基于太赫兹偏振时域光谱技术对D/L-苹果酸及其二乙酯的手性鉴别

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Chirality discrimination of D/L-malic acid and its diethyl ester based on terahertz polarization time-domain spectroscopy

太赫兹偏振时域光谱技术（THz-PTDS）通过2×2 GaAs光电导阵列检测波传播偏振特性，实现了对苹果酸及其二乙酯手性异构体的非破坏性鉴别。研究发现，固体和溶液态苹果酸在0.6 THz处呈现显著偏振参数差异，而苹果酸二乙酯在0.93 THz和1.013 THz处分别表现出L-和D型异构体的特征偏振椭圆旋转方向，为食品医药行业的手性分子快速检测提供了新方法。

　　

李焕林|史伟|张宇松

西安工业大学，中国

摘要

太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术在生物医学应用和无损检测方面具有独特的优势。与X射线不同，THz技术不会损坏被检测的材料，尤其是活性物质。然而，传统的THz-TDS技术仍然难以区分手性物质。本研究提出了一种太赫兹偏振时域光谱系统（THz-PTDS），该系统利用2×2 GaAs光电导阵列来检测太赫兹波的偏振。该系统能够无损且快速地识别苹果酸及其乙酯对映体的手性形式。结果表明，在0.6 THz频率下，苹果酸的固态和溶液态形式的偏振参数曲线显示出显著的手性差异。此外，在0.93 THz频率下，苹果酸乙酯-乙醇溶液的偏振参数曲线也显示出显著的手性差异；而在1.013 THz频率下，纯苹果酸乙酯的偏振参数曲线同样显示出显著的手性差异。进一步地，相应THz频率下偏振椭圆的旋转方向可用于区分对映体。这种方法为食品和药品中手性对映体的快速识别提供了一种创新途径，具有重要的应用前景和潜在优势。

引言

苹果酸（MA）是一种天然存在的二元羧酸，广泛应用于食品、饮料、制药、化妆品和农业等多个行业。它是全球消耗量最大的有机酸之一。在食品工业中，苹果酸用作糖果、软饮料、烘焙食品和果冻等产品中的酸味剂和风味增强剂[1]。在医药和生物制药领域，L-苹果酸是柠檬酸循环中的天然中间体。临床研究表明，L-苹果酸盐可以增加患者的ATP合成，有助于延缓肌肉疲劳[2]。口服L-苹果酸可以通过参与克雷布斯循环和作为苹果酸-天冬氨酸穿梭系统的组成部分来增强线粒体ATP的合成，从而延缓运动引起的疲劳[3]。在化妆品行业中，苹果酸作为各种配方中的皮肤调理剂和保湿剂，为护肤提供了更温和、刺激性更小的选择[4]。总体而言，苹果酸在工业生产和日常生活中都具有重要价值。

尽管苹果酸的结构看似简单，但它含有一个手性中心，因此存在两种对映体：L型和D型。虽然这两种对映体在物理性质上几乎相同，但它们在生物活性和代谢行为上存在显著差异。L-苹果酸是人体柠檬酸循环中的天然中间体，具有优异的生物相容性和良好的代谢途径。相比之下，D-苹果酸在体内代谢较差，长期摄入可能会积累，带来潜在的健康风险，包括形成尿结石。因此，开发快速、无损且通用的手性检测方法对于准确识别和控制食品、药品和保健品中的苹果酸对映体至关重要。这具有重要的科学意义，并具有广泛的实际应用潜力。

目前，食品工业中检测苹果酸对映体的主要方法包括高效液相色谱（HPLC）[5]、酶分析和毛细管电泳。尽管这些方法具有高精度，但它们通常面临分析时间长、样品需求量大、处理程序复杂以及需要衍生化的挑战。这些限制阻碍了食品行业对快速、无损和在线检测方法的需求。此外，大多数传统技术仅适用于液体样品，对固体原料或粉末的适应性较差，限制了其在生产线质量控制中的应用。因此，利用太赫兹技术进行苹果酸对映体的快速检测和区分具有巨大潜力。

太赫兹（THz）波的频率范围为0.1 THz至10 THz，位于电磁波谱中的毫米波和红外辐射之间[[6], [7], [8]]。由于其独特的性质，THz波具有重要的科学价值和广泛的应用前景[9]，涵盖无损材料检测、成像[10]、生物医学应用[[11], [12], [13], [14]]、健康监测、环境管理以及手性物质的检测[15,16]等多个领域。先前的研究已经成功地利用太赫兹圆二色性和偏振分辨技术实现了生物大分子（如氨基酸和糖类）的手性识别。此外，通过结合太赫兹圆二色性和超表面技术，还实现了布洛芬对映体的手性区分[17]。然而，针对小分子羟酸（如苹果酸及其酯类衍生物）的太赫兹手性光谱的系统研究尚未开展，尤其是那些能够实现无标记、通用、固体/液体和快速检测的方法。在本研究中，我们开发了一种基于2×2光电导天线阵列探测器的快速、无损、无标记的THz光电导检测系统（THz-PTDS），能够检测太赫兹波的偏振。这种方法首次实现了苹果酸及其乙酯对映体之间的定性区分。我们的方法不仅操作简便且成本效益高，还适用于多种形式，包括固体颗粒和溶液。这一进展为食品和药品中手性有机酸对映体的快速区分提供了新的技术途径，显示出显著的应用潜力和价值。

章节片段

THz-PTDS系统

THz-PTDS系统使用了一台波长为800 nm、脉冲宽度为70 fs、重复频率为80 MHz的钛宝石激光器（MaiTai XF-1，Spectra-Physics），如图1所示。飞秒激光束通过保偏分束器（BS）分成两束：泵浦光束和探测光束。探测光束经过时间延迟系统后，反射到镜M5上，再通过透镜，然后垂直照射到2×2探测阵列天线（PCA）上。

D-苹果酸和L-苹果酸

为了确保实验结果的可靠性和准确性，我们进行了五次独立的重复实验。所有测试程序连续进行，以最小化外部干扰，从而保证实验工作流程的一致性、数据记录的完整性以及最终结果的严谨性。

首先，我们将传统THz-TDS系统的信噪比优化至4430.06，并测试了多种样品以获得太赫兹时域数据。

结论

本研究利用太赫兹偏振时域光谱系统研究了太赫兹波通过左旋和右旋苹果酸及其乙酯对映体时的偏振特性和偏振状态曲线。结果表明，在0.6 THz频率下，苹果酸的固态和溶液态形式的偏振参数曲线显示出显著的手性差异。

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述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62371391；62435020）、陕西省超快光电子学与太赫兹科学重点实验室（项目编号：2018SZS-06）以及西安市超快光电子器件技术重点实验室（项目编号：201805055ZD6-CG39）的支持。