利用太赫兹光谱技术监测白藜芦醇-甜菜碱共晶的形成过程

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Monitoring the baicalein-betaine cocrystal process by terahertz spectroscopy

　　

赵硕|王磊|尤成倩|张春义|杨旭|袁敏|曲秋红|薛康|邓慧丹|王鹏飞|何明霞

郑州大学电气与信息工程学院，中国郑州450001

摘要

共结晶已成为一种增强活性药物成分（APIs）物理化学性质的一般策略，特别是对于那些来自传统中药（TCM）且溶解度和生物利用度有限的成分。作为前提，研究共结晶过程非常重要。在所有分析技术中，太赫兹（THz）光谱学具有优势，因为共结晶是由分子间相互作用驱动的，而这些相互作用本质上与THz光子的能量水平相同。在这项工作中，通过液体辅助研磨实现了白藜芦醇（BAI）和甜菜碱（BTN）的共结晶，并使用THz-TDS进行了表征。进一步选择了基底和共晶体的光谱演变作为主要焦点来描述共结晶行为。在1.53 THz处，物理混合物的峰强度逐渐下降，而在1.27 THz处，共晶体的峰强度同时上升，从而能够实时跟踪反应进程。通过提取1.27 THz处的归一化峰强度作为研磨时间的函数，并用Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov（JMAK）模型进行拟合，共晶体的形成被描述为一个三维成核-生长过程，其Avrami指数为3。使用密度泛函理论模拟计算了BAI-BTN共晶体的太赫兹光谱。这些发现提供了宝贵的见解，并为研究BAI-BTN共晶体中的分子构型和相互作用机制建立了关键参考数据。这证明了太赫兹光谱学在监测共结晶过程中的可行性，为优化具有增强治疗效果的中药衍生API提供了帮助。

引言

传统中药（TCM）已被广泛使用了数千年，这吸引了全世界的研究兴趣[1]。为了确保药物疗效的一致性，从原始中药中提取和纯化活性药物成分（API）非常重要。然而，由于水溶性、稳定性和生物利用度等物理化学性质的限制，只有不到1%的API成功实现了商业化[2]。例如，白藜芦醇（BAI）是从黄芩根中提取的一种黄酮类化合物，具有抗肥胖[3]、抗氧化[4]和抗癌[5]的生物效应。但其低溶解度和生物利用度严重限制了其作为API的应用[6]。共结晶是一种被广泛认可的方法，可以在不改变分子结构的情况下优化API的物理化学性质。为了形成共晶体，API通过与生物相容的共晶形成剂（CCFs）通过非共价相互作用结合[7]。甜菜碱（BTN）是一种在微生物、植物和动物中广泛存在的天然化合物。其生物安全性特征特别突出，因为研究表明它在人体内具有天然的代谢途径和低毒性，并且在预防和治疗慢性疾病方面表现出良好的生物相容性[6]、[8]、[9]。BAI和BTN可以形成共晶体，从而增强BAI的物理化学性质[6]。但是，BAI-BTN共晶体的形成机制仍然是一个未解之谜，这对于描述反应过程和全面理解共结晶行为非常重要。

已经建立了多种分析方法来表征晶体结构，包括傅里叶变换红外（FT-IR）光谱[10]、拉曼光谱[11]、X射线衍射（XRD）[10]、[11]、[12]、[13]和差示扫描量热法（DSC）[15]、[16]，但这些方法有时耗时较长，并且缺乏关于弱分子间相互作用的足够信息。因此，找到一种适当的技术来全面评估共晶体性质以及动态反应过程非常重要。这不仅有助于深入理解分子间相互作用，还有助于阐明制药行业中的共晶体形成机制。

太赫兹（THz）光谱学被认为具有主要优势，因为THz光子与分子间相互作用具有内在的能量水平匹配。因此，它提供了敏感的光谱指纹，可以区分共晶体及其组成成分之间的结构差异。具体来说，它在药物开发中显示出巨大的应用前景，如区分多晶型材料[17]、监测相变[18]、[19]、[20]、[21]以及表征药物共晶体[22]。这种方法在分析和测量固相物质方面显示出良好的适用性，特别是在与制药相关的研究领域中的过程监控和控制[23]、[24]、[25]。结合理论计算，THz光谱指纹的起源归因于集体振动模式。因此，进一步阐明了分子间相互作用的信息，加深了对共结晶行为的理解。

本研究使用太赫兹时域光谱（THz-TDS）研究了BAI和BTN的共晶体形成。使用太赫兹光谱的一个原因是太赫兹能量水平与分子间相互作用能量水平相匹配，而分子间相互作用驱动了共晶体反应过程。BAI-BTN共晶体是通过液体辅助研磨形成的，并通过THz光谱指纹进行了表征。为了跟踪共结晶过程，绘制了一系列不同研磨时间的THz光谱。选择了光谱吸收峰并进行了定量拟合。通过从基底和产品的角度提取研磨时间与比例变化的关系，进一步分析了THz光谱特征的演变趋势，从而动态理解了共结晶过程。在DFT模拟下，可以进一步理解和分析共晶体特征峰的形成机制，这些机制与分子的集体振动有关。

节片段

材料

BAI和BTN从J&K Scientific（中国北京）购买。环烯烃粉末（粒径<100 μm）的共聚物是从上海核研究所的实验工厂获得的。由于其太赫兹波段的透明性，它被用作分散剂[26]、[27]，并在样品制备中用作粘合和稀释剂。所有样品均未经进一步纯化即可使用。

太赫兹装置和数据处理

实验中使用的THz-TDS装置是TAS7400TS（Advantest，日本）

结果与讨论

在进行THz实验之前，对不同反应时间的BAI-BTN共晶体进行了粉末X射线衍射实验。如支持信息中的图S3所示，这与之前的工作和理论计算结果一致，表明BAI-BTN共晶体的成功合成。之后，基于THz光谱进行了进一步的研究。

结论

本研究使用0.5–2.0 THz频率范围内的太赫兹光谱研究了BAI和BTN的共结晶过程。THz结果显示了BAI、BTN、它们的物理混合物和共晶体的不同吸收指纹。实时监测液体辅助研磨过程发现，随着研磨时间的延长，物理混合物在1.53 THz处的峰强度逐渐下降，而共晶体在1.27 THz处的峰强度同时增加。对归一化

CRediT作者贡献声明

赵硕：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。王磊：方法学。尤成倩：方法学，研究。张春义：方法学，概念化。杨旭：撰写 – 审稿与编辑，方法学。袁敏：撰写 – 审稿与编辑，方法学。曲秋红：资源，方法学，项目管理。薛康：资源，方法学，项目管理。邓慧丹：资源，方法学，项目管理。王鹏飞：验证，监督

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：62405285）、国家重点研发计划（编号：2023YFB3611700）、河南省重点研发项目（编号：LHGJ20220309）、国家精密测量技术与仪器重点实验室（天津大学）开放项目（编号：pilab2101）以及中华人民共和国海关总署科学研究项目（编号：2023HK074）的支持。