不同類型電子鼻在中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)研究中的應(yīng)用△

溫英麗，羅茵，許淑清，任曉亮，竇志英，劉亞男

天津中醫(yī)藥大學(xué) 中藥學(xué)院，天津 301636

我國(guó)具有龐大的中藥資源寶庫(kù)，中藥的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用對(duì)人類文明的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。中藥質(zhì)量是保障其臨床療效的基礎(chǔ)，嚴(yán)格把控中藥質(zhì)量是中藥現(xiàn)代化進(jìn)程的首要任務(wù)[1]。中藥質(zhì)量受地理環(huán)境、基原品種、采收加工、運(yùn)輸貯藏、造假摻偽等多重因素的影響[2]。隨著現(xiàn)代儀器分析的不斷發(fā)展，中藥質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法也由經(jīng)驗(yàn)鑒別發(fā)展到儀器分析，考察指標(biāo)也由單一成分發(fā)展到指紋信息。而氣味作為中藥的重要特征屬性之一，也是判定其質(zhì)量的重要指標(biāo)。依據(jù)氣味等性狀評(píng)價(jià)中藥質(zhì)量的方法已有悠久歷史，但以人工評(píng)價(jià)為主，需要有豐富的經(jīng)驗(yàn)并存在主觀誤差[3]。電子鼻技術(shù)的產(chǎn)生將主觀感受數(shù)字化、模式化、可視化[4]。電子鼻技術(shù)包括傳感器型電子鼻（electronic nose）[5]和超快速氣相電子鼻（flash gas chromatography E-nose）[6]兩類，其廣泛應(yīng)用于食品[7-9]、醫(yī)藥[10-11]、化工[12]、環(huán)境[13]等領(lǐng)域，是一種高效、綠色、無(wú)損的檢測(cè)技術(shù)，對(duì)氣味敏感性、選擇性普遍較高。本文首先從電子鼻的發(fā)展史、系統(tǒng)組成、應(yīng)用3個(gè)角度著手，比較2種電子鼻的特點(diǎn)，分析不同類型電子鼻的優(yōu)勢(shì)；其次總結(jié)近年來(lái)電子鼻技術(shù)在中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，為中藥的現(xiàn)代化研究提供參考。

1 2種類型電子鼻的比較

1.1 電子鼻技術(shù)的發(fā)展

早在20 世紀(jì)60 年代，氣味檢測(cè)機(jī)械裝置[14]的出現(xiàn)打開了傳感器型電子鼻技術(shù)發(fā)展的大門。在隨后的發(fā)展中，又將模式識(shí)別方法與電子鼻技術(shù)相結(jié)合[15]，逐步形成如今應(yīng)用廣泛的電子鼻技術(shù)體系。超快速氣相電子鼻技術(shù)的原理是基于氣相色譜-嗅聞技術(shù)（GC/O），始于20 世紀(jì)60 年代。隨著嗅聞技術(shù)不斷更新，出現(xiàn)GC 與氣味傳感器（MOS、SAW）、氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）聯(lián)用的多種應(yīng)用形式。直到2007年，法國(guó)Alpha MOS公司在BCEIA分析儀器應(yīng)用技術(shù)報(bào)告會(huì)上提出創(chuàng)新型電子鼻——Heracles超快速氣相電子鼻[16]。

1.2 電子鼻系統(tǒng)的組成

在進(jìn)樣系統(tǒng)方面，2 種電子鼻進(jìn)樣方式原理相似，均為頂空氣體進(jìn)樣[17]；在分離系統(tǒng)方面，傳感器型電子鼻無(wú)分離系統(tǒng)，而超快速氣相電子鼻分離系統(tǒng)是在氣相色譜的基礎(chǔ)上，使用更短的色譜柱、更薄的填充材料，極大縮短了揮發(fā)性成分分離時(shí)間，提高樣品分析速度；在信號(hào)采集系統(tǒng)方面，傳感器型電子鼻的氣味信號(hào)采集裝置為傳感器陣列，超快速氣相電子鼻的信號(hào)采集裝置則為FID；在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)方面，模式識(shí)別是2 種類型電子鼻通用的數(shù)據(jù)處理方式，超快速氣相電子鼻系統(tǒng)除了有將樣品進(jìn)行分類的模式識(shí)別外，還配有Arochembase 數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)揮發(fā)性成分的初步定性。

1.3 電子鼻的應(yīng)用

國(guó)外文獻(xiàn)通過(guò)Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)獲得，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)通過(guò)中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）、萬(wàn)方、維普數(shù)據(jù)庫(kù)獲得。分別以“Electronic nose”“E-nose”“flash gas chromatography E-nose”“FGC E-nose”和“電子鼻”“電子鼻技術(shù)”“快速氣相電子鼻”“ 超快速氣相電子鼻”為檢索關(guān)鍵詞，檢索得到2015年1 月1日—2020年7月8日共3905篇相關(guān)文獻(xiàn)。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，傳感器型電子鼻相關(guān)文獻(xiàn)占比高達(dá)96.77%，應(yīng)用更為普遍，這與其儀器成本低廉、傳感器種類繁多密不可分。2 種類型電子鼻的應(yīng)用范圍大致相同，涉及食品、醫(yī)療、化工、環(huán)境、材料、農(nóng)業(yè)以及中藥領(lǐng)域，主要應(yīng)用于食品氣味的快速檢測(cè)（圖1）。而在食品行業(yè)傳感器型電子鼻多用于果蔬[18-19]、水產(chǎn)[20]、肉類[21]質(zhì)量的快速檢測(cè)，超快速氣相電子鼻用于檢測(cè)調(diào)味品[22]、肉制品[23]質(zhì)量的相關(guān)文獻(xiàn)較多（圖2）。2 種電子鼻雖在原理上存在差異，但對(duì)樣品氣味均有較強(qiáng)的識(shí)別能力，均是高效、靈敏的氣味分析技術(shù)。

圖1 電子鼻應(yīng)用領(lǐng)域分布雷達(dá)圖

圖2 電子鼻在食品領(lǐng)域應(yīng)用分布雷達(dá)圖

2 2種類型電子鼻在中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

2.1 基于傳感器型電子鼻技術(shù)的中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1.1 傳感器型電子鼻單一技術(shù)的中藥質(zhì)量評(píng)價(jià) 中藥質(zhì)量受其生長(zhǎng)、采收、運(yùn)輸、加工、貯藏各個(gè)環(huán)節(jié)的影響，針對(duì)中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究也層出不窮，電子鼻技術(shù)以揮發(fā)性成分為考察對(duì)象評(píng)價(jià)中藥質(zhì)量。Liu 等[24]通過(guò)改變電子鼻響應(yīng)特征的提取方法有效地區(qū)分了甘肅、云南、山東產(chǎn)區(qū)共21 批當(dāng)歸，其中甘肅和云南2 個(gè)產(chǎn)區(qū)當(dāng)歸電子鼻信號(hào)負(fù)響應(yīng)特征存在明顯差異。說(shuō)明電子鼻可以用來(lái)鑒別中藥產(chǎn)地，該方法快速、便捷。電子鼻中最常用的模式識(shí)別方法有主成分分析（PCA）[25]、判別因子分析（DFA）[25]、偏最小二乘分析（PLS）[26]、軟獨(dú)立建模的類類比（SIMCA）[27]等，由于電子鼻信號(hào)易受環(huán)境干擾，因此優(yōu)性能的數(shù)學(xué)算法在提取復(fù)雜數(shù)據(jù)的差異信息方面至關(guān)重要。徐珍珍等[28]借助PEN3電子鼻獲得8 個(gè)產(chǎn)地48 批木香的氣味信息，采用基于Fisher 鑒別準(zhǔn)則的線性判別分析（LDA）和非線性降維的局部線性嵌入算法+移動(dòng)平均（LLE+SMA）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果顯示，LLE+SMA 算法可以區(qū)分不同產(chǎn)地木香。藍(lán)振威等[29]比較反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與決策樹、樸素貝葉斯、支持向量機(jī)[32]、K 最臨近、集成分類在電子鼻分析生、醋廣西莪術(shù)中的識(shí)別能力，結(jié)果顯示，電子鼻結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠精準(zhǔn)地識(shí)別生、醋莪術(shù)。徐東等[30]將機(jī)器學(xué)習(xí)方法、XGBoost 算法[31]、支持向量機(jī)等引入到電子鼻分析中，發(fā)揮出電子鼻數(shù)據(jù)分類的最優(yōu)效果。單一傳感器型電子鼻在中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)研究中的應(yīng)用見表1。

表1 單一傳感器型電子鼻在中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)研究中的應(yīng)用

傳感器型電子鼻可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中藥由產(chǎn)地采收、基原品種、炮制加工、存儲(chǔ)全過(guò)程的質(zhì)量評(píng)價(jià)，但難以確定影響中藥質(zhì)量變化的物質(zhì)基礎(chǔ)，不能將中藥質(zhì)量與成分變化相關(guān)聯(lián)。中藥氣味成分復(fù)雜多樣，電子鼻獲得樣品整體氣味的輪廓信息，傳統(tǒng)的模式識(shí)別方法識(shí)別精確度不高，因此，僅用電子鼻評(píng)價(jià)中藥質(zhì)量時(shí)還需要開發(fā)更為適合的數(shù)學(xué)算法。隨著研究的不斷深入，單一電子鼻技術(shù)難以滿足中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)要求，因此，電子鼻結(jié)合其他技術(shù)評(píng)價(jià)中藥質(zhì)量的研究模式應(yīng)勢(shì)而生。

2.1.2 傳感器型電子鼻與其他技術(shù)結(jié)合的中藥質(zhì)量評(píng)價(jià) 傳感器型電子鼻與頂空-氣相色譜質(zhì)譜法（HS-GC-MS）聯(lián)用，劉夢(mèng)楚等[44]利用I-nose 獲得22批不同產(chǎn)地砂仁的氣味信息，PCA 結(jié)果顯示，傳感器S14、S8、S6、S3 響應(yīng)敏感的物質(zhì)是區(qū)分其產(chǎn)地的主要成分，結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）得到電子鼻響應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，進(jìn)一步印證了電子鼻分析結(jié)果。傳感器型電子鼻與紅外聯(lián)用，Chen 等[45]建立電子鼻、近紅外光譜、中紅外光譜快速鑒別羌活和寬葉羌活方法，電子鼻支持向量機(jī)（SVM）模型識(shí)別準(zhǔn)確率92.9%，紅外光譜SVM 模型識(shí)別準(zhǔn)確率為100%。表明電子鼻與紅外光譜可以快速、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)中藥質(zhì)量，是有廣闊應(yīng)用前景的中藥快速檢測(cè)技術(shù)。傳感器型電子鼻與超高效液相色譜法（UPLC）聯(lián)用，Wei等[46]開發(fā)了電子鼻結(jié)合液相鑒定黃芪產(chǎn)區(qū)的方法，通過(guò)液相驗(yàn)證電子鼻鑒定的準(zhǔn)確性，證明電子鼻可以快速、可靠地鑒別中藥產(chǎn)地。電子鼻與其他仿生技術(shù)結(jié)合，從嗅、味、色出發(fā)分析中藥整體感官信息[21,47-48]。傳感器型電子鼻結(jié)合其他技術(shù)在中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)研究中的應(yīng)用見表2。

表2 傳感器型電子鼻結(jié)合其他技術(shù)在中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)研究中的應(yīng)用

傳感器型電子鼻多與色譜技術(shù)（GC-MS、HPLC）聯(lián)用，將中藥外部的性狀特征與內(nèi)部的成分變化相關(guān)聯(lián)，確定影響中藥質(zhì)量的物質(zhì)基礎(chǔ)。電子鼻與其他儀器聯(lián)合使用進(jìn)一步佐證電子鼻用于中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。隨著研究方法的迭代更新，也出現(xiàn)電子鼻與圖像分析[60]、DNA 測(cè)序[61]、代謝組學(xué)[61]等技術(shù)結(jié)合評(píng)價(jià)中藥質(zhì)量的報(bào)道。

2.2 基于超快速氣相電子鼻技術(shù)的中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.2.1 超快速氣相電子鼻單一技術(shù)的中藥質(zhì)量評(píng)價(jià) 中藥自古以來(lái)就有“道地藥材”的說(shuō)法，氣候環(huán)境不同藥材質(zhì)量自然參差不齊，影響臨床療效。宋亮[62]以揮發(fā)性成分為研究對(duì)象，建立了基于超快速氣相電子鼻鑒別黑果枸杞產(chǎn)地（甘肅、新疆和青海）的方法。發(fā)現(xiàn)甘肅產(chǎn)的黑果枸杞揮發(fā)性成分種類最少，但氣味濃郁。乙偶姻和3-己酮分別為新疆和青海黑果枸杞的特有氣味成分，說(shuō)明超快速氣相電子鼻技術(shù)可以快速鑒別中藥材產(chǎn)地，推測(cè)不同產(chǎn)地藥材成分差異。炮制是中藥特有的處理方式，通過(guò)炮制工藝與輔料的合理作用，為中藥性-效-毒變化提供動(dòng)能[63]。田連起等[64]基于電子鼻技術(shù)分析蘄蛇藥材及其飲片的氣味成分差別，通過(guò)AroChemBase 數(shù)據(jù)庫(kù)定性出12 種成分，發(fā)現(xiàn)炮制后其中的二硫化碳、己醛有所下降，而新增了香味成分3-甲基-1-丁醇、異戊酸乙酯、香茅醛、乙酸苯乙酯、L-香芹酮，解釋蘄蛇炮制矯味的物質(zhì)基礎(chǔ)，為中藥炮制研究提供了借鑒。中藥摻假嚴(yán)重影響臨床用藥療效，常見的摻偽造假形式有以偽充真、真假混雜、以次充好、優(yōu)劣相摻、新舊互拌等[65]。金銀花開花后有效成分會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其質(zhì)量下降。武文奇等[10]利用Heracles Ⅱ超快速氣相電子鼻建立快速評(píng)價(jià)金銀花等級(jí)的方法，通過(guò)分析摻雜不同比例開花金銀花的藥材粉末的氣味變化，結(jié)合模式識(shí)別將其質(zhì)量分為一等、二等、三等3 個(gè)等級(jí)，結(jié)果表明，電子鼻技術(shù)對(duì)外觀難以區(qū)分的摻偽中藥有很好的預(yù)測(cè)能力。

超快速氣相電子鼻在中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用涉及生產(chǎn)，加工及銷售全流程，是一種高效、便捷、綠色的分析方法。超快速氣相電子鼻將GC 分離技術(shù)與電子鼻的模式識(shí)別分析相結(jié)合，初步分離、定性中藥的揮發(fā)性成分，實(shí)現(xiàn)中藥質(zhì)量的快速評(píng)價(jià)。但由于中藥成分復(fù)雜多樣，超快速氣相電子鼻在提高分析速率的同時(shí)難以將復(fù)雜成分完全分離、準(zhǔn)確定性，因此單一儀器用于中藥質(zhì)量研究時(shí)，具有局限性，研究較片面，層次較淺顯。

2.2.2 超快速氣相電子鼻結(jié)合其他技術(shù)的中藥質(zhì)量評(píng)價(jià) 超快速氣相電子鼻與HS-GC-MS 聯(lián)用，劉曉梅等[66]通過(guò)超快速氣相電子鼻獲得生地龍、炒地龍、甘草泡地龍、醋地龍和酒地龍的整體氣味輪廓，化學(xué)計(jì)量學(xué)結(jié)果表明，地龍及其炮制品氣味成分具有顯著差異。為了進(jìn)一步揭示炮制前后氣味成分變化，該課題組借助HS-GC-MS對(duì)生地龍及其炮制品定性、定量分析，發(fā)現(xiàn)炮制前后醛類和胺類成分種類含量均有所下降。該種研究模式從成分層面進(jìn)一步詳細(xì)解釋了中藥炮制原理。

超快速氣相電子鼻兼具傳感器型電子鼻的判別分析能力與GC-MS 的成分定性能力，因此在現(xiàn)有報(bào)道中多為單獨(dú)使用。但與傳感器型電子鼻相比，儀器成本大大增加；與GC-MS 相比其分析速率大幅度提升，準(zhǔn)確性也成比例下降。種種特性造成了超快速氣相電子鼻應(yīng)用的局限性，超快速氣相電子鼻的最佳應(yīng)用領(lǐng)域仍有待發(fā)掘。

3 電子鼻技術(shù)在中藥領(lǐng)域應(yīng)用的挑戰(zhàn)與展望

3.1 電子鼻技術(shù)在中藥領(lǐng)域應(yīng)用的挑戰(zhàn)

傳感器型電子鼻在食品檢測(cè)、醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面應(yīng)用廣泛，相應(yīng)的傳感器材料研究更為成熟。而電子鼻在中藥領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展較慢，這與中藥氣味復(fù)雜，電子鼻傳感器靈敏度高、選擇性差有關(guān)，需進(jìn)一步開發(fā)適合中藥分析的傳感器材料。電子鼻易受環(huán)境因素影響，數(shù)據(jù)噪音大，常規(guī)的化學(xué)計(jì)量學(xué)分析方法難以提取樣品間的差異信息，為提高其識(shí)別精度，需要結(jié)合高效的數(shù)學(xué)算法進(jìn)行分析。

經(jīng)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在超快速氣相電子鼻評(píng)價(jià)中藥質(zhì)量的研究中，缺少方法準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，可行性研究較為局限，還需提高超快速氣相電子鼻評(píng)價(jià)中藥質(zhì)量方法的普適性。超快速氣相電子鼻雖能定性揮發(fā)性成分，但在分離過(guò)程中存在樣品分離不完全的問題，以至于定性結(jié)果存在較大誤差。

3.2 電子鼻技術(shù)在中藥領(lǐng)域應(yīng)用的展望

中藥質(zhì)量參差不齊，目前的研究方法存在樣品處理復(fù)雜、分析時(shí)間長(zhǎng)、損壞樣品等弊端，電子鼻作為一種綠色高效且無(wú)損的檢測(cè)方法，為名貴藥材的檢測(cè)提供一個(gè)可靠的選擇。電子鼻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了中藥質(zhì)量的快速鑒定，為中藥一體化生產(chǎn)過(guò)程中在線檢測(cè)提供了技術(shù)支持。隨著研究的不斷深入，構(gòu)建不同中藥電子鼻分析數(shù)據(jù)庫(kù)，建立中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)氣味標(biāo)準(zhǔn)，使電子鼻能更準(zhǔn)確且有依據(jù)地劃分中藥質(zhì)量，充分發(fā)揮電子鼻在中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)中的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

中藥質(zhì)量是臨床藥效的基礎(chǔ)保障，因此質(zhì)量評(píng)價(jià)一直是中藥研究的重中之重。隨著科技的不斷發(fā)展，質(zhì)量評(píng)價(jià)的技術(shù)方法愈加成熟，指標(biāo)成分愈加全面。電子鼻技術(shù)的發(fā)展無(wú)疑為質(zhì)量評(píng)價(jià)提供一種更為快速、可靠、綠色、無(wú)損的分析方法，避免了氣味檢測(cè)中產(chǎn)生的主觀偏差，實(shí)現(xiàn)氣味的數(shù)字化轉(zhuǎn)變。文中2 種電子鼻各具優(yōu)勢(shì)，傳感器型電子鼻由于種類繁多、儀器低廉，其應(yīng)用普遍性更高，而超快速氣相電子鼻除了具有識(shí)別分類樣品功能，還可以定性、定量分析樣品氣味成分。2 種技術(shù)在中藥研究領(lǐng)域均具有較好的分析能力，形成了以中醫(yī)藥基礎(chǔ)理論為指導(dǎo)，以中藥的揮發(fā)性成分為對(duì)象，結(jié)合先進(jìn)的分析技術(shù)評(píng)價(jià)中藥質(zhì)量的模式，為中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)開拓思路。