LIBS技術(shù)在中藥質(zhì)量快速評(píng)價(jià)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展＊

劉曉娜，王喜波，車(chē)曉青，吳志生，李德芳，鄭秋生

（1. 濱州醫(yī)學(xué)院 煙臺(tái) 264003；2. 蓬萊市海洋發(fā)展和漁業(yè)局 蓬萊 265600 ；3. 山東潤(rùn)中藥業(yè)有限公司 煙臺(tái)264003；4. 北京中醫(yī)藥大學(xué) 北京 100029）

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）是一種新興的、快速的微區(qū)多元素檢測(cè)技術(shù)，是以激光脈沖作為激發(fā)源誘導(dǎo)產(chǎn)生激光等離子體的原子發(fā)射光譜[1-3]。區(qū)別于傳統(tǒng)的元素分析技術(shù)（如原子吸收光譜、電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜、電感耦合等離子體-質(zhì)譜），LIBS 具有快速、綠色、多元素檢測(cè)的特點(diǎn)。單個(gè)的激光脈沖足以預(yù)測(cè)樣品的元素組成，所需時(shí)間僅為幾秒鐘；無(wú)需或幾乎不需要樣品預(yù)處理，適合直接、原位、在線(xiàn)及遠(yuǎn)程檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的快速評(píng)價(jià)。伴隨激光技術(shù)、探測(cè)光學(xué)技術(shù)及成像技術(shù)的不斷創(chuàng)新，LIBS 進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。基于LIBS 技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)，其在中藥領(lǐng)域中的應(yīng)用日益增加。本文旨在介紹LIBS 技術(shù)的基本原理及其在中藥領(lǐng)域中的應(yīng)用，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展前景做出展望。

1 LIBS技術(shù)簡(jiǎn)介

LIBS 技術(shù)出現(xiàn)于20 世紀(jì)60年代，繼第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世之后，激光光源技術(shù)、探測(cè)光學(xué)技術(shù)、高時(shí)間分辨測(cè)量技術(shù)、成像技術(shù)及各種光譜數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷創(chuàng)新，LIBS 實(shí)驗(yàn)裝置不斷更新[4]。涌現(xiàn)出雙脈沖或多脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜、時(shí)間或空間分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜、偏振激光誘導(dǎo)擊穿光譜、微探針激光誘導(dǎo)擊穿光譜、分子激光誘導(dǎo)擊穿光譜及LIBS與其它分析技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用光譜（拉曼-激光誘導(dǎo)擊穿光譜）等[5-6]。伴隨激光技術(shù)和光譜探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，LIBS技術(shù)日趨成熟，光纖耦合型、便攜式、遙感式儀器成為發(fā)展主流，使其更適于原位、現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程及惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。

1.1 LIBS 基本原理

激光誘導(dǎo)擊穿光譜的基本原理是一束高能激光脈沖聚焦到樣品微區(qū)表面，激光與物質(zhì)相互作用形成了大量處于高能態(tài)的原子、離子和自由電子，但整體上呈近似電中性的等離子體，稱(chēng)為“等離子體”[7-8]。高能態(tài)的粒子從激發(fā)態(tài)躍遷到能量較低的基態(tài)向外輻射能量，發(fā)射出待測(cè)樣品中各元素的特征發(fā)射譜，如圖1所示。

圖1 激光誘導(dǎo)等離子體的演化周期圖[7-8]

圖2 LIBS所在的波譜范圍

由于不同元素原子自身結(jié)構(gòu)的不同，其能級(jí)也有所不同，激光能量的激發(fā)作用下，產(chǎn)生等離子體，在等離子體冷卻過(guò)程中，處于激發(fā)態(tài)的粒子會(huì)向基態(tài)或者低能級(jí)躍遷而輻射光子，光子具有特定的波長(zhǎng)，并與元素一一對(duì)應(yīng)，而且發(fā)射譜線(xiàn)強(qiáng)度和其所屬元素的含量之間存在線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)對(duì)特征譜線(xiàn)的辨識(shí)與測(cè)量，實(shí)現(xiàn)待測(cè)元素的定性與定量分析[2]。激光誘導(dǎo)擊穿光譜發(fā)射譜線(xiàn)是位于約200-1000 nm 譜帶區(qū)，如圖2 所示。激光誘導(dǎo)擊穿光譜元素標(biāo)定原則主要依據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的原子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)[1]。

1.2 LIBS檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LIBS 構(gòu)造示意圖如圖3 所示，由脈沖激光器、聚焦系統(tǒng)（由反射鏡和聚焦透鏡組成）、載物臺(tái)、光譜信號(hào)采集系統(tǒng)、光譜探測(cè)系統(tǒng)、時(shí)間延遲控制器、光譜處理軟件等組成。脈沖激光器提供激發(fā)光源，產(chǎn)生高度集中的高能激光，聚焦系統(tǒng)將激光束匯聚在樣品表面，進(jìn)而激發(fā)樣品產(chǎn)生能量沉積，逐漸燒灼、熔融，產(chǎn)生高電子密度的等離子體；隨后，光學(xué)采集系統(tǒng)收集等離子體的發(fā)射譜線(xiàn)，并通過(guò)光纖把光學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)到光譜儀探測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行時(shí)間分辨或空間分辨；然后通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。LIBS 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)元素的定性定量分析，主要是根據(jù)元素的譜線(xiàn)特征及元素的含量與信號(hào)強(qiáng)度成比例的關(guān)系[1]。

隨著理論和方法的不斷完善，LIBS 儀器朝向高精度、小型化、智能化發(fā)展，在中藥元素測(cè)定方面的應(yīng)用將逐步拓展，便攜式LIBS系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 LIBS構(gòu)造示意圖[9]

圖4 便攜式LIBS系統(tǒng)[2]

1.3 LIBS與X射線(xiàn)熒光（XRF）技術(shù)對(duì)比

LIBS與XRF均為快速微區(qū)多元素檢測(cè)技術(shù)，具有樣品處理簡(jiǎn)單，樣品的破壞性小的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在眾多元素分析技術(shù)中，XRF技術(shù)應(yīng)用較早，其工作原理是X射線(xiàn)作為激發(fā)源激發(fā)原子內(nèi)層電子，產(chǎn)生特征X 射線(xiàn)；依據(jù)熒光的波長(zhǎng)和能量確定元素種類(lèi)和濃度[10]。LIBS 為相對(duì)安全的綠色檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)對(duì)象具有多元化的特點(diǎn)，可檢測(cè)固體、液體、氣體、氣溶膠四種形態(tài)的物質(zhì)。不均勻性固體樣本，會(huì)影響LIBS技術(shù)檢測(cè)準(zhǔn)確度。配合顯微系統(tǒng)，LIBS 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)空間分辨的物質(zhì)成份分析。在檢測(cè)液體物質(zhì)時(shí)，通常將液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)，然后再進(jìn)行樣品的LIBS檢測(cè)。與XRF技術(shù)相比，LIBS 技術(shù)為原子外層電子激發(fā)，理論上可以檢測(cè)元素周期表中所有元素，對(duì)低原子序數(shù)元素激發(fā)更靈敏；兩者均可為無(wú)損或微損分析技術(shù)；LIBS 具備遠(yuǎn)程和遙測(cè)能力；高分辨LIBS 可實(shí)現(xiàn)同位素分析；且LIBS 技術(shù)的防護(hù)要求較低，僅需要注意激光對(duì)眼睛的傷害。目前，LIBS 的檢測(cè)限盡管有所提高，但其精密度依然遜色于XRF 技術(shù)。LIBS 與XRF 技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 LIBS與XRF技術(shù)對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

2 LIBS在中藥材中的應(yīng)用

隨著元素檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們對(duì)常量和微量元素與健康研究的深入，中藥中無(wú)機(jī)元素越來(lái)越引起了人們的關(guān)注，從重金屬的檢測(cè)到無(wú)機(jī)痕量元素的機(jī)體作用的研究。元素作為中藥有效成分的重要組成部分，是中藥質(zhì)量控制不可或缺的特征參數(shù)，是潛在的質(zhì)量標(biāo)志物[11]。作為一種綠色的多元素快速檢測(cè)技術(shù)，LIBS 技術(shù)被應(yīng)用于中藥領(lǐng)域，并展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)[12]?；凇叭⒊煞帧苯嵌龋髡咛岢鲋兴幎嘣刂讣y圖譜的質(zhì)量評(píng)價(jià)研究思路。中藥的“LIBS 元素組譜”涉及中藥的產(chǎn)地、真?zhèn)?、品種鑒別；中藥質(zhì)量與功能分類(lèi)研究和中藥組方解析研究等，為中藥產(chǎn)品質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和鑒定方法、中藥復(fù)方配伍、新藥開(kāi)發(fā)和臨床應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

2.1 LIBS技術(shù)的中藥元素含量測(cè)定

中藥藥效不僅與其含有的有機(jī)成分有關(guān)，而且與微量元素關(guān)系密切[13]。元素的種類(lèi)及含量與中藥性味、歸經(jīng)、功效等密切相關(guān)[14]。而LIBS 技術(shù)用于中藥微量元素的定性、定量分析應(yīng)用前景廣闊，如在天麻、炒澤瀉、莪術(shù)、天花粉、土茯苓等中藥材中的定量分析[15-17]。鈣、鎂離子與丹參的功能主治間接相關(guān)，是丹參藥效評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，劉濤等[18]采用LIBS 技術(shù)建立了丹參中鈣、鎂元素的定量評(píng)價(jià)方法。研究表明不同產(chǎn)地的丹參藥材中所含的鈣、鎂離子含量差異較大。Daniel F.Andrade 等[19]采用LIBS 技術(shù)測(cè)定了18 種波蘭草藥中鈣、鉀和鎂其他金屬元素（鈉、銅、鐵、錳、鋅等），并對(duì)其中的鈣、鉀和鎂進(jìn)行定量分析，結(jié)果與ICP-OES 一 致。Kuan Wei Se 等[20]采 用LIBS 結(jié) 合 偏 最小二乘回歸（PLSR）測(cè)量30 種蜂蜜中的鈣、鎂、鈉元素的含量，取得滿(mǎn)意的結(jié)果。郭銳等[21]利用LIBS 對(duì)山西省太谷縣的3個(gè)品種紅棗果實(shí)中的鈣、鐵、鈉含量進(jìn)行了測(cè)定，獲得了三種礦質(zhì)元素的相對(duì)含量。尹文怡等[22]檢測(cè)了艾草香、沉香的高分辨LIBS 光譜，鑒別出了樣品中錳、鈣、銅和鐵等元素，并測(cè)定了元素的相對(duì)含量。Liu 等[23]通過(guò)繪制12個(gè)地區(qū)的燈芯草中四種礦物質(zhì)元素（Mg、Ca、Ba、Na）譜線(xiàn)強(qiáng)度的分布進(jìn)行了研究，為L(zhǎng)IBS在中藥研究中的應(yīng)用提供了一種新途徑。

2.2 LIBS技術(shù)在中藥產(chǎn)地鑒別中的應(yīng)用

道地藥材是中醫(yī)藥的精髓，其理念根植于傳統(tǒng)中醫(yī)藥理論，來(lái)源于生產(chǎn)和醫(yī)藥實(shí)踐，是古人評(píng)價(jià)藥材質(zhì)量的獨(dú)特標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)代評(píng)價(jià)藥材質(zhì)量的重要標(biāo)志[24]?，F(xiàn)代研究表明藥材的道地性與生物地球化學(xué)息息相關(guān)[25-26]。受自身遺傳特性和生長(zhǎng)環(huán)境的影響，不同產(chǎn)地的藥材從土壤中攝取元素的種類(lèi)及含量存在差異，即道地藥材擁有獨(dú)特的元素譜。從元素角度出發(fā)研究藥材道地性的形成和道地藥材的鑒定已引起廣泛關(guān)注[27]。然而，常規(guī)的元素分析方法多以單一元素和多元素為主，難以全面表征藥材的道地性?xún)?nèi)涵，且檢驗(yàn)方法耗時(shí)耗力。劉曉娜等[9,28]采用LIBS 技術(shù)建立艾納香的全元素譜，利用多元分析方法對(duì)LIBS數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識(shí)別分析，實(shí)現(xiàn)未知樣本產(chǎn)地的歸屬，并采用VIP值篩選出元素質(zhì)量標(biāo)志物K、Ca、Na 等，從元素角度揭示產(chǎn)地對(duì)藥材的影響。Jinmei Wang 等[29]采用LIBS 技術(shù)結(jié)合主成分分析（PCA）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）技術(shù)，對(duì)不同產(chǎn)地白芷、黨參、川芎三種藥材進(jìn)行鑒定，證實(shí)了LIBS 技術(shù)是一種有效的中藥鑒別工具?；贚IBS 多元素譜的研究為道地藥材質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及中藥物質(zhì)基礎(chǔ)研究提供了新的思路。

2.3 LIBS技術(shù)在中藥材的真?zhèn)?、摻假鑒別中的應(yīng)用

快速、準(zhǔn)確地鑒別中藥真?zhèn)问潜ＷC中藥療效的關(guān)鍵。微量元素的含量和分布在植物體內(nèi)存在一定的規(guī)律，結(jié)合數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可區(qū)分不同品種、不同生產(chǎn)方法的樣品。Trevizan 等[30]采用LIBS 技術(shù)檢測(cè)了植物中的微量元素和常量元素。LIBS 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)乳香、沒(méi)藥和松香的快速元素分析及樹(shù)脂判別，為樹(shù)脂類(lèi)藥材元素檢測(cè)提供理論與數(shù)據(jù)支持[31]。趙懿瀅等[32]采用LIBS 技術(shù)結(jié)合特征波段提取和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法鑒別不同程度的硫熏浙貝母，為硫熏中藥材鑒別提供依據(jù)，有助于中藥材質(zhì)量檢測(cè)與分級(jí)評(píng)定系統(tǒng)的建立。

2.4 LIBS技術(shù)在中藥重金屬檢測(cè)中的應(yīng)用

中藥中重金屬已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，中藥中重金屬檢測(cè)是中藥質(zhì)量控制的重要保障。傳統(tǒng)的重金屬檢測(cè)方法，多需要采用消解的方法制備樣品，樣品制備復(fù)雜。LIBS 技術(shù)樣品制備簡(jiǎn)單、對(duì)樣品破壞性小的特點(diǎn)。李占鋒等[33-34]采用LIBS 技術(shù)測(cè)定黃連、附片和茯苓中的銅元素含量，并定量測(cè)定黃連中鉛的含量。結(jié)果表明，LIBS 技術(shù)結(jié)合內(nèi)標(biāo)法有效地提高了擬合精度，可用于中藥中銅和鉛元素污染的快速檢測(cè)。張大成等[35]采用LIBS 技術(shù)檢測(cè)19 種不同品牌、不同種類(lèi)膠囊中的鉻元素，建立了快速檢測(cè)藥用膠囊中鉻元素的測(cè)定方法。張穎等[36]利用LIBS 技術(shù)分析明膠中的重金屬鉻的含量，證明LIBS是一種檢測(cè)中藥中重金屬元素的有效手段。張旭等[37]利用LIBS技術(shù)測(cè)定了海帶中鉻元素含量，實(shí)現(xiàn)了LIBS實(shí)時(shí)快速無(wú)損的測(cè)量。在藏藥的研究中，吳金泉等[38]利用LIBS技術(shù)，對(duì)七十味珍珠丸中汞、鉛、金等10種元素進(jìn)行定性分析；劉曉娜等[39-40]采用LIBS技術(shù)分別建立了佐太、4種珍寶藏藥（仁青芒覺(jué)、仁青常覺(jué)、二十五味珊瑚丸、二十五味珍珠）元素譜，在佐太中檢出汞、砷、鉛、金、銀等重金屬元素；仁青常覺(jué)和仁青芒覺(jué)中檢出重金屬銅和汞元素；仁青常覺(jué)中檢出銀元素。伴隨著激光技術(shù)不斷發(fā)展，LIBS 技術(shù)將不斷完善，并將成為中藥中重金屬檢測(cè)、藏藥及含礦物質(zhì)中藥檢測(cè)的常規(guī)分析技術(shù)。

2.5 LIBS在中藥生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用

LIBS 技術(shù)能夠快速表征藥品的質(zhì)量屬性，有利于制藥行業(yè)的良性循環(huán)和藥品的過(guò)程分析與控制。美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）倡導(dǎo)在制藥行業(yè)中推廣使用過(guò)程分析技術(shù)，增強(qiáng)了LIBS技術(shù)在制藥領(lǐng)域快速檢測(cè)和定量分析的應(yīng)用興趣[41]?；谫|(zhì)量源于設(shè)計(jì)（QbD）理念，LIBS 技術(shù)與移動(dòng)窗標(biāo)準(zhǔn)偏差法（MWSD）法、移動(dòng)窗相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差法（MWRSD）法相結(jié)合快速評(píng)價(jià)整體混合過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了安宮牛黃丸中雄黃、朱砂和珍珠粉3 藥味混合終點(diǎn)的判斷[42-43]。作為一種先進(jìn)的過(guò)程分析技術(shù)，LIBS 技術(shù)將促進(jìn)在線(xiàn)過(guò)程分析與控制的發(fā)展，加快中藥制藥智能化生產(chǎn)進(jìn)程。

3 總結(jié)與展望

相比傳統(tǒng)的元素分析技術(shù)，激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)具有樣品制備簡(jiǎn)單、檢測(cè)費(fèi)用低、分析速度快、可同時(shí)檢測(cè)多種元素尤其能夠檢測(cè)有機(jī)元素等優(yōu)點(diǎn)，令I(lǐng)CP-OES 或ICP-MS 等傳統(tǒng)分析技術(shù)望塵莫及。LIBS技術(shù)可快速獲取中藥的多元素譜，在中藥領(lǐng)域的元素分析、藥材產(chǎn)地鑒別、中藥材真?zhèn)魏蛽郊勹b別、中藥重金屬檢測(cè)中的應(yīng)用及中藥生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用研究中展現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢(shì)。作為一種綠色的多元素快速檢測(cè)技術(shù)，LIBS 技術(shù)在中藥領(lǐng)域，尤其在中藥原位檢測(cè)、中藥道地性研究、礦物質(zhì)藥研究、中藥質(zhì)量分析與過(guò)程控制等方面具有很大潛力，也必將成為中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)重要手段。LIBS 技術(shù)與化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)結(jié)合，可降低或消除LIBS光譜中干擾信息帶來(lái)的分析誤差，提高LIBS 技術(shù)的可靠性與穩(wěn)定性[44]。LIBS 技術(shù)彌補(bǔ)XRF對(duì)輕元素測(cè)量上的不足，能夠檢測(cè)非金屬輕元素（如H,Li,Be,B,C,N）。雖然LIBS 顯示出諸多優(yōu)勢(shì)，但由于其在中藥中的研究與應(yīng)用正處于初始階段，在檢測(cè)靈敏度，消除或降低基質(zhì)效應(yīng)及便攜檢測(cè)等方面依然存在挑戰(zhàn)。

隨著激光及光譜技術(shù)的發(fā)展，及LIBS研究團(tuán)隊(duì)的在算法方法開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的探索，LIBS 技術(shù)走向小型化、高性能、高可靠性。目前，便攜式LIBS 設(shè)備已經(jīng)研制成功，系統(tǒng)的性能逐漸提升。作為在線(xiàn)分析領(lǐng)域不可替代的有力手段，LIBS 技術(shù)在具中藥研究及中藥制藥領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用前景。

表2 LIBS 技術(shù)在中藥中的應(yīng)用