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成分定位和皮肤渗透可视化

从药品和消费者健康产品到农用化学品和油漆，霜剂、糊剂、凝胶、乳剂和片剂常见于众多制造领域。为提高有效性以及产品性能和安全性，有必要了解产品中各成分之间的相互作用。具备能评估活性成分的结构、稳定性并对其输送进行可视化的技术对配方产品制造业而言具有重大价值。

成分分布可视化

受激拉曼散射（SRS）和相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）可提供具有高空间和时间分辨率的无标记化学信息，因此非常适合用于可视化配方产品的结构，包括监测单一成分在使用期间的所带来的结果（包括在使用期间监测单一组分的命运）。通过选择适当的拉曼位移，可以从预先存在的单个成分的拉曼光谱（图1左），或从获取λ扫描生成的SRS光谱（见下文，以及图3中的示例）进行SRS对比，从而对单一成分进行成像。

图1：左：在532nm激发下获得的石蜡（红色）和水（蓝色）的自发拉曼光谱。右：用SRS显微镜对商业水乳剂配方进行成像，以显示凡士林油相（红色，2850 cm-1处的CH₂键）vs水相（蓝色，3400 cm-1处的O-H键）。通过简单地将一小滴样品置于两个盖玻片之间，准备进行正向SRS成像。

除了这些对比波数外，还应在附近预期无拉曼强度的波数处获取“非共振”控制图像（见图2中的示例），从而确保检测到的信号基于拉曼光谱，并能识别任何杂散信号，如激光吸收产生的伪影。在各成分/相的所需波数下获得图像后，可将图像合并成一个复合图像，从而了解材料中不同成分之间的关联性。除了SRS对比，还可通过使用二次谐波生成或荧光等方法来同时成像，获得其他结构信息。图2中的图像显示了用SRS显微镜成像的防晒霜样品中油vs水的相位分布，以及用SHG可视化的氧化锌颗粒。

图2：用SRS和SHG显微镜对防晒霜配方进行成像，用正向SRS显示油相vs水相，用epi-SHG显示氧化锌颗粒分布。

生成SRS光谱以提供化学和结构信息

SRS光谱可通过执行λ扫描来生成，在此期间，SRS图像在泵浦光束的波长上以非常小的增量被捕获，以生成跨越感兴趣波数范围的图像栈。图3显示了在含有多种活性成分的皮肤用药物配方上获得的这种λ扫描图像栈。当泵浦光束扫过与拉曼光谱的指纹区相对应的波长时，不同的成分依次受到激发，因为其波数受到刺激。获得这些图像栈后，可立即选择相关特征来生成感兴趣区域（ROI）。从这些ROI中，通过绘制ROI SRS信号强度和泵浦光束波长（可转换为波数）的关系，生成SRS光谱。有时，为波长堆栈中所有图像生成最大投影有助于在一张图像中实现所有特征的可视化，确保不会遗漏任何重要特征。

皮肤用药物配方的SRS λ扫描图像堆栈。

图3：左：皮肤用药物配方的SRS λ扫描。从显示的图像栈中创建的最大投影图像，注释描述了ROI。在约2000 cm-1至1000 cm-1的范围内，以泵浦光束的0.1 nm增量获取图像。右：各ROI的SRS光谱根据SRS信号强度和波长绘制而成。

从λ扫描中生成SRS光谱后，可立即将这些光谱与单一成分的自发拉曼光谱进行比较。将光谱信息与图像中的形态信息相结合，对配方的问题分析具有重大价值，如识别是否存在多晶、共晶或氧化产物。

皮肤中成分渗透的可视化

除了分析配方本身的特性外，SRS显微镜也可用于对单一成分使用后带来的最终结果进行可视化。例如，监测化学品在皮肤中的渗透，这在药物输送和化学风险评估中具有极其重要的应用价值。图4显示了4-氰基苯酚给药后皮肤的图像。将组织冷冻切片，用SRS成像，以在2235 cm-1（品红色）处通过腈基官能团的对比来显示这种化合物的分布。在2850 cm-1处使用CH2键振动模式（红色）、在1666 cm-1处采用酰胺I（蓝色）以及使用SHG通道的胶原蛋白分布（绿色），对皮肤结构进行可视化。

图4：4-氰基苯酚给药后的猪皮肤的正向SRS和Epi-SHG合成图像。在2850 cm-1处使用CH2键振动模式（红色）、在1666 cm-1处采用酰胺I（蓝色）以及使用SHG通道的胶原蛋白分布（绿色），对皮肤结构进行可视化。在2235 cm-1处采用腈基官能团显示4-氰基苯酚的分布（品红色）。*

由于SRS信号与浓度呈线性关系，因此有可能通过图像分析提取某些定量信息，例如，化学物质的相对浓度和皮肤深度。对于在同一共焦平面上成像的物理截面，该操作合理且简单。然而，当对三维标本进行成像时，必须对激光散射和随着深度增加产生的吸收所致的信号损失进行校正。

试图对不含独特化学官能团的化学物质进行成像时，有时很难获得特定的对比度。在这种情况下，对感兴趣的分子进行氘化，可帮助将峰值转移到拉曼光谱的生物“沉默”区域，该区域的组织中几乎无自然存在的信号。这种方法可便于对敏感和化学特异性成分进行可视化，而无需引入会扰乱物理化学特性，从而扰乱药代动力学特征的荧光基团。另外，还可采用多变量数据分析方法，对不同成分进行光谱拆分。

致谢

衷心感谢“分析化学信托基金”和“分析测量科学共同体”的支持。

*数据通过与英国巴斯大学的Richard Guy教授小组合作获得。本研究的资金部分由美国食品药品监督管理局资助（1U01FD006533-01）。所有观点不一定反映美国卫生与公众服务部的官方政策；提到任何商品名称、商业惯例或组织也不一定获得美国政府的认可。

参考文献：

· Saar BG, Contreras-Rojas LR, Xie XS and Guy RH (2011). Imaging drug delivery to skin with stimulated Raman scattering microscopy. Molecular Pharmaceutics. 8, 969-75.

· Belsey NA, Garrett NL, Contreras-Rojas LR, Pickup-Gerlaugh AJ, Price GJ, Moger J and Guy, RH (2014). Evaluation of drug delivery to intact and porated skin by coherent Raman scattering and fluorescence microscopies. Journal of Controlled Release, 174, 37-42.

· Chiu WS, Belsey NA, Garrett NL, Moger J, Delgado-Charro MB and Guy RH (2015). Molecular diffusion in the human nail measured by stimulated Raman scattering microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 112, 7725-7730.

物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为强磁性（顺磁性、抗磁性）、弱磁性（铁磁性、亚铁磁性）和反铁磁性物质，其中强磁性物质可作为磁性材料。磁性材料是存储器件、永磁体、变压器铁芯、磁机械设备、磁电子器件、磁光器件等中最重要的部件，其分类如图所示。众所周知，在稀土中，磁性来源于部分填充4 f壳电子，由于这些电子定位良好，它们的磁矩很大。此外，我们常遇到的过渡金属也是弱磁性或非磁性的，但过渡金属和稀土的化合物通常会产生非常有趣的磁性和相关性质，这类化合物在应用磁性材料家族中同样占据了主导地位。简言之，磁性材料包含了所有的稀土元素和过渡金属Sc、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、Au，以及p区元素Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、As、Sb和Bi等^{[1, 2]}。

         随着磁性材料对人们的工业生产和日常生活的影响越来越大，磁性及磁性材料领域的研究也日益渐增。那么光电子能谱（XPS）作为一种被广泛使用于的研究表面化学成分和化学状态的技术，能否对磁性材料进行表征呢？

         磁性材料在做XPS表征时往往会遇到以下问题：①磁性样品自身的磁场会干扰出射光电子的运动轨迹，引起的谱峰位移和峰形畸变，导致XPS对磁性材料的定性和定量表征不具备准确性；②某些商业化XPS设备使用的磁透镜会对磁性样品的产生很大影响，例如磁透镜容易将样品磁化，甚至存在发生样品飞出或损坏设备等风险；③关闭磁透镜，通过静电模式进行测样，导致仪器的灵敏度会降低，使得测试结果不理想。久而久之，“谈磁色变”深入人心，甚至导致测试中心拒绝测试可能含磁性元素的样品。

          这时或许有人就会问了，我怎么知道我的样品到底有没有磁性？能不能做XPS测试？

          严格意义上，相对磁导率 μr > 1 或相对磁化率 χm > 0，可以认为样品具有磁性。对于XPS测试中磁性样品的问题，首先大家要注意的是，要根据所使用的XPS设备类型进行判断磁性：

（1）如果使用的是磁透镜类型XPS，因为磁透镜会诱导样品磁畴规则排列而表现出磁性，所以建议使用磁铁去吸样品的方法判断磁性，如果样品被磁铁吸起则表明具有磁性；

（2）如果是没有磁透镜类型XPS，建议用无磁性的铁类物体(如曲别针或大头针)去靠近待测样品来判断样品是否具有磁性，如果待测样品被吸到曲别针上表明具有磁性，反之没有磁性。或者将被测样品分别靠近静止的指南针的两极，若发现有一端发生排斥现象，则说明该样品具有磁性。

         通过以上方法，如果样品没有展示出磁性，则XPS可以直接测试；如果样品展示出磁性，则需要消磁处理后进行XPS测试。消磁的原理：样品有磁性时，它的磁畴是有规律排布的，消磁的目的就是将样品中有规律排列的磁畴打乱，样品的磁性就会被消除（如下图所示）。因此，可以通过对样品进行加热、反复敲击或外加交变磁场等方式来使内部磁畴错乱来消磁。

          对强磁性的永磁材料可以采用热退磁方法，将磁体加热到居里温度以上100摄氏度，并保温超过半个小时以上，使磁性完全消除。对表现出弱磁性的样品，可以采用消磁线圈或退磁器退磁，如下图所示，将样品沿消磁线圈轴向往复移动多次即可消磁。

          PHI XPS采用无磁透镜类型，没有外来磁场干扰样品，所以可按照上面所说的采用曲别针或大头针以及指南针去判断磁性。

（1）对未磁化或未充磁的物质（例如含Fe/Co/Ni粉末），可以直接测试；

（2）对于弱磁性样品，采用消磁线圈处理即可；

（3）对强磁性的永磁材料可以采用热退磁方法。

       如此一来，借助PHI的XPS做磁性样品的表征还不是小菜一碟。

例如，飞秒激光器上的单晶材料CaGdAlO4（CGA）及其Yb（5%）掺杂后的样品均具有顺磁性，通过XPS（全谱见下图）可获取器件不同位置表面的组分信息^[3]。

Yb（5%）掺杂的CGA的XPS谱^[3]

        再比如，在研究稀土氧化物陶瓷的疏水性时，利用PHI的XPS探究样品表面的元素组成。下图分别为典型稀土氧化物样品的全谱，可以发现谱图的信噪比良好，通过软件分析后获得样品表面的化学组成。可见，利用PHI-XPS能很好地表征磁性样品。

稀土氧化物的XPS。a-l）分别为Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Er, Tm, Yb, Lu的氧化物^[4]

[1] http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.08.079.
[2] http://dx.doi.org/10.1016/j.surfrep.2016.02.001.
[3] https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.03.041
[4] DOI: 10.1038/NMAT3545.

检测样品：白芍：麸炒白芍（FCBS）、杭白芍（HBS）、亳州白芍（HZBS）

检测仪器：日本INSENT公司的味觉分析系统    型号：TS-5000Z

实验数据：

1.苦味和苦味回味

实验发现，苦味传感器对白芍样品有响应，从图3中可见毫州白芍和麸炒白芍苦味较小且接近，二者苦味值相差小于1个刻度，感官评价员可能可分辨其差异。杭白芍苦味很大，苦味值高于另外两个样品约6个刻度，差异非常显著，人们可以分辨样品间的苦味差异。苦味较大的白芍也具有较大的苦味回味。苦味回味反应了白芍苦味的在口腔中的残留情况，可见杭白芍的苦味残留也比其他产地的产品要高。

2.咸味/鲜味和丰富性

丰富性是鲜味的回味，反应的是样品鲜味的持久性。鲜味是鲜味传感器对样品中的氨基酸、核酸类物质的响应。从图4中可见，咸味与鲜味具有一定的先相关性，咸味大的鲜味也较大，鲜味和咸味由大到小的顺序均为毫州白芍>麸炒白芍>杭白芍，丰富性由大到小的顺序是麸炒白芍>毫州白芍>杭白芍。且样品间味道的差异均在1个刻度以上，差异显著，人们可以很好的区分其差异。

3.涩味和涩味回味

从实验数据上看，白芍还具有一定的涩味。从图5中可见，不同产地白芍涩味和涩味回味由大到小的顺序是杭白芍>麸炒白芍>毫州白芍。由于涩味和涩味回味的无味点是“0"即，可见毫州白芍和麸炒白芍没有涩味，而杭白芍有明显的涩味，毫州白芍和麸炒白芍具有一些涩味回味但数值也远小于杭白芍。

4.酸味

-13为酸味无味点，即数值大于-13则认为样品有酸味，反之则无酸味。从图6中可见，毫州白芍和麸炒白芍均没有酸味，而杭白芍则具有较明显的酸味。

结论：白芍味觉指标丰富，所有的味觉指标均是分析白芍的有效味觉指标；

杭白芍具有较大的苦味、涩味、酸味，以及明显的苦涩味回味，但鲜味、咸味和丰富性均较小；

麸炒白芍和毫州白芍均没有酸味、涩味；苦味和苦味回味接近；

毫州白芍的鲜味、咸味和丰富性均明显高于麸炒白芍；

可见，不同产地的白芍在味道上存在非常大的差异。