低場(chǎng)核磁共振及成像技術(shù)分析白芍炮制過(guò)程中水分變化規(guī)律

段文娟+李月+崔莉+劉峰+楊國(guó)紅+郭蘭萍+王曉

[摘要] 該文采用低場(chǎng)核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）及成像（nuclear magnetic resonance imaging，MRI）技術(shù)對(duì)白芍炮制過(guò)程中的水分狀態(tài)和含量進(jìn)行研究，考察白芍藥材水煮、干燥過(guò)程中馳豫時(shí)間（transverse relaxation time，T₂）和MRI圖像的變化。結(jié)果顯示白芍鮮品中主要是自由水，煮制過(guò)程中，結(jié)合水的含量下降而自由水的含量增加，煮制過(guò)程結(jié)束時(shí)，白芍藥材中自由水的含量達(dá)到90%以上。干燥過(guò)程中，T₂向左移動(dòng)，水分流動(dòng)性降低。MRI圖像顯示白芍炮制過(guò)程中水分的增加和減少均是由外而內(nèi)的過(guò)程，干燥結(jié)束時(shí)，剩余水主要存在于白芍內(nèi)層。水分的變化對(duì)藥材炮制后的品質(zhì)和外觀均有影響，低場(chǎng)核磁及成像技術(shù)為白芍藥材炮制過(guò)程中水分的變化提供了直觀的參考依據(jù)，研究結(jié)果為根類藥材的炮制方法的優(yōu)化及飲片評(píng)價(jià)提供直觀的參考方法和技術(shù)支撐。

[關(guān)鍵詞] 白芍；炮制；低場(chǎng)核磁共振技術(shù)；馳豫時(shí)間

[Abstract] Moisture status and content during the processing of Paeoniae Radix Alba were studied by nuclear magnetic resonance （NMR） and nuclear magnetic resonance imaging （MRI） to investigate the changes of transverse relaxation time （T₂） and MRI images during boiling and drying processes of Paeoniae Radix Alba. The results showed that water in Paeoniae Radix Alba fresh products was major of free water，and in the boiling process，the content of free water increased whereas the content of bound water declined. At the end of boiling，content of free water reached over 90%. During the drying process，T₂ moved to the left，and moisture mobility was reduced. The MRI image directly showed that moisture transfer was outside-in process for both increase and decrease. At the end of drying，remaining moisture was mainly present in inner layer of Paeoniae Radix Alba. Quality and appearance were affected by the change of moisture during processing process of medicinal herbs. NMR and MRI could provide direct reference evidence for its moisture changes，and the results of this study could provide direct references and technical support for optimization of processing process of root medicinal materials and evaluation of Chinese herbal pieces.

[Key words] Paeoniae Radix Alba；processing process；nuclear magnetic resonance；transverse relaxation time

白芍是毛茛科植物芍藥Paeonia lactiflora Pall.的干燥根，苦、酸，微寒，歸肝、脾經(jīng)，具有養(yǎng)血調(diào)經(jīng)，斂陰止汗，柔肝止痛，平抑肝陽(yáng)的作用[1]。白芍的炮制工藝較為復(fù)雜，夏、秋二季采挖，洗凈，除去頭尾和細(xì)根，置沸水中煮后除去外皮或去皮后再煮，然后干燥。炮制品質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到藥材臨床治療的效果，因此，近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注中藥炮制的過(guò)程控制。目前，關(guān)于白芍炮制過(guò)程的研究主要依據(jù)白芍中的指標(biāo)性成分——芍藥苷的含量變化[2-5]，但是，對(duì)藥材炮制過(guò)程中水分的形態(tài)和含量變化未見(jiàn)報(bào)道，水分的變化對(duì)藥材炮制后的品質(zhì)和外觀均有影響。水分按照與組織中底物的結(jié)合程度分為2種類型：束縛水和自由水，束縛水是被細(xì)胞中生物大分子吸附不能自由移動(dòng)的水，自由水是存在于細(xì)胞外的間隙中能夠自由移動(dòng)的水[6-7]。

低場(chǎng)核磁低場(chǎng)核磁共振（low-fieldnuclearmagnetic resonance，LF-NMR）是利用氫原子核在磁場(chǎng)中的自旋弛豫特性，通過(guò)弛豫時(shí)間的變化從微觀的角度解釋樣品中水分的分布變化和遷移情況，具有快速、準(zhǔn)確、無(wú)損、無(wú)侵入等優(yōu)點(diǎn)[8-11]。近年來(lái)，此技術(shù)已廣泛應(yīng)用于觀測(cè)樣品干燥過(guò)程中水分的存在形式及變化[12-15]。本實(shí)驗(yàn)采用低場(chǎng)核磁成像技術(shù)（nuclear magnetic resonance imaging，MRI）和弛豫時(shí)間（transverse relaxation time，T₂）研究白芍炮制過(guò)程中的水分傳遞過(guò)程，監(jiān)測(cè)水分的含量及狀態(tài)變化，為深入研究白芍的炮制原理、優(yōu)化和完善白芍炮制過(guò)程的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法提供更加直觀的技術(shù)方法和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 藥材、試劑與儀器 白芍藥材采自山東省平陰市，經(jīng)山東省中醫(yī)藥大學(xué)李佳副教授鑒定為毛茛科植物芍藥P. lactiflora的干燥根；純水配制質(zhì)量濃度為0.2 g·L^-1的硫酸銅溶液；MesoMR23-60中尺寸核磁共振成像分析儀，上海紐邁電子科技有限公司生產(chǎn)，共振頻率23.309 MHz，磁體強(qiáng)度0.55 T，線圈直徑25 mm，磁體溫度32 ℃；BAS124S 1/1萬(wàn)天平，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；HF881-2型紅外干燥箱，吳江華飛電熱設(shè)備有限公司。

1.2 白芍的炮制 采收3—5年生的白芍根，挖出后洗凈，去除頭尾和細(xì)根，除去外皮后將樣品切成3 cm的短段，置沸水中煮10 min，然后置于紅外干燥箱中，分別選擇40，50，60 ℃進(jìn)行干燥試驗(yàn)[16]，白芍炮制過(guò)程中隔一定時(shí)間取樣進(jìn)行稱量、T₂測(cè)定、MNR成像，詳細(xì)情況見(jiàn)表1。

1.3 樣品橫向弛豫時(shí)間（T₂）的測(cè)定 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，樣品降至室溫后稱量，然后放入永久磁場(chǎng)中心位置的直徑為25 mm的玻璃管中，利用硬脈沖自由感應(yīng)衰減（free induction decay，F(xiàn)ID）序列獲得樣品中心頻率，再利用CPMG（carr-purcell-meiboom-gill sequence）脈沖序列測(cè)樣品橫向弛豫時(shí)間（T₂），連續(xù)測(cè)量3 次，取平均值[15]。采用多脈沖回波序列 CPMG掃描采集核磁信號(hào)，通過(guò)調(diào)整MSE 序列中的選層梯度、相位編碼梯度和頻率編碼梯度，分別獲取樣品俯視、側(cè)視成像數(shù)據(jù)，然后利用sirt算法，迭代次數(shù)為10萬(wàn)次進(jìn)行反演得到T₂譜圖。T₂試驗(yàn)主要參數(shù)：主頻 SF=20 MHz，偏移頻率O1=987 kHz，90度脈沖時(shí)間 P1=7.52 μs，180度脈沖時(shí)間P2=14 μs，累加采樣次數(shù)NS=16，回波時(shí)間TE=0.250 ms，回波個(gè)數(shù)NECH=5 000，信號(hào)接收帶寬SW=250 kHz。

1.4 低場(chǎng)核磁共振成像（MRI）試驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)中，采用多層自旋回波序列（multi-slice spin echo，MSE）采集樣品橫斷面的質(zhì)子H質(zhì)子密度圖像[14]，采用MRI成像軟件進(jìn)行核磁共振成像試驗(yàn)。MRI成像參數(shù)：選層層厚2.0 mm，層間隙1.5 mm，重復(fù)時(shí)間300 ms，回波時(shí)間20 ms，頻率編碼方向視野80 mm，相位編碼方向視野80 mm，采集次數(shù)16，頻率方向256，編碼步數(shù)192。

2 結(jié)果

2.1 白芍煮制過(guò)程中水分含量和狀態(tài)的變化 H質(zhì)子的弛豫時(shí)間分布可以表明在白芍組織結(jié)構(gòu)中存在多個(gè)水分群，橫向弛豫時(shí)間T₂可以表明水分的自由度，弛豫時(shí)間（T₂）越短說(shuō)明水分與底物結(jié)合越緊密或自由度越小，在T₂譜上峰位置較靠左；反之弛豫時(shí)間（T₂）越長(zhǎng)說(shuō)明水分越自由，在T₂譜上峰位置較靠右[17]。水分按照與底物結(jié)合的狀態(tài)，主要分為2種，自由水和束縛水，T₂譜中的2個(gè)峰分別對(duì)應(yīng)2種狀態(tài)的水：T₂₁（0～10 ms）對(duì)應(yīng)的是束縛水， T₂₂（10～1 000 ms）對(duì)應(yīng)的是自由水，峰積分面積分別代表2種狀態(tài)水的相對(duì)含量[18]。白芍煮制過(guò)程中，水分的狀態(tài)和變化見(jiàn)表1，2。白芍鮮品中所含的水分是束縛水和自由水，分別占總水分的22.72%，77.28%。煮制過(guò)程中，0～2 min，水分的含量和狀態(tài)變化較大，自由水的含量下降64.40%，束縛水的含量增加了27.41%，并且T₂向左移動(dòng)，水分與底物的結(jié)合越來(lái)越緊密；2～8 min，隨著煮制時(shí)間的延長(zhǎng)，自由水的含量增加，且T₂繼續(xù)向左移動(dòng)；煮制過(guò)程結(jié)束時(shí)，水分組成中自由水達(dá)到93.29%。

2.2 白芍干燥過(guò)程中水分含量的變化 樣品的干燥過(guò)程中，橫向弛豫時(shí)間T₂的大小反映了不同狀態(tài)的水分分布與變化情況，T₂越小，水分自由度越小，表明水與所處環(huán)境中的大分子等的結(jié)合越緊密；T₂越大，表明水分自由度越大，越容易除去[19]。白芍50 ℃條件下干燥過(guò)程中不同時(shí)間的水分的狀態(tài)和變化見(jiàn)表3，表3中存在2種不同的峰，在0～10 ms流動(dòng)性較差的T₂₁，以及在10～1 000 ms流動(dòng)性較強(qiáng)的T₂₂。從表3可知，干燥過(guò)程中2種水分的變化具有一定的規(guī)律，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，水分峰向左移動(dòng)，水分的流動(dòng)性變差，峰面積逐漸變小，說(shuō)明干燥過(guò)程中白芍內(nèi)部水分的含量和分布都發(fā)生了變化。通過(guò)分別計(jì)算不同弛豫時(shí)間T₂對(duì)應(yīng)的峰面積（A₂₁，A₂₂）可以定量計(jì)算出白芍藥材中束縛水和自由水的相對(duì)含量。干燥初始時(shí)，白芍煮制后的樣品中束縛水4.7%，自由水95.3%，0～1.5 h，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，自由水含量（A₂₂）逐漸下降，束縛水含量（A₂₁）逐漸上升，說(shuō)明干燥的前期過(guò)程中，自由水向束縛水方向轉(zhuǎn)化，與大分子之間的結(jié)合變得更加緊密。干燥至2.5 h，束縛水消失，水分狀態(tài)全部轉(zhuǎn)化為自由水，可能是由于組織被破壞，束縛水在組織中受到的束縛作用力減小，導(dǎo)致束縛水向自由水轉(zhuǎn)變。2.5～9.5 h，水分的總量不斷下降，T₂向左移動(dòng)，水分流動(dòng)性變差，低熵、低序狀態(tài)的水向高能級(jí)、有序狀態(tài)的水移動(dòng)。9.5 h后，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，T₂繼續(xù)向左移動(dòng)，水分狀態(tài)大部分轉(zhuǎn)化為束縛水（A₂₁），少量為自由水（A₂₂），水分總量繼續(xù)下降且水分與組織間的結(jié)合變得更加緊密。

2.3 不同干燥溫度的干燥過(guò)程中水分含量與形態(tài)變化 干燥的溫度和干燥時(shí)間是藥材炮制方法的重要參數(shù)，對(duì)藥材的品質(zhì)和外觀的形成均有影響，不同干燥溫度條件下，水分狀態(tài)變化相似，均向水分流動(dòng)性變差的方向移動(dòng)，橫向馳豫時(shí)間T₂逐漸縮短，見(jiàn)圖1。束縛水和自由水所占比例隨著干燥時(shí)間的變化而變化，干燥溫度越高，白芍藥材失水越快。

2.4 白芍炮制過(guò)程中的MRI圖像變化 利用MRI技術(shù)獲得的白芍炮制過(guò)程中1H質(zhì)子密度圖像變化，見(jiàn)圖2，紅色代表的水分含量高，黃色代表水分含量低，綠色代表水分含量最少。MRI圖像表明，白芍煮制過(guò)程中前2 min，水分含量明顯增加，且外層增加的比內(nèi)層明顯，2 ～10 min，水分含量增加不明顯，而是逐漸向內(nèi)層聚集；干燥開(kāi)始時(shí)，可能由于組織被破壞，水分向外層擴(kuò)散，白芍的表層最先失水；干燥過(guò)程中，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，水分逐漸向內(nèi)層聚集，水分是由外到內(nèi)逐漸失去的過(guò)程，內(nèi)部最后失水；干燥后期，水分集中于白芍的內(nèi)層，由于水分含量太低，成像模糊。

3 討論

白芍鮮品中的水分狀態(tài)是束縛水和自由水2種，自由水所占比例較大，橫向弛豫時(shí)間T₂顯示在炮制的過(guò)程中，水分的含量和狀態(tài)均發(fā)生了明顯變化。首先，煮制過(guò)程中，束縛水的含量下降而自由水的含量增加明顯，煮制過(guò)程結(jié)束時(shí)，白芍藥材中自由水的含量達(dá)到90%以上。干燥過(guò)程中，水分的總量不斷下降，T₂向左移動(dòng)，水分流動(dòng)性降低，干燥后期，束縛水的相對(duì)含量（A₂₁）增加，而自由水的相對(duì)含量（A₂₂）下降，水分與組織間的結(jié)合變得更加緊密。干燥溫度不同時(shí)，水分的狀態(tài)變化相似，溫度越高，藥材失水越快。MRI圖像給出了更加直觀的炮制過(guò)程中水分變化規(guī)律，炮制過(guò)程中水分的增加和減少均是由外而內(nèi)的過(guò)程，煮制的過(guò)程中，前2 min水分增加分布在表層，然后逐漸向內(nèi)聚集，干燥過(guò)程中，表層最先失去水分，水分向內(nèi)層聚集，內(nèi)層最后失去水分，干燥結(jié)束時(shí)，剩余水主要存在于白芍內(nèi)層。低場(chǎng)核磁共振及成像技術(shù)作為近年來(lái)新興的一種研究方法在水分測(cè)定研究中顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，如：被測(cè)試的樣品無(wú)需處理而且用量極少，可實(shí)時(shí)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠從分子水平直觀的顯示被測(cè)試材料中水分的分布、流動(dòng)性及遷移過(guò)程等。與差式掃描量熱法（DSC）、卡爾·費(fèi)休法、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMTA）、烘箱干燥等常規(guī)水分分析方法相比，研究結(jié)果更加直觀、數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、檢測(cè)更加快捷。此方法的建立為根類藥材炮制方法的優(yōu)化提供了更為直觀的評(píng)價(jià)方法和技術(shù)支撐。

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[責(zé)任編輯 孔晶晶]