红外光谱仪在中药质量研究中的应用
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红外光谱仪在中药质量研究中的应用


       摘要:红外光谱仪分析技术具有操作简便、快速、无损、无污染、多组分同时测定等优势而备受关注,本 文通过查阅近年来国内外文献,对中红外、近红外光谱技术在中药真伪优劣鉴别、中药活性成分定量分析、 中药制剂质量控制、中药生产工艺过程中在线检测等方面研究中的应用进行综述。随着红外技术及相关理 论的发展,红外光谱将在中药研究领域具有广阔的发展前景。
       红外光谱通常是指频率在14 300-20 cm-1 (0.7-500 ^m)范围内的电磁波。通常将红外光谱 分为3个区域:近红外区(0.78-3 ^m)、中红外区 (3-50 pm)、远红外区(50-100 ^m)。近红外光谱 主要是分子内原子的C-H、O-H、N-H等含氢基团 振动光谱的倍频和合频吸收,可对样品进行定性分 析,多用于定量分析;中红外光谱属于分子的基频 振动光谱,多用于样品的定性分析;远红外光谱为 分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。红外光谱 仪主要分为色散型红外光谱仪和傅里叶光栅光谱 仪。为近年来迅速发展起来的一项新的检测技术, 能够高效、快速和低成本、准确地对固体、液体及粉 末状的有机物样品进行无损检测。而中药本身为 一个极其复杂的混合物体系,它们的鉴别和质量控 制、有效成分的确定和定量分析,一直是中医药领 域的一个难题[1]。红外指纹图谱专属性强,重现性 好,操作方便,能够提供极其丰富的分子信息。近年 来,红外光谱已成为中药研究中必不可少的工具[2], 该方法广泛用于制药[3-6]、医学检验[7]、中药分析[9-17] 等领域。在国内,孙素琴团队创立了 “多级红外光谱 宏观指纹分析法”,并结合化学计量学方法应用于中 药质量监控研究,并获得了丰硕成果[18];浙江大学在 线近红外研究团队对复方苦参注射液、痰热清注射 液等产品生产过程指标成分进行在线监测[192°]。随 着红外光谱技术、计算机科学及化学计量学的发展, 该方法越来越广泛的应用于中药材和中药制剂的定 性和定量分析,本文就近年来近红外和中红外光谱 法在中药领域的研究与应用概况进行综述。
1红外光谱在中药材定性和定量分析中的应用
1.1中药材的真伪鉴别
中药材来源的真伪直接影响到中药饮片及其制 剂的质量,只有从源头对中药的真伪进行鉴别,保 证中药质量的好坏,才能从根本上解决市场上中药 品种混乱、以假乱真、以次充好的现象,从而进行中 药市场规范化管理。传统的中药鉴别方法以经验 法、显微法和理化鉴别为主,其中经验法在很大程
度上受主观因素的影响,而显微法和理化鉴别法需 对样品进行复杂处理、耗时耗力,且显现的是中药 材中单一成分或部分成分的信息。红外光谱可以系 统、全面的反应中药材不同种属、不同产地、不同炮 制方法等在化学成分上存在的差异,为中药的鉴别 提供科学的依据。
1.1.1中药材的分类鉴别
周晔等[21]利用傅里叶变换光谱结合光谱共有 峰率、变异峰率双指标系列和二阶导数光谱法对胡 椒属7种药用植物进行分析,结果表明胡椒属药用 植物海风藤及同属其他植物光谱存在差异。孙国明 等[22]采用近红外光谱结合聚类分析法对独活属18 种药用植物进行研究,结果表明该方法与经典分类 学分析相一致。类似的研究尚有,近红外光谱和傅 里叶变换光谱法用于阿魏亚族[23]和石斛属[24]药用 植物的鉴别。采用红外光谱法进行中药材的分类, 是建立在样品化学成分的差异,从而图谱的差异反 映了分子组成的的差异,与传统的形态鉴别和分析 分类方法相比,红外光谱法可快速、无损地用于中 药分类及亲缘关系的分析及品种的鉴别。
1.1.2中药材掺杂鉴别
中药材以假乱真、以次充好的现象在市场上尤 为普遍,尤其是一些名贵中药或药材粉末,很难从 外形上区分其质量的好坏,因此需要借助相关的技 术对其进行快速检测。周健等[25]利用傅里叶变换 红外光谱结合二阶导数光谱法,测定了天然麝香及 其伪品的红外光谱,获得麝香的特征吸收峰,该指 纹特征可作为天然麝香、市售麝香、人工麝香及其 伪品鉴别依据。钟建理等[26]和Zhu X R等[27]分别 采用近红外光谱法结合化学计量学的方法,建立分 类模型用于沉香和蜂蜜的真伪及掺杂鉴别。中药种 类繁多,真伪混乱,故真伪鉴别是一项重要任务,红 外光谱法较性状鉴别、显微鉴别和理化鉴别等方法 快速与无损,对中药的质量控制具有重要意义。
1.2    中药的优劣鉴别
中药材的产地、药用部位、采收时期和炮制方法 等因素会影响中药材中有效成分的含量,从而影响 到药材的质量。只有确定合理的药用部位、采收时 间及炮制方法,才能获得质优、效佳的中药材,从而 保证中药的临床疗效。
1.2.1中药材产地的鉴别
优质的中药材是特定地理环境和气候等因素共 同作用的结果,道地药材大多产地适宜、品种优良、 产量宏丰、疗效显著。当前,道地药材的形成和鉴 别研究是人们关注的重点。近年来,学者们采用红 外光谱法对中药不同产地的药材品种进行系统的 研究。毛晓丽等[28]对广西4个产地144个两面针 样品进行模式识别研究,结果表明该方法可准确地 提取样品的整体信息,所建模型对未知样品进行预 测的识别率达90%。袁玉峰等[29]利用傅里叶变换 红外光谱法结合主成分分析方法对6个不同产地 的黄柏进行研究,结果表明前3个主成分数的累积 贡献率达到98%,样本在空间聚集成不同的类别。 Anastasaki E等[3]对4个不同产地250个藏红花样 品进行鉴别,红外光谱对藏红花的柱头及其乙醚提 取液的分类校正判别率为93.6%,对希腊、伊朗、意 大利、西班牙4个不同产地的藏红花进行准确识别。 Li B X等[31]采集81个不同产地党参的近红外光谱, 主成分分析、随机森林法和K最近邻法对党参的产 地进行鉴别。刘文杰等[32]采用傅里叶红外光谱法 测定了 4个不同产地的环草石斛光谱图,通过比较 谱峰强度的差异,可对其进行鉴别。
药材的道地性主要通过外观、所含次生代谢产 物、生境等特征来体现,传统的鉴别和认定主要以 产地和主观经验划分,红外光谱以整体性、全息性 等特点在道地性诠释及鉴别提出新的方法。
1.2.2      同种中药不同部位的鉴别
在中药的临床应用中,药材不同部位的功效存 在一定的差异,为了确定药用的合理性,需要借助 一定的方法对药材进行科学区分。史国玉等[33]采用 红外光谱三级鉴别法对丹参根、茎、叶和花4个不同 部位的不同提取方法进行分析研究,一维图谱表明 花与根的相似度较高;二阶导数可提高分辨率谱,近 一步证明丹参不同部位具有差异。张声俊等[34]采用 傅里叶变换光谱及其二阶导数谱对动物药全蝎由 表及里8个部位的药材粉末进行分析,发现全蝎不 同部位的红外光谱较为相似,而原始光谱通过二阶 求导后峰位置和峰的强度有明显差异,即样品不同 部位所含化学成分具有差异。李建蕊等[35]亦用红 外光谱法对三七的主根、剪口、筋条、绒根及形成层 以外不同部位进行研究,找出各部位的光谱特征, 化学之间的差异及相关性。随着中药传统非药用部 位的兴起,被弃用的部分逐渐被重视,部分中药非 药用部位中主要有效成分的含量高于传统药用部
位的含量,红外光谱对中药不同部位的分析与研究 为中药资源的可持续利用提供一定的依据。
1.2.3         药材不同采收期的鉴别
中药材不同采收期的选择直接影响到中药材的 质量,根据传统经验皮类药材在其形成层活动旺盛 时采收,叶类药材在其叶茂盛的夏季采收,根茎类 宜秋冬季节采收。刘素利等[36]用红外光谱及主成 分分析方法对16批次采收于春季和秋季的黄芩药 材进行鉴别。对比红外谱图中特征峰的峰形的相对 强度发现,春季黄芩中黄酮类、酷类的含量要高于 秋季黄芩;二阶导数谱表明春季黄芩中糖类成分要 高,而秋季黄芩所含的纤维素成分含量高;主成分 分析方法可以快速判别黄芩样本的采收季节,为黄 芩适时采收提供了一定的依据。
Shi J Y等[37]用近红外光谱结合化学计量学方法 对120个不同颜色(绿色、黄绿色、黄色)的银杏叶样 品进行分析,结果表明随着银杏叶的颜色由绿转黄, 其所含的总黄酮量逐渐增加;所测的3种不同颜色 银杏叶总黄酮的平均含量分别为7.55 mg-g-1,15.72 mg‘g'26.39 mg'g-。随着生长时间的变化,中药所 含有效成分发生变化,药效亦有差异,由此对其的研 究具有重要意义。与高效液相色谱法相比,红外光 谱法可简单、快速和准确地对不同采收期样品进行 测定。
1.2.4         炮制品的鉴别

炮制对药物具有增效、减毒作用,中药炮制过 程中某些成分发生了变化,进而会导致其生理活性 的变化。因此,在中药的炮制过程中,实时监测其 有效成分尤为重要。李冰宁等[38]用红外光谱技术 对中药水蛭的炮制过程进行研究,发现水蛭鲜品中 酰胺I与酰胺n带的自动峰的强度比炮制品的更 为显著,说明水蛭炮制过程中蛋白质的空间构像被 破坏、氢键断裂,导致变性失活,且水蛭中脂肪酸和 甾醇类成分也发生变化,阐明了水蛭在炮制过程中 所含化学成分的变化。纪鹏等[39]利用傅里叶红外 光谱法结合化学计量学方法对生当归和不同炮制 品(酒当归、油当归、土当归、当归碳)中多糖进行研 究,并建立判别模型,通过外部验证,判别正确率达 93.9%。黄冬兰等[4]对生三七和熟三七进行研究, 通过对光谱变化规律进行分析,阐明了三七炮制前 后化学成分的变化。不同的中药炮制品在临床使用 范围有所不同,开展中药炮制品的红外光谱研究, 实现炮制前后质量分析,对其合理和安全的使用具 有重要意义。
1.3中药材活性成分的定量分析
红外光谱法与常用的定量分析方法相比具有快 速、简便、无损等特点,它可以全面反应中药分子结 构,具有较强的敏感性,因而越来越多的应用到中 药材及中药制剂的定量检测中。
徐宁等[41]利用近红外光谱对发酵冬虫夏草菌 粉水分、腺苷进行定量测定,研究发现通过对特定 波段的选择并结合偏最小二乘法分别对水分、腺苷 建立回归模型,可对发酵冬虫夏草菌粉中水分和腺 苷含量进行快速测定。孔德鑫等[42]用傅里叶红外 光谱对曼地亚和南方红豆杉不同部位紫杉醇含量 进行分析与评价,结果表明,运用傅里叶变换光谱 结合外标法、二阶导数和线性拟合方法,可以快速 分析评价两种红豆杉及其不同部位紫杉醇含量的 差异。张娟娟等[43]用近红外光谱法建立了麦冬中 总皂苷及总黄酮的定量测定方法。唐进法等[44]运 用近红外光谱法,以高效液相色谱法为对照,建立 了快速、无损的测定柴胡药材中柴胡皂苷A的含量 测定方法。Sha。Q S等[45]用傅里叶近红外法结合 偏最小二■乘法对白术中白术内酷I和n进行定量 测定。偏最小二乘法把光谱数据分解和回归进行融 合,有效的降维,得到的特征因子与被测成分相关, 光谱最大程度的反应被测样品的信息,将噪声降到 最小,该方法广泛用于定量模型的建立。
综上所述,红外光谱法结合光谱预处理,可以提 高图谱的分辨率,减少光谱噪声、光散射及样品不 均勻等对模型的影响,提高定性和定量模型的预测 精度和稳健性;结合聚类分析、主成分分析、偏最小 二乘判别分析化学计量学方法,可以挖掘样品原始 光谱中潜在的变量,在客观的评价中药材的来源、 真伪优劣的鉴别和评价起到重要作用。
2    红外光谱法在中药制剂分析中的应用
中药制剂质量的真实性、优良性和稳定性,是建 立中药制剂现代质量标准体系的核心之一,是解决 药品质量控制及监管的关键途径。对中药制剂生 产过程中进行在线检测,可以从动态控制中药的生 产,提高中药生产过程的稳定性和可控性。
2.1    中药制剂及主要有效成分的检测
李斌等[3]采用近红外光谱法对16个不同厂家六味地黄丸进行研究,通过对红外光谱模型的优 化,建模样品集样品的相关系数、校正标准差和平 均相对误差分别为0.904 6%、0.058%、6.12%,表明 指纹图谱实测值和预测值之间存在良好的线性关 系,红外光谱直观的反映出不同生产厂家之间产品 质量的差异。黄冬兰等[46]用一维红外光谱、二阶导 数谱和二维相关红外光谱的红外光谱“三级鉴定” 技术测定了桂林三金西瓜霜系列产品的红外光谱 图,根据光谱特征峰能够准确、全面的反映出不同 产品中主要化学成分及所添加的辅料的差异。白雁 等[47]用近红外光谱法结合高效液相色谱法对杞菊 地黄丸中主要药效成分丹皮酚的含量进行测定。结 果表明,两种方法对该中成药中丹皮酚的含量测定 无显著性差异。李蕾蕾等[48]用近红外光谱法结合 偏最小二乘判别分析法快速和准确的建立了枇杷 叶中齐墩果酸的定量分析模型。目前,中药活性成 分测定多为有损检测,大量样品的测定耗费样品及 耗时。红外光谱测定过程无需对样品进行复杂预处 理,结合化学计量学方法,建立数学模型,适用于中 药中活性成分的快速及无损检测。
2.2    中药生产过程的在线检测
中药的提取、分离、浓缩等生产过程是中药生产 过程中关键环节,而在传统的提取、浓缩等过程中 主要以提取时间或经验作为其判断终点的指标。然 而中药物质组成复杂,不同批次的药材之间存在差 异,从而造成提取终点与规定时间不相吻合,出现 提取时间过长或过短的情况,而这些因素都会直接 影响中药中有效成分的含量。近年来,红外光谱作 为一种新的在线实时监测方法应用于中药生产过 程中。近红外透反射方法可以利用于中药渗漉过程 中的快速分析,该方法比常规检测方法简便、快速, 适用于中药制剂生产过程中在线检测和实时控制。
姜博海等[49]应用红外光谱结合偏最小二乘回 归法、以高效液相色谱法为对照,建立了伤疖膏制 备过程提取液中黄芩苷定量模型,结果表明两种方 法所得的测量值基本吻合。刘桦等[5°]利用近红外 光谱法并结合高效液相色谱法和多元统计分析方 法,建立了积雪草药材柱层析过程中羟基积雪草苷 和积雪草苷的定量检测模型。陈晨等[51]用近红外 透反射光谱技术结合高效液相色谱法和偏最小二 乘法对复方苦参注射液渗漉液中氧化槐果碱、氧化 苦参碱、总糖、固体总量进行快速测定。类似研究 尚有,张金巍等[52]利用近红外光谱技术建立了芍药 苷提取浓缩过程中定量模型。涂瑶生等[53]运用近 红外光谱法结合高效液相色谱法快速测定川乌提 取与浓缩过程中单酷型生物碱类成分,进而准确的 判断提取、浓缩终点。近红外光谱信号较弱,信噪 比较高,结合化学计量学方法能够有效提取目标成 分的信息,广泛应用于中药定量分析;可实现完整 样品的检测,可透过包装材料进行测定,较适合中 药生产过程的分析,为实现中药全程实时质量监控 提供了科学依据。
诸多研究表明,近红外光谱作为一种快速、无 损和灵敏的分析方法,能同时准确和精密测定样品 中单一、多个组分的含量且无需大量的样品的制备; 近红外在常规光纤中具有良好的传输特性,使其在 线性分析领域起到重要作用,克服了传统离线分析 技术样品预处理复杂及分析结果繁琐的缺点。已用 于生产中质量实时和在线监控,为中药现代化生产 提供借鉴。
3展望
综上所述,中药红外光谱法较其他理化方法更 加简便、专属性强,可以提供被测物指纹信息。红 外光谱为中药化学成分和结构研究的重要方法,该 种方法可以系统、全面的反映内部特征。目前,红 外光谱法广泛用于中药材真伪优劣鉴别、中药活性 成分定量分析、中药制剂在线检测。然而,红外光 谱也存在许多缺点,如不同方法提取光谱信息存在 差异、样品取样数量大、数据处理较为复杂、不同仪 器之间重现性相对差、模型通用性较弱等。随着光 谱测定技术、计算机科学的发展,红外光谱将很好 地与计算机科学及化学计量学结合,更好的应用于 中药领域的研究。