基于LIBS的中藥質量檢測技術與應用*

趙倩，繆培琪，劉長青，于洋，李正

（1.天津中醫(yī)藥大學中藥制藥工程學院，天津 301617；2.天津中醫(yī)藥大學組分中藥國家重點實驗室，天津301617；3.現(xiàn)代中醫(yī)藥海河實驗室，天津 301617；4.天津現(xiàn)代創(chuàng)新中藥科技有限公司，天津 300384）

中藥產業(yè)高質量發(fā)展已上升為國家戰(zhàn)略[1]。中藥成分復雜、基體元素多樣，這對質量控制技術提出了更高的要求，相關技術需要創(chuàng)新升級。生產過程的實時分析與監(jiān)測既是中藥智能制造數(shù)字化的基礎，也是保證中藥產品質量均一性的有效手段。因此，加強從原料到產品的過程檢測技術研究是提高中成藥產品質量的關鍵之一[2]。

近年來，隨著分析技術與儀器的飛速發(fā)展，無論是從離線到在線分析，從靜態(tài)到動態(tài)分析，還是從破損樣品到無損檢測，實時監(jiān)測一直受到重視[3]。通過對中藥工藝系統(tǒng)關鍵工藝參數(shù)和關鍵質量屬性的實時監(jiān)控，為制藥工藝反饋和優(yōu)化控制提供數(shù)據(jù)支持。基于質量源于過程的現(xiàn)代質量控制理念，利用先進的在線質量檢測技術對生產過程中物體的關鍵質量屬性建立快速、高效的無損檢測過程質量檢測方法是迫切需要解決的問題[4]。

激光誘導擊穿光譜（LIBS）是一種新興的、快速的多元素檢測技術，它可以在幾秒鐘內用一個激光脈沖快速檢測樣品的多元素光譜。與傳統(tǒng)的元素分析技術不同，它快速、安全、綠色、簡單樣品預處理且支持多元素檢測。目前該項技術已被廣泛應用于農業(yè)[5]、食品行業(yè)[6-7]等許多領域，然而LIBS技術在中藥領域內的應用不多，因此筆者聚焦于將LIBS技術與中藥制藥過程結合，實現(xiàn)中藥質量快速評價與基本無損檢測，為LIBS技術在中藥智能制造中的實際應用提供借鑒意義。

1 LIBS技術基本介紹

1.1 LIBS的技術原理 LIBS通過熒光光譜儀測量待測物體受激光激發(fā)產生等離子體光譜強度。當脈沖激光束會聚在樣品表面照射時，激光傳遞到樣品表面的能量大于熱擴散和熱輻射造成的能量損失，激光能量對靶面進行燒蝕，使得相應的樣品表面顆粒開始以氣化態(tài)形式噴射，原子會吸收多個光子發(fā)生多光子的電離過程[8]。此時，由于產生的等離子體羽流與周圍的冷空氣進行接觸，處于激發(fā)態(tài)的原子和離子從高能級躍遷到低能級，并發(fā)射特定波長的光輻射[9]，利用高靈敏度光譜儀捕捉和分析光輻射，可通過發(fā)射譜線確定樣品的元素組成以及含量等數(shù)據(jù)信息。

1.2 LIBS檢測裝置 一個典型的LIBS檢測裝置，它由脈沖激光器、聚焦系統(tǒng)（包括反射鏡和聚焦透鏡）、載物臺、光譜信號采集裝置、光譜探測系統(tǒng)、延時控制器、光譜處理軟件等組成。檢測時，脈沖激光器激發(fā)光源產生高度集中的高能激光，聚焦系統(tǒng)將激光匯聚在樣品上，樣品表面進行能量沉積和燒灼產生高電子密度的等離子體。隨后，光學采集系統(tǒng)收集等離子體的發(fā)射譜線，通過光纖將光學信號傳輸?shù)焦庾V儀檢測系統(tǒng)，再通過計算機相關光譜處理軟件進行樣品分析[10]。

1.3 LIBS技術的主要優(yōu)勢與應用 目前，LIBS的主要技術優(yōu)勢包括：1）可對樣品進行快速分析，單個的激光脈沖足以預測樣品的元素組成。2）簡單需要或不需要樣品前處理，對于一般固體檢測樣品來說，無需前處理。3）對檢測樣品幾乎無損，由于激光聚焦光斑小且檢測過程速度較快，幾乎不造成樣品損傷。4）可同時進行樣品的多元素識別與分析，對無機元素非常敏感，所需檢測的樣品量少。5）可用于直接檢測、連續(xù)在線檢測和無接觸遠程遙感檢測的快速和連續(xù)評價。6）檢測對象形態(tài)多樣，可用于固體、液體、氣體和氣溶膠的檢測[11]。

然而LIBS技術受制于待測物體的自吸收效應、基體效應以及背景連續(xù)噪聲等因素影響，在實際應用中必須要根據(jù)實體的檢測物體進行相對應的參數(shù)條件的優(yōu)化，提高光譜信號的信噪比以達到信號分析的準確性[12]。

現(xiàn)在，LIBS儀器已經(jīng)開始逐漸向高精度、小型化、智能化方向發(fā)展，以滿足連續(xù)在線檢測或者不接觸的遠程遙感檢測的要求，從而逐步擴展其應用領域。該項技術早已被用于農業(yè)生產[13]、材料分析[14-15]、食品質量[16-18]、文物檢測[19-20]、環(huán)境監(jiān)控[21]以及醫(yī)學[22～24]等領域。因此將LIBS技術用于中藥制造過程質量檢測具有良好的前景。

1.4 LIBS技術與化學計量學方法的結合應用 如今，普遍采用元素濃度與LIBS對應響應值建立標準曲線的方法進行LIBS技術目標元素定量分析[25]，但由于基體效應、自吸收效應、譜線干擾、儀器穩(wěn)定性和外部環(huán)境等因素[26-27]的干擾限制了其定量分析的準確性，因此，一種好的定量分析方法對于LIBS技術的應用而言十分重要。

目前，已經(jīng)出現(xiàn)一些對應的數(shù)據(jù)處理方法可以增強光譜分析的精確度，減小和校正分析誤差。相關的化學計量學方法如：機器學習[28]或深度學習方法[29]被用于LIBS技術的定量分析。通過多元線性回歸（MLR）、偏最小二乘回歸法（PLSR）、支持向量機（SVW）、反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡（BPNN）、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）以及深度神經(jīng)網(wǎng)絡（DNN）等進行相關數(shù)學模型的構建可以實現(xiàn)更高的LIBS技術定量分析預測精度[25，30]。

2 LIBS技術在中藥原料質量檢測中的應用

中藥原料的質量很大程度會影響最終制藥產品質量。中藥原料的質量控制主要圍繞產地溯源和真?zhèn)舞b別兩個研究領域展開。前者要求原料必須是符合相關規(guī)定的道地藥材，后者則是要求原料的主要成分滿足生產質量的需求。相關研究人員采用LIBS技術在這兩個檢測領域進行了大量細致的研究工作，取得了顯著進展，為該技術與中藥制藥工藝的深度結合提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

2.1 產地溯源 現(xiàn)代研究表明藥材除了受自身遺傳特性的影響，其生長環(huán)境也是決定其品質的重要因素之一，因此，不同產地的同種中藥材其含有的有機物成分有較大差異，故而藥效也有所不同[31]。道地藥材作為中藥的精髓，具有良好的品質和較高的藥效，同時也是評價中藥質量的獨特標準。

LIBS技術被用于進行基于元素的產地溯源。基于LIBS技術產生的無機離子的指紋圖譜，Liu等[32]首次采用LIBS技術進行了艾香的全元素譜圖的采集工作，探討LIBS技術快速分析中藥材成分和種源的可行性，通過對LIBS數(shù)據(jù)進行多元分析以及模式識別篩選出對應的鉀（K）、鈣（Ca）和鈉（Na）等特征元素，數(shù)據(jù)和模型分析結果表明LIBS技術是一種產地溯源的有效手段。王玉鵬[33]通過分別將LIBS技術和主成分分析（PCA）、支持向量機（SVM）以及隨機森林（RF）3種化學計量學方法的結合建模，對5種典型產地的當歸樣品進行了溯源與定量分析。Akpovo等[34]利用LIBS技術對采收牡蠣的元素進行分析，通過主成分分析、聚類分析（HCA）以及判別分析（DFA），對鑒定出的元素系數(shù)矩陣進行了分析，發(fā)現(xiàn)在點內和點間均可完成牡蠣聚類，實現(xiàn)了對牡蠣產地來源的快速判別。Wang等[35]最先用LIBS技術結合PCA及人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）數(shù)據(jù)處理方法對不同產地或部位的當歸、黨參和川芎3種中草藥的根進行了分析鑒定，結果顯示此方法的平均分類準確率高達99．89%，可見LIBS技術結合PCA和反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡（BP-ANN）對于中藥產地鑒定可行性。

Gyftokostas等[36]采用LIBS和吸收光譜兩種光譜技術，借助機器學習算法，獲得了大量希臘橄欖油樣品及其混合物的發(fā)射光譜和吸收光譜，通過光譜分析對橄欖油的地理來源進行區(qū)分，分類準確率均高達 100%。Pérez-rodríguez等[37]也利用來自水稻分析的LIBS技術光譜數(shù)據(jù)對阿根廷糙米進行原產地保護標識（PDO）認證。因此，LIBS技術是一種有效的產地鑒別與產地溯源工具。

2.2 中藥材真?zhèn)?、品次鑒別 LIBS技術可同時進行多種元素的檢測，其優(yōu)勢足以匹敵價格昂貴或前處理麻煩的傳統(tǒng)分析技術。通過相關元素信息的提取，該項技術可以進行快速辨別中藥材的真?zhèn)蝃38]。

植物體內的微量元素的含量和分布具有一定的特殊性，對其進行一定的譜圖分析再結合相關的數(shù)據(jù)處理技術，即可實現(xiàn)不同品次、不同品種植物類中藥區(qū)分。Trevizan等[39]采用LIBS技術測定了植物標準物質顆粒中大量營養(yǎng)素[磷（P）、K、Ca和鎂（Mg）]的含量，證明了LIBS技術對植物中的微量元素和常量元素進行采集分析的可行性。趙懿瀅等[40]使用LIBS技術特征波段提取與化學計量學方法結合，探究證明了兩者結合鑒別硫熏程度不同的浙貝母的可行性，這為硫熏中藥的相關鑒別以及中藥材質量檢測分級評定系統(tǒng)建立提供一定方法與思路，為中藥質量的快速檢測提供了一定的理論依據(jù)。劉曉娜等[41]經(jīng)研究表明，可以采用LIBS技術與主成分分析和偏最小二乘判別分析方法結合，通過藥材全譜分析實現(xiàn)乳香、沒藥和松香3種樹脂類藥材的快速元素分析及類型判別，為同類藥材元素檢測提供理論與數(shù)據(jù)支持。

國外學者Magalh?es等[42]研究發(fā)現(xiàn)，可將LIBS技術與化學計量學方法相結合，根據(jù)苗期葉片相關元素組成（針對所有冠層和砧木組合）來區(qū)分不同品種和基因非常接近的甜橙品種。Sezer等[43]通過研究證明了基于蛋白質的LIBS技術方法對發(fā)酵香腸和臘腸產品中的牛肉、雞肉和豬肉鑒定的有效性。Moncayo等[44]更是采用LIBS技術和神經(jīng)網(wǎng)絡（NN）相結合的方法，對具有PDO的紅葡萄酒進行了簡單、快速的質量控制分類。綜上可見將LIBS技術用于中藥材真?zhèn)?、品次鑒別的可行性。

3 LIBS技術在中藥制藥過程質量控制中的研究

為了保證中藥產品質量，有效的生產過程質量控制是重中之重。而生產過程質量控制的關鍵是對生產的重要環(huán)節(jié)進行及時監(jiān)測，并對生產過程進行反饋和控制以減少生產過程中影響質量的不利因素。目前，LIBS指紋圖譜對于中藥生產過程質量控制主要體現(xiàn)在重金屬檢測以及重要工藝過程評價上。

3.1 重金屬快速檢測 中藥材的重金屬超標嚴重影響了中藥的品質，隨著中藥現(xiàn)代化與國際化需求，中藥重金屬問題已成為國內外關注的焦點，重金屬檢測是中藥質量安全控制的重要保障。中藥中重金屬不僅來源于原料藥的種植過程還可能存在于生產加工運輸各個過程中。因此有必要對中藥制藥生產全流程中各個生產階段產品的重金屬含量進行檢測。

李占鋒等[45]起初為了驗證LIBS技術對中藥內重金屬銅（Cu）檢測的可行性，結合內標法對茯苓、附片、黃連飲片中的Cu元素進行了含量測定，結果顯示，與直接定標法相比，內標法可以提升擬合精度，該方法可用于中藥重金屬Cu含量的快速檢測。趙上勇等[46]用LIBS技術的藥材元素圖譜結合PCA算法對吉林省5個產地6種人參進行了產地和不同部位聚類分析研究，并且使用人參粉末壓片法定量計算了人參中摻雜的重金屬元素鉛（Pb）和鎘（Cr）的含量，結果表明該方法對于人參產地分類和重金屬檢測效果良好。Yang等[47]以及Huang等[48]分別通過將全譜圖特征變量提取的數(shù)據(jù)處理方法與其他分析框架相結合，建立了穩(wěn)定準確的桑葉和桑葚的重金屬定量測定模型。

3.2 中藥制藥過程質量評價 對中藥生產制劑制造過程中重要工藝過程進行質量評價是過程質量控制的重要環(huán)節(jié)。劉曉娜等[49]將質量原于技術（QbD）理念的控制策略用來解決大品種中藥-安宮牛黃丸混合終點判斷問題，提出一種基于LIBS技術的總體混合終點的判斷方法?；谒幬锘旌现虚g體的LIBS數(shù)據(jù)，通過微區(qū)時序分析方法的結合比較朱砂、雄黃和珍珠粉相鄰混合時間光譜的差異，對整體的混合過程進行評價，得到建議混合終點，該方法既可為含礦物類中藥混合提供一定的參考方法也可快速評價生產中整體混合過程，進行相應過程控制。

鑒于此項使用LIBS技術建立的過程控制方法具有快速分析、幾乎無損、樣品前處理簡單且無需標準光譜庫等優(yōu)點，很大程度上為中藥制劑的質量研究提供了一種新思路。LIBS作為一種先進的過程分析技術，是否也可以通過相關過程方法學的建立，實現(xiàn)其他制藥工藝過程的預測與評價?？偠灾?，LIBS技術有望持續(xù)推動在線過程分析與控制的發(fā)展，加快中藥制藥智能生產的進程。

3.3 中藥產品在線質量評估 隨著元素檢測技術的進步以及常量和微量元素對健康作用研究的不斷深入，中藥中所包含的元素越來越引起了人們的關注。元素作為中藥有效成分的重要組成部分，是中藥質量控制不可或缺的特征參數(shù)，而元素的種類及含量與中藥性味、歸經(jīng)、功效等密切相關，是潛在的一個質量標志物[50]。

在中藥制藥過程中，復雜繁瑣的提取，濃縮，干燥等的中藥工序會對中藥質量產生一定的影響，而作為一種綠色的多元素快速檢測技術，將LIBS技術應用于中藥制藥過程中中間體質量的一個快速檢測，具有較大的優(yōu)勢。例如：一種元素的發(fā)射線只存在于藥物劑型的特定成分中，如從某種藥物中釋放P，而從其他特殊制劑輔料中釋放Mg，使用多元素指紋圖譜進行制藥中間體的一個質量評價，可以快速分析與檢測產品有效成分的高低，從而進一步實現(xiàn)過程藥效測定[51]。未來，甚至可以對中藥質量與功能進行分類研究或中藥組方解析研究等，從而為中藥產品質量控制標準和實際應用提供科學依據(jù)。

Andrade等[52]用LIBS技術對18種波蘭草藥中包含K、Ca和Mg在內的一些必須和有毒金屬元素進行了檢測，并對K、Ca和Mg進行了定量分析，結果與電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-OES）分析結果一致。郭銳等[53]利用LIBS技術對同一產地3個不同品種紅棗果肉中的K、Ca和Fe含量進行了分析，最終獲得了這3種礦質元素的相對含量。St-onge等[54]通過LIBS技術對藥物片劑中元素的定量分析進而快速、直接的測定了藥物含量，實驗結果說明了LIBS技術在制藥產品生產過程中快速在線質量評估的潛力。

4 LIBS技術在中藥產品質量控制中的研究

對于生產成品的質量控制是中藥制造質量控制的最后一大步的重要環(huán)節(jié)。當前，已有研究表明可將LIBS技術用于檢驗產品批次差異以及藥品外包裝材料是否合格，并取得一定的成效。

4.1 中藥制劑各批次質量檢測 近年來，由于疫情以及國家政策等相關因素，中藥產品的需求量快速增加，人們對中藥質量也有了更加嚴格的要求，而批次間質量差異一直是阻礙中藥發(fā)展的關鍵問題。與此同時，美國食品和藥物管理局（USFDA）倡導在制藥行業(yè)中推廣使用過程分析技術，更增強了制藥領域應用LIBS技術進行快速檢測和定量分析的需求[55]。

為了加強LIBS過程分析技術的相關應用，LIBS技術首次被用于現(xiàn)場評價包衣厚度和均勻性?？蒯屍瑒┌略谶M行具體的實驗分析之前，由于其包衣的功能性，需要有一種快速檢測方法來優(yōu)化包衣條件并在線預測批次的性能，Mowery等[56]首次將LIBS技術作為同時測定壓片腸溶衣厚度和均勻度的快速方法，最終實現(xiàn)了LIBS技術與統(tǒng)計學方法相結合對片劑包衣的過程優(yōu)化。該技術的快速分析時間（在15 min內分析了10片劑）使其可以快速表征片劑的包衣厚度、均勻性進而評價片內與片間、批次內與批次間差異，可見LIBS技術具有多個樣品在線快速分析以及片內均勻性測定的潛力。這極大促進了將來LIBS技術在中藥制藥領域在線過程分析與控制的發(fā)展。

4.2 產品包裝質量檢測 基于曾轟動一時的“毒膠囊”事件，藥用膠囊的質量現(xiàn)已成為社會關注的熱點，其中Cr含量則是膠囊質量好壞的主要標準之一。張大成等[57]基于LIBS技術快速檢測多達19種不同品牌以及不同種類膠囊中的Cr，通過特征分析譜線的選取與數(shù)據(jù)處理，最終檢測到11批樣品膠囊中含有Cr，建立了快速檢測藥用膠囊中Cr的方法。

藥用玻璃作為應用范圍最廣、使用量最大的藥物包裝材料使用類型之一，為防止藥液與玻璃相容性不佳從而引發(fā)藥品質量問題，其材料的選擇至關重要。而如何進行藥用玻璃的檢測則是一個難點?；诓ＡР牧系莫毺毓庾V指紋，LIBS技術已經(jīng)被成功用于分析不同玻璃的質量特性[58]。以上研究表明，LIBS技術可以用于藥用玻璃的鑒別和成分分析。

5 LIBS技術與其他光譜聯(lián)合技術研究

LIBS技術作為光譜分析領域一種嶄新的元素分析手段，由于其本身只能用于無機元素的質量檢測劣勢，目前在一些領域內與其他光譜存在聯(lián)合應用，主要表現(xiàn)為通過光譜結合實現(xiàn)高靈敏檢測或將其他光譜分析提供的有機物信息等和自身檢測的無機元素信息相結合，從而進一步達到對質量檢測與控制的準確性和全面性。

Zhang等[59]研究了近紅外光譜（NIRS）、熒光光譜（FS）和LIBS技術數(shù)據(jù)融合的潛力。結果表明，近紅外光譜法和熒光光譜法能提供豐富的明膠分子結構和組成信息，將其特征信息與LIBS數(shù)據(jù)進行融合以后可以極大增強LIBS技術對食用明膠產地識別的準確性。Yao等[60]基于煤質與元素組成之間的相關性采用LIBS技術進煤質分析時發(fā)現(xiàn)，其在分析元素和原子同等相關的煤性質時，存在準確性較差的問題，而近紅外反射光譜則是一種快速分析分子結構的技術。通過研究，其提出了一種利用LIBS技術和NIRS技術進行煤質分析的方法，通過兩光譜信息聯(lián)用大大增強了LIBS技術煤質分析應用能力。由于LIBS技術只能從元素角度進行土壤分析，沒有辦法去完全表征土壤肥力，Tavares等[61]將可見光和近紅外光譜（VNIR）技術、X射線熒光光譜分析（XRF）技術與LIBS技術聯(lián)合應用于熱帶土壤肥力傳感器分析，從而獲得更全面、更準確的關鍵土壤肥力特征屬性，結果表明光譜聯(lián)用后對于土壤某些特異屬性傳感器的分析精度有所增強。因此利用LIBS技術與其他光譜數(shù)據(jù)融合技術的協(xié)同作用，可以起到信息補充，擴大目標樣品質量檢測范圍，彌補LIBS技術只能用于無機元素檢測的缺陷，加強LIBS技術應用于質量檢測的全面性和有效性。

綜上可見，將LIBS技術與其他光譜聯(lián)合應用具有一定的優(yōu)勢性與實際應用性，這在中藥制造過程質量控制上同樣適用。除了將不同光譜測量目標數(shù)據(jù)融合增加LIBS技術檢測靈敏度以外還可以進行不同光譜信息優(yōu)勢互補，如通過可見光技術測量宏觀判斷目標樣品的好壞，使用近紅外光譜技術進一步檢測含水量、硬度以及其他指標，再使用LIBS技術對其重金屬或其他特征元素進行檢測等。這樣一套綜合的光譜聯(lián)用檢測系統(tǒng)可以最大限度的控制制造過程質量，為最終產品的質量提供保證。

6 結語與展望

中藥產業(yè)是中國的傳統(tǒng)優(yōu)勢特色產業(yè)，其發(fā)展需要突破相關技術瓶頸?；谥兴幹扑幧a質量管理中對中藥制造過程質量控制的相關要求，筆者從LIBS技術工作原理、檢測技術優(yōu)勢、發(fā)展現(xiàn)狀等方面出發(fā)，闡述了LIBS作為一種快速、高效、綠色的新興檢測分析技術在中藥制藥領域中原料質量檢測、制造過程質量控制、中藥產品質量控制以及LIBS技術與其他光譜聯(lián)用技術4方面的實際應用，展現(xiàn)了LIBS技術應用于中藥過程質量控制結合的強大優(yōu)勢與潛力。

然而，LIBS技術的指紋圖譜的解析問題仍是現(xiàn)在的重難點所在，雖然已有相關的數(shù)據(jù)處理方法被用于LIBS的光譜分析，但由于中藥種類多樣性以及成分的復雜性，目前仍缺乏具有人工智能的譜圖分析方法和檢測模型，這也使得該技術在中藥以及其他領域推廣得到制約。因此，應將已有的譜圖分析方法與強化學習相結合，深入研究尋找基于人工智能的解譜方法，提高譜圖解析的智能性、專業(yè)性和準確性，達到LIBS技術準確與便捷分析的目的，同時在充分了解LIBS技術原理的基礎上繼續(xù)深挖提升LIBS技術檢測精度的方法，如儀器精度校正軟件的開發(fā)等，進一步完善LIBS光譜分析技術。隨著LIBS技術的不斷發(fā)展，其在中藥智能制造等領域一定具有更加廣泛的應用前景，可以發(fā)揮更大的應用價值。