相同品質(zhì)中藥的系統(tǒng)理論判別方法

鄒華彬

(山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，濟(jì)南，250100)

從整個中藥體系言之，中藥的品質(zhì)既決定品種特性，也決定質(zhì)量優(yōu)劣。中藥的品質(zhì)是決定中醫(yī)臨床治療成敗的關(guān)鍵基礎(chǔ)。目前關(guān)于中藥品質(zhì)多是從藥材品種及其外觀性狀等方面進(jìn)行研究［1-3］，或是依據(jù)某些主觀決定指標(biāo)，如一種或幾種成分含量作為中藥的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［4-7］。由于中藥在治療不同疾病時的藥效不同，因此目前的方法缺乏理論依據(jù)，無法嚴(yán)謹(jǐn)有效地實(shí)施中藥品質(zhì)的評價。

生物的品質(zhì)，包括中藥的品質(zhì)，作者認(rèn)為應(yīng)科學(xué)分成2個層次，其一，個體品質(zhì)概念，即某個樣本與某類樣本具有相同的品質(zhì)，這可稱為個體鑒別，這是原始經(jīng)典的鑒別模式。其二，群體樣本品質(zhì)鑒別的概念，即哪些樣本具有相同的品質(zhì)。由于生物變異的隨機(jī)波動性、多向性、非對稱性，與某個中藥相同品質(zhì)的中藥，與另一個同類中藥樣品品質(zhì)可能具有顯著的差異。而一般意義上中藥的品質(zhì)應(yīng)是一個整體或群體概念，是以多批次、多廠家生產(chǎn)的同類具有長期穩(wěn)定療效的中藥，或是以不同年份、多產(chǎn)地生產(chǎn)的同類具有長期穩(wěn)定療效的中藥材為準(zhǔn)則。因此，中藥同品質(zhì)研究，必須基于個體品質(zhì)層次進(jìn)行群體樣本品質(zhì)層次的嚴(yán)格客觀判別。如同現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)，中醫(yī)藥學(xué)科要變成一門中醫(yī)藥科學(xué)，必須建立系統(tǒng)完善的數(shù)理描述理論。一個好的數(shù)理理論的標(biāo)志是，它能夠精確預(yù)測體系的性質(zhì)。

筆者長期致力于生物學(xué)數(shù)理理論研究，并從博士研究期間將其應(yīng)用于中藥鑒別及質(zhì)量評價理論方法學(xué)研究，從純數(shù)理理論的角度，獨(dú)立提出并建立了系列理論模型，多維指紋圖譜共有峰率和變異峰率雙指標(biāo)序列分析法［8］，指紋圖譜不變量分析法［9］，雙指標(biāo)等級序列個性化模式識別法［10-11］，既可利用指紋圖譜峰位定性信息又可利用峰強(qiáng)度、峰面積連續(xù)變量信息精確分類鑒別生物復(fù)雜體系。作者進(jìn)一步建立了描述生物體系共有信息及變異信息的理論方法:雙指標(biāo)信息理論方程［12］，綜合反映一個生物體系共有遺傳與變異規(guī)律。上述系列分析方法，皆不需任何經(jīng)驗(yàn)參量，只依據(jù)實(shí)驗(yàn)測量量及生物數(shù)據(jù)本身的規(guī)律特性，達(dá)到對生物系統(tǒng)的精確聚分類。由于生物的品質(zhì)取決于其內(nèi)在共有遺傳與變異因素，因此雙指標(biāo)信息理論方程亦可作為生物體系品質(zhì)的一個定量描述方程。對此方程進(jìn)行理論分析，可以做出這樣的理論預(yù)測:當(dāng)任意2個生物體系的相似度Pg≥61%，2個生物體系具有相同的品質(zhì)，以此為標(biāo)準(zhǔn)建立個體樣品特征序列。在此基礎(chǔ)上，本文建立了中藥群體樣本同品質(zhì)的優(yōu)化判別標(biāo)準(zhǔn):樣本群體最大有效樣本數(shù)法。根據(jù)上述系統(tǒng)理論方法，確定優(yōu)化的群體樣品特征序列，實(shí)現(xiàn)相同品質(zhì)中藥群體的系統(tǒng)理論判別。另一方面，引入與目標(biāo)樣本群體組成非常近似的中藥樣本一起進(jìn)行分析，可以構(gòu)建嚴(yán)格的邊界條件，使相同品質(zhì)中藥群體的判別更嚴(yán)謹(jǐn)。該理論方法基于生物體系內(nèi)稟本質(zhì)特征信息而不是人為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)判別相同品質(zhì)的中藥，一般情況下，也是具有相同藥效的中藥，這也為中藥藥效的理論判別提供了一種理論工具。利用該系統(tǒng)理論方法對3種中藥復(fù)方的27個樣品的原藥粉末紅外指紋圖譜進(jìn)行分析，確定每個樣品的特征序列，并進(jìn)行品質(zhì)模式識別。結(jié)果表明，3種復(fù)方的準(zhǔn)確判別率為100%。另外，同一品種中藥品質(zhì)可存在重要差異，這就要求在中藥臨床應(yīng)用及中藥藥理研究中，必須對中藥的品質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格的判別，相同品質(zhì)中藥的判別理論方法研究具有重要的理論意義及應(yīng)用價值。

1 生物體系品質(zhì)的理論標(biāo)準(zhǔn)

1.1 個體樣本同品質(zhì)理論標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)生物體系的雙指標(biāo)信息理論方程-生物遺傳與變異信息理論方程［5］。任意2個樣品或任意樣品2個不同演化階段的遺傳與變異信息量為，

對于雙指標(biāo)信息量方程(1)，存在著極大值信息量。獲得最大信息量時，考慮2種情況:1)樣品A，B對稱變異，Pa=Pb，共有峰率為 Pg=61.0%。2)樣品 A，B 極端非對稱變異，Pa≠0，Pb=0，共有峰率為69.5%。2個樣品的共有峰率越高，相似性越大，品質(zhì)越相似。因此，根據(jù)上述雙指標(biāo)信息理論方程的極值分析，當(dāng)2個樣品的共有峰率在 Pg=61.00% ～100%之間，二者性質(zhì)具有較高的相似性，他們的品質(zhì)沒有發(fā)生顯著變化。定義Pg≥61%為任意2個生物體系具有相同品質(zhì)的定量理論判據(jù)，即個體生物樣本相同品質(zhì)理論標(biāo)準(zhǔn)，作為個體中藥樣本的品質(zhì)鑒別標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 群體樣本相同同品質(zhì)的理論判別方法 由于生物系統(tǒng)的隨機(jī)變化波動性、明顯的非對稱性，使得任意2個同品種樣本A、B的同品質(zhì)樣品集，可以有顯著的差異，理論上講，二者既可以完全重疊，也可以完全不相交，這體現(xiàn)了個體同品質(zhì)樣品的變化性。而中藥的品質(zhì)，本質(zhì)上是一個整體、群體概念，是以多批次、多廠家生產(chǎn)的同類具有長期穩(wěn)定相同療效的中藥(復(fù)方、中藥材)為準(zhǔn)則。因此，必須對同類中藥群體樣本進(jìn)行整體的同品質(zhì)判別。本研究新建立了群體特征序列最大有效樣本數(shù)法，可以實(shí)現(xiàn)中藥群體樣本的整體同品質(zhì)判別。

Y:群體特征序列最大有效樣本數(shù);Nci:第i個樣本的核心特征序列中的樣本數(shù);Nri:第i個樣本的關(guān)聯(lián)序列中的樣本數(shù);M:群體樣本總數(shù)。在理想的狀態(tài)下，Ymax=，N2j:第j類樣品中的樣品數(shù)。如有2類樣品class A，含有5個樣品，class B，含有10個樣品，二者皆無關(guān)聯(lián)序列。在理想情況下，class A的每個樣品皆由class A的5個樣品組成，沒有關(guān)聯(lián)序列樣品，故class A的群體特征樣本序列共有5×5-0=25個樣品數(shù)，同理，class B中的10個樣品的群體特征序列無關(guān)聯(lián)序列，共有10×10-0=100個樣品。2類樣品的Ymax==25+100=125。若2類樣品特征序列有交疊，則Y≦Ymax。0＜Y≦Ymax。Y反映了群體分類中有效分類程度，Y越大，越接近Ymax，說明品質(zhì)聚分類越清晰，關(guān)聯(lián)序列中的樣本數(shù)越少，核心特征序列中的樣本數(shù)越多，越接近理想聚分類，該理論方法的具體應(yīng)用見本研究的具體數(shù)據(jù)分析。

通過對生物遺傳與變異信息理論方程分析可知，當(dāng)x≦Pg≦100%，x=58% ～64%的范圍內(nèi)，信息量值I處在最大值范圍，變化不顯著。因此可以在此范圍內(nèi)變化Pg，以獲得最大Y，實(shí)現(xiàn)不同品質(zhì)的中藥樣本群體的最佳聚分類。

2 資料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)資料 美國NICOLET-5700-FT-IR傅立葉變換紅外光譜儀(光譜范圍4 000～400 cm-1，分辨率0.09 cm-1);高速粉碎機(jī)，壓片機(jī)，分析天平。

溴化鉀(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。明目地黃丸、知柏地黃丸及麥味地黃丸(皆為水丸或濃縮丸)樣品如下。

明目地黃丸:S1～S15。

黃山天目藥業(yè)有限公司:S1～S3(批號:060526)，S4，S5(061127)，河南宛西制藥股份有限公司:S6～S7(060507)，S8～S10(051002)，S11，S12(060403)，S13 ～S15(060403)。

教師在實(shí)際教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對學(xué)生觀察能力的培養(yǎng)，使學(xué)生帶著目的性對數(shù)學(xué)理論知識和題目進(jìn)行分析，對于觀察過程中存在的問題，教師在分析過后要讓學(xué)生進(jìn)行自我總結(jié)，發(fā)現(xiàn)自身不足，及時優(yōu)化整改。針對數(shù)學(xué)邏輯性較強(qiáng)的特征，筆者在教學(xué)過程中利用多媒體技術(shù)和相關(guān)教具向?qū)W生進(jìn)行具象展示，使學(xué)生能夠形象生動的對幾何圖形等知識進(jìn)行充分理解，有效優(yōu)化抽象知識，學(xué)生在對幾何圖形進(jìn)行直觀感受后，能夠充分發(fā)揮自身的想象力，教師也能夠利用學(xué)生的思維特點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)模式的改變，有效進(jìn)行知識拓展。教師還要轉(zhuǎn)變教學(xué)評價方法，對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和日常表現(xiàn)進(jìn)行綜合客觀評價，讓學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)自身的不足，使學(xué)生各項(xiàng)能力得到有效提升。

麥味地黃丸:S16，S17。

河南宛西制藥股份有限公司:S16，S17(060103)。

知柏地黃丸:S18～S27。

湖北端藥藥業(yè)有限公司:S18(050801)，S19，S20(051101)，安徽華佗國藥廠:S21(20060101)，北京同仁堂科技有限公司:S22，S23(6030426)，河南宛西制藥股份有限公司:S24(060304)，S25～S27，湖北清大藥業(yè):S25(051002)，S26，S27(060501)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法 中藥樣品粉碎，過80目篩，60℃烘干2 h。將制備粉末低溫冷凍保存。KBr壓片法測試其指紋圖譜。每個樣品平行測量指紋圖譜6次，即每個樣品的紅外指紋圖譜峰波數(shù)是6次測量的平均值。紅外指紋圖譜以約25 cm-1平滑處理，靈敏度分別是 60、70、80。

3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

樣品S2平行測量6次，任意4次測量指紋圖譜中每個吸收峰波數(shù)的平均值構(gòu)成組合指紋圖譜。他們之間的最低共有峰率為93%，說明具有優(yōu)良的重復(fù)性。原藥粉末在0～4℃下保存，具有良好的穩(wěn)定性。

4 指紋圖譜測定與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 指紋圖譜測定 根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，測試三類27個中藥復(fù)方明目地黃丸、麥味地黃丸及知柏地黃丸原藥粉末的紅外指紋圖譜，見圖1。

圖1 明目地黃丸、知柏地黃丸和麥味地黃丸原藥粉末紅外指紋圖譜疊加圖

由圖1可見，三類地黃丸原藥粉末的紅外指紋圖譜非常相似，極難憑觀察直觀鑒別他們。說明他們品質(zhì)的相似性。必須用數(shù)理分析方法對其指紋圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以得到嚴(yán)謹(jǐn)精確的品質(zhì)鑒別結(jié)果。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 采用文獻(xiàn)［13］的方法，確定每個樣品的組合指紋圖譜峰及27個樣品的共有峰及變異峰。以任一樣品為標(biāo)準(zhǔn)，計算其他樣品與該樣品的共有峰率，再根據(jù)生物體系品質(zhì)的理論標(biāo)準(zhǔn)，確定與該樣品共有峰率Pg≥61.00%的樣品，組成該樣品的初級特征序列，用此方法可得所有其他樣品的初級特征序列。初級特征序列，作為個體樣本鑒別的標(biāo)準(zhǔn)，即該樣品具有與特征序列樣品相同的品質(zhì)。

根據(jù)群體特征序列最大有效樣本數(shù)法，在x≤Pg≤100%，x=58% ～64%優(yōu)化Pg，得到群體整體的優(yōu)化特征序列。不同靈敏度下的優(yōu)化結(jié)果見表1。

表1 不同靈敏度及P g下的最大有效樣品數(shù)Y max

通過對實(shí)驗(yàn)測量的指紋圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，可以發(fā)現(xiàn)評判這3類中藥相同品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)可以確定為Pg≥x，x=59% ～61%。

在上述相似尺度下，明目地黃丸、知柏地黃丸、麥味地黃丸3類中藥皆可得到準(zhǔn)確分類，正確識別率100%，但比較上述相似尺度的有效樣品數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，3種靈敏度下，Pg≥x，x=59%的范圍內(nèi)，總有效樣品數(shù)基本穩(wěn)定，最大變化198-190=8，而Pg≥x，x=58%時，即Pg≥61-3=58%，有效樣品數(shù)發(fā)生顯著變化201-186=15，結(jié)果不穩(wěn)定。由此可以得到一個合理的尺度Pg≥x，x=59% ～63%，同時可以看出不同靈敏度及Pg尺度情況下，有效樣品數(shù)也不相同。但Pg≥x，x=59% ～63%適用于廣泛的信息量狀態(tài)，可以作為一個判別同品質(zhì)中藥的通用標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，信息量適當(dāng)高，如指紋圖譜具有較多的指紋峰是保證最佳判別的基礎(chǔ)。每個樣品的特征序列由與其品質(zhì)相同的樣品組成?！?0、70、80”3個靈敏度下皆可對3種中藥精確分類，由上述結(jié)果可知，80靈敏度下中藥群體的品質(zhì)聚分類結(jié)果最優(yōu)。

3種藥品的27個樣品的特征序列:

明目地黃丸:

a.S1:(S1)S2 S3 S4 S5 S26:表示樣品S1的特征序列;b.表示S1是自身的最相似樣品;每個樣品皆屬于自身的最相似樣品，在數(shù)學(xué)上構(gòu)成一個完備的表示;c.(S1)S2 S3 S4 S5，表示是S1的核心特征序列;d.S26表示S26是S1的關(guān)聯(lián)序列。其他樣品的序列表示意義相同。

根據(jù)27個樣品的特征序列，可以清晰看出，除S1，S2，S4，S26，S27五個樣品的特征序列中含有1～3個其他類樣品，即關(guān)聯(lián)序列外，其他22個樣品不含有關(guān)聯(lián)序列。明目地黃丸的特征序列由S1～S15組成;麥味地黃丸的特征序列由S16，S17組成;知柏地黃丸的特征序列S18～S27組成。由每種樣品的特征序列中的樣品構(gòu)成近完全相互獨(dú)立的樣品集合，顯示3種地黃丸的品質(zhì)具有顯著的差異。根據(jù)每類樣品與特征序列最相近的樣品，可知S1～S5的這部分樣品主要是明目地黃丸S6～S15，由此可以證明S1～S5與S6～S15，性質(zhì)相近，同屬于明目地黃丸，同樣，S23，S24雙指標(biāo)序列中最接近特征序列的樣品皆是知柏地黃丸，證明S23，S24屬于知柏地黃丸。另一方面，S1～S5與S6～S15的特征序列有顯著不同，說明黃山天目藥業(yè)有限公司與河南宛西制藥股份有限公司生產(chǎn)的明目地黃丸品質(zhì)差異顯著。北京同仁堂科技有限公司S22，S23與其他廠家的知柏地黃丸品質(zhì)有極顯著的差異。本研究建立的相同品質(zhì)中藥的系統(tǒng)理論判別方法，可以對不同品質(zhì)的中藥進(jìn)行精確判別。

5 結(jié)論

本研究提出了相同品質(zhì)中藥的系統(tǒng)理論判別概念，建立了一種基于生物體系近全信息的相同品質(zhì)生物群體的理論判別方法。該法不依賴于任何關(guān)于樣本的經(jīng)驗(yàn)知識或?qū)W習(xí)方法，完全基于生物體內(nèi)存在的內(nèi)稟特征信息，對中藥的品質(zhì)判別既具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)，又具有完全的客觀性及高的精確性。突破了傳統(tǒng)的完全基于經(jīng)驗(yàn)及學(xué)習(xí)或主觀的品質(zhì)判別方法，是中藥數(shù)理基礎(chǔ)理論發(fā)展的嶄新開端。同時，提出的個體樣本及群體樣本品質(zhì)鑒別2種概念，澄清了目前中藥鑒別及質(zhì)量評價研究領(lǐng)域概念模糊不清的問題及需要解決的問題，為深入理論及實(shí)驗(yàn)研究提供了一個堅實(shí)的基礎(chǔ)。該理論方法基于生物體系內(nèi)稟本質(zhì)特征信息而不是人為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)判別相同品質(zhì)的中藥，一般情況下，也是具有相同藥效的中藥，這也為中藥藥效的理論分析判別提供了一種可能的理論工具。采用相同品質(zhì)中藥群體的系統(tǒng)理論判別方法，對3類27個組成非常相近的中藥復(fù)方的實(shí)驗(yàn)研究表明，可以從品質(zhì)的角度精確鑒別不同品質(zhì)的中藥。這也證明中藥生物復(fù)雜體系的某些特性完全可以進(jìn)行精確的定量理論預(yù)測，達(dá)到物理學(xué)、化學(xué)科學(xué)的境界。

本文的研究提供了一種嚴(yán)格判別相同品質(zhì)中藥的理論方法，同時也為理論研究中藥藥效開拓了一種可行的新途徑。

致謝:本研究論文中的部分原始數(shù)據(jù)采自作者2006級碩士研究生張新玲的畢業(yè)論文。

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