電子舌在藥學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

劉瑞新，吳子丹，李學(xué)林

藥學(xué)的發(fā)展與人類的健康事業(yè)息息相關(guān)。在藥學(xué)領(lǐng)域，以“神農(nóng)嘗百草”為濫觴，千百年來，人類借助基本的感覺器官，通過口嘗、眼觀、鼻嗅、耳聽、手觸，進(jìn)行最原始的藥物篩選、鑒別、質(zhì)控與分析等[1]，這些方法具有簡便、靈活的特點(diǎn)，在藥學(xué)發(fā)展的歷史長河中起到了至關(guān)重要的作用，但因其同時具備模糊、易疲勞、主觀性強(qiáng)、重復(fù)性差等不足，因此不能適應(yīng)發(fā)展的需求。

隨著社會的進(jìn)步和科技的發(fā)展，許多先進(jìn)的儀器改進(jìn)了人類感官手段的不足。其中，最具代表性的味覺指紋技術(shù)（電子舌技術(shù)）即是利用對人體感官的模擬而產(chǎn)生的新的仿生技術(shù)。它整合了人工智能、現(xiàn)代分析等多種技術(shù)，兼有人類感覺器官和現(xiàn)代分析技術(shù)的雙重優(yōu)勢，具備靈敏度高、可靠性強(qiáng)、重復(fù)性好等諸多優(yōu)勢，因此具有良好的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳霸诃h(huán)境、航天、食品、醫(yī)學(xué)[2]、藥品[3～4]等多個領(lǐng)域均有所涉及、應(yīng)用，而在新藥研發(fā)、制劑工藝的優(yōu)選[3]、經(jīng)方的改良，藥材的鑒定、藥品的質(zhì)控、藥物的分析[5]等多個藥學(xué)領(lǐng)域中也得到了相應(yīng)的應(yīng)用。本文旨在簡要介紹電子舌的工作原理、分類及特點(diǎn)，歸納其近年來在藥學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用及前景。

1 電子舌介紹

1.1 電子舌原理

電子舌(Electronic-Tongue，E-Tongue)是一種運(yùn)用味覺指紋分析技術(shù)（Gustation Fingerprint Analytical Technique，GFAT）模擬人體味覺器官的儀器，是一種分析、識別液體“味道”的新型檢測手段，是近幾年發(fā)展起來的基于味覺傳感器和化學(xué)信息學(xué)處理方法的味覺識別、檢測技術(shù)。它得到的不是被測樣品中某種或某幾種成分的定性與定量結(jié)果，而是樣品的整體信息，又稱作“指紋”數(shù)據(jù)[6～7]。目前國內(nèi)外用于苦味研究的電子舌主要有離子選擇電極、多通道類脂膜傳感器、伏安法式電子舌和Astree電子舌[8]。

電子舌的使用與生物系統(tǒng)的材料作傳感器的敏感膜類似，當(dāng)味覺物質(zhì)在薄膜上被吸收，數(shù)據(jù)便通過敏感膜上電位的變化而獲得[9]，繼而由計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識別，得到反映樣品味覺特征的結(jié)果。與人體感官舌相比，電子舌具有客觀性、重復(fù)性、不疲勞、檢測速度快、數(shù)據(jù)電子化和易描述、易保存的優(yōu)點(diǎn)[10]。

1.2 傳感器分類與介紹

1.2.1 離子選擇電極 離子選擇電極（ISE）是一種對某種特定的離子具有選擇性的指示電極，它通過電極間（工作電極與參比電極）膜電勢的大小來反映樣品離子的濃度信息，是電子舌發(fā)展史上第一個電勢傳感器，并且由于其設(shè)備簡單、操作方便、分析時間短、易于實(shí)現(xiàn)自動檢測、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動分析、環(huán)境檢測、醫(yī)療衛(wèi)生等方面得到廣泛應(yīng)用[11]。

1.2.2 多通道類脂膜傳感器 多通道類脂膜傳感器是1990年，由Kiyoshi Toko[12]等人研制的第一個基于非特定傳感器方法的液體分析多傳感器系統(tǒng)。目前在國外多用于掩味研究的系統(tǒng)。多通道即傳感器陣列由多個含有類脂膜的電極構(gòu)成，類脂膜安裝在塑料管上，管末端的塞子上裝有 Ag/AgC1參比電極，管內(nèi)盛有3 molL-1的 KCl溶液，然后電極連接到放大器。當(dāng)苦味物質(zhì)與類脂膜反應(yīng)時，類脂聚合物表面的電荷密度改變或膜表面附近的離子分布改變，得到傳感器的響應(yīng)值，再通過放大，用化學(xué)計量統(tǒng)計學(xué)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[13]。

1.2.3 伏安式電子舌 伏安法式電子舌由4個工作電極(Au，Ir，Pt，Re)、1個 Ag/AgC1參比電極和1個不銹鋼輔助電極組成。工作電極接入繼電盒，與其他2個電極分別構(gòu)成三電極結(jié)構(gòu)。當(dāng)工作電極和參比電極給予電壓時，溶液中電解質(zhì)將發(fā)生氧化或還原，從而工作電極和輔助電極間產(chǎn)生電流，收集整個脈沖過程數(shù)據(jù)，然后用多變量數(shù)據(jù)分析法分析。

1.2.4 Astree電子舌 Astree電子舌是由法國阿爾法莫公司研發(fā)，改善了以往電子舌壽命短的弊端，壽命長達(dá)1年。Astree電子舌的傳感器是由包裹有機(jī)層的二氧化硅晶體管組成，保證了傳感器的靈敏度和選擇性。該電子舌可用于分析有毒樣品或成分，與人群試驗(yàn)及高效液相色譜分析結(jié)果相擬合，還可以分析液體及可溶性樣品。挑選代表不同苦味表征的標(biāo)準(zhǔn)藥品來建立苦度模型，不同化學(xué)結(jié)構(gòu)和功能的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)藥品充分的體現(xiàn)了藥品的不同類別的苦度，建立校準(zhǔn)曲線，以擬合人工評分和儀器評分，然后用于測試新樣品的苦度值[8]。

2 味覺指紋技術(shù)在藥學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 藥物味道的區(qū)分及呈味規(guī)律的揭示

現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，不同的物質(zhì)能夠引起人體不同的味覺感受，如酸味主要是由氫離子引起，如鹽酸、氨基酸、檸檬酸等；咸味主要是由NaCl引起；甜味主要是由蔗糖、葡萄糖等引起；苦味是由奎寧、咖啡因等引起；鮮味是由海藻中的谷氨酸單鈉（MSG）、魚和肉中的肌苷酸二鈉（IMP）、蘑菇中的鎢苷酸二鈉等引起[9]。目前對物質(zhì)的味覺評價方法包括體內(nèi)和體外兩類，其中分別以人群口嘗和味覺指紋技術(shù)的方法為代表。

人群口嘗的方法對藥物成分的味道進(jìn)行描述，大多依靠專業(yè)人員的感官評定，但是這種評價人為因素大、重復(fù)性差，難以適應(yīng)現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化控制的需要，并對實(shí)驗(yàn)人員的健康構(gòu)成潛在威脅，難免會受到人類倫理委員會的抨擊，所以，現(xiàn)在藥品研發(fā)階段多使用味覺指紋技術(shù)對未知藥品的味道進(jìn)行評價，特別是對未知毒性的新化學(xué)實(shí)體（New Chemical Entities，NCE）的味道進(jìn)行評價，電子舌技術(shù)恰恰可以安全、快速的對藥品味道進(jìn)行評價，故現(xiàn)在藥品研發(fā)的初級階段，多使用電子舌對其味覺進(jìn)行預(yù)測[14]從而選擇最佳NCE及相應(yīng)制劑形式、確定研發(fā)配方，或擬合安慰劑的配方。

Zheng 和Keeney[3]曾用αAstree對藥物的苦度進(jìn)行評價，他們根據(jù)不同物質(zhì)苦味響應(yīng)值的不同對其進(jìn)行了分級。具體方法是他們將咖啡因、對乙酰氨基酚、苯硫脲、氫化潑尼松、奎寧、鹽酸雷尼替丁、蔗糖八醋酸酯等物質(zhì)溶解在純化水中并制成同一濃度溶液，再運(yùn)用距離計算的方法對其苦度進(jìn)行評價與測定。然而，未經(jīng)過人群口感驗(yàn)證的結(jié)果未必是正確的，故距離計算與苦味響應(yīng)值之間的關(guān)系仍然值得進(jìn)一步深入研究。

2.2 藥物不良味道的掩蓋及掩味效果評價

藥物的不良?xì)馕?、滋味繁雜，其中苦味是最讓人難以接受的。然而不幸的是，大多數(shù)味覺不佳的活性藥物成分（API）也都是苦味的[15]。人們常使用添加各種苦味抑制劑[16]的方法（Bitterness Suppressants，BS）從根本上抑制苦味感覺的產(chǎn)生；還常依靠加入甜味劑或芳香劑等手段，增加物質(zhì)的甜味、鮮味等，進(jìn)而強(qiáng)化美味刺激而弱化惡味刺激[17]。但是，若不通過BS等有效抑制苦味，單靠加入甜味劑和芳香劑無法從根本上達(dá)到掩味的目的，反而可能使藥物的味道特別是中藥湯劑的味道更加“五味雜陳”。怎樣才能將藥物的不良味道進(jìn)行安全、有效地掩蓋，并對其苦味掩蓋的效果進(jìn)行評價呢？

通過前面的介紹，我們知道電子舌可以對藥物的味覺進(jìn)行評價，它能夠模擬味蕾的口腔結(jié)構(gòu)及對致味分子的敏感性產(chǎn)生對味覺感應(yīng)，其腔狀傳感器結(jié)構(gòu)及化學(xué)選擇區(qū)域效應(yīng)有機(jī)脂生物膜對物質(zhì)的反應(yīng)起到擬合味蕾的作用[6]，從而可對藥物的不同味道進(jìn)行區(qū)分，成藥的不同口感進(jìn)行比較，還能對藥物不良?xì)馕堆谏w分析結(jié)果進(jìn)行分析，快速有效的測試和篩選大量的備選配方，開發(fā)選擇符合消費(fèi)者口味的產(chǎn)品，避免重復(fù)開發(fā)或開發(fā)不受歡迎的產(chǎn)品。

與此同時，味覺傳感器電子舌還能對物質(zhì)進(jìn)行苦度測試，在國外常用作對藥物不良?xì)馕堆谖缎Ч脑u價[18～19]。與THTPM相比，電子舌具有客觀性、重復(fù)性、不疲勞、檢測速度快、數(shù)據(jù)電子化和易描述、易保存的優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)的研究已有文獻(xiàn)報道[3,15,19～20]，如用甜味劑、醋酸鈉、氯化鈉、脫苦粉等對奎寧的掩味，可以用E-tongue進(jìn)行有效評價[3]；用E-tongue對七種藥物的苦味等級進(jìn)行排序等。

Rachid[21]等做過腎上腺素類藥物的苦味預(yù)測模型的研究。通過αAstree電子舌對已進(jìn)行苦味分級的物質(zhì)進(jìn)行距離計算，得到苦味值并建立苦味數(shù)據(jù)庫，再根據(jù)廠商提供的物質(zhì)的口嘗評價值對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行驗(yàn)證。這個模型可做為苦味預(yù)測模型，對已添加不同輔料的藥物的掩味效果進(jìn)行評價。

Legin等[22]也做過用電子舌辨別掩味前后藥物不同味道的研究。它是將藥物掩味前后的味道進(jìn)行了量化，能成功辨別不同味道的物質(zhì)，將其分類。特別是對添加增甜劑和加香劑之后的物質(zhì)能夠準(zhǔn)確辨別其與未添加的藥物的味道區(qū)別。

2.3 藥品的質(zhì)量控制

近年來電子舌在中草藥質(zhì)量控制方面的研究與報道逐年增多[23]。它不僅能對不同產(chǎn)地的藥物進(jìn)行辨別，而且能判定未知中草藥提取液的濃度[24]；還能對比不同溶劑提取的藥物主成分的優(yōu)劣等。

李文敏和吳純潔[25]等人做過相關(guān)的研究，他們認(rèn)為藥物具有不同的味道，特別是中藥，其特殊的味道評價藥物質(zhì)量的一個中藥依據(jù)，如烏梅、木瓜、山楂均以味酸為好；黃連和黃柏以味越苦越好；甘草、黨參以味甜為好等等。然而，傳統(tǒng)的氣味檢測方式由人的感觀控制，缺乏客觀性，準(zhǔn)確性、重復(fù)性差，不能適應(yīng)現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化控制的需要，而電子舌技術(shù)恰能避免這些不足。

Kataoka等[26]也曾做過運(yùn)用電子傳感器SA402對11種藥用植物和10種中藥進(jìn)行質(zhì)量控制的實(shí)驗(yàn)。最終發(fā)現(xiàn)運(yùn)用電子舌技術(shù)能將對它們中所含的環(huán)烯醚萜苷類、三萜類衍生物、生物堿類物質(zhì)進(jìn)行辨別，為今后學(xué)者運(yùn)用電子舌技術(shù)對藥品進(jìn)行質(zhì)量控制的研究提供了一定的參考。

2.4 其他

四氣五味是傳統(tǒng)中藥藥性理論的核心，中醫(yī)基礎(chǔ)理論將其描述為是定義中藥屬性的指標(biāo)，其中四氣源于嗅覺，五味源于味覺。電子舌恰能模擬人類味覺，用電子舌檢測中藥的五味成為了一個新的研究目標(biāo)。盛良[27-28]曾用電子鼻和電子舌對治療消化性潰瘍病的中西藥物進(jìn)行檢測，最終得到他們具有共同的宏觀化學(xué)成分－四氣五味的結(jié)論，這項(xiàng)研究為中醫(yī)中藥的發(fā)展提供了新的思路。

3 總結(jié)與展望

電子舌技術(shù)大大減輕了人群口感試驗(yàn)的壓力，實(shí)現(xiàn)了對藥品的定性和定量的評價，并且具有較多獨(dú)特的優(yōu)勢和潛力。但它還尚且存在著一些諸如不能對來自同一植株上的不同藥用部位進(jìn)行辨別；不能對物質(zhì)分子的手性進(jìn)行判斷；不能像HPLC一樣，對樣品的含量進(jìn)行準(zhǔn)確描述，易受一些諸如周圍檢測環(huán)境和檢測過程中溫度、濕度變化的影響等問題的不足。因此，在實(shí)際評價中，可體內(nèi)外結(jié)合，充分利用味覺指紋技術(shù)和THTPM各自的優(yōu)勢，以后者為基準(zhǔn)建立快速的味覺評價體系，進(jìn)而使藥物的苦味評價方法呈現(xiàn)出從主觀到客觀，體內(nèi)到體外，定性到定量，傳統(tǒng)到現(xiàn)代化、自動化的前進(jìn)趨勢。

在國際上電子舌技術(shù)已被列為重要的研究方向之一，并常與電子鼻、電子眼等其他智能感官系統(tǒng)聯(lián)合使用，它不單在藥學(xué)領(lǐng)域，還在計算機(jī)技術(shù)、仿生技術(shù)、分子生物學(xué)等多學(xué)科的交叉滲透，筆者相信，隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷改進(jìn)與發(fā)展，不久的將來，味覺指紋分析技術(shù)一定能為藥學(xué)發(fā)展提供更新的思路，在新藥研發(fā)、藥物鑒別、藥物質(zhì)控與分析等方面的應(yīng)用也會更加廣泛。

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