烏藥化學(xué)成分結(jié)構(gòu)參數(shù)與色譜保留時(shí)間的關(guān)系

堵錫華，王超

(徐州工程學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院， 江蘇 徐州 221018)

烏藥為樟科山胡椒屬植物常綠灌木烏藥的干燥根，湖南、浙江、江蘇、江西等我國(guó)長(zhǎng)江以南地區(qū)均有分布，為常用的理氣鎮(zhèn)痛藥，具有行氣止痛、溫腎散寒之功效[1]，亦有抗炎、抗氧化及抑菌等生物活性[2-3]，常用來醫(yī)治由跌打損傷、腹部疼痛、寒疝及脈管炎、心臟病引起的心胸疼痛等癥[4]. 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)烏藥的化學(xué)成分分析及工藝提取、抗氧化特性、抗病毒及抗腫瘤活性等方面有較為深入的研究[5-8]，其中，對(duì)化學(xué)成分分析的相關(guān)研究較為常見[9-11]，對(duì)化學(xué)成分性質(zhì)的研究則較少.

保留時(shí)間是氣相色譜(GC)定性分析的重要指標(biāo)，化合物分子的保留時(shí)間等相關(guān)定性數(shù)據(jù)數(shù)量龐大無法通過實(shí)驗(yàn)一一獲取，因此將宏觀的保留值與分子的微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，是氣相色譜保留值定性和智能高效化的重要理論依據(jù)[12]. 本文將定量結(jié)構(gòu)-保留相關(guān)性研究方法與在化學(xué)[13-14]、藥物化學(xué)[15]、環(huán)境科學(xué)[16]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural networks，ANN)方法相結(jié)合，針對(duì)文獻(xiàn)[17]得到的湖南產(chǎn)烏藥68種化學(xué)成分的色譜保留時(shí)間，建立其與分子連接性指數(shù)、電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型. 本文通過分析烏藥化學(xué)成分的分子結(jié)構(gòu)，用獲得的相關(guān)結(jié)構(gòu)指數(shù)預(yù)測(cè)色譜保留時(shí)間的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)的保留時(shí)間與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)平均誤差為2.66%. 研究為通過氣相色譜法快速高效檢測(cè)烏藥復(fù)雜的化學(xué)成分提供了理論依據(jù).

1 研究方法

1.1 保留時(shí)間數(shù)據(jù)來源

湖南產(chǎn)烏藥68種化學(xué)成分的色譜保留時(shí)間數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[17]，詳見表1.

1.2 指數(shù)計(jì)算

利用Chemoffice繪圖軟件繪制烏藥68種化學(xué)成分的分子結(jié)構(gòu)圖，在Matlab軟件中調(diào)用該分子結(jié)構(gòu)，依照文獻(xiàn)[18-19]的方法自編程序，計(jì)算68個(gè)分子的分子連接性指數(shù)和電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)，剔除二類指數(shù)中大部分?jǐn)?shù)據(jù)為0的數(shù)組，對(duì)余下的數(shù)組用Minitab軟件中最佳變量子集回歸法進(jìn)行篩選，將連接性指數(shù)(0X，5X和5Xc)和電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)(E1，E2和E3)相結(jié)合，尋找與烏藥化學(xué)成分色譜保留時(shí)間相關(guān)性最強(qiáng)的結(jié)構(gòu)參數(shù).各指數(shù)值見表1.

表1 烏藥化學(xué)成分的結(jié)構(gòu)參數(shù)及色譜保留時(shí)間

續(xù)表1

續(xù)表1

2 模型的建構(gòu)

2.1 相關(guān)性分析和穩(wěn)定性檢驗(yàn)

將Minitab軟件最佳變量子集回歸篩選的6種連接性指數(shù)和電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)與烏藥化學(xué)成分的色譜保留時(shí)間進(jìn)行回歸分析，得到相關(guān)性方程：

t=6.3290X-5.7255X+8.4585Xc-

0.815E1-0.663E2-2.206E3-2.838，

(1)

表2 Jackknifed相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)

對(duì)這68個(gè)相關(guān)系數(shù)作直方圖(見圖1)，Jackknifedr基本呈正態(tài)分布；為檢明烏藥化學(xué)分子中是否存在“離域”的色譜保留時(shí)間，對(duì)68個(gè)相關(guān)系數(shù)以0.920為圓心，0.002為間距作雷達(dá)圖(見圖2)，68個(gè)Jackknifedr值均落在區(qū)間內(nèi)，說明模型不存在異常的保留時(shí)間值.

2.2 模型的建構(gòu)

以優(yōu)化篩選的連接性指數(shù)(0X，5X，5Xc)和電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)(E1，E2和E3)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，以湖南產(chǎn)烏藥化學(xué)成分的色譜保留時(shí)間為輸出變量，綜合Andrea和文獻(xiàn)[20]中2種隱含層變量選擇規(guī)則，得到：

2.2>N/M≥1.4,

(2)

其中，N為總樣本數(shù)，M為總權(quán)重，計(jì)算公式為

M=(Im+1)Hi+(Hi+1)Ou，

(3)

其中，Im，Hi，Ou分別為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三層結(jié)構(gòu)中輸入層、隱含層和輸出層的變量數(shù). 這里，輸入層變量數(shù)Im=6，保留時(shí)間作為輸出層變量數(shù)Ou= 1，故隱含層變量Hi可取4或5.經(jīng)比較，當(dāng)Hi取5時(shí)，模型的相關(guān)系數(shù)值最大，故本模型采用6∶5∶1的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隱含層采用tansig傳遞函數(shù)，輸出層采用purelin傳遞函數(shù)，迭代次數(shù)為3 000次.

為防止“過訓(xùn)練、過擬合”，在數(shù)據(jù)運(yùn)算過程中，將68種化學(xué)成分分為訓(xùn)練集(以每5個(gè)分子作為一組，

圖1 Jackknifed相關(guān)系數(shù)r的直方圖Fig.1 Histogram of correlation coefficent r

圖2 Jackknifed相關(guān)系數(shù)r的雷達(dá)圖Fig.2 Radar map of Jackknifed correlation coefficent r

取其中第1，3，4個(gè)分子)、測(cè)試集(取每組的第2個(gè)分子)和驗(yàn)證集(取每組的第5個(gè)分子，依此類推)，對(duì)其進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法分析，模型總相關(guān)系數(shù)rt達(dá)0.994 0，相關(guān)性較高，訓(xùn)練集相關(guān)系數(shù)r1達(dá)到0.992 9，測(cè)試集相關(guān)系數(shù)r2達(dá)到0.997 0，驗(yàn)證集相關(guān)系數(shù)r3達(dá)到0.997 9，可以看出，訓(xùn)練集、測(cè)試集、驗(yàn)證集的相關(guān)系數(shù)與總相關(guān)系數(shù)較為接近，利用該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)得到的烏藥化學(xué)成分的色譜保留時(shí)間與文獻(xiàn)方法分析檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)值吻合度較高，平均相對(duì)誤差為2.66%，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值關(guān)系見圖3.圖3中無特別遠(yuǎn)離直線的點(diǎn)，說明預(yù)測(cè)值較接近實(shí)驗(yàn)值.

圖3 保留時(shí)間的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)性Fig.3 Relationship between experiment and predicted values of t

3 結(jié)果與討論

烏藥因具有多種抗炎、抗氧化、抗腫瘤的活性成分，成為越來越多研究者關(guān)注的熱點(diǎn). 大量研究證實(shí)，烏藥含有豐富的呋喃倍半萜及其內(nèi)酯、黃酮、生物堿、揮發(fā)油等成分，由于成分較為復(fù)雜，難以用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)其性質(zhì)一一研究. 為此，本文通過計(jì)算烏藥化學(xué)成分的分子連接性指數(shù)和電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)，篩選出能反映分子空間結(jié)構(gòu)信息的3種連接性指數(shù)(0X、5X、5Xc)，以及能反映電子結(jié)構(gòu)信息的3種電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)(E1、E2、E3)，結(jié)合這6種指數(shù)構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，能很好地反映烏藥化學(xué)成分色譜保留時(shí)間的變化規(guī)律.

當(dāng)外部檢測(cè)條件一定時(shí)，本模型中的3種連接性指數(shù)(0X、5X分別代表0價(jià)、5價(jià)的路徑指數(shù)，5Xc代表簇項(xiàng)指數(shù))說明碳原子的個(gè)數(shù)以及原子之間的連接方式對(duì)保留時(shí)間有影響；3種電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)(E1代表“—CH3”基團(tuán)的取值，E2代表“—CH2—”基團(tuán)的取值，E3代表“>CH—”基團(tuán)的取值)則說明分子中伯、仲、叔碳原子對(duì)保留時(shí)間有影響，但同樣是伯碳原子、仲碳原子或叔碳原子，由于所處位置不同，原子之間的相互作用力就不同，各性質(zhì)特征值也不同，因此，只有將連接性指數(shù)與電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)相結(jié)合構(gòu)建的模型，才能反映這一規(guī)律. 從表1所列的分子及保留時(shí)間可以看出，當(dāng)檢測(cè)條件固定時(shí)，碳原子及基團(tuán)的數(shù)量、連接方式、范德華作用力、色散力、誘導(dǎo)力等均對(duì)保留時(shí)間產(chǎn)生影響，當(dāng)碳原子數(shù)增加時(shí)，分子體積增大，色散力增大，保留時(shí)間延長(zhǎng).

篩選出的分子結(jié)構(gòu)指數(shù)與烏藥化學(xué)成分的色譜保留時(shí)間呈高度的非線性關(guān)系. 本文根據(jù)分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電性結(jié)構(gòu)特征構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，有良好的穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)能力較強(qiáng).對(duì)預(yù)測(cè)湖南產(chǎn)烏藥化學(xué)成分的色譜保留時(shí)間、探索色譜保留機(jī)制、選擇合適的色譜條件有一定的指導(dǎo)作用.