近紅外光譜定量技術(shù)應(yīng)用于中藥領(lǐng)域的最新研究

徐茂玲

(天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院，天津 300070)

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近紅外光譜定量技術(shù)應(yīng)用于中藥領(lǐng)域的最新研究

徐茂玲

(天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院，天津 300070)

應(yīng)用近紅外光譜定性定量分析中藥材和制劑等方面的研究發(fā)展迅速，該技術(shù)能快速、全面、無損地反映藥物中的有效成分性質(zhì)，也符合中醫(yī)藥辨證施治的理論。其借助于偏最小二乘(PLS)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)等化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立一定的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測中藥材或其制劑中化學(xué)成分的含量，模型評(píng)價(jià)常用的指標(biāo)有相關(guān)系數(shù)(R)、校正均方根偏差(RMSEC)、預(yù)測均方根偏差(RMSEP)及交叉驗(yàn)證均方差(RMSECV)等。本文通過文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)在中藥植物藥及復(fù)方制劑中的有效成分、浸出物及揮發(fā)油等的含量測定，以及制劑工藝優(yōu)選和制藥過程實(shí)時(shí)監(jiān)測等方面已開展廣泛的應(yīng)用。此技術(shù)為藥材化學(xué)成分含量測定及中藥制劑的定性定量分析開辟了一條新的研究途徑。

近紅外光譜，定量檢測，中藥分析

目前，中藥成分含量檢測應(yīng)用最多的是高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜(GC)、紫外光譜法(UV)和質(zhì)譜法(MS)等，這些方法的共同缺點(diǎn)有前處理實(shí)驗(yàn)復(fù)雜、操作過程中容易引進(jìn)誤差、分析時(shí)間過長，且對見光、受熱、揮發(fā)、遇濕等性質(zhì)不穩(wěn)定的化合物檢測準(zhǔn)確度較低，有些方法喪失了中藥的整體分析性，喪失了體系的原本性和配伍性，不能真實(shí)地反映中藥質(zhì)量。在這一背景下，快速、無損、低廉的近紅外光譜技術(shù)(NIR)定性定量分析技術(shù)越來越得到研究人員的青睞。本文通過文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，NIR定量技術(shù)亦有許多薄弱及空白，但是隨著迅速的推廣，NIR定量分析技術(shù)在中藥分析中具有廣闊的研究與應(yīng)用前景。

1 NIR快速定量技術(shù)簡介

近紅外光是介于可見光和中紅外光之間的電磁波，美國試驗(yàn)和材料檢測協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)將其波長定義在780～2 526 nm，根據(jù)波長的不同，可將其分為近紅外短波和近紅外長波兩部分。在此范圍內(nèi)光譜顯示的是C-H、N-H、O-H和S-H等集團(tuán)振動(dòng)的倍頻和合頻吸收信息，信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)，干擾越少。

NIR是一種整體、快速、無損的綠色分析技術(shù)，其定性定量分析技術(shù)發(fā)展迅速。該技術(shù)以誤差小、重復(fù)性好的實(shí)驗(yàn)方法獲得化學(xué)參考值，然后采用偏最小二乘法(PLS)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)等化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立數(shù)學(xué)模型來預(yù)測中藥或中藥制劑中的一種或幾種化學(xué)成分含量，模型評(píng)價(jià)常用的指標(biāo)有相關(guān)系數(shù)(R)、校正均方根偏差(RMSEC)、預(yù)測均方根偏差(RMSEP)及交叉驗(yàn)證均方差(RMSECV)等。目前，該技術(shù)在中草藥的有效成分、浸出物及揮發(fā)油等的含量測定，以及中藥制劑工藝優(yōu)選和制藥過程在線監(jiān)測等方面已開展廣泛的應(yīng)用。

2 NIR快速定量技術(shù)在中藥研究領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 NIR在中藥材研究中的應(yīng)用 中藥原藥材的化學(xué)成分有效部位較多，成分復(fù)雜?！吨袊幍洹分卸嗖捎肏PLC，GC等定量分析方法檢測一種或多種有效成分，這些方法中，煩瑣的樣品預(yù)處理會(huì)降低測定的準(zhǔn)確度，而NIR方法可以避免傳統(tǒng)定量研究中單一、復(fù)雜、操作煩瑣的缺點(diǎn)。

吳文輝等[1]以HPLC測定川烏雙酯型生物堿含量為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，采用近紅外漫反射光譜技術(shù)對其建立快速測定模型，其校正集標(biāo)準(zhǔn)偏差(RMSECV)為0.004 6，相關(guān)系數(shù)(R)為0.970 7；驗(yàn)證集標(biāo)準(zhǔn)偏差(RMSECV)為0.007 2；相關(guān)系數(shù)(R)0.865 4，該模型具有較好的預(yù)測效果，可以準(zhǔn)確測定其覆蓋范圍內(nèi)的川烏雙酯型生物堿含量。武彥文等[2]使用FTIR-ATR法定量分析紅花油中的水楊酸甲酯、ɑ-蒎烯和丁香酚3個(gè)指標(biāo)成分，并比較了使用MIR-ATR和NIR兩種檢測方法所得到的結(jié)果，兩種檢測方法所建立的模型都得到了較好的預(yù)測結(jié)果，決定系數(shù)R2均達(dá)到0.98以上。李文龍等[3]利用近紅外漫反射光譜確立了5個(gè)數(shù)據(jù)定量模型，分別用來測定金銀花、連翹、黃芩、熊膽粉及山羊角中的水分含量，所建模型中驗(yàn)證集水分含量的預(yù)測值與實(shí)測值的Rc均>0.90，RMSEP均在0.05以下。蘇碧茹[4]以及尹震等[5]人分別用HPLC值作為參照對象，然后采用近紅外漫反射光譜對消渴丸濃縮液、消渴丸藥粉、消渴丸干模丸的PLS進(jìn)行定量模型的建立，并且均取得了較滿意的效果。范積平[6]以高效液相色譜法測定了3種不同產(chǎn)地大黃的大黃酸、大黃素、大黃酚，以及蘆薈大黃素的含量,并用41個(gè)樣品建立近紅外光譜校正模型并經(jīng)優(yōu)化和驗(yàn)證，預(yù)測大黃樣品中各有效活性成分的含量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意。袁明洋等[7]采用偏最小二乘法對7 種礦物類中藥的主要成分碳酸鈣含量建立近紅外定量分析模型，預(yù)測結(jié)果的平均回收率為100. 3%，平均相對偏差為0. 24%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好。許崇瑤[8]將54 份樣品的原始光譜經(jīng)多元散射校正( MSC) 預(yù)處理，選取不同波段，并結(jié)合偏最小二乘法對芍藥苷建立定量校正模型，用建立的校正模型對13 份提取為參照，預(yù)測誤差均方差( RMSEP) 為0.086 1。程亮[9]采用近紅外漫反射光譜技術(shù)采集杭白菊的近紅外光譜，結(jié)合偏最小二乘法建立了木犀草苷、綠原酸及3，5-O-雙咖啡?；鼘幩岷康目焖贉y定方法，3種成分的預(yù)測值和真實(shí)值相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.941 2、0.940 4、0. 944 6。仲懌等[10]在線采集五味子提取液的近紅外光譜,以高效液相色譜法和差重法獲取參照，采用最小二乘回歸法分別建立五味子果糖、葡萄糖和醇曱、可溶性固形物的定量模型，試驗(yàn)結(jié)果令人滿意。王佳黎[11]采用近紅外光譜對梔子滲漉提取和大孔樹脂純化過程進(jìn)行研究，建立了過程中梔子苷含量的檢測模型，可實(shí)現(xiàn)對中藥梔子提取和純化過程梔子苷含量的快速分析。劉薇[12]采用偏最小二乘回歸方法對中藥蒲黃總灰分不同的光譜預(yù)處理方法、建模波段和因子數(shù)選擇等進(jìn)行比較，建立其定量預(yù)測模型，并考查模型預(yù)測準(zhǔn)確度，其結(jié)果總灰分為6. 0%～27. 3%的10 批蒲黃樣品的預(yù)測值與實(shí)測值的相對偏差均小于7. 5%。

2.2 NIR在中藥制劑方面的研究進(jìn)展 吳莎等[13]將7批共147個(gè)熱毒寧注射液中梔子萃取液樣品通過NIR離線光譜掃描，測定有效成分梔子苷含量和固含量，應(yīng)用偏最小二乘法建立定量校正模型，兩者的模型校正集R2分別為0.987 2和0.994 7，RMSEC分別為1.460 9和2.367 7，說明所建模型性能良好，然后對20個(gè)梔子萃取液樣品進(jìn)行預(yù)測，梔子苷和固含量的R2分別為0.980 7和0.986 1，RMSEP分別為1.827 5和7.307 7，RSEP分別為3.08%和5.29%均小于6%，能夠滿足中藥生產(chǎn)過程中質(zhì)量控制要求，證實(shí)NIR技術(shù)在熱毒寧注射液梔子萃取過程應(yīng)用的可行性。Li等[14]采用NIR快速定量技術(shù)對痰熱清注射液中綠原酸、黃芩苷、鵝去氧膽酸、熊去氧膽酸和總固體含量的進(jìn)行快速無損測定，且試驗(yàn)重復(fù)性和精密度均符合要求。邵玉藍(lán)[15]運(yùn)用近紅外漫反射光譜技術(shù)與高效液相色譜相結(jié)合來測定丹參飲片中丹參酮ⅡA，結(jié)果顯示定量模型的預(yù)測值與化學(xué)值的相關(guān)系數(shù)在89%以上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意。張愛軍[16]和張延瑩等[17]分別以丹參提取過程為研究對象，利用近紅外在線檢測技術(shù)，在線采集丹參提取液的近紅外光譜，建立了丹酚酸B 檢測模型，實(shí)現(xiàn)了對丹參提取生產(chǎn)過程的在線監(jiān)控。劉君動(dòng)等[18]采用近紅外漫反射光譜技術(shù)對注射用丹參多酚酸中的水分進(jìn)行快速、無損的定量分析。蔡佳良等[19]采用一階導(dǎo)數(shù)法對廣藿香的近紅外光譜進(jìn)行預(yù)處理，然后應(yīng)用多元散射校正法結(jié)合最小二乘法建立了廣藿香中水分含量的近紅外定量模型，試驗(yàn)結(jié)果令人滿意。屈戰(zhàn)果等[20]首先建立了黃芩苷含量數(shù)據(jù)庫及其近紅外光譜圖的方法，運(yùn)用偏最小二乘法建立了近紅外光譜與黃芩苷含量校正模型，實(shí)現(xiàn)了對女金膠囊提取濃縮過程中黃苓苷含量的快速在線檢測。韓曉萍等[21]采用近紅外光譜分析技術(shù)對50批注射用益氣復(fù)脈(凍干)中人參總皂苷含量進(jìn)行了定量分析，驗(yàn)證集R2為90.04,RMSECV為0.614,最佳回歸因子為9，對10批樣品的人參總皂苷進(jìn)行了預(yù)測,RMSEP為0.517，10份樣品的預(yù)測值和真實(shí)值之間RSD平均值為4.1%。 陳楊等[22]運(yùn)用近紅外光譜法分析黃連上清丸的總體質(zhì)量差異，其校正集和驗(yàn)證集的正判率均為100.0%，結(jié)果滿意。江燕[23]采用紅外光譜法對中藥飲片近水分定量模型的研究，也取得不錯(cuò)效果。金葉[24]以丹參、當(dāng)歸和川芎3 種藥材混合提取過程為例，采用偏最小二乘法分別建立阿魏酸濃度和含固量的定量校正模型，并將模型應(yīng)用于提取過程的在線檢測。白雁等[25]以100 批清熱解毒口服液為樣本，采用紅外光譜技術(shù)對其主要成分黃芩苷進(jìn)行定量分析，并建立其含量校正模型，為清熱解毒口服液的現(xiàn)場、即時(shí)快速定量分析提供了一種新方法。

3 小結(jié)與展望

綜上所述，NIR定量分析技術(shù)在中藥分析中較其他定量方法更加簡便，研究對象的范圍呈擴(kuò)大之勢，且對環(huán)境無污染性，這一技術(shù)對中藥制藥過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控及中藥原材料的質(zhì)量控制均有獨(dú)特的優(yōu)勢，且已被大量研究結(jié)果所證明。隨著信息技術(shù)、現(xiàn)代分析儀器以及分析技術(shù)的日新月異，近紅外光譜技術(shù)也將不斷優(yōu)化和完善，其在中藥定性定量研究及應(yīng)用價(jià)值方面將不斷提高。盡管如此，NIR定量研究亦存在許多薄弱及空白之處，主要表現(xiàn)為：①中藥提取、分離工藝的實(shí)時(shí)監(jiān)控方面研究不足；②原藥材中微量農(nóng)藥殘留及重金屬等快速檢測方面研究薄弱；③在中藥炮制、加工及儲(chǔ)藏過程的質(zhì)量控制中的應(yīng)用尚屬空白。對于上述中藥分析研究的難點(diǎn)領(lǐng)域，NIR定量技術(shù)有著廣闊的研究與應(yīng)用前景，應(yīng)當(dāng)作為今后研究的主要方向。

1 吳文輝，馮建，胡昌江，等.NIR技術(shù)對川烏毒性成分快速測定的模型研究[J].中藥與臨床，2015，6(1)：40-42

2 Wu Yanwen, Sun Suqin, Zhou Qun,etal. Fourier tranform mid-infrared (MIR) and near-infrared(NIR) spectroscopy for raid quality assessment of Chinese medicine preparation Honghua Oil[J]. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis , 2008,46:498-504

3 李文龍，徐金鐘，劉紹勇，等.近紅外漫反射光譜法測定5種中藥提取物中水分含量的研究[J].藥物分析雜志，2009，29(10)：1602-1606

4 蘇碧茹，葉彬，耿春賢，等.近紅外光譜法快速測定消渴丸藥粉中葛根素含量[J].中國中藥雜志，2011，36(6)：672-675

5 尹震，石猛，劉燕鵬，等.近紅外光譜法快速測定消渴丸濃縮液的干固物含量中藥材[J].中藥材，2012，35(6)：989-991

6 范積平，張貞良，張柳瑛，等.近紅外光譜法測定藥用大黃中4種蒽醌類成分[J].第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，26(10) ：1194-1195

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8 許崇瑤，葉正良，李德坤，等.近紅外透射光譜法快速測定赤芍提取液中芍藥苷含量[J]. 中國實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志，2012，(18)17：134-137

9 程亮，杜偉鋒，叢曉東，等.近紅外光譜法快速測定杭白菊中3 種成分的含量[J].中國實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志，2013，19(7)：85-89

10 仲懌，潘萬芳，朱捷強(qiáng)，等.基于近紅外光譜的五味子提取過程在線檢測方法研究[J]. 藥學(xué)與臨床研究，2014，22(4)：332-335

11 王佳黎，代濤，汪學(xué)楷，等.梔子提取和純化過程的近紅外光譜快速檢測方法[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，45(1)：198-201

12 劉薇，肖新月，魏鋒，等.近紅外光譜法應(yīng)用于蒲黃總灰分的定量預(yù)測研究[J].藥物分析雜志，2011，31(10)：1941-1946

13 吳莎，劉啟安，吳亞男，等.近紅外光譜對熱毒寧注射液梔子萃取過程中的可行性分析[J].中國實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志，2015，21(1)：53-56

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15 邵玉藍(lán)，曹崗.HPLC 結(jié)合近紅外光譜技術(shù)快速測定丹參飲片中丹參酮ⅡA 的含量[J].中國醫(yī)藥導(dǎo)報(bào)，2014，11(9)：135-141

16 張愛軍，戴寧，趙國磊.丹參產(chǎn)業(yè)化提取中近紅外在線檢測技術(shù)的研究[J].中草藥，2010，42(2)：238-240

17 張延瑩，張金巍，張培，等.近紅外光譜技術(shù)在丹酚酸B純化在線質(zhì)控中的應(yīng)用研究[J].時(shí)珍國醫(yī)國藥，2010，21(1)：220-222

18 蔡佳良，李蕾蕾，姬生國，等.近紅外光譜法快速測定廣藿香中水分含量[J].醫(yī)藥導(dǎo)報(bào)，2012，31(11)：1468-1470

19 屈戰(zhàn)果，耿熠，胡浩武，等.近紅外光譜技術(shù)在女金膠囊提取濃縮過程中的應(yīng)用研究[J].時(shí)珍國醫(yī)國藥，2012，23(10)：2555-2557

20 韓曉萍，李德坤，周大錚，等.近紅外光譜法快速測定注射用益氣復(fù)脈(凍干)中人參總皂苷的含量 [J].光譜實(shí)驗(yàn)室，2011 ，28(04)：1888-1891

21 陳楊，范琦，王以武，等.近紅外光譜法高通量分析黃連上清丸的總體質(zhì)量差異[J].中成藥，2014，36(5)：973-980

22 江燕，楊眉，張學(xué)博，等.中藥飲片近紅外光譜水分定量模型的研究[J].藥物分析雜志，2013，33( 9)：1572-1577

23 劉君動(dòng)，葉正良，李德坤，等.近紅外漫反射光譜法快速測定注射用丹參多酚酸中的水分[J].中國實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志，2012，18(4)：91-94

24 金葉，丁海櫻，吳永江，等.近紅外光譜技術(shù)用于血必凈注射液提取過程的在線檢測研究[J].藥物分析雜志，2012，32( 7)：1214-1221

25 白雁，李珊，龔海燕.近紅外光纖光譜法快速檢測清熱解毒口服液中黃芩苷的含量[J]. 中國實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志，2012，18(21)：109-112

Latest application of near infrared spectroscopy in analysis of traditional Chinese medicine

Xu Maoling

(Tianjin Medical University General Hospital,Tianjin 300070)

Near infrared spectroscopy (NIR) is a rapidly developing analysis technique in qualitative and quantitative analysis of traditional Chinese medicine and preparations. NIR is a fast, comprehensive and non-destructive method to identify the active ingredient of the drug. Then chemometrics models like PLS and ANN were established to predict the contents of chemical compositions in herbal medicines and compound Chinese medicinal preparation.The established models were commonly evaluated by indicators of correlation coefficient (R)，RMSEC (the root-mean-square error of calibration)，RMSEP(the root-mean-square error of prediction)and RMSECV(the root-mean-square error of cross.validation).This review shows that qualitative and quantitative NIR technique has been widely used in the determination of the active ingredient of Chinese herbal medicine and compound preparations, extract and volatile oil contents. NIR also helps optimize the Chinese medicinal preparations as well as the real-time monitoring of pharmaceutical process.This technique opens up a new research approach in the area of qualitative and quantitative analysis of traditional Chinese medicine and preparations.

near infrared spectroscopy，quantitative determination，analysis of traditional Chinese medicine

2015-09-30

R917

A

1006-5687(2015)06-0065-03