太赫茲光譜技術(shù)在中藥大黃炮制品檢測(cè)中的應(yīng)用研究

楊 帥、左 劍*、劉尚建、張存林

1. 太赫茲光電子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、首都師范大學(xué)物理系、北京 100048 2. 北京中醫(yī)藥大學(xué)東直門醫(yī)院、北京 100700

太赫茲光譜技術(shù)在中藥大黃炮制品檢測(cè)中的應(yīng)用研究

楊 帥1、左 劍1*、劉尚建2*、張存林1

1. 太赫茲光電子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、首都師范大學(xué)物理系、北京 100048 2. 北京中醫(yī)藥大學(xué)東直門醫(yī)院、北京 100700

針對(duì)中藥炮制前后成分變化會(huì)影響中藥用藥療效的問題、采用四種大黃炮制品為研究對(duì)象、利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)和化學(xué)計(jì)量學(xué)處理方法獲得了中藥大黃光譜數(shù)據(jù)、按照中藥大黃炮制品的種類對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了區(qū)分。同時(shí)、薄層色譜法研究顯示大黃在不同炮制方法處理后、其炮制品中基礎(chǔ)物質(zhì)蒽醌和鞣質(zhì)類化合物含量發(fā)生變化、而該實(shí)驗(yàn)獲得的這四種大黃炮制品太赫茲光譜數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性與上述變化規(guī)律相吻合。這就說明太赫茲光譜技術(shù)對(duì)中藥炮制品的物質(zhì)成分是敏感的、此方法可以為中藥炮制過程中物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的研究提供重要參考。

太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)； 中藥檢測(cè)； 光譜識(shí)別； 主成分分析

引 言

傳統(tǒng)的中草藥已經(jīng)在中國歷史上發(fā)展了數(shù)千年、隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、中醫(yī)藥現(xiàn)代化已經(jīng)成為現(xiàn)代中醫(yī)發(fā)展的必經(jīng)之路、其制藥過程有別于西藥中有效成分以一種或幾種分子合成為主的制藥過程、可提取的中藥材有效成分多以某幾類化合物的形式存在、因此、提高中藥有效成分的鑒別準(zhǔn)確度成為了掌控中藥制作質(zhì)量的前提條件。

中醫(yī)用藥常見的生大黃、酒大黃、熟大黃和大黃炭都是由中藥大黃通過不同的中藥炮制方式獲得的。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)、蒽醌類和鞣質(zhì)類化合物是藥物在起作用過程的關(guān)鍵成分、它們會(huì)與葡萄糖結(jié)合后、其中大部分會(huì)變成苷元、這些苷元因羥基位置不同而具有不同的藥物性質(zhì)[1]。中藥經(jīng)過炮制、大黃的基礎(chǔ)成分苷元都會(huì)有較大區(qū)別的、但是四種中藥炮制品從形、色、味是難以準(zhǔn)確鑒別[2]。而在用藥時(shí)、四種大黃炮制品各自會(huì)表現(xiàn)截然不同的藥性、生大黃瀉下攻積、常用于涼血解毒、清熱瀉火； 酒大黃功效善于清熱毒、臨床上常用作治療眼、鼻、喉腫痛； 而熟大黃的瀉火偏弱、功效善于瀉火解毒、常用于治療急火、潰瘍； 而大黃炭則善于止血、化瘀、臨床用于治療由于血瘀引起的出血癥。這些同種物質(zhì)的不同炮制品中苷元特征的鑒別、將為中藥技術(shù)發(fā)展帶來了更多的契機(jī)。目前、中藥大黃光譜法的研究主要有紅外光譜法[3]和拉曼光譜法[4]。然而、一方面、紅外光譜主要測(cè)量的是藥材分子內(nèi)部的振動(dòng)信息、不能測(cè)出藥材有效成分之間表現(xiàn)的分子間相互作用信息； 另一方面、中藥材的熒光很強(qiáng)、會(huì)影響中藥材分子的拉曼散射峰的測(cè)量。與以上方法相比較、太赫茲光譜法既能夠避開熒光的影響、又能檢測(cè)到中藥有效成分之間表現(xiàn)的分子間作用力。

太赫茲波(THz波、1 THz=1012Hz)的頻率范圍是從100 GHz到3 THz。生物大分子中其的振、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)對(duì)應(yīng)的能量差與太赫茲的能量相符合、能夠從光譜上反映出樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異[5]。因此、太赫茲時(shí)域光譜(Terahertz time-domain spectroscopy、THz-TDS)分析技術(shù)在食品[6]、藥品安全[7]生產(chǎn)、檢測(cè)過程中已得到廣泛的研究與應(yīng)用。近些年、尤其是在醫(yī)藥領(lǐng)域、周永軍等采用太赫茲波譜技術(shù)鑒別三種摻雜的中藥黃芪[8]。趙峰等采用太赫茲波獲取杜仲、黃蓮、連翹、天麻、五倍子五種中藥的光譜特性[9]。汪景榮等使用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)結(jié)合偏最小二乘法實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同產(chǎn)地的真?zhèn)未簏S鑒別[10]。上述文中的研究對(duì)象是單一中藥或不同種中藥、均沒有對(duì)單一中藥的炮制品有所研究、然而中藥經(jīng)過炮制后再用藥是臨床中相當(dāng)常用的一種用藥方式、可見對(duì)其研究是具有重要價(jià)值的。其次、上述文獻(xiàn)中只是獲取了中藥材的太赫茲吸收譜變化但并沒有得到可識(shí)別的特征峰、因此、光譜解析方法上也無法與樣本內(nèi)部基礎(chǔ)物質(zhì)的成分含量變化情況相聯(lián)系[11-12]。

本文中使用太赫茲光譜技術(shù)結(jié)合主成分分析法進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析、以四種不同的大黃炮制品為實(shí)驗(yàn)樣品、探索太赫茲光譜數(shù)據(jù)與四種大黃炮制品的聯(lián)系、并把這種光譜數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和中藥大黃在炮制過程中基礎(chǔ)物質(zhì)鞣質(zhì)和蒽醌類化合物炮制前后的變化規(guī)律做了印證分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)

本研究中使用的是在實(shí)驗(yàn)室自主搭建的透射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)(如圖1所示)。有效頻譜寬度為0.2～2.8 THz、控制溫度在25 ℃左右、濕度為3%以下、利用該系統(tǒng)對(duì)四種不同炮制方法的大黃進(jìn)行壓片測(cè)量。在系統(tǒng)測(cè)試過程中、整個(gè)太赫茲系統(tǒng)光路充滿氮?dú)鈦斫档涂諝庵械乃謱?duì)光路系統(tǒng)中太赫茲吸收的影響。

圖1 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)

1.2 材料

實(shí)驗(yàn)中、我們使用的是北京中醫(yī)藥大學(xué)東直門醫(yī)院提供的純度為99.8%的中藥配方顆粒：生大黃、熟大黃、酒大黃和大黃炭。將大黃顆粒均勻研磨10 min后、使用壓片工具把大黃粉末壓片成型、按照壓制時(shí)間為5 min、控制力度為5 t的壓制標(biāo)準(zhǔn)。壓制成的圓形薄片樣品表面平整、厚度均勻、每種大黃的使用量在50 mg左右。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

本研究采用透射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行采集(如圖1)、每個(gè)樣品平行測(cè)量多次、再將太赫茲波譜系統(tǒng)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、并結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)中的主成分分析法(principal components analysis,PCA)建模分析。

實(shí)驗(yàn)中、先測(cè)量氮?dú)猸h(huán)境中的太赫茲時(shí)域波譜為參考信號(hào)、再測(cè)量透過樣品之后的太赫茲時(shí)域波譜為樣品信號(hào)、經(jīng)過傅里葉變換之后得到對(duì)應(yīng)的頻域譜、進(jìn)而結(jié)合菲涅爾原理得出被測(cè)樣品折射率n(ω)、吸收系數(shù)α(ω)等光學(xué)參數(shù)。

在上式中、n(ω)為折射率實(shí)數(shù)部分、主要與樣品的色散特性有關(guān)；κ(ω)為消光系數(shù)、n(ω)=2ωκ(ω)/c、主要與樣品的吸收特性有關(guān)；A(ω)為樣品信號(hào)和和參考信號(hào)的振幅的比值；φ(ω)為兩者太赫茲波譜信號(hào)的相位差、d其數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)得出、為被測(cè)樣品的厚度。

再通過主成分分析法(PCA)進(jìn)行坐標(biāo)變換、將原始數(shù)據(jù)的多維空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到一個(gè)新的更少維度的坐標(biāo)系中、新坐標(biāo)系中每個(gè)軸即是數(shù)據(jù)信息的一個(gè)主成分。主成分中包含的信息隨著對(duì)應(yīng)方差的減小而減少。實(shí)驗(yàn)中、我們將采集的信息看作p維隨機(jī)向量、設(shè)其為X=(X1，X2，…，Xp)′、通過數(shù)學(xué)線性代數(shù)變換

…

變換之后、原來數(shù)據(jù)中的p個(gè)變量X1，X2，…，Xp、即可以由新坐標(biāo)系中的變量PC1代替、它也包含了原始數(shù)據(jù)中最多的變量信息。選擇一個(gè)或多個(gè)主成分需滿足統(tǒng)計(jì)要求、并保證選擇更少的主成分個(gè)數(shù)、通常選用m(m

式中：λ為所選主成分對(duì)應(yīng)的特征值；k為選定的主成分個(gè)數(shù)；i為全部主成分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與討論

采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合上述折射率和吸收系數(shù)的計(jì)算方法得到四種大黃炮制品的折射率和吸收系數(shù)、繪出折射率曲線(圖2)和吸收系數(shù)曲線(圖3)。

圖2 四種不同炮制方法的大黃折射率譜圖

如圖2所示、整體上看、四種大黃炮制品的折射率都有隨頻率增高而降低的變化趨勢(shì)、大黃炭的折射率2.15左右、其他三種的大黃的折射率都在1.85左右、可見大黃炭能夠明顯的區(qū)別于其他三者、但是生大黃、酒大黃、熟大黃這種樣品在從折射率的數(shù)值和變化趨勢(shì)上看就難以達(dá)到辨別的目的。從基礎(chǔ)物質(zhì)變化上分析、大黃含有多種有效物質(zhì)、其中大黃炭中鞣質(zhì)和蒽醌的物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)變化是最大的[2]、其折射率因炮制后鞣質(zhì)和蒽醌的減少而明顯變大、這點(diǎn)在大黃炮制品的折射率上有很好的體現(xiàn)。

圖3 四種不同炮制方法的大黃吸收系數(shù)譜圖

從吸收譜圖(圖3)中我們可以看出、在0.2～0.7 THz區(qū)域、四種大黃的譜線起伏較大且相互交錯(cuò)、在低頻區(qū)域四種物質(zhì)的吸收譜有差別但都比較小、同時(shí)考慮到此區(qū)域法布里-玻羅效應(yīng)的影響、因此、對(duì)于鑒別意義不大。然而、在0.7～2.2 THz區(qū)域、樣品的吸收系數(shù)會(huì)隨著入射的太赫茲波頻率的增加吸收系數(shù)呈線性增強(qiáng)、這種變化規(guī)律相似的譜線可以說明這四種大黃應(yīng)該含有相似的基礎(chǔ)物質(zhì)成分、它們都是以大黃原材料炮制的中藥成品。在高頻區(qū)域、四種物質(zhì)對(duì)太赫茲波顯然更加敏感、區(qū)分度得到更一步的提高、比如在2 THz處的吸收系數(shù)要比1 THz的差別更加明顯、從吸收譜圖中就已經(jīng)能夠表現(xiàn)出四種大黃炮制品的差異性。相比于折射率能夠明顯區(qū)分出大黃炭、高頻波段的吸收系數(shù)可以加強(qiáng)四種大黃炮制品區(qū)分度。這就說明了吸收譜的變化規(guī)律一定和樣品本身的基礎(chǔ)成分含量有關(guān)聯(lián)、雖然太赫茲光譜已經(jīng)將這種差異性表現(xiàn)出來、但是這種差別與藥物的基礎(chǔ)成分特性聯(lián)系還要做進(jìn)一步的分析。

因此、我們這里再結(jié)合主成分分析法(PCA)對(duì)樣品的吸收譜圖進(jìn)行解析。通常太赫茲波光譜信號(hào)含有隨機(jī)噪聲、基線漂移、樣品密度不均勻、光散射等干擾、為了消除這些干擾、在輸入主成分分析算法之前、要對(duì)太赫茲波譜數(shù)據(jù)實(shí)施合理、恰當(dāng)?shù)念A(yù)處理方法、經(jīng)過多元散射矯正(multiplicative signal correction,MSC)、特殊點(diǎn)基線法(baseline)和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量(standard normal variate,SNV)處理后、再將其輸入主成分分析的算法中、按照統(tǒng)計(jì)學(xué)理論把所有的數(shù)據(jù)重新量化、根據(jù)數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)率建立新的坐標(biāo)系并繪出圖像(如圖4和圖5)、前兩個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率超過75%、不同種大黃聚集在一起、前三個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率超過85%、同樣有這樣的聚集效果、并且能夠看到、并呈現(xiàn)在譜圖中、這種處理方法在一定程度上提高光譜的分辨率、而且增強(qiáng)了識(shí)別的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

圖4 四種不同炮制方法的大黃PCA圖

圖5 四種不同炮制方法的大黃PCA圖(3D圖)

從PCA譜圖中、已經(jīng)能夠得到較好的聚類結(jié)果、這種明顯的聚類結(jié)果必然是由物質(zhì)內(nèi)部基礎(chǔ)成分含量和分子間相互作用關(guān)系所決定的。大黃在炮制前后蒽醌和鞣質(zhì)含量發(fā)生了明顯的變化、且變化程度同炮制條件的強(qiáng)烈程度相關(guān)、胡永淑等使用了相對(duì)成熟的檢測(cè)技術(shù)薄層色譜法(thin layer chromatography,TLC)測(cè)得大黃炮制品中蒽醌和鞣質(zhì)化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可見表1[2]。

樣品成分鞣質(zhì)結(jié)合蒽醌游離蒽醌總蒽醌生大黃2.61±0.2140.02±4.454.08±1.0244.10±3.04酒大黃2.54±0.3436.21±5.244.45±3.1241.66±4.12熟大黃0.39±0.0517.02±1.366.87±1.5423.89±1.18大黃炭0.01±0.012.11±1.182.58±0.544.69±1.89

在表1中、通過對(duì)比質(zhì)量分?jǐn)?shù)的具體數(shù)值、得出在不同方法炮制前后大黃炮制品內(nèi)部基礎(chǔ)成分的變化規(guī)律、與生大黃相比、大黃炭中鞣質(zhì)和蒽醌的變化量最大、其次是熟大黃、酒大黃的變化量是最小的?？梢?、大黃炮制過程中所使用的方法越劇烈、其蒽醌和鞣質(zhì)類化合物含量的變化就越大。

從PCA圖(圖4)中、四種大黃炮制品光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過解析之后出現(xiàn)了巨大的差異性、圖中三角符號(hào)代表的是生大黃和酒大黃、很顯然二者距離很近、對(duì)比TLC測(cè)得炮制前后基礎(chǔ)物質(zhì)分析結(jié)果、可見二者在總蒽醌類化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別也是很小的、只有不足3‰的差距、鞣質(zhì)類化合物基本不變。而在熟大黃和大黃炭中、與生大黃相比蒽醌類化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生明顯的變化、鞣質(zhì)成分幾乎消失、其在熟大黃中的相對(duì)變化率有50%、在大黃炭中的變化更大、有90%左右。這些變化程度在PCA譜圖中也有相應(yīng)的呈現(xiàn)、即熟大黃和大黃炭集中位置距離生大黃和酒大黃都是比較遠(yuǎn)的。對(duì)主成分分析后的數(shù)據(jù)再使用歐氏距離分析、距離越小、差異越小、即歸為一類[13]、通過繪圖表現(xiàn)四種大黃的差異性(如圖6和表2)、以生大黃中鞣質(zhì)和總蒽醌的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，與其相同為0、與其不同程度最大為1。這種基于大黃樣本本身物質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異性得到量化、從圖6中、能夠看到太赫茲波譜技術(shù)測(cè)得的生大黃、酒大黃和大黃炭的鑒別結(jié)果得到了薄層色譜法(TLC)的印證、并且從表2中可以看到它的誤差率僅在5%以內(nèi)、基本可以達(dá)到測(cè)量和鑒別的要求。這在一定程度上說明太赫茲光譜能夠反映出中藥炮制品中基礎(chǔ)物質(zhì)成分之間的相互作用信息、不僅對(duì)炮制品中按類區(qū)分的基礎(chǔ)成分敏感、而且還能把基礎(chǔ)成分含量不同的炮制品區(qū)分出來。相對(duì)于薄層色譜這類化學(xué)方法的過程中都需要添加有毒試劑、不能達(dá)到絕對(duì)無損的特點(diǎn)、太赫茲光譜技術(shù)無損、環(huán)保的特點(diǎn)就更有發(fā)展前景。

圖6 四種不同炮制方法的中藥大黃的差異性

表2 不同種炮制大黃的差異性數(shù)值

3 結(jié) 論

中藥的炮制過程改變了藥物內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、分子間的作用也會(huì)發(fā)生改變、其臨床藥效也有根本上差異、這種中藥物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的變化信息可以利用太赫茲得到檢測(cè)與鑒別。本文中以大黃炮制品為例、根據(jù)主成分分析譜圖中不同樣品的特征信息、量化了中藥炮制品的差異性、還確定了這種光譜的變化是由大黃炮制品中蒽醌及鞣質(zhì)這兩類基礎(chǔ)物質(zhì)成分變化所決定的、并且得到了薄層色譜法結(jié)果的印證。因此、太赫茲光譜為基于物質(zhì)基礎(chǔ)成分含量變化規(guī)律的中藥炮制品的鑒定提供了一種新的方法、為中醫(yī)藥現(xiàn)代化提供一種可靠的技術(shù)。

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*Corresponding authors

Application of Terahertz Spectroscopy in the Detection of Chinese Medicine Processed Drugs of Rhubarb

YANG Shuai1,ZUO Jian1*,LIU Shang-jian2*,ZHANG Cun-lin1

1. Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics,Ministry of Education,Department of Physics,Capital Normal University,Beijing 100048,China 2. Beijing University of Chinese Medicine Dongzhimen Hospital,Beijing 100700,China

The changes of composition of the processed traditional Chinese medicine will affect the curative effect of drug,such as the four kinds of processed rhubarb. The characteristics data of each rhubarb was measured with terahertz spectroscopy system and analyzed with chemometrics,and the spectral data was classified according to the category of rhubarb. The substance components of anthraquinone and tannins make changes in processed rhubarb by thin layer chromatography (TLC). The correlation among the terahertz spectroscopy of processed rhubarb was in accordance with the variations of content. This means that terahertz spectroscopy is sensitive to the substance components of processed Chinese traditional medicine. It can also pave the way for the study of the structural changes of traditional Chinese medicine.

Terahertz-time domain spectroscopy; Chinese medicine detection; Spectrum identification; Principal component analysis and spectral analysis

Jul. 15,2016; accepted Oct. 6,2016)

2016-07-15、

2016-10-06

國家科技部“國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)”基金項(xiàng)目(DH-2012YQ14005-09-01)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11204190)、北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上項(xiàng)目(KM201610028005)資助

楊 帥、1989年生、首都師范大學(xué)物理系碩士研究生 e-mail: 2140602022@cnu.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: zuoj@cnu.edu.cn； dzmyylsj@126.com

O433.4

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-3870-05