X射线衍射技术在矿物类中药鉴定中的研究进展△

黄必胜，袁明洋，陈科力

(湖北中医药大学药学院&教育部中药资源和中药复方重点实验室，湖北 武汉 430065)

专 稿

X射线衍射技术在矿物类中药鉴定中的研究进展△

黄必胜，袁明洋，陈科力*

(湖北中医药大学药学院&教育部中药资源和中药复方重点实验室，湖北 武汉 430065)

矿物类中药在中药鉴定研究中是较为薄弱的类型，传统的性状鉴别方法难以满足矿物类中药鉴别的需要，因此，需要用有效的现代技术手段对矿物药进行系统的鉴别研究。本文对X射线衍射技术在矿物类中药鉴定中的应用进行了综述，并对该技术在矿物类中药中的应用前景进行了展望。

X射线衍射技术；矿物类中药；鉴定

矿物药在我国起源甚早，有着悠久的药用历史，远在春秋战国时代的《山海经》中就有记载，明代李时珍的《本草纲目》把矿物药分别记述在土部、金石部，分为金、玉、石、卤四类，共161种。矿物类中药的数量虽远较植物、动物类中药要少，但在临床应用中不可缺少。与植物类和动物类中药相比，矿物药是中药鉴定研究中最为薄弱的类型。在2010年版《中国药典》收载的24种矿物类中药中大部分只有性状和非特异的理化鉴别，如金礞石和青礞石等除了性状鉴别外，没有任何其它鉴别方法。各种矿物类中药，由于其外部形态特征相似性高、市场上的混淆品也比较多，仅用性状鉴别手段很难准确将其区分开来；而部分收录理化鉴别方法的矿物药品种，专属性也不高，一些矿物类中药及其混淆品由于都含有大量相同的金属离子，区分度并不高。因此，特别需要借助先进分析方法深入对矿物类中药进行系统的鉴定研究。X射线衍射技术是20世纪发展并逐步完善的新技术，在化学、物理学、生物学、材料学、冶金学、矿物学、医药学方面发挥了重要的作用[1-2]。它可以精确地测定物质的晶体结构，点阵常数，完成定性分析和定量分析。在《无机非金属材料图谱手册》一书中，杨南如等[3]对177种通用矿物及原料的X射线衍射图谱、热分析、红外光谱、拉曼光谱等进行了汇编，预示着X射线衍射技术和这些技术可以很好的应用于矿物药的鉴别。本文对X射线衍射技术的原理、特点及在矿物类中药鉴定中的应用进行了综述，并对该技术在矿物类中药的应用前景进行了展望。

1 X射线衍射技术分析矿物类中药的原理

X射线衍射分析法作为结构和成分分析的一种现代科学方法，具有分析简便，快捷，样品用量少，所得图谱信息量大等特点；可分为单晶X衍射法与多晶X射线衍射分析法。

单晶X衍射法主要用于晶体结构测定。晶体结构测定的最后结果是获取晶胞的空间群、晶胞常数和一套晶胞中每个原子位置的参数，并用结构模型图显示。从结构分析结果看，可以很容易得到键长、键角、配位数等晶体化学数据。利用单晶衍射分析获得的高分辨电子密度分辨图还可进一步研究结构中价电子的分布、原子或离子的大小、键型等等。

多晶X射线衍射分析法又称粉末X射线衍射分析法，它是研究结晶物质的物相和晶体结构的主要方法。当某物质(晶体)进行衍射分析时，该物质被X射线照射产生不同程度的衍射现象，物质组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型、构象等决定该物质产生的特有衍射图谱，如该物质是混合物则所得衍射图是各组分衍射效应的叠加，只要混合物组成恒定，该衍射图谱就可作为该混合物的特征图谱，这是粉末X射线衍射法用于中药鉴定的理论基础[4]。

不同矿物药的成分各不相同，其X射线衍射图谱也不同，据此可实现对矿物药的鉴别。但由于矿物药来源复杂，即使是同一种矿物，其化学成分因生态环境、采集时间、储存方法等不同而有差异；不同产地的矿物药，因其共存元素和伴生矿物等不尽相同，其物理性状会有一定的变化范围。因此，同一种矿物药的物理性状和X衍射图谱可能会有一定的变化，在用X衍射谱鉴定矿物类中药时，有时需首先采集大量不同样品，确定其X衍射谱合理变化的范围和变化的幅度，再依据变化的幅度才能确定矿物药的品种或其混淆品。

2 X衍射技术在矿物类中药鉴定中的应用

2.1 X衍射技术在矿物类中药品种鉴定中的应用

温海成等[5]采用X衍射技术法(XRD)对不同产地的7份矿物药炉甘石样品进行成分分析，得到各样品炉甘石的主要成分及其伴生矿物图谱。测试结果表明：不同产地炉甘石的组成成分各有差异，其XRD图谱也各不相同，利用XRD法鉴定炉甘石矿物药，是对其真伪鉴别和质量控制的有效方法。田金改等[6]对湖南雄黄晶、湖南雄黄、贵州思南烧黄、雌黄的烧结石和雌黄矿石进行了粉末X衍射分析，结果表明：湖南雄黄晶与湖南雄黄的主要成分为α雄黄(AsS)和β雄黄(As4S4)；贵州思南烧黄的主要成分为二硫化二砷(As2S2)；雌黄烧结石属于雌黄无定形粉末并含有少量结晶；雌黄矿石主要由雌黄和花岗岩组成。吕芳等[7]采用粉末X射线衍射Fourier谱鉴定法，对7批收集于全国不同地区的玄精石样品进行扫描分析，获得了玄精石的标准X射线衍射Fourier图谱以及特征标记峰值，结果表明：以标准的X射线衍射Fourier图谱的几何拓扑图形以及衍射特征标记峰值可实现对矿物药玄精石的鉴定。张汉民等[8]利用X射线衍射仪对四种易混淆矿物药白矾、石膏、滑石与信石进行粉末衍射分析，依据衍射特征谱可以准确鉴别这四种易混品。

2010版《中国药典》收载矿物类中药有24种，未被药典收载的矿物类中药有几十种，矿物药的来源众多，X衍射技术能否对矿物药的不同来源进行准确的区别，还需要进一步研究。矿物类中药按阴离子分类可以分为碳酸盐类、硅酸盐类、硫酸盐类、磷酸盐类、硫化物类以及氧化物类等；按阳离子分类又可以分为铁化合物、镁化合物、钙化合物、铝化合物和铅化合物等。通过X衍射谱图对同一类型矿物类中药不同品种之间以及同一种矿物类中药不同变化之间的鉴别能否实现，需要科研人员深入探索。

2.2 X衍射技术在矿物类中药炮制品鉴定中的应用

中药炮制是中国医药遗产的组成部分，用以保证中医临床用药的安全性和有效性。通过对原药材的炮制加工，从而达到增效减毒、转变或缓和药性、产生新的药效等目的。中药经炮制处理后，会对中药药性和疗效产生不同程度的影响，所以对中药炮制品的鉴定和质量控制非常重要。

陈广云等[9]建立了龙骨与龙齿的X-射线衍射图谱。运用Origin8.0数据分析和绘图软件处理X-射线图谱，将龙骨、龙齿生品与煅制品X-射线衍射图谱叠加后可以很直观地鉴别龙齿、龙骨生品与煅制品。通过实验验证，使用X-射线衍射图谱鉴定龙骨与龙齿及其炮制品是一种非常简便、准确的方法。傅兴圣等[10]采用XRD技术鉴别磁石及其炮制品，通过对磁石炮制前后的XRD图谱进行分析比较，其XRD图谱在衍射角度2θ为10°～25°的区域内发生了强烈的变化，XRD图谱的几何拓扑图形差异明显，2θ在25°～60°间，磁石煅制品XRD图谱的几何拓扑图形与生品XRD图谱的几何拓扑图形相似，但峰数、峰强有一定的区别。结果表明：磁石炮制前后的XRD图谱变化明显，显示可根据其炮制前后图谱的差异鉴定生品和其炮制品。刘圣金等[11]通过实验发现青礞石炮制前后的XRD Fourier图谱变化明显，这可能与青礞石炮制后物相变化有关。李晓明等[12]对生石膏和煅石膏进行粉晶X-衍射分析，X-衍射指纹图谱研究显示生石膏之间的相似度在95%以上，煅石膏之间的相似度在99%以上；生煅石膏的相似度不超过10%，很好的鉴别了石膏及其炮制品。张强等[13]对含钙矿物药石膏，花蕊石，玄精石，寒水石，紫石英及其煅品等进行了X-衍射分析。结果表明：石膏生、煅品的X-射线衍射图谱均具有很好的专属性，与其它含钙矿物药生、煅品区别明显。

X衍射技术在鉴别矿物药炮制品上具有明显优势，有些矿物药通过观察矿物药生品与其炮制品的XRD图谱，就可以很清晰的区别其生品与煅品[12]。矿物药经过炮制加工后，较矿物类生药其化学成分、晶体结构可能会发生变化，这是有些矿物类生药与其炮制品差异较大，而一些炮制后的炮制品却十分相似的原因。

2.3 X衍射技术在确定矿物药成分中的应用

学术界对雄黄的主成分硫化砷的晶体结构争议颇多，其主要成分一直被认为是As2S2，2010年版《中国药典》也将此成分规定为雄黄的主要成分。但有文献报道[14]，雄黄有α雄黄(AsS)和β雄黄(As4S4)之分，另可能含有微量元素砒霜(As2O3)，间或夹杂有雌黄(As2S3)。梁国刚[15]等分析其收集的雄黄样品，结合As4S4能在室温下以固体形式存在、其在550～800 ℃下才分解为As2S2等性质认为，雄黄的主要成分是As4S4。曹帅等[16]对八批不同产地批次的雄黄药材进行X衍射分析，从衍射峰的比较结果来看，药材及饮片均为α雄黄(AsS)和β雄黄(As4S4)的混合体，特征峰均较明显。在该检测条件下，雄黄药材和雄黄饮片中均未检出砒霜(As2O3)，但能检出雌黄。实验结果表明：雄黄主成分是四硫化四砷(As4S4)和硫化砷(AsS)，而不是二硫化二砷(As2S2)。从实验的衍射结果来看，二硫化二砷(As2S2)的特征峰在雄黄药材及饮片中均未检出，药材及饮片均为α雄黄(AsS)和β雄黄(As4S4)的混合体，特征峰均较明显，其中含β雄黄量较大，建议在2010年版《中国药典》增补本中对雄黄的主成分构成进行修改。

作为物相分析的重要手段，X射线衍射具有独到之处，但是，部分样品的X射线衍射分析中可能存在着特征峰强度差异大，角度位置有偏移，个别样品信号弱等，影响实验结果的判断。为了准确的确证样品组分结构，可以通过其他现代分析技术(如：拉曼光谱、中红外光谱法)得出相关特征信息，验证实验结论。

3 X衍射技术在矿物类中药其它方面的应用

3.1 X衍射技术在定量分析中应用

X衍射定量分析就是用X射线衍射方法来测定样品中各种物相的相对含量，依据在于每种物相的衍射线强度随其相的含量增加而提高，准确测定样品中各相的衍射强度，由强度值计算出可确定物相的含量。

刘安一等[17]用X 射线分析法对中药矿物药紫石英成分定性，对主要成分氟化钙定量，测定方法为：样品中掺入20% α-Al2O3，测得α-Al2O3的衍射强度为Is=367；CaF2的衍射强度为Ii=4287。将以上数据带入定量公式：Xi=1/Ki·Ii/Is·Xs/[1-Xs]·100%，计算样品中的CaF2的含量。结果显示：该方法简便快速，结果准确，样品预处理简单，值得推广应用。

X射线衍射分析进行物相分析方法很多，如：内标法、绝热法、增量法、外标法和全谱拟合法等。每一种方法在定量分析中各有不足，有些方法需要在样品中加入参考标相，如果样品含有物相较多、谱线复杂，再加入参考标相时会进一步增加谱线的重叠机会，从而给定量分析带来困难；有些方法需要有纯的物质作为标样，而有的时候纯的物质难以得到，从而使得定量分析难以进行；全谱拟合法等分析方法不需要配制一系列内标标准物质和绘制标准工作曲线，但需要复杂的数学计算，对研究人员数学功底要求较高。总之，X衍射技术对矿物类中药的定量分析要依据不同矿物药的性质选择合适的物相分析方法，达到定量准确的目的。

3.2 X衍射指纹图谱的应用

指纹图谱是目前用于控制中药材的一个有效手段，它反映了中药材整体的特征，能够提供药材完整的特征图像，从而准确而形象地鉴别药材的真伪优劣。X 射线分析方法是分析和研究结晶物质的重要手段之一，矿物药的衍射图谱即药材所含全部组分的图谱叠加，其图谱与数据是中药材整体结构特征的图像，并且能用微观图谱与数值再现中药材的宏观结构特征[18]。在X 射线中衍射晶面间距与相对强度是物质的固有值，从而使物质的结构特征具有指纹性[18]。何立魏等[19]建立了花蕊石的X射线衍射指纹图谱，具有很好的专属性，为花蕊石和其他含钙类矿物的区分提供了较为可靠的鉴定依据。李俊松等[20]建立了赭石炮制品的X射线衍射指纹图谱，该图谱可作为其与氧化铁类矿物药及其他矿物药的鉴别的标准。

目前矿物类中药XRD指纹图谱的研究仍处于初始阶段。研究也局限于中药材的定性识别，沿用了材料科学中的“物相分析”方法，通过识别衍射图谱中衍射峰的归属来鉴别中药。

所谓的X衍射Fourier谱分析法实际上只是一个普通的XRD谱图测量，并没有对XRD谱图进行分峰计算以得到真正的衍射峰和结晶度等参数。

3.3 X-衍射技术与计算机技术的结合应用

温海成[21]首次采用X射线粉晶衍射对收集到的34种矿物药的142个样品进行了半定量分析，并测定矿物药中主要矿物、次生矿物及其他成分的含量，得出矿物药的网面间距d、相对强度I/I1等数据，通过计算机图形处理系统与已知的图谱库相应物相的谱图进行比对，快速、准确地判定出矿物药的真伪、质量优劣及各组分含量。实验结果表明X射线粉晶衍射法应用于分析矿物药组分和监控矿物药质量具有用样量少、方法方便快捷、图谱信息量大等优点，是鉴定矿物药很好的方法。

X-衍射技术与计算机技术的结合目的在于建立一个矿物类中药的X衍射特征数据库，实现对所有矿物类中药品种的快速鉴别。虽然粉末X射线衍射法可根据国际粉末衍射中心衍射数据库(PDF)对结晶状的无机物、金属、高分子等物质进行快速的定性和定量相分析。但是，由于中药的特有属性，目前发布的以纯物相为基础的约16万张PDF标准卡中无一中药数据[22-23]，建立一个以X衍射技术为基础的矿物类中药的X衍射特征数据库具有重要意义。

4 结语

矿物药的鉴定一般利用矿物的外形、颜色、比重以及物理、化学方法来鉴别其真伪与优劣。但是对于不同产地、不同来源的同种矿物以及形态比较相似的不同品种矿物，仅仅依靠性状与理化很难鉴别药材的真伪。

矿物药在临床上的应用多以炮制品入药，药物经过炮制后其内部的化学成分，元素组成和结构会有所变化，从而引起矿物药的药理特点的变化和毒性的变化。另外炮制方法的不同可能影响矿物药中某元素的存在形式，因此有必要对炮制前后进行全元素分析、以及各元素的价态(物相)和比例进行分析比较，说明炮制前后元素组成，物相组成的变化，并分别对原药材及炮制品制订质量标准，以增加其可控性。

X射线衍射技术可以准确测定出物质的组成、晶型、分子的构型构象，这从分子结构层面上可以准确反映出矿物药的真伪优劣。该方法图谱信息量大、指纹性强、结果稳定可靠，结合计算机技术，还可以对大量成分进行定量或半定量。

目前利用X衍射技术对矿物类中药的研究取得了一定的成果，同时也存在需要完善的地方。X衍射技术对部分矿物药的来源，矿物物种之间进行了准确鉴别，能否扩展到全部矿物药的鉴别还需要深入研究；在判断矿物药化学组成及分子结构信息时，可能有部分样品的X衍射特征峰强度差异大，角度位置有偏移，个别样品信号弱等情况，选择其他现代分析技术对实验结果进行验证，可以更加准确的确定相关信息；X衍射技术对矿物药的定量分析方法很多，各有优势，选择合适的方法能提高结果的准确率；矿物药XRD指纹图谱研究基础薄弱，但是能有效的反映样品特征信息，与计算机技术结合建立相应的数据库能更加方便快捷准确的鉴别矿物品种，具有十分重要的意义。综上所述，X衍射技术，已经成为矿物类中药及其混淆品最可靠最权威的鉴定手段，在矿物药的鉴定分析中有广阔的应用前景。

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ProgressintheResearchonX-rayDiffractionTechniquefortheIdentificationofTraditionalChineseMineralMedicine

HUANG Bi-sheng，YUAN Ming-yang，CHEN Ke-li*

(PharmacyFaculty，HubeiUniversityofChineseMedicine，KeyLaboratoryofMinistryofEducationonTraditionalChineseMedicineResourceandCompoundPrescription，Wuhan430065，China)

Traditional Chinese Mineral Medicine is one group in Traditional Chinese Medicine(TCM)，their identification research is much weaker than the other group of TCM.It’s hard to meet the identification demand by only traditional description method，so modern effective technology is necessary for systematic research in identification of Traditional Chinese Mineral Medicine.The paper reviewed the literatures about the application of X -ray diffraction technique in Traditional Chinese Mineral Medicine and forecasted its prospects in identification of Traditional Chinese Mineral Medicine.

X-Ray diffraction technique；Traditional Chinese Mineral Medicine；Identification

2013-03-22)

武汉市2012年高新技术产业发展行动计划生物技术与新医药专项(201260523193)

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陈科力，男，教授，研究方向：中药资源及其品质研究，Email：Kelichen@126.com