黃玉青 李 茜 李曉輝 曾志堅 賴小平
(1.太赫茲科技應用(廣東)有限公司,廣東 廣州 510000;2.江門市藥品檢驗所,廣東 江門 529000;3.廣州中醫(yī)藥大學,廣東 廣州 510000)
柴胡為傘形科植物柴胡(Bupleurum chinense DC.)或狹葉柴胡(Bupleurum scorzonerifolium Willd)的干燥根。按性狀不同,分別習稱“北柴胡”和“南柴胡”[1]。柴胡始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》,具有解表退熱、疏肝解郁之功效,臨床上常用于感冒發(fā)熱、寒熱往來和胸脅脹痛等,制劑有柴胡注射液、小柴胡顆粒等,通常以北柴胡為主。由于北柴胡需求量大,不能滿足市場需求,導致多種柴胡偽品進入市場[2],例如以藏柴胡代替北柴胡進行銷售,甚至以混偽品的柴胡制成制劑,因此對柴胡的真、偽鑒別具有重要研究意義。
太赫茲波(THz)是指頻率在0.1 THz~10 THz的電磁波,在電磁波譜上位于微波和紅外線之間,是人類目前尚未完全開發(fā)的電磁波譜“空白”區(qū)。太赫茲時域光譜技術已成為檢測中藥的新方法,太赫茲頻段作用機制是有機分子間氫鍵作用、生物大分子骨架振動和分子晶體低頻振動等。該研究利用太赫茲時域光譜技術測定錐葉柴胡、北柴胡、南柴胡和藏柴胡,結(jié)合主成分分析(PCA)把相關性的變量降維并轉(zhuǎn)化成幾個主成分指標,反映事物內(nèi)部變量之間的規(guī)律[3],建立不同品種柴胡的鑒別模型。
該研究采用透射光譜模塊,光路系統(tǒng)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)采用780 nm的光纖飛秒激光器作為激發(fā)光源,其發(fā)射源和探測器均采用太赫茲光電導天線產(chǎn)生和接收太赫茲信號。壓片機(HY-12型,天津天光新光學儀器有限公司),多功能粉碎機(BJ-200型,德清拜杰電器有限公司),電熱鼓風干燥箱(DHG-9070A型,上海一恒科學儀器有限公司),壓片模具(HF-2A型,天津天光新光學儀器有限公司)。
圖1 太赫茲時域光譜系統(tǒng)原理圖
錐葉柴胡、北柴胡、南柴胡和藏柴胡由江門市藥品檢驗所鑒定、提供。柴胡樣品經(jīng)粉碎過200目篩,可減少散射對太赫茲波的干擾,置60 ℃干燥2 h,以減少樣品的水分對太赫茲波的干擾。放冷后精密稱定0.2 g,在壓強為24 MPa下壓制成直徑13 mm,厚度為1.0 mm~1.4 mm的圓形薄片。每種柴胡樣品各制備10片,共40個樣品片。太赫茲脈沖經(jīng)過樣品,測定氮氣參考譜線及樣品的時域譜。
用Dorney和Duvillaret等人提出的方法處理該文試驗獲得的數(shù)據(jù),得到氮氣參考THz時域和樣品THz時域信號,通過傅里葉轉(zhuǎn)換,得到相應參考頻域信號和樣品頻域信號,再對樣品的吸收系數(shù)譜進行分析和研究。經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到的樣品的折射率n(ω)和吸收系數(shù)α(ω)分別如公式(1)和公式(2)所示。
式中:ω為頻率;φ(ω)為樣品與參考信號的相位差;c為光速;d為樣品的厚度;A(ω)為頻域信號下,樣品與參考的振幅比。
大多數(shù)中藥材主成分的振動和旋轉(zhuǎn)能級處于太赫茲波段內(nèi),利用太赫茲技術鑒定中藥的代謝產(chǎn)物,如糖類、蛋白質(zhì)、生物堿和黃酮化合物等,有很好的鑒別效果。太赫茲時域光譜結(jié)合化學計量學方法已鑒別出冬蟲夏草、紅花、牛黃、冰片和西洋參[4-6]等中藥材。陳艷江等人[7]用支持向量機對南柴胡和北柴胡的太赫茲光譜進行識別,但未對柴胡其他品種進行鑒別。
因為原始吸收譜數(shù)據(jù)會受系統(tǒng)噪聲、樣品不均勻及光散射等因素影響,所以需要截取有效的頻譜范圍進行分析。4種柴胡的吸收系數(shù)譜圖如圖2所示。從圖2可以看出,0.3 THz~2.0 THz沒有受到噪聲的影響,該有效頻譜可以反映出不同品類柴胡間的總體差異,所以選取0.3 THz~2.0 THz作為有效頻譜范圍進行分析。
圖2 4種柴胡的吸收系數(shù)譜圖
該試驗將截取的吸收系數(shù)譜進行主成分分析(PCA),因為4種柴胡都沒有明顯的吸收峰,且每種柴胡的吸收系數(shù)譜線均非常相似,所以用SIMCA14.1軟件對吸收系數(shù)譜原始數(shù)據(jù)進行主成分分析(PCA)。將截取的吸收系數(shù)譜按軟件SIMCA需求進行整理,得出主成分數(shù)t1、t2等是總結(jié)X變量的新變量。分數(shù)是正交的,即彼此完全獨立。模型中的得分向量與組件一樣多。分數(shù)t1(第一分量)解釋了X空間的最大變化,其次是t2等。因此,t1與t2的散點圖是X空間中的一個窗口,顯示了X觀測值相對于彼此的位置。該圖顯示了數(shù)據(jù)中可能存在的異常值、組、相似性和其他模式。SIMCA使用二維分數(shù)圖,根據(jù)Hotelling的T2繪制公差橢圓。同時可以觀察到位于橢圓外部的觀測值是異常值??傻?個主成分數(shù),各個主成分的特征值和貢獻率見表1。主成分1和主成分2的累積貢獻率為92.9%,前2個主成分足以反映樣品的原始信息。
表1 4種柴胡THz量子指紋圖譜主成分分析的特征值和貢獻率
4種不同種類柴胡樣本的主成分1和主成分2得分圖如圖3所示。從圖3可以看出,錐葉柴胡和藏柴胡能明顯區(qū)分,而南、北柴胡有少許重疊且在同一片區(qū)域內(nèi),這2種柴胡可能具有相同成分。
北柴胡的成分主要是柴胡皂苷、醇、揮發(fā)油、脂肪酸(油酸、亞麻油酸、棕櫚酸和硬脂酸等)和多糖等。南柴胡的成分主要是柴胡皂苷、甾醇、揮發(fā)油、脂肪油和莖葉尚含黃酮類。兩者的主要成分很多為相同成分,所以兩者有所重疊。
藥用柴胡以北柴胡為主,分別建立北柴胡與藏柴胡、北柴胡與錐葉柴胡的主成分分析(PCA)鑒別分類模型。根據(jù)圖3可知北柴胡與藏柴胡分類準確率均為100%。同理從圖3可知,北柴胡與錐葉柴胡分類準確率分別為100%和93.3%。
圖3 4種柴胡前2個主成分得分圖
DModX是訓練集中觀察到X模型平面或超平面的距離。DModX與X觀測的殘余標準偏差(RSD)成比例。默認情況下,DModX以標準化單位顯示,即絕對DModX除以模型的合并剩余標準偏差。DModX的臨界值表示為Dcrit,由F分布計算得出。Dcrit調(diào)節(jié)圍繞訓練集數(shù)據(jù)點的“包絡線”的大、小。DModX的觀測值是Dcrit的2倍,屬于中等異常值。這表明在變量的相關結(jié)構方面,這些觀測與正常觀測不同。貢獻圖顯示所有X變量的殘差。具有較大正或負殘差的變量是那些與模型捕獲的系統(tǒng)結(jié)構不同的變量。
將分數(shù)看作帶有權重的變量的加權平均值,即載荷(p)。第一分量中的p1和第二分量中的p2。p1和p2是每個變量具有一個元素的向量。這些權重(即負載)表示X矩陣的主要相關結(jié)構。因此,p1與p2顯示了X變量的相互關聯(lián)。
藏柴胡所含的柴胡皂苷遠高于北柴胡及南柴胡,非法商人常用藏柴胡替代北柴胡及南柴胡,其中柴胡皂苷是柴胡重要的化學成分之一,具有鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛和抗炎等藥理作用,有很強的生理活性作用。藏柴胡與北柴胡得以完全區(qū)分將有利于市場對柴胡品種的監(jiān)管。
不法商家往往在其中摻入無藥效的地上部分,甚至用竹葉柴胡、錐葉柴胡等冒充柴胡售賣,獲取暴利,攪亂市場,損害消費者健康,更制約著柴胡產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。當前國內(nèi)對于柴胡真、偽的鑒別手段主要有感官檢測與化學分析法。前者主要是根據(jù)外觀性狀、顏色和氣味等差異對不同柴胡進行鑒別,該方法易受主觀條件及客觀環(huán)境因素的干擾,準確度有待提高?;瘜W分析方法主要是通過薄層色譜法、高效液相色譜法和氣質(zhì)聯(lián)用等方法檢測柴胡中各成分物質(zhì)。然而,這些方法樣品前處理復雜、試驗周期長、成本較高且步驟復雜,不能快速檢測柴胡真、偽。為解決以上問題,該文利用太赫茲光譜技術對不同比例的藏柴胡和北柴胡進行區(qū)分。
以北柴胡10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%和80%與相應的藏柴胡進行混合,按第1.2節(jié)的制樣方式,將柴胡樣品經(jīng)粉碎過200目篩,置60 ℃干燥4 h,按相應比例稱定總量為0.2 g,在壓強為24 MPa下壓制成直徑13 mm,厚度為1.0 mm~1.4 mm的圓形薄片,每種柴胡樣品各制備10片,共80片。開啟CCT-1800太赫茲時域光譜儀,打開測試工作站,儀器預熱20 min,通入氮氣除去樣品倉的水汽后獲取氮氣參考譜線。把制備的樣品放置樣品架上進行掃描測定,每個樣品片測定1次,平均次數(shù)100。
因為0.3 THz~2.0 THz沒有受到噪聲的影響,所以選擇該有效頻譜,可以反映出不同比例下藏柴胡及北柴胡的總體差異。結(jié)合算法對介電常數(shù)(實部)譜圖、介電常數(shù)(虛部)譜圖、頻域譜圖、時域譜圖、吸收譜圖、吸收系數(shù)譜圖、相位譜圖以及折射率譜圖分別進行統(tǒng)計及分析,得到精度平均值為0.9921。結(jié)果表明,該方法可以有效區(qū)分按不同比例混合的藏柴胡和北柴胡,是一種對柴胡進行摻假檢測的快速、高效并準確的方法。
目前,我國野生柴胡數(shù)量已嚴重不足,而人工種植面積增長緩慢,市場上的柴胡數(shù)量正逐漸下降。與此同時,柴胡作為新藥開發(fā)的熱門對象,市場價格也在不斷上漲,種植前景可觀。然而,受種植、采收加工到儲存等多方面因素的影響,柴胡的標準化建設滯后。
太赫茲時域光譜技術已成為檢測中藥的新方法,太赫茲頻段作用機制是有機分子間氫鍵作用、生物大分子骨架振動以及分子晶體低頻振動等。利用太赫茲時域光譜技術結(jié)合主成分分析方法,可對北柴胡、南柴胡、錐葉柴胡和藏柴胡進行有效、快速的鑒別分類。選取THz吸收系數(shù)譜數(shù)據(jù),通過主成分得分圖即可看出分類效果。其中,北柴胡和藏柴胡分類準確率均為100%,北柴胡與錐葉柴胡分類準確率分別為100%和93.3%。利用KNeighbors Classifier算法區(qū)分不同比例的藏柴胡和北柴胡,得到精度平均值為0.9921。結(jié)果表明,該方法可以有效區(qū)分按不同比例混合的藏柴胡和北柴胡,是一種對柴胡進行摻假檢測的快速、高效并準確的方法。