基于太赫兹时域光谱技术的抗结核复方药物定量检测方法研究

摘要

结核病是全球十大高感染、高致死率传染病之一，并且我国是仅次于印度居于世界第二的结核病高负担国家。因此，我国俨然将治疗结核病列为亟需关注的公共卫生问题之一，且在《“十三五”全国结核病防治规划》中把确保抗结核药品质量列为治疗结核病的首要任务。　　目前，治疗结核病推荐用药是抗结核复方药物。复方药物的药效是建立在多种主要成分综合作用基础之上；若有效成分含量不足，不但大大降低治愈功效，甚至可能因抗药性肺结核菌株的生长导致病人产生耐药性，从而促使病情进一步加重，所以抗结核复方药物中各有效成分含量的准确检测是其质量控制的关键环节。目前常用的抗结核复方药物成分含量检测方法主要存在检测步骤繁琐、检测时间长、检测试剂污染环境等问题，因此亟需寻求一种简单、快速、绿色的抗结核复方药物含量检测方法。　　太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术作为一种新兴光谱检测技术，因对被测物质几乎无电离损伤且对药物分子集体运动模式(晶格振动、同分异构体构型差异等)非常敏感，在医药质量检测领域备受关注。本文以由异烟肼(INZ)、吡嗪酰胺(PNZ)和利福平(RIF)为有效成分组成的二联抗结核复方药物(INZ+RIF)和三联抗结核复方药物(INZ+RIF+PNZ)为研究对象，以THz-TDS为主要检测技术，展开抗结核复方药物中有效成分含量检测的深入研究。首先理论分析并仿真解析了有效成分INZ、RIF和PNZ的太赫兹光谱，为复方药物中有效成分的定性鉴别和定量分析提供理论依据；接着分别利用集成学习算法和卷积神经网络结合THz-TDS技术对二联和三联复方药物中各成分含量检测展开应用研究。具体的研究内容与研究成果如下：　　(1)INZ、RIF和PNZ的太赫兹光谱解析研究。利用THz-TDS技术获取了INZ、PNZ、RIF的太赫兹吸收光谱，并利用密度泛函理论(DFT)进行了基于单分子、二聚体以及晶体结构的理论仿真。实验结果显示：INZ在0.3-1.8THz波段内存在3个振动吸收峰，分别位于1.16THz、1.46THz以及1.56THz，其中位于1.16THz处的振动吸收峰来自于分子内相互作用，而位于1.46THz和1.56THz来自于分子间相互作用；PNZ在0.3-1.8THz波段内存在3个振动吸收峰，分别位于0.50THz、0.71THz以及1.42THz，这3个特征吸收峰均自于分子间相互作用；RIF通过实验和仿真计算均没有得到明显的特征吸收峰。该研究结果表明，这3种抗结核复方药物主要成分在太赫兹波段具有明显不同的太赫兹吸收特性，这些不同的光谱吸收特性可作为抗结核复方药物成分的定性鉴别提供一定的理论依据，也为后续定量研究提供了理论支持。　　(2)为了提高模型的预测准确度和泛化能力，提出了一种基于集成算法结合THz-TDS技术定量建模方法。以梯度提升决策树回归(GBDT)、高斯核支持向量机回归(RBF-SVR)和线性核支持向量机回归(Linear-SVR)为弱学习器，以Linear-SVR为元模型，分别利用Stacking、Blending以及Averaging三种不同的融合算法结合THz-TDS技术建立了二联和三联抗结核复方药物的定量分析模型。研究结果表明：相较于单一模型GBDT、RBF-SVR和Linear-SVR的预测结果，集成模型算法都显著提高了预测性能；其中Stacking集成模型的预测准确度和模型泛化能力最佳，其对所有分析物预测得到的R2均大于0.99；对于二联抗结核复方药物中INZ和RIF的预测得到的均方根误差RMSEP分别为0.686%和1.009%，对于三联抗结核复方药物中INZ、RIF和PNZ预测得到的RMSEP分别为0.717%、1.021%，0.607%。　　(3)联合应用CNN和THz-TDS技术建立抗结核复方药物的定量分析模型。首先针对CNN模型的整体架构、重要结构参数、分类器选择、损失函数定义和训练方法进行较为全面的优化与改进，确定最佳CNN架构并完成对二联、三联抗结核复方药物中各组成成分的定量分析。实验结果显示：相较于Stacking模型，CNN模型进一步提高了预测准确度，其针对所有分析物预测得到的RMSEP均小于0.8%。然后，为了探索CNN模型中卷积核对光谱的处理机制，对CNN模型进行了可视化分析，可视化结果分析显示CNN能够完成对光谱不同的转换，提取光谱不同层次的特征，进一步证明了CNN在太赫兹光谱定量分析中具有独特的优势。

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