高效近红外光谱分析技术在药物分析中的应用

周庆成　张香芹　车　鑫

摘要：高效近红外光谱分析技术对快速分析或实时检测是非常理想的技术手段，是大型石油化工，农业，制药，食品加工等工业生产所必须依靠的重要分析技术之一。本文重点阐述了高效近红外光谱技术在药物分析中的应用, 并且简单介绍了该技术的特点和各种分析方法的原理。

关键词：高效近红外光谱；药物分析

1引言

高效近红外光谱分析技术（NIRS）是在近十几年内发展最快的分析新“绿色钢铁侠”，对快速分析或实时检测是非常理想的技术手段，是大型石油化工，农业，制药，食品加工等工业生产所必须依靠的重要分析技术之一。该技术具有被分析样品用量少、无破坏、无污染、高效、快速、成本低和绿色环保等特点[1]，在几秒或几毫秒时间内可同时测量被分析物的十几种质量参数，显著降低了分析设备的投资与维护费用, 测量信号的数字化和分析过程的绿色化又使其具有典型的时代特征，成为了传统药物分析方法的补充和新发展的方向。《中国药典》（2005年版）已经将近红外光谱分析方法收录,主要用于复杂样品的直接快速分析[2]。

2高效近红外光谱分析技术在药物分析中的应用

2.1高效近红外光谱分析技术在药物制剂分析中的应用非常广泛，主要应用在对药物制剂的鉴别和分类、制剂中活性组分的含量测定、水分的测定和原粉制剂均匀度控制等方面

应用高效近红外光谱分析技术对药物制剂进行鉴别和分类，首先应该建立起参考谱库，然后进行数据的预处理和数据评估，最后对数据库的专属性和耐用性进行验证。用高效近红外光谱分析技术可以快速对已有谱图的未知药物进行鉴别和分类。张中湖等建立了快速、有效鉴别不同厂家生产的甲硝唑片的方法：直接采集样品的近红外漫反射光谱，并进行褶合变换-可视化指纹图谱-相似系数分析，根据相似系数即可鉴别不同厂家的样品。

药物中的活性组分是药物的核心部分,也是决定其药效的主要成分。其质量和含量直接影响药物的疗效。高效近红外光谱分析技术可以迅速在线监测药物加工过程中活性组分的含量,有利于在生产过程中适时调节其含量，最终得到合格的药剂产品。范积平等建立大黄主要活性成分蒽醌类化合物含量测定的近红外光谱法。以高效液相色谱法测定3种不同产地大黄的大黄素、大黄酚、大黄酸、芦荟大黄素的含量，并用41个样品建立近红外光谱校正方程并经优化、验证，预测大黄样品中各主要活性成分的含量，较好的测定了药物中的活性组分。

药物中的水分包括结晶水和吸附水，利用高效近红外光谱分析技术可以快速测定药物中的含水量。屈凌波等在头孢片剂固体样品物理化学性质测定方面应用近红外光谱分析，结果显示可以得到满意的各种水分含量的测定结果。

在原粉制剂的生产过程中，药物活性组分混合的均匀性对药物的质量十分重要。均匀程度会直接影响产品的质量，从而影响药效和安全性，所以有必要通过对粉末均匀度的测定和控制来保证药品的安全有效。马群等以安宫牛黄丸为对象研究原粉制剂均匀度的控制方法，该方法能够用来控制安宫牛黄丸原料的均匀度，并为利用 NIRS技术对药材原粉的均匀度测量和对中成药原粉产品的质量控制提供基础依据。

2.2高效近红外光谱分析技术在中药材(中成药)的质量控制方面也有着及其重要的应用，主要有中药材的真伪和产地鉴别、中药有效成分的测定等方面

中药品种繁多，应用历史悠久，其安全性和有效性毋庸置疑。传统的经验鉴别主要根据药材的外观性状直接利用感官达到鉴别的目的，使中药的稳定性制约了中药的进一步发展。丁念亚等人利用近红外光谱和化学计量学方法对几种常见的中药材（白芷、葛根、白术、白芍、当归、魔芋）进行了分类，另外还对模似的伪劣药材样品进行了真伪鉴别。赵龙莲等人利用傅里叶变换近红外光谱仪采集了中药大黄的近红外漫反射光谱，提取光谱的主成分和小波包熵等特征信息，利用 Fisher 分类器对中药大黄的真伪进行了鉴别。通过比较得出了采用小波包熵特征信息建模和预测误判率比采用主成分低。其建模集交叉验证的误判率为6.152 %，预测集的误判率是2.104 %。刘沭华等以白芷和丹参为例用近红外漫反射光谱数据、应用多类支持向量机方法对中药材产地及生长条件进行自动鉴别，并进一步用递归支持向量机等方法选择对分类最有效的特征谱段。结果在仅用5个和8个特征谱段的情况下在独立的测试集上达到了92%的识别正确率。这一研究既为建立快速准确的中药材产地自动鉴别系统提供了技术原型，也为进一步探索不同产地的中药材在化学成分上的细微差异及研究它们与药效的关系奠定了基础。

中药材(中成药)的质量控制是中药现代化进程中亟待解决的关键问题之一。但由于中药(特别是中成药)的成分十分复杂，对其有效成份的测定非常困难，但可以选用高效近红外光谱分析技术,结合计算机可视化方法，借助化学计量学的定性分析手段，建立一套分析速度快、准确度高、操作简便的中药指纹图谱鉴别方法[3]。目前，美国FDA、英国草药典、印度草药典、德国药用植物学会、加拿大药用植物学会均接受指纹图谱的质控方法。

谷筱玉等人利用从近红外光谱方法测量中药有效成分的基础研究入手，以冰片含量的检测为例，尝试采用不同的波长选择算法对校正模型的波长进行优化选择，提高了中药有效成分的测量精度。瞿海斌等人以黄连浸膏粉为对象 ,以 HPLC作为参比方法，建立了对其中主要生物碱含量进行快速无损测定的NIR光谱分析法。该方法的分析结果准确可靠，重现性、稳定性和加样回收率均良好，可望发展为一种植物提取物有效组分含量的快速测定方法。

3高效近红外光谱分析技术在药物分析中的应用包括定性和定量分析

3.1定性方法[4]主要有相关系数法、主成分分析法（Principal Component AnalysisPCA）、马氏距离法（Mahalanobis Distance MD）等

相关系数法是最广泛使用的相似性判别方法,它是己知的平均光谱与样品光谱特征值之间的夹角余弦。理论上，若两个谱图完全相同,则相关系数为1；但由于测量误差和噪音的影响,相关系数总是接近于1。使用相关系数进行判别分析的优点是，它的校正集谱库大小与浓度变化无关。

主成分分析法是通过主成分得分构筑的主成分空间进行样品定性判断。在多维空间中,某一类物质的主成分得分会聚成一族。该方法的优点是不需选择波长，同时减少了因噪音而产生的影响。任玉林等人研究了近红外漫反射一阶导数光谱法作安体舒通粉末药品质量控制的可能性，用多变量统计分类技术逐步聚类分析、主成分分析和逐步判别分析，从安体舒通粉末药品的近红外漫反射一阶导数光谱成功地鉴别了真、劣和假药, 结果令人满意。

马氏距离法的核心是通过多波长下的光谱距离定量描述出测量样本离校正集样本的位置，因而在光谱匹配异常点检测和模型外推方面都很有用。

3.2定量分析方法主要有主成分回归法（PCR）、偏最小二乘法（PLS）、人工神经网络法（Artificial Neural NetworksANN）、逐步回归分析（SLR）法等

主成分回归法（PCR）的原理与PCA相同，PCR在解释光谱数据时起着重要作用，从主成分权重图中能够确定主成分与哪个组份有关，但确切而全面地解释每个主成分代表什么迄今仍是最难解决的问题。

偏最小二乘法（PLS）是一种全光谱分析方法，充分利用多个波长下的有用信息，无需刻意的选择波长，并能滤去原始数据噪音，提高信噪比，解决交互影响的非线性问题，很合适在NIR中使用。唐海霞等通过近红外漫反射光谱法，采用偏最小二乘法，并选择一阶导数光谱及对其他因子进行了优化，建立了数学模型，对实际样品的四个主成分含量进行了测定，同时以高效液相分析法作参照比较。结果48个样品经内部交叉验证，相关系数分别达到了 0.9949、0.9997、0.9991、0.9985。赵文萃等研究了应用偏最小二乘法同近红外漫反射光谱法结合，对西米替丁片剂药品进行无损非破坏定量分析，建立了最佳的数学校正模型。讨论了波长间隔和主成分数对 PLS定量预测能力的影响，预测了未知样品。

近年来兴起的人工神经网络法研究，根据样品各组分的光谱数据建立人工神经网络模型，预测未知样品并讨论影响网络的各参数。ANN法的最大优点是其抗干扰、抗噪音及强大的非线性转换能力，对于某些特殊情况ANN会得到更小的校正误差和预测误差，并且它的预示结果要稍优于PLS（t检验无显著差异）。杨南林等用近红外光谱测定发酵冬虫夏草中甘露醇的含量，分别采用 PCR、PLSR 与BP2ANN 方法建立校正模型，BP2ANN法所得预测误差为0.608%，相对预测误差为 5.362%，相关系数为 0.9177，均优于PCR和 PLSR法。此外，研究结果显示适当采用线性神经元，可进一步提高BP2ANN校正模型的预测性能和稳定性。

逐步回归分析（SLR）法是从对因变量有影响的许多变量中，选择一些变量作为自变量建立“最优”回归方程，对因变量进行预报和控制。其基本思想是经过反复搜索，选择出包含待测成分信息量最大的波长点以及能表征主要背景的波长点，用这些波长点的吸光度与样品组分含量的线形函数组成的线形方程来预测未知样品。

4综述

NIRS技术已在制药过程控制分析和药物制剂分析中得到了成功的应用，给制药企业带来了光明。它可以测定药品的许多参数(如评定不溶解物、包衣厚度、失活时间等)，为在线和实时的分析提供了更为严格的质量控制分析方法。可以降低次品率，从而降低生产成本，是一种在制药过程控制分析中具有应用潜力的分析工具。NIRS技术在对药物制剂的鉴别和分类、制剂中活性组分的含量测定、水分的测定和原粉制剂均匀度控制等方面发挥了重要作用。并在中药材的真伪和产地鉴别、中药有效成分的测定等方面表现出很大的优越性。随着科技的进一步发展，NIRS技术必将在药物分析中占据越来越重要的位置。

参考文献

[1]南劲松，孟庆繁，郭伟良等。近红外光谱-径向基神经网络在异姻肼片无损定量分析中的应用。分析测试学报：第26卷第5期，2007-9

[2]黄安丽。近红外光谱在假药识别中的应用。中国药业：第17卷第2期，2008

[3]黄英华，乐焕龙，傅宜磊等。注射用奥芙拉唑钠水分含量的近红外漫反射光谱法的测定。中国医药工业杂志：第36卷第6期，2005

[4]于海燕，应义斌，傅霞萍。近红外透射光谱应用于黄酒酒龄的定性分析。光谱学与光谱分析：第27卷第5期，2007