电子舌在药学领域的应用

刘瑞新，吴子丹，李学林

药学的发展与人类的健康事业息息相关。在药学领域，以“神农尝百草”为滥觞，千百年来，人类借助基本的感觉器官，通过口尝、眼观、鼻嗅、耳听、手触，进行最原始的药物筛选、鉴别、质控与分析等[1]，这些方法具有简便、灵活的特点，在药学发展的历史长河中起到了至关重要的作用，但因其同时具备模糊、易疲劳、主观性强、重复性差等不足，因此不能适应发展的需求。

随着社会的进步和科技的发展，许多先进的仪器改进了人类感官手段的不足。其中，最具代表性的味觉指纹技术（电子舌技术）即是利用对人体感官的模拟而产生的新的仿生技术。它整合了人工智能、现代分析等多种技术，兼有人类感觉器官和现代分析技术的双重优势，具备灵敏度高、可靠性强、重复性好等诸多优势，因此具有良好的应用前景和发展潜力。目前在环境、航天、食品、医学[2]、药品[3～4]等多个领域均有所涉及、应用，而在新药研发、制剂工艺的优选[3]、经方的改良，药材的鉴定、药品的质控、药物的分析[5]等多个药学领域中也得到了相应的应用。本文旨在简要介绍电子舌的工作原理、分类及特点，归纳其近年来在药学领域中的应用及前景。

1 电子舌介绍

1.1 电子舌原理

电子舌(Electronic-Tongue，E-Tongue)是一种运用味觉指纹分析技术（Gustation Fingerprint Analytical Technique，GFAT）模拟人体味觉器官的仪器，是一种分析、识别液体“味道”的新型检测手段，是近几年发展起来的基于味觉传感器和化学信息学处理方法的味觉识别、检测技术。它得到的不是被测样品中某种或某几种成分的定性与定量结果，而是样品的整体信息，又称作“指纹”数据[6～7]。目前国内外用于苦味研究的电子舌主要有离子选择电极、多通道类脂膜传感器、伏安法式电子舌和Astree电子舌[8]。

电子舌的使用与生物系统的材料作传感器的敏感膜类似，当味觉物质在薄膜上被吸收，数据便通过敏感膜上电位的变化而获得[9]，继而由计算机对数据进行模式识别，得到反映样品味觉特征的结果。与人体感官舌相比，电子舌具有客观性、重复性、不疲劳、检测速度快、数据电子化和易描述、易保存的优点[10]。

1.2 传感器分类与介绍

1.2.1 离子选择电极 离子选择电极（ISE）是一种对某种特定的离子具有选择性的指示电极，它通过电极间（工作电极与参比电极）膜电势的大小来反映样品离子的浓度信息，是电子舌发展史上第一个电势传感器，并且由于其设备简单、操作方便、分析时间短、易于实现自动检测、价格低廉等优点，在工业自动分析、环境检测、医疗卫生等方面得到广泛应用[11]。

1.2.2 多通道类脂膜传感器 多通道类脂膜传感器是1990年，由Kiyoshi Toko[12]等人研制的第一个基于非特定传感器方法的液体分析多传感器系统。目前在国外多用于掩味研究的系统。多通道即传感器阵列由多个含有类脂膜的电极构成，类脂膜安装在塑料管上，管末端的塞子上装有 Ag/AgC1参比电极，管内盛有3 molL-1的 KCl溶液，然后电极连接到放大器。当苦味物质与类脂膜反应时，类脂聚合物表面的电荷密度改变或膜表面附近的离子分布改变，得到传感器的响应值，再通过放大，用化学计量统计学进行数据分析[13]。

1.2.3 伏安式电子舌 伏安法式电子舌由4个工作电极(Au，Ir，Pt，Re)、1个 Ag/AgC1参比电极和1个不锈钢辅助电极组成。工作电极接入继电盒，与其他2个电极分别构成三电极结构。当工作电极和参比电极给予电压时，溶液中电解质将发生氧化或还原，从而工作电极和辅助电极间产生电流，收集整个脉冲过程数据，然后用多变量数据分析法分析。

1.2.4 Astree电子舌 Astree电子舌是由法国阿尔法莫公司研发，改善了以往电子舌寿命短的弊端，寿命长达1年。Astree电子舌的传感器是由包裹有机层的二氧化硅晶体管组成，保证了传感器的灵敏度和选择性。该电子舌可用于分析有毒样品或成分，与人群试验及高效液相色谱分析结果相拟合，还可以分析液体及可溶性样品。挑选代表不同苦味表征的标准药品来建立苦度模型，不同化学结构和功能的标准化学药品充分的体现了药品的不同类别的苦度，建立校准曲线，以拟合人工评分和仪器评分，然后用于测试新样品的苦度值[8]。

2 味觉指纹技术在药学领域的应用

2.1 药物味道的区分及呈味规律的揭示

现代研究发现，不同的物质能够引起人体不同的味觉感受，如酸味主要是由氢离子引起，如盐酸、氨基酸、柠檬酸等；咸味主要是由NaCl引起；甜味主要是由蔗糖、葡萄糖等引起；苦味是由奎宁、咖啡因等引起；鲜味是由海藻中的谷氨酸单钠（MSG）、鱼和肉中的肌苷酸二钠（IMP）、蘑菇中的钨苷酸二钠等引起[9]。目前对物质的味觉评价方法包括体内和体外两类，其中分别以人群口尝和味觉指纹技术的方法为代表。

人群口尝的方法对药物成分的味道进行描述，大多依靠专业人员的感官评定，但是这种评价人为因素大、重复性差，难以适应现代标准化控制的需要，并对实验人员的健康构成潜在威胁，难免会受到人类伦理委员会的抨击，所以，现在药品研发阶段多使用味觉指纹技术对未知药品的味道进行评价，特别是对未知毒性的新化学实体（New Chemical Entities，NCE）的味道进行评价，电子舌技术恰恰可以安全、快速的对药品味道进行评价，故现在药品研发的初级阶段，多使用电子舌对其味觉进行预测[14]从而选择最佳NCE及相应制剂形式、确定研发配方，或拟合安慰剂的配方。

Zheng 和Keeney[3]曾用αAstree对药物的苦度进行评价，他们根据不同物质苦味响应值的不同对其进行了分级。具体方法是他们将咖啡因、对乙酰氨基酚、苯硫脲、氢化泼尼松、奎宁、盐酸雷尼替丁、蔗糖八醋酸酯等物质溶解在纯化水中并制成同一浓度溶液，再运用距离计算的方法对其苦度进行评价与测定。然而，未经过人群口感验证的结果未必是正确的，故距离计算与苦味响应值之间的关系仍然值得进一步深入研究。

2.2 药物不良味道的掩盖及掩味效果评价

药物的不良气味、滋味繁杂，其中苦味是最让人难以接受的。然而不幸的是，大多数味觉不佳的活性药物成分（API）也都是苦味的[15]。人们常使用添加各种苦味抑制剂[16]的方法（Bitterness Suppressants，BS）从根本上抑制苦味感觉的产生；还常依靠加入甜味剂或芳香剂等手段，增加物质的甜味、鲜味等，进而强化美味刺激而弱化恶味刺激[17]。但是，若不通过BS等有效抑制苦味，单靠加入甜味剂和芳香剂无法从根本上达到掩味的目的，反而可能使药物的味道特别是中药汤剂的味道更加“五味杂陈”。怎样才能将药物的不良味道进行安全、有效地掩盖，并对其苦味掩盖的效果进行评价呢？

通过前面的介绍，我们知道电子舌可以对药物的味觉进行评价，它能够模拟味蕾的口腔结构及对致味分子的敏感性产生对味觉感应，其腔状传感器结构及化学选择区域效应有机脂生物膜对物质的反应起到拟合味蕾的作用[6]，从而可对药物的不同味道进行区分，成药的不同口感进行比较，还能对药物不良气味掩盖分析结果进行分析，快速有效的测试和筛选大量的备选配方，开发选择符合消费者口味的产品，避免重复开发或开发不受欢迎的产品。

与此同时，味觉传感器电子舌还能对物质进行苦度测试，在国外常用作对药物不良气味掩味效果的评价[18～19]。与THTPM相比，电子舌具有客观性、重复性、不疲劳、检测速度快、数据电子化和易描述、易保存的优点。相关的研究已有文献报道[3,15,19～20]，如用甜味剂、醋酸钠、氯化钠、脱苦粉等对奎宁的掩味，可以用E-tongue进行有效评价[3]；用E-tongue对七种药物的苦味等级进行排序等。

Rachid[21]等做过肾上腺素类药物的苦味预测模型的研究。通过αAstree电子舌对已进行苦味分级的物质进行距离计算，得到苦味值并建立苦味数据库，再根据厂商提供的物质的口尝评价值对数据库进行验证。这个模型可做为苦味预测模型，对已添加不同辅料的药物的掩味效果进行评价。

Legin等[22]也做过用电子舌辨别掩味前后药物不同味道的研究。它是将药物掩味前后的味道进行了量化，能成功辨别不同味道的物质，将其分类。特别是对添加增甜剂和加香剂之后的物质能够准确辨别其与未添加的药物的味道区别。

2.3 药品的质量控制

近年来电子舌在中草药质量控制方面的研究与报道逐年增多[23]。它不仅能对不同产地的药物进行辨别，而且能判定未知中草药提取液的浓度[24]；还能对比不同溶剂提取的药物主成分的优劣等。

李文敏和吴纯洁[25]等人做过相关的研究，他们认为药物具有不同的味道，特别是中药，其特殊的味道评价药物质量的一个中药依据，如乌梅、木瓜、山楂均以味酸为好；黄连和黄柏以味越苦越好；甘草、党参以味甜为好等等。然而，传统的气味检测方式由人的感观控制，缺乏客观性，准确性、重复性差，不能适应现代标准化控制的需要，而电子舌技术恰能避免这些不足。

Kataoka等[26]也曾做过运用电子传感器SA402对11种药用植物和10种中药进行质量控制的实验。最终发现运用电子舌技术能将对它们中所含的环烯醚萜苷类、三萜类衍生物、生物碱类物质进行辨别，为今后学者运用电子舌技术对药品进行质量控制的研究提供了一定的参考。

2.4 其他

四气五味是传统中药药性理论的核心，中医基础理论将其描述为是定义中药属性的指标，其中四气源于嗅觉，五味源于味觉。电子舌恰能模拟人类味觉，用电子舌检测中药的五味成为了一个新的研究目标。盛良[27-28]曾用电子鼻和电子舌对治疗消化性溃疡病的中西药物进行检测，最终得到他们具有共同的宏观化学成分－四气五味的结论，这项研究为中医中药的发展提供了新的思路。

3 总结与展望

电子舌技术大大减轻了人群口感试验的压力，实现了对药品的定性和定量的评价，并且具有较多独特的优势和潜力。但它还尚且存在着一些诸如不能对来自同一植株上的不同药用部位进行辨别；不能对物质分子的手性进行判断；不能像HPLC一样，对样品的含量进行准确描述，易受一些诸如周围检测环境和检测过程中温度、湿度变化的影响等问题的不足。因此，在实际评价中，可体内外结合，充分利用味觉指纹技术和THTPM各自的优势，以后者为基准建立快速的味觉评价体系，进而使药物的苦味评价方法呈现出从主观到客观，体内到体外，定性到定量，传统到现代化、自动化的前进趋势。

在国际上电子舌技术已被列为重要的研究方向之一，并常与电子鼻、电子眼等其他智能感官系统联合使用，它不单在药学领域，还在计算机技术、仿生技术、分子生物学等多学科的交叉渗透，笔者相信，随着这项技术的不断改进与发展，不久的将来，味觉指纹分析技术一定能为药学发展提供更新的思路，在新药研发、药物鉴别、药物质控与分析等方面的应用也会更加广泛。

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