spectral analysis

Oct. 24, 2014; accepted Jan. 28, 2015)

2014-10-24，

2015-01-28

国家自然科学基金项目(11174218)资助

董 赫, 1992年生, 天津理工大学理学院物理系本科生 e-mail: 496995344@qq.com *通讯联系人 e-mail: daicj@126.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0109-05

*Corresponding author