近紅外光譜技術(shù)在中藥研究中的應(yīng)用缺陷及對(duì)策

鄧妍 劉曉鳳 葉萌 吳磊 劉濤

摘 要：近紅外光譜技術(shù)具有快速、無(wú)需樣品制備及每次測(cè)量可同時(shí)確定多個(gè)成分的特點(diǎn)，但隨著應(yīng)用的增加，其存在的一些問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn).以近紅外光譜技術(shù)在中藥實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題為切入點(diǎn)，對(duì)相關(guān)問(wèn)題如近紅外光譜技術(shù)在中藥樣品處于水溶液體系難以分析、建模所需樣本量大及模型通用性不強(qiáng)等進(jìn)行了討論，并提出了建議與展望，為近紅外光譜技術(shù)在中藥產(chǎn)業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考.

關(guān)鍵詞：近紅外光譜；水光譜組學(xué)；通用性；模型轉(zhuǎn)移；樣本量

中圖分類號(hào)：O657.33;R284

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004－5422（2023）03－0225－05DOI：10.3969/j.issn.1004-5422.2023.03.001

0 引 言

近年來(lái)，近紅外光譜（NIRS）技術(shù)發(fā)展迅速，被各行各業(yè)廣泛應(yīng)用.在中藥方面，NIRS被用于中藥制劑原料［1］的基源、產(chǎn)地［2-3］、優(yōu)劣［4］與真?zhèn)蔚馁|(zhì)量分析［5-6］，液體制劑的提?。?］、純化［8］、滲漉［9-10］與濃縮［11］等工序的過(guò)程分析，固體制劑的混合［12］、制粒［13］、干燥［14］與包衣［15］等工藝過(guò)程質(zhì)量分析.但隨著NIRS的不斷應(yīng)用，其自身存在的缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn).例如，由于NIRS譜線寬，特征性不強(qiáng)，檢測(cè)的靈敏度較低，再加上對(duì)水的強(qiáng)吸收，所采集的光譜會(huì)高度重疊且特異性不強(qiáng)，不適用于水溶液中的痕量分析；NIRS是一種間接的分析技術(shù)，光譜反映的是分子層面的信息，需要復(fù)雜的建模才能直觀反映結(jié)果，因此，對(duì)化學(xué)成分的快速測(cè)定與不同物質(zhì)的鑒別必須依賴已建成的定量或定性模型，但是所建成的模型在不同的NIRS儀器上并不能通用，模型的通用性不強(qiáng)［16］；建模樣本集要求數(shù)量足夠多，泛化性強(qiáng)［17］且涵蓋全部變異才能建立有效、穩(wěn)定與性能好的模型，樣本量不足時(shí)模型的性能和精確度極易被影響，因此，當(dāng)樣本量不足時(shí)，如何建模將有待進(jìn)一步研究；建模過(guò)程中如何滿足模型的“完備性”條件（而不是使模型僅在一定程度上滿足）；當(dāng)樣品處于溶液狀態(tài)，采集樣品前如何處理，以及光譜采集后如何進(jìn)行光譜分析等，這些都是NIRS發(fā)展過(guò)程中遇到的普遍問(wèn)題.

本文以ScienceDirect online和中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，針對(duì)目前NIRS在中藥研究過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行探討，并就文獻(xiàn)提出的解決辦法進(jìn)行討論，擬為改善或解決NIRS帶來(lái)的問(wèn)題提供參考.

1 在水溶液中難以分析及對(duì)策

NIRS法對(duì)水的強(qiáng)吸收是其不可避免的缺陷，當(dāng)被掃描的樣本是水溶液或者處于水體系之中時(shí)，所采集的NIRS譜圖會(huì)高度重疊，不會(huì)有明顯的特征差異，極大地影響NIRS譜圖分析.研究表明，現(xiàn)有的解決NIRS技術(shù)測(cè)量水溶液中有效組分的方法主要是通過(guò)化學(xué)或者物理手段使樣品由有水體系變?yōu)闊o(wú)水體系，以及光譜分析時(shí)盡量避開(kāi)水吸收力強(qiáng)的波段.封義玲等［18］運(yùn)用NIRS技術(shù)對(duì)華蓋散的濃縮終點(diǎn)進(jìn)行判斷時(shí)，先將濃縮液烘干再進(jìn)行光譜采集.陳國(guó)權(quán)等［19］使用NIRS技術(shù)檢測(cè)感冒靈提取工藝時(shí)，也是先將提取液烘干，采集除去水分后固含物的光譜.

為了避免水溶液的影響，常采用蒸干水分的辦法以達(dá)到直接排除水分干擾的目的，但在中藥的研究過(guò)程中，NIRS經(jīng)常被用來(lái)在線分析，在建模初期，如果還要增加對(duì)樣品復(fù)雜繁瑣的處理，不利于NIRS對(duì)樣品的在線監(jiān)測(cè)，影響NIRS技術(shù)操作的方便性與實(shí)用性.不僅如此，水分蒸干的過(guò)程是未知的，中藥的成分復(fù)雜，樣品本身是否會(huì)出現(xiàn)理化性質(zhì)的變化，有效成分是否會(huì)隨著蒸干的過(guò)程進(jìn)行降解或轉(zhuǎn)化，從而影響測(cè)定結(jié)果也無(wú)法檢測(cè).近年來(lái)新興的水光譜組學(xué)為解決水溶液樣品強(qiáng)吸收的問(wèn)題提供了新思路，水光譜組學(xué)能夠?qū)⒔M分的任何變化反映在與其化學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)的吸收帶和水分吸收帶上［20］.其利用水的吸收光譜特征來(lái)表征樣品，以間接的方式收集有關(guān)化學(xué)成分和環(huán)境條件的信息.水光譜組學(xué)的引入為各種水系統(tǒng)的組分測(cè)量帶來(lái)了新的可能性，并拓展了NIRS技術(shù)的應(yīng)用.與現(xiàn)有的方法相比，水光譜組學(xué)和NIRS技術(shù)的結(jié)合使用可以直接跳過(guò)除去樣品水分這一步驟，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)中水的非侵入式監(jiān)測(cè).NIRS技術(shù)檢出限約為5 000 ppm，而水光譜組學(xué)的應(yīng)用可以將檢出限降低至NIRS的1/5.水的存在不僅不影響NIRS技術(shù)的檢測(cè)，還能解決NIRS技術(shù)無(wú)法用于痕量分析這一缺點(diǎn).因?yàn)樗肿拥捏w積小且數(shù)量多，在分子水平上，水中氫鍵［21］構(gòu)成的四面體可以看成1個(gè)對(duì)內(nèi)外部變化都能靈敏響應(yīng)的傳感器和能夠放大外來(lái)的任何一個(gè)分子的放大器，放大溶液中微小濃度的影響，捕捉環(huán)境的變化.當(dāng)溶質(zhì)分子或其他化學(xué)成分與水分子相互作用時(shí)，水的光譜將代表1個(gè)高度響應(yīng)的信號(hào)，反映水分子結(jié)構(gòu)及其變化.例如，丹參中丹酚酸A含量較低，傳統(tǒng)方法難以檢測(cè)丹參提取過(guò)程中丹酚酸A的含量變化.Dong等［21］運(yùn)用NIRS技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶液中丹酚酸A的轉(zhuǎn)化反應(yīng)過(guò)程，并用光譜組學(xué)對(duì)其進(jìn)行了分析，成功檢測(cè)了丹酚酸A的轉(zhuǎn)化過(guò)程.中藥的提取過(guò)程［7］主要以水作為萃取溶劑，而使用NIRS在線監(jiān)測(cè)提取過(guò)程時(shí)，會(huì)面臨光譜中最有用的信息被強(qiáng)背景所覆蓋的問(wèn)題，Gao等［22］結(jié)合了水光譜組學(xué)，以水為探針，直觀地顯示了丹參提取過(guò)程水分子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化.陳定芳等［23］將水光譜組學(xué)應(yīng)用到中藥歸經(jīng)理論，監(jiān)測(cè)了中藥成分作用于人體巨大水系統(tǒng)的復(fù)雜過(guò)程.

2 模型通用性不強(qiáng)及對(duì)策

NIRS和化學(xué)計(jì)量學(xué)組合建立的定量模型常運(yùn)用于中藥材有效成分的含量、中間體含量和中成藥劑型含量的快速測(cè)定［24］.然而，NIRS的通用性不強(qiáng)是NIRS技術(shù)在中藥大生產(chǎn)和多成分含量測(cè)定中應(yīng)用的一大難題，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面.首先，NIRS與化學(xué)計(jì)量學(xué)結(jié)合開(kāi)發(fā)的定量模型僅適用于與原始校準(zhǔn)集具有相同特征且不超過(guò)校準(zhǔn)集光譜范圍的光譜［25］，當(dāng)樣品來(lái)源不同或新采集的樣品變異性大時(shí)，定量模型的預(yù)測(cè)性能會(huì)大幅下降，預(yù)測(cè)結(jié)果的精密度會(huì)嚴(yán)重降低；其次，當(dāng)定量模型用于不同類型NIRS儀器采集的NIRS預(yù)測(cè)時(shí)，原定量模型的性能會(huì)被損壞，建立的模型將毫無(wú)意義.

為了提高模型的通用性［26］，最常用的方法就是直接通過(guò)增大樣品的變異性和差異性來(lái)隨時(shí)更新NIRS模型，并結(jié)合更合適的化學(xué)計(jì)量方法來(lái)保持其預(yù)測(cè)性能，增加其泛化性.

為了解決模型與新光譜不匹配的問(wèn)題，有的學(xué)者提出了“模型轉(zhuǎn)移”的概念.“模型轉(zhuǎn)移”指現(xiàn)有的研究都集中在儀器之間的模型轉(zhuǎn)移，是將1臺(tái)NIRS儀器上建立的模型轉(zhuǎn)移到另1臺(tái)NIRS儀器上，實(shí)現(xiàn)模型共享且轉(zhuǎn)移的模型仍然有效.飼料領(lǐng)域［27］中，由于生產(chǎn)環(huán)境的變化，NIRS采集的在線與離線光譜差異較大，導(dǎo)致建立的NIRS模型離線光譜無(wú)法直接使用于在線檢測(cè)，大大限制了NIRS技術(shù)在飼料生產(chǎn)上的利用.王紅英等［27］基于光譜共享法的NIRS模型轉(zhuǎn)移技術(shù)建立了光譜的共享模型，既能在線監(jiān)測(cè)也能離線檢測(cè)樣品.李陽(yáng)陽(yáng)等［28］運(yùn)用了3種模型轉(zhuǎn)移算法，成功將復(fù)烤片煙常規(guī)化學(xué)成分的模型轉(zhuǎn)移到不同品牌傅里葉變換NIRS儀器上使用，并確定了最優(yōu)模型轉(zhuǎn)移算法.王大鋒等［29］以測(cè)量煙草化學(xué)成分為切入點(diǎn)，通過(guò)在經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的NIRS儀器在線建立測(cè)量煙草化學(xué)成分的定量模型，建成的定量模型可以在多臺(tái)NIRS儀器之間實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)移.這些應(yīng)用實(shí)例都可以作為NIRS在中藥應(yīng)用過(guò)程中的借鑒.

除了“模型轉(zhuǎn)移”外，Tan等［30］還提出了樣本之間的轉(zhuǎn)移，通過(guò)插入一種新的算法來(lái)矯正模型與樣品光譜不匹配的問(wèn)題，將校準(zhǔn)模型優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)優(yōu)化問(wèn)題，并通過(guò)所提出特殊算法對(duì)模型問(wèn)題進(jìn)行處理，以解決NIRS模型樣本間的遷移問(wèn)題.

3 需求樣本量大及對(duì)策

在模型的構(gòu)建上，對(duì)NIRS模型數(shù)據(jù)處理的研究越來(lái)越受到研究者的重視，有些中藥資源十分珍貴，或樣本來(lái)源受限的情況下，擁有更多的樣本來(lái)解決模型的問(wèn)題是不切實(shí)際的，無(wú)法滿足NIRS技術(shù)對(duì)于數(shù)量的要求，在樣本量小的基礎(chǔ)上建立的NIRS模型準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)能力會(huì)大大降低，NIRS模型會(huì)因?yàn)闃颖玖康奶俣苡绊?因此，解決需求樣本量大的問(wèn)題也是NIRS技術(shù)發(fā)展中的難題.已經(jīng)有學(xué)者提出了集成學(xué)習(xí)的概念［31-35］，把已有的為數(shù)不多的樣本分為3個(gè)子集，即訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集［36］，這3個(gè)子集在一定算法的運(yùn)算下分別用于構(gòu)建、優(yōu)化和測(cè)試模型.汽油的辛烷值在量化汽油質(zhì)量方面起著重要作用，傳統(tǒng)檢測(cè)汽油辛烷值的方法需要耗費(fèi)大量的時(shí)間跟成本，樣品的采集也是非常昂貴的，Noureddine等［37］應(yīng)用了NIRS的集成模型在樣本量不足的情況下準(zhǔn)確預(yù)測(cè)汽油辛烷值的最佳增壓.Yu等［38］提出一種基于功能數(shù)據(jù)分析的NIRS融合標(biāo)定模型，把原本的離散型數(shù)據(jù)模型通過(guò)功能數(shù)據(jù)分析方法轉(zhuǎn)換為函數(shù)問(wèn)題，再根據(jù)函數(shù)對(duì)所有樣本進(jìn)行訓(xùn)練，解決了小樣本問(wèn)題.煙草行業(yè)的NIRS技術(shù)主要以離線分析為主［39］，畢榮道等［40］為了解決煙草內(nèi)在質(zhì)量評(píng)價(jià)的問(wèn)題，構(gòu)建了一種以小樣本數(shù)的在線NIRS建模的方法，通過(guò)采用不同抽樣比例的算法最終確定抽樣量，所建模精度良好，可以解決煙草生產(chǎn)中取樣量少的問(wèn)題，節(jié)約了成本.

4 結(jié) 語(yǔ)

NIRS技術(shù)是一種反映分子層面的技術(shù)，需要結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)才能把分子層面的信息直觀地表達(dá)出來(lái)，其本質(zhì)任務(wù)是通過(guò)測(cè)量樣品變量，借助線性或者非線性變換來(lái)描述測(cè)定目標(biāo).然而在中藥的實(shí)際應(yīng)用中，提取與濃縮等過(guò)程離不開(kāi)水的參與，就分子層面而言，NIRS對(duì)水的強(qiáng)吸收嚴(yán)重影響了NIRS的采集與分析；NIRS技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)建模時(shí)為了保證模型的性能與精確度需要大量的樣本，而中藥資源稀缺且珍貴，無(wú)法采集足夠的樣本數(shù)據(jù)；中藥組分復(fù)雜，NIRS技術(shù)的定量模型用于測(cè)定中藥有效成分的含量時(shí)，常常伴隨著幾個(gè)組分的同時(shí)測(cè)定，而定量模型通用性不強(qiáng)，只能針對(duì)單一組分進(jìn)行檢測(cè).綜上所述，解決和完善NIRS模型系統(tǒng)的缺陷與不足是NIRS技術(shù)廣泛應(yīng)用于中藥研究的重點(diǎn).

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（責(zé)任編輯：伍利華）

Abstract：Near-infrared spectroscopy owns the properties of high speed，needless sample preparation，and simultaneous determination of multiple components in each measurement.However，as it is widely used in application，some problems have been gradually discovered.In this paper，these problems encountered in the practical application of near-infrared spectroscopy in traditional Chinese medicine are taken as the research targets.The related problems such as the difficulty of analyzing the aqueous solution system of traditional Chinese medicine samples by near-infrared spectroscopy，the large sample size required for modeling，and the poor universality of the model are discussed.Suggestions and prospects are put forward to provide reference for the further application of near-infrared technology in the traditional Chinese medicine industry.

Key words：near infrared spectroscopy;water spectroomics;universality;model transfer;sample size

基金項(xiàng)目：2017年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC1701900）；四川省2021—2023年高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項(xiàng)目（JG2021-1106）；成都大學(xué)2021—2023年研究生人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目（cdjgy2022004）

作者簡(jiǎn)介：鄧 妍（2002—），女，從事中藥新藥開(kāi)發(fā)及質(zhì)量再評(píng)價(jià)研究.E-mail：3031458049@qq.com

通信作者：劉 濤（1976—），男，博士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事中藥再評(píng)價(jià)研究.E-mail：liutao0578@sina.com