便攜式近紅外光譜儀的僵蠶快速檢驗(yàn)應(yīng)用研究

鐘紅，駱勇，石志強(qiáng)，鐘家瓊，王蛟龍，吳丙滔，歐家林，于婭，彭長(zhǎng)恩

作者單位：成都市郫都區(qū)中醫(yī)醫(yī)院中藥房，四川 成都 611730

僵蠶為蠶蛾科昆蟲家蠶4~5齡的幼蟲感染（或人工接種）白僵菌而致死的干燥體，其主產(chǎn)于我國(guó)四川、江蘇、浙江、廣東、廣西等地［1］。僵蠶是中國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)的傳統(tǒng)動(dòng)物藥，臨床上廣泛使用于治療驚厥、癲癇、咳嗽、哮喘、頭痛、皮膚瘙癢等多種病癥［2-3］。僵蠶生品氣味、藥性較強(qiáng)，臨床用藥多選用僵蠶炮制品麩炒僵蠶，其具有祛風(fēng)解痙、化痰散結(jié)的功效［4］。僵蠶作為常用動(dòng)物藥之一，有研究對(duì)部分中醫(yī)院飲片使用量進(jìn)行了調(diào)查，其中僵蠶的用藥量在動(dòng)物類飲片中名列前茅［5］。由于其市場(chǎng)需求量逐年增加，市場(chǎng)上藥材正偽品混雜，生品與制品共存，不同產(chǎn)地藥材質(zhì)量與療效也具有一定差異。其中，僵蠶養(yǎng)殖的環(huán)境飾變作為其品質(zhì)影響要素之一顯得尤為重要，其中的氣候因素、生物因子均對(duì)藥材品種具有較強(qiáng)影響作用［6］。此外，僵蠶的麩炒炮制方法也經(jīng)現(xiàn)代研究證實(shí)了其科學(xué)性與合理性，經(jīng)過麩炒后的僵蠶蛋白質(zhì)含量下降，黃曲霉素已被去除，達(dá)到了緩和藥性，增加用藥安全性的目的［7］。目前常用現(xiàn)代分析技術(shù)如高效液相色譜法（HPLC）等方法測(cè)定僵蠶中草酸銨、白僵菌素以及醇溶性浸出物等成分含量，以此完成僵蠶藥材品質(zhì)評(píng)價(jià)，上述方法雖然檢測(cè)準(zhǔn)確度高，但耗時(shí)長(zhǎng)，預(yù)處理復(fù)雜，不適用于藥材的現(xiàn)場(chǎng)快速分析［8-9］。

目前，近紅外光譜分析技術(shù)作為一種新興的快速檢測(cè)方法，因其無須樣本預(yù)處理、操作簡(jiǎn)便、適用于大批量樣本實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于中藥分析領(lǐng)域［10］。在動(dòng)物類中藥材分析領(lǐng)域中，已有近紅外技術(shù)成功應(yīng)用于阿膠［11］、地龍［12］、金銀花［13］等藥材質(zhì)量評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)報(bào)道。相比于臺(tái)式近紅外光譜儀，便攜式近紅外技術(shù)作為一種新型的定性及定量分析近紅外技術(shù)，具有現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)分析的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了近紅外技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)分析領(lǐng)域的空白，經(jīng)過多年來化學(xué)計(jì)量學(xué)方法以及硬件性能的提升，便攜式近紅外光譜儀也已在中藥分析領(lǐng)域初步嶄露頭角［14-18］。目前尚未有近紅外技術(shù)應(yīng)用于僵蠶的研究報(bào)道，本研究于2021年2—3月采用便攜式近紅外光譜儀對(duì)僵蠶的產(chǎn)地以及僵蠶炮制前后的差異進(jìn)行近紅外分析，建立一種實(shí)時(shí)鑒別不同產(chǎn)地僵蠶與炮制品的方法。

1 材料與方法

1.1 儀器便攜式近紅外光譜儀（PV500R-I，中國(guó)長(zhǎng)虹科技有限公司）；FA224型精密電子天平（上海一科科學(xué)儀器公司）；SF-130C型高速中藥粉碎機(jī)（湖南中誠(chéng)制藥機(jī)械廠）；DB-206SC型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱（成都天宇試驗(yàn)設(shè)備有限責(zé)任公司）；Unscram?bler?X10.4軟件（CAMO software，Oslo，Norway）。

1.2 材料僵蠶經(jīng)成都中醫(yī)藥大學(xué)吳純潔研究員鑒定為蠶蛾科昆蟲家蠶4~5齡的幼蟲感染白僵菌致死的干燥體及其炮制品。50℃低溫烘干至恒重，粉碎，過三號(hào)篩。僵蠶及其炮制品麩炒僵蠶來源和數(shù)量信息，見表1。

表1 僵蠶及其炮制品麩炒僵蠶來源和數(shù)量信息

1.3 樣本近紅外光譜采集將每批樣本稱取20.0 g后平鋪放置于直徑為10 cm、高為5 cm的不透光圓柱形鐵盒中，采用PV500R-I便攜式近紅外光譜儀采集樣本光譜，其光斑大小為10 mm，光譜分辨率為6 nm，重復(fù)性2 nm，掃描次數(shù)36次，波長(zhǎng)范圍為1 551~2 150 nm。將便攜式近紅外光譜儀平貼于樣本表面，同一樣本以多個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，每采集一次后更換儀器放置區(qū)域繼續(xù)采集樣本光譜，每個(gè)樣本采集3次光譜后求平均光譜用于后續(xù)建模分析。

1.4 不同光譜預(yù)處理方法通過對(duì)樣本近紅外光譜數(shù)據(jù)采取適宜的預(yù)處理方法，可以有效去除光譜中包含的噪聲信息，保留特征信息，提高所建模型的性能。目前常用的光譜預(yù)處理方法主要有平滑、一階與二階求導(dǎo)、多元散射校正（MSC）與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量校正（SNV）等，平滑預(yù)處理光譜后可減少光譜的背景噪聲［19］；對(duì)光譜數(shù)據(jù)一階與二階求導(dǎo)后可提升光譜分辨率和靈敏性，其工作原理為消除基線和其他背景的干擾［20］；而MSC與SNV作用相同，可消除樣本顆粒對(duì)光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響［21-22］。在Un?scrambler軟件中選擇上述方法分別對(duì)僵蠶樣本原始光譜進(jìn)行預(yù)處理。

1.5 化學(xué)計(jì)量學(xué)方法

1.5.1 主成分分析（PCA）是一種無監(jiān)督的模式識(shí)別方法，利用其降維能力從多個(gè)變量中得到可代表樣本最大限度特征的幾個(gè)主成分，從而對(duì)樣本的分布及聚類特征進(jìn)行描繪［23］。本研究利用Unscrambler軟件對(duì)不同產(chǎn)地僵蠶及麩炒僵蠶建立PCA模型，以發(fā)掘不同產(chǎn)地樣本及其炮制品之間的聯(lián)系與區(qū)別。

1.5.2 線性判別分析（LDA）在PCA的基礎(chǔ)上，采用有監(jiān)督的LDA方法對(duì)僵蠶產(chǎn)地進(jìn)行區(qū)分。LDA在已知樣本類別標(biāo)簽的情況下尋求樣本分類的最優(yōu)解，可達(dá)到更好的分類效果［24］。在Unscrambler軟件中采用LDA建立不同產(chǎn)地僵蠶的近紅外定性分析模型，以準(zhǔn)確率為模型指標(biāo)以評(píng)估模型預(yù)測(cè)性能。

2 結(jié)果

2.1 樣本的近紅外光譜84批不同產(chǎn)地僵蠶及24批麩炒僵蠶樣本的近紅外原始光譜以及采用不同光譜預(yù)處理方法得到的樣本光譜如圖1所示。

圖1 僵蠶及麩炒僵蠶樣品近紅外光譜圖：SNV為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量校正；MSC為多元散射校正

2.2 不同類別僵蠶樣品的PCA模型根據(jù)比較不同光譜預(yù)處理方法分析結(jié)果，選擇利用一階導(dǎo)數(shù)處理后的光譜建立PCA模型，前7個(gè)主成分的累計(jì)解釋了樣本變量信息97.82%的方差，其中第1主成分方差貢獻(xiàn)率為69.53%，第2主成分方差貢獻(xiàn)率為17.43%，第3主成分方差貢獻(xiàn)率為5.95%，前3個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為92.91%，代表其可很好地解釋樣品光譜信息。不同產(chǎn)地僵蠶樣本及麩炒僵蠶的近紅外原始光譜數(shù)據(jù)PCA模型結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，僵蠶的炮制品與其生品之間具有明確區(qū)分，可明顯分為兩類。此外，3個(gè)產(chǎn)地的僵蠶樣本各自聚為一類，雖然3個(gè)產(chǎn)地樣本之間具有部分重疊，但通過對(duì)主成分聚類圖的可視化分析也可實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)地僵蠶樣本的明確區(qū)分。

圖2 不同產(chǎn)地僵蠶與麩炒僵蠶的主成分分析（PCA）聚類圖

2.3 LDA模型區(qū)分僵蠶產(chǎn)地采用Kennard-Stone（K-S）算法［25］對(duì)樣本進(jìn)行劃分，84批不同產(chǎn)地僵蠶樣本按照3∶1比例，劃分為含有63批樣本的校正集，用于建立校正模型；剩余的21批樣本作為驗(yàn)證集用于評(píng)估模型預(yù)測(cè)性能。

2.3.1 不同光譜預(yù)處理方法 采用不同光譜預(yù)處理方法分別建立不同產(chǎn)地僵蠶的近紅外定性分析模型，不同光譜預(yù)處理方法所建模型的結(jié)果如表2所示。根據(jù)結(jié)果可知，采用平滑預(yù)處理方法對(duì)光譜進(jìn)行預(yù)處理后，模型的校正集與驗(yàn)證集結(jié)果更優(yōu)，因此選擇平滑后的光譜建模。其中校正集樣本的判別準(zhǔn)確率為98.41%，驗(yàn)證集樣本的判別準(zhǔn)確率為90.48%；校正集中只有江蘇一類樣本有一個(gè)判別錯(cuò)誤，其余的四川、廣西兩類產(chǎn)地的判別正確率均為100%；驗(yàn)證集中江蘇與四川兩個(gè)產(chǎn)地各有一個(gè)樣本預(yù)測(cè)錯(cuò)誤，產(chǎn)自廣西的樣本的預(yù)測(cè)正確率依然為100%。

表2 不同光譜預(yù)處理方法僵蠶產(chǎn)地建模結(jié)果/%

2.3.2 不同產(chǎn)地僵蠶LDA模型 平滑預(yù)處理后光譜建立的不同產(chǎn)地僵蠶LDA模型聚類圖如圖3所示，三個(gè)產(chǎn)地的僵蠶具有明顯的聚類與分離趨勢(shì)，大致分為三類。其中產(chǎn)自江蘇的一類樣本聚集趨勢(shì)最強(qiáng)，而產(chǎn)自四川的一類樣本中有少數(shù)樣本較為分散，可能與樣本批次以及更細(xì)致的產(chǎn)地分布有關(guān)。通過LDA聚類圖的可視化分析，可對(duì)不同產(chǎn)地僵蠶進(jìn)行明確的區(qū)分，表明建立的不同產(chǎn)地僵蠶定性分析模型可對(duì)僵蠶產(chǎn)地進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分。

圖3 不同產(chǎn)地僵蠶樣本的近紅外光譜線性判別分析（LDA）聚類圖

2.4 LDA模型鑒別僵蠶及其炮制品利用LDA方法建立僵蠶生品與炮制品的近紅外定性分析模型，同樣利用K-S算法對(duì)僵蠶24批麩炒僵蠶進(jìn)行樣本集劃分，其中校正集18批，驗(yàn)證集6批；其余僵蠶生品按照2.3項(xiàng)下樣本集劃分；共得到校正集樣本81份，驗(yàn)證集樣本27份。

2.4.1 不同光譜預(yù)處理方法 評(píng)估上述多種光譜預(yù)處理方法多所建僵蠶生品與炮制品的近紅外定性分析模型性能的影響，不同光譜預(yù)處理方法所建模型的結(jié)果如表3所示。從表3結(jié)果可看出，多種光譜預(yù)處理方法所建的僵蠶生品與炮制品近紅外定性分析模型的性能相同，校正集與驗(yàn)證集的判別準(zhǔn)確率均達(dá)到100%，表明僵蠶生品與炮制品的區(qū)別較大，多種光譜預(yù)處理方法建立的模型均能對(duì)僵蠶與麩炒僵蠶進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分。

表3 不同光譜預(yù)處理方法僵蠶生品與炮制品建模結(jié)果/%

2.4.2 僵蠶與麩炒僵蠶LDA模型 根據(jù)結(jié)果可知，原始光譜與其余預(yù)處理方法預(yù)處理光譜所建模型性能相當(dāng)，本著最少處理原則，選擇原始光譜建模。建立了僵蠶與麩炒僵蠶的近紅外定性分析模型，模型的LDA聚類圖如圖4所示。從圖中可看出，僵蠶與其炮制品麩炒僵蠶具有明顯區(qū)別，在可視化分析中明確聚為兩類，麩炒僵蠶位于LDA聚類圖左上側(cè)，僵蠶樣本則位于聚類圖右下側(cè)，顯示出了樣本間的明確分離趨勢(shì)以及樣本內(nèi)的聚集趨勢(shì)，充分表明僵蠶經(jīng)炮制后其內(nèi)在成分具有顯著變化，導(dǎo)致其以內(nèi)在成分為代表的近紅外光譜數(shù)據(jù)的較大差異。通過便攜式近紅外光譜儀建立的僵蠶生品與炮制品麩炒僵蠶的近紅外定性分析模型，可對(duì)兩類僵蠶樣本進(jìn)行明確區(qū)分。

圖4 僵蠶與麩炒僵蠶的近紅外光譜線性判別分析（LDA）聚類圖

3 討論

研究共采用84批僵蠶樣本以及24批僵蠶的炮制品麩炒僵蠶樣本，通過利用國(guó)產(chǎn)的新型便攜式近紅外光譜儀對(duì)僵蠶的產(chǎn)地，生品與炮制品分別進(jìn)行近紅外定性建模分析。在全波段、一階預(yù)處理?xiàng)l件下，利用PCA模型可基本實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)地僵蠶以及麩炒僵蠶樣本的區(qū)分，三個(gè)產(chǎn)地的僵蠶樣本之間以及麩炒僵蠶具有明顯不同。在建立的僵蠶產(chǎn)地近紅外LDA模型中，結(jié)果顯示，經(jīng)平滑預(yù)處理后建立的模型效果最佳，校正集中三個(gè)產(chǎn)地僵蠶樣本的判別準(zhǔn)確率為98.41%，驗(yàn)證集的預(yù)測(cè)正確率也達(dá)到了90.48%，表明該模型可對(duì)不同產(chǎn)地樣本進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分；在建立的僵蠶生品與麩炒僵蠶的近紅外分析模型中，多種光譜預(yù)處理方法均達(dá)到校正集、驗(yàn)證集同為100%的判別、預(yù)測(cè)正確率，表明僵蠶生品與其炮制品具有較大差異，通過便攜式近紅外光譜儀可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確鑒別。與樣本預(yù)處理及分析往往需1 h以上且步驟繁瑣的傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比，便攜式近紅外光譜儀可在5 min以內(nèi)完成對(duì)無須預(yù)處理的僵蠶樣本光譜數(shù)據(jù)的采集及實(shí)時(shí)分析，為僵蠶藥材的現(xiàn)場(chǎng)快速評(píng)價(jià)提供了一種新的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

本研究首次利用便攜式近紅外技術(shù)對(duì)僵蠶產(chǎn)地、炮制品進(jìn)行了實(shí)時(shí)分析。隨著模型中樣本數(shù)量的增多以及更多具有代表性的樣本加入，模型的適用性、準(zhǔn)確性以及應(yīng)用范圍將進(jìn)一步增大。相比傳統(tǒng)檢測(cè)方法以及HPLC等現(xiàn)代分析技術(shù)，便攜式近紅外技術(shù)實(shí)時(shí)、低成本的分析優(yōu)勢(shì)為僵蠶藥材的質(zhì)量控制提供了新的思路，也為其他動(dòng)物類中藥材的近紅外快速評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建提供了借鑒。盡管如此，近紅外分析技術(shù)在中藥領(lǐng)域中的應(yīng)用還存在一些不足有待完善：（1）近紅外模型的建立需要數(shù)量較多的具有代表性的樣本，而中藥內(nèi)在成分復(fù)雜導(dǎo)致分析難度增大，模型的準(zhǔn)確度對(duì)樣本數(shù)量的依賴嚴(yán)重。（2）近紅外光吸收強(qiáng)度弱，提取信息的有效利用率低，因此其儀器檢測(cè)的靈敏度、精確度還有待提升。綜上所述，近紅外技術(shù)在中藥分析領(lǐng)域雖存在一定的局限性，但隨著相關(guān)軟硬件、化學(xué)計(jì)量學(xué)、中藥分析技術(shù)的逐漸深入，近紅外技術(shù)在中藥分析領(lǐng)域?qū)⒕哂懈鼜V闊的應(yīng)用前景。