基于電子鼻技術(shù)的多基原莪術(shù)鑒定＊

李 羿，吳浩忠，劉春生△

1.成都醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院（成都 610083）；2.北京中醫(yī)藥大學(xué) 中藥學(xué)院（北京 100102）

電子鼻（electronic nose）是模擬動(dòng)物嗅覺器官開發(fā)出的一種高科技儀器，其能憑借檢測(cè)樣品氣味的整體特征信息進(jìn)行分析或鑒定。電子鼻通常由氣體傳感器陣列、空氣壓縮機(jī)、氣體凈化器、自動(dòng)進(jìn)樣器和軟件系統(tǒng)等組成，氣體傳感器是其核心器件。電子鼻廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)和產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)（如食品、煙草、發(fā)酵產(chǎn)品和香精香料等）等眾多領(lǐng)域［1－3］，在中藥材鑒定領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用空間［4－6］。

莪術(shù)為一類多基原的中藥材，具有行氣破血和消積止痛的功效。其基原藥用植物分別為溫郁金Curcuma wenyujin Y.H.Chen et C.Ling、蓬莪術(shù)Curcuma phaeocaulis Val.和廣西莪術(shù)Curcuma kwangsiensis S.G.Lee et C.F.Liang。目前，3種基原的莪術(shù)在市場上均有銷售，臨床均有應(yīng)用。但由于不同基原莪術(shù)所含化學(xué)成分存在差異，對(duì)其臨床療效將產(chǎn)生較大的影響［7］。僅依據(jù)《中國藥典》2010年版鑒定項(xiàng)目中莪術(shù)性狀和橫切面組織構(gòu)造的描述進(jìn)行鑒定，較難有效分清莪術(shù)的基原［8］。因此，筆者探討了電子鼻在多基原莪術(shù)鑒定中的應(yīng)用，以確保其臨床用藥的安全有效，也為中藥材及中成藥的鑒定提供新的技術(shù)手段。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究所用藥材為當(dāng)?shù)刭徺I或采集（表1），樣品均經(jīng)北京中醫(yī)藥大學(xué)劉春生教授鑒定為生藥莪術(shù)。

表1 莪術(shù)來源

1.2 儀器

α－FOX 3000型氣電子鼻（法國Alpha MOS公司）；金屬氧化物傳感器12根（6根LY型傳感器：LY2/LG、LY2/G、LY2/AA、LY2/Gh、LY2/gCT1和 LY2/gCT；6根TP型傳感器：T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2 和 PA/2）；電子天平（Sartorius BS 110S）；藥典篩。

1.3 方法

1.3.1 樣品準(zhǔn)備和檢測(cè)參數(shù) 將樣品烘干后粉碎，過2號(hào)篩，備用。用電子天平精確稱量0.4g樣品，移于頂空瓶（10mL）中，加蓋密封后待檢。電子鼻對(duì)莪術(shù)樣品氣味特征采集分為頂空動(dòng)態(tài)平衡、自動(dòng)進(jìn)樣和信號(hào)采集3個(gè)流程。以檢測(cè)器響應(yīng)值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)確定樣品適宜的檢測(cè)參數(shù)。以高純空氣為載氣，流速150mL/min；頂空時(shí)間1 200s，孵化溫度80℃，樣品振蕩速度150r/min；注射體積2.0mL，注射速度2.0mL/s；數(shù)據(jù)采集時(shí)間200s，吹掃時(shí)間600s，進(jìn)樣量數(shù)據(jù)采集間隔1s。

1.3.2 傳感器信號(hào)分析 以采集時(shí)間為橫坐標(biāo)，電子鼻傳感器響應(yīng)強(qiáng)度值為縱坐標(biāo)，繪制電子鼻傳感器響應(yīng)值變化曲線，每條曲線代表一個(gè)傳感器在200s內(nèi)的響應(yīng)值變化。采集每根傳感器的最大響應(yīng)值，利用歸一法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，從電子鼻兩組共12根傳感器中篩選出適宜的傳感器。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用Alpha Softv12軟件對(duì)電子鼻獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用主成分分析（principal component analysis，PCA）和辨別因子分析（discrimental factor analysis，DFA）［5－6］，建立蓬莪術(shù)、廣西莪術(shù)和溫郁金的氣味識(shí)別模式。每份樣品重復(fù)檢測(cè)3次。

2 結(jié)果

2.1 傳感器的選擇與優(yōu)化

因傳感器LY2/LG響應(yīng)值低（圖1），故去掉不用。將11根傳感器的響應(yīng)值數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理，并通過軟件以“定性”方式自動(dòng)篩選響應(yīng)值。結(jié)果表明：莪術(shù)樣品對(duì)11根傳感器反應(yīng)強(qiáng)度不同，綜合分析后最終確定LY2/Gh、LY2/G、LY2/AA的傳感器為本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)化氣體傳感器陣列。

2.2 PCA分析結(jié)果

蓬莪術(shù)、廣西莪術(shù)和溫郁金的頂空氣試樣數(shù)據(jù)簇可相互分開，且各試驗(yàn)數(shù)據(jù)相互間無重疊（圖2），表明在該電子鼻檢測(cè)條件下使用PCA能夠有效區(qū)分多基原莪術(shù)。

2.3 DFA分析結(jié)果

蓬莪術(shù)、廣西莪術(shù)和溫郁金的頂空氣試樣數(shù)據(jù)簇能相互分開，且各試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有重疊（圖3），說明在該電子鼻檢測(cè)條件下使用DFA能夠?qū)崿F(xiàn)多基原莪術(shù)的有效區(qū)分。

圖1 傳感器陣列對(duì)莪術(shù)樣品氣味的響應(yīng)譜

圖2 多基原莪術(shù)的PCA識(shí)別模式圖

圖3 多基原莪術(shù)的DFA識(shí)別模式圖

3 討論

金屬氧化物傳感器陣列是電子鼻識(shí)別氣味的關(guān)鍵因素。如何選擇傳感器陣列，以剔除冗余信息，同時(shí)保證所獲取信息的完整性、有效性和可靠性是傳感器陣列優(yōu)化需考慮的首要問題。因此，筆者對(duì)金屬氧化物傳感器進(jìn)行了優(yōu)化，確定了最佳傳感器陣列。

PCA是一種包含了向量分析和相關(guān)矩陣的分類技術(shù)，目的是區(qū)分不同的樣品，一般作為DFA模型的預(yù)備分析。通過PCA可以刪除過于離散的離群點(diǎn)，有利于傳感器的優(yōu)化。DFA是一種通過重新組合傳感器數(shù)據(jù)來優(yōu)化區(qū)分性的分類技術(shù)，能使組間重心距離最大的同時(shí)保證組內(nèi)差異最?。?］。

本研究在利用電子鼻對(duì)不同基原莪術(shù)的整體氣味特征提取和分析基礎(chǔ)上，通過PCA和DFA實(shí)現(xiàn)了多基原莪術(shù)的快速鑒定。但本研究所采集樣品的范圍有限、樣品量偏少和試驗(yàn)結(jié)果代表性較局限，以后還需擴(kuò)大樣本量和進(jìn)一步優(yōu)化模型。電子鼻鑒定技術(shù)是中藥鑒定的一種新技術(shù)，未來將在中藥材和中成藥氣味特征的標(biāo)準(zhǔn)化研究及其快速鑒定方面發(fā)揮重要的作用。

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