基于弱值放大药物手性多功能检测装置及方法

本发明涉及光学，尤其涉及基于弱值放大药物手性多功能检测装置及方法。

背景技术：

1、手性，作为自然界物质的本质属性之一，广泛存在于自然界中，手性的特征在于相同分子量与官能团的情况下，手性对映体的空间构型互相镜像对称，手性物质的发现对人类的生产生活产生了极为深远的影响。

2、同时，药物作为治疗环节中最重要的元素，对其展开深入透彻的研究极为必要，在药物有效性方面，药物的手性异构体会导致药效差异，如青蒿素，研究表明，与青蒿素(a)比较，其差向异构体(b)的抗疟活性大大降低；在药物安全性方面，在早年由于缺乏对药物中手性物质的研究，曾经一度出现了由于误用手性异构体导致医疗事故的案例，例如右旋沙利度胺能缓解妊娠反应，而左旋沙利度胺则有强致畸性。从含有手性的药物占比来看，据权威智库数据显示，截至2023年，有近95％的药物是手性药物，并且手性药物是手性技术最大的应用领域。药物的单一对映体形式在治疗上更有效并且副作用更少，因此针对化合物尤其是药物的手性研究有着极为重要的意义。

3、主流的针对手性物质检测的三种光学检测方法分别为：旋光性、圆二色性、紫外光谱。其中旋光性检测需要借助旋光仪，旋光仪是一种科学仪器，用于测量偏振光通过样品时的旋转。它常用于化学、生物化学和制药行业，用于测定手性化合物的浓度、纯度和同一性。手性化合物是具有非超不透反射镜像的分子，可以使偏振光的平面沿不同方向旋转。旋光仪可用于测定样品的比旋光度、光学纯度和对映体过量值。然而普通旋光仪的精度不高，且检测所消耗的样品较多，不适用于名贵药材的检测。

4、圆二色性具体是指：一般而言，生物分子大多都具有手征性，也就是说它们在结构上有其他分子式相同但结构式不同的对映异构体(分为l型和d型)，除此之外它们在光学特征上也有所差异。由于手征性生物分子结构上的影响，而使得左旋与右旋圆偏振光在折射率上有所差异，因此在重合后会产生附加的相位差，从而使得射出的合成线偏光在角度上产生偏转。因为生物分子均会在某一特殊光波长下有吸收光，它们除了对左旋与右旋的吸收度不同外，振幅也不同。然而现有的圆二色谱仪检测过程复杂，需要进行精细的调校，而且仪器设备往往价格昂贵，不适用于便捷式检测。

5、紫外(uv)光谱是指在电磁波谱的紫外区吸收光的一类光谱。紫外光谱是研究分子电子结构的有力工具，尤其是芳香族化合物和双键等共轭体系。在紫外光谱法中，将样品暴露在一系列波长的紫外光下，测量样品吸收的光量，得到的光谱显示了光的吸收是波长的函数，并且可以提供关于分子中发生的电子跃迁的信息。紫外光谱可以用来确定分子中某些官能团的存在，它也可以用来测定样品的纯度(因为杂质会引起紫外光谱的变化)。

6、综上可知，现有的药物手性分析方法需利用上述三种方法对药物进行分析，才能较为全面地获取其手性信息，其主要工序包含利用旋光仪检测宏观手性，用以进行药物的手性分辨；利用圆二色谱仪检测手性成分在左右旋吸收峰的特性，以此检测手性成分的浓度；利用紫外光谱仪识别手性成分的光谱信息，通过分析谱中的波峰与波谷强度，再与校准曲线进行比较，以此分析手性成分的纯度。且需要一种一种地依次检测，速度慢，耗费样品量较大，不能满足药物的快速检测需求，同时检测操作较多，人为影响因素较大，并不能满足现代检测高效、简易、集成化的检测需求。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种基于弱值放大药物手性多功能检测装置及方法，同时集成了紫外吸收谱检测、圆二色谱检测、旋光谱检测三种功能，并基于弱值的放大机制，且通过合理的光路优化设计与较少的人为调节步骤，有效地简化了检测流程，也避免了人为操作引起的实验误差，大大提高了检测效率与检测能力，同时能满足药物中手性成分的分辨、浓度检测以及纯度分析的功能需求。

2、为实现上述目的，本发明提供了基于弱值放大药物手性多功能检测装置，包括紫外光谱检测光路、旋光性检测光路和圆二色谱检测光路；

3、紫外光谱检测光路包括沿光路依次布置的光源发生器、光阑、半波片、第一分光镜以及对应第一分光镜的第一出射端依次设置的第二比色皿和第二光谱仪；

4、旋光性检测光路包括设置于第一分光镜的第二出射端的第一格兰偏振镜、第一比色皿、第二分光镜以及对应第二分光镜的第一出射端依次设置的第三格兰偏振镜和光功率计；

5、圆二色谱检测光路包括对应第二分光镜的第二出射端依次设置的四分之一波片、第二格兰偏振镜和第一光谱仪。

6、优选的，宽带光源发生器，用于发射宽带光源；

7、光阑，用于限制杂散光通过；

8、半波片，用于调节宽带光源的光强；

9、第一分光镜，用于将宽带光源的光束均等地分成两个光束；

10、第二比色皿，用于盛放药物成分溶液，并接收自第一分光镜第一出射端出射的光束，以使得药物成分溶液和光束作用；

11、第二光谱仪，用于接收透过第二比色皿的光束，进行分析并记录结果；

12、第一格兰偏振镜，用于接收自第一分光镜第二出射端出射的光束并对其进行调制，产生前选择态并输出光源，再垂直入射到装有药物成分溶液的第一比色皿；

13、第一比色皿，用于盛放药物成分溶液，并利用药物成分溶液的旋光性引起入射光束的偏振面偏转；

14、第二分光镜，用于将透过第一比色皿的光束均等地分成两个光束；

15、第三格兰偏振镜，用于接收自第二分光镜的第一出射端出射的光束后对其进行调制，产生后选择态并输出光源，再进入光功率计中进行分析并记录结果；

16、四分之一波片，用于产生后选择态并输出光源；

17、第二格兰偏振镜，用于接收到光束后对其进行调制，最终进入第一光谱仪中进行分析并记录结果。

18、优选的，宽带光源发生器输出光源的波长范围为215-400nm。

19、基于弱值放大药物手性多功能检测装置的检测方法，包括以下步骤：

20、s1、利用95％甲醇作为溶剂，配置不同浓度的药物成分溶液，而后利用超声波振荡溶解，得到不同浓度的药物成分溶液；

21、s2、打开宽带光源，检测旋光性、圆二色谱或者紫外光谱。

22、优选的，在步骤s2中检测旋光性时，在步骤s1之前还包括校准步骤，其具体包括以下步骤：

23、在第一比色皿中盛放无旋光性溶剂，调整第三格兰偏振镜的后选择角，当其后选择角为+0.01rad和-0.01rad时，第一光谱仪接收到的光束强度相等；

24、此时，步骤s2具体包括以下步骤：

25、s21、在宽带光源开启前的黑暗状态下，打开光功率计进行调零；

26、s22、开启宽带光源，待宽带光源功率稳定后，向第一比色皿中加入3ml甲醇进行弱测量系统校准；

27、s23、用移液枪吸出1ml甲醇，而后向第一比色皿中加入由步骤s1获得的药物成分溶液，静置三分钟，获取旋光信号α；

28、s24、利用移液枪先吸出1ml第一比色皿中的混合溶液，再利用移液枪向第一比色皿中加入1ml由步骤s1获得的药物成分溶液，静置一段时间待药物成分溶液稳定后，获得多个旋光信号α，调整后选择态，记录不同后选择态光强，计算可得旋光信息。

29、优选的，步骤s23具体包括以下步骤：

30、s231、调整第三格兰偏振镜的后选择角度为0.01rad，此时光功率计记录对应的后选择光强数值i+；

31、s232、调整第三格兰偏振镜的后选择角度为-0.01rad，通过光功率计记录对应的后选择光强的数值i-；

32、s233、计算平均光强和差分光强得到强度对比度，从而得到旋光信号α；

33、在步骤s231和步骤s232中，光束通过第一格兰偏振镜的表达式为：

34、

35、式中，|+>表示左旋量子态；|->表示右旋量子态；|ψi>表示系统的前选择态；

36、光束相位偏移量表达式如下：

37、

38、iα±≈i0|<ψpost|ψi>|2[1-αim(aω)+βre(aω)]＝i0sin2χ[1-αim(aω(α)±)]     (3)

39、

40、

41、

42、式中，aω(α)±表示测量弱值；χ表示第三格兰偏振镜的后选择角；iα±表示；i0表示初始光强，ψpost表示；aω表示；表示相位变化的差分强度；表示后选择的平均光强，i+表示后选择角χ为+0.01rad时光功率计记录的光强值；i-表示后选择角为-0.01rad时光功率计记录的光强值；ηα表示强度对比度；α表示光束相位偏移量，即旋光信号；β表示光束圆二色性；

43、比旋度表达式如下：

44、

45、式中，[α]表示比旋度；α表示旋光信号；t表示温度，l为光程，单位是dm；c为溶液浓度，单位是g/100ml。

46、优选的，在步骤s2中检测圆二色谱时，在步骤s1之前还包括校准步骤，其具体包括以下步骤：

47、在第一比色皿中盛放无旋光性溶剂，调整第二格兰偏振镜后选择角，当其后选择角为+0.01rad和-0.01rad时，第一光谱仪接收到的光束强度相等；

48、此时，步骤s2具体包括以下步骤：

49、s21、在宽带光源开启前的黑暗状态下，打开第一光谱仪进行调零；

50、s22、开启宽带光源，待宽带光源功率稳定后，向第一比色皿中加入3ml甲醇进行弱测量系统校准；

51、s23、用移液枪吸出第一比色皿中的1ml甲醇，而后向第一比色皿中加入1ml由步骤s1获得的药物成分溶液，静置三分钟，获取圆二色性信号β。

52、优选的，步骤s23具体包括以下步骤：

53、s231、调整第二格兰偏振镜的后选择角度为0.01rad，此时光功率探测器记录对应的后选择光强数值i+；

54、s232、调整第二格兰偏振镜的后选择角度为-0.01rad，通过第一光谱仪记录对应的后选择光强数值i-；

55、s233、计算平均光强谱和差分光强谱得到强度对比度曲线，从而得到圆二色谱β；

56、在步骤s231和步骤s232中，光束通过第一格兰偏振镜的表达式为：

57、

58、式中，|+>表示左旋量子态，|->表示右旋量子态；

59、光束相位偏移量表达式如下：

60、aω(β)±＝±cotγ             (9)

61、iβ±≈i0|<ψpost|ψi>|2[1-αim(aω)+βre(aω)]＝i0sin2γ[1+βre(aω(α)±)]     (10)

62、

63、

64、

65、式中，aω(β)±表示测量弱值，γ表示后选择角，iβ±表示，i0表示初始光强，β表示光束圆二色性，表示相位变化的差分光强谱，i+表示后选择角γ为+0.01rad时光功率计记录的光强值，i-表示后选择角γ为-0.01rad时光功率计记录的光强值，表示后选择的平均光强谱，ηβ表示强度对比度。

66、优选的，在步骤s2中检测紫外光谱时，步骤s2具体包括以下步骤：

67、s21、在宽带光源开启前的黑暗状态下，打开第二光谱仪进行调零；

68、s22、开启宽带光源，待宽带光源功率稳定后，向第二比色皿中加入3ml甲醇进行弱测量系统校准；

69、s23、用移液枪吸出第二比色皿中的1ml甲醇，而后向第二比色皿中加入由步骤s1获得的药物成分溶液，静置三分钟，在第二光谱仪上获取紫外吸收光谱信号。

70、优选的，步骤s23中紫外吸收光谱信号的吸收度计算公式如下：

71、a＝ecl            (14)

72、式中，a表示吸收度；e表示吸收系数，采用的表示方法是(e1％1cm)，其物理意义为当溶液浓度为1％(g/ml)，液层厚度为1cm时的吸收度数值，其由光谱仪记录；c表示100ml溶液中所含被测物质的重量，其单位为g；l表示液层厚度，其单位为cm。

73、本发明具有以下有益效果：

74、(1)本发明所设计的多功能检测装置可以实现旋光谱、圆二色谱与紫外光谱三种光谱的检测，相较于同类型检测方法，相同时间内所获得的检测信息更多更全面，对于分析研究药物中的手性成分可信度更高；

75、(2)本发明的信息指针皆通过弱值放大技术进行放大，相较于传统的旋光、圆二色谱、紫外光谱检测，灵敏度和高精度更高，能够准确地分辨并测定药物中相应的手性成分；

76、(3)可对较低浓度的手性中药溶液进行手性分辨，避免了药物的不必要浪费；

77、(4)可采用直接透射的光路设计，操作简单快捷，学习成本低，实用性强；

78、(5)基于量子相干放大的原理，无需外加辅助试剂，检测过程不破坏药物的成分，不改变药物的药性和药效。

79、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。