近红外光谱定量技术应用于中药领域的最新研究

徐茂玲

(天津医科大学总医院，天津 300070)



近红外光谱定量技术应用于中药领域的最新研究

徐茂玲

(天津医科大学总医院，天津 300070)

应用近红外光谱定性定量分析中药材和制剂等方面的研究发展迅速，该技术能快速、全面、无损地反映药物中的有效成分性质，也符合中医药辨证施治的理论。其借助于偏最小二乘(PLS)、人工神经网络(ANN)等化学计量学方法建立一定的数学模型来预测中药材或其制剂中化学成分的含量，模型评价常用的指标有相关系数(R)、校正均方根偏差(RMSEC)、预测均方根偏差(RMSEP)及交叉验证均方差(RMSECV)等。本文通过文献研究发现，该技术在中药植物药及复方制剂中的有效成分、浸出物及挥发油等的含量测定，以及制剂工艺优选和制药过程实时监测等方面已开展广泛的应用。此技术为药材化学成分含量测定及中药制剂的定性定量分析开辟了一条新的研究途径。

近红外光谱，定量检测，中药分析

目前，中药成分含量检测应用最多的是高效液相色谱(HPLC)、气相色谱(GC)、紫外光谱法(UV)和质谱法(MS)等，这些方法的共同缺点有前处理实验复杂、操作过程中容易引进误差、分析时间过长，且对见光、受热、挥发、遇湿等性质不稳定的化合物检测准确度较低，有些方法丧失了中药的整体分析性，丧失了体系的原本性和配伍性，不能真实地反映中药质量。在这一背景下，快速、无损、低廉的近红外光谱技术(NIR)定性定量分析技术越来越得到研究人员的青睐。本文通过文献研究发现，NIR定量技术亦有许多薄弱及空白，但是随着迅速的推广，NIR定量分析技术在中药分析中具有广阔的研究与应用前景。

1 NIR快速定量技术简介

近红外光是介于可见光和中红外光之间的电磁波，美国试验和材料检测协会标准将其波长定义在780～2 526 nm，根据波长的不同，可将其分为近红外短波和近红外长波两部分。在此范围内光谱显示的是C-H、N-H、O-H和S-H等集团振动的倍频和合频吸收信息，信号强度越强，干扰越少。

NIR是一种整体、快速、无损的绿色分析技术，其定性定量分析技术发展迅速。该技术以误差小、重复性好的实验方法获得化学参考值，然后采用偏最小二乘法(PLS)、人工神经网络(ANN)等化学计量学方法建立数学模型来预测中药或中药制剂中的一种或几种化学成分含量，模型评价常用的指标有相关系数(R)、校正均方根偏差(RMSEC)、预测均方根偏差(RMSEP)及交叉验证均方差(RMSECV)等。目前，该技术在中草药的有效成分、浸出物及挥发油等的含量测定，以及中药制剂工艺优选和制药过程在线监测等方面已开展广泛的应用。

2 NIR快速定量技术在中药研究领域的应用

2.1 NIR在中药材研究中的应用 中药原药材的化学成分有效部位较多，成分复杂。《中国药典》中多采用HPLC，GC等定量分析方法检测一种或多种有效成分，这些方法中，烦琐的样品预处理会降低测定的准确度，而NIR方法可以避免传统定量研究中单一、复杂、操作烦琐的缺点。

吴文辉等[1]以HPLC测定川乌双酯型生物碱含量为基准数据，采用近红外漫反射光谱技术对其建立快速测定模型，其校正集标准偏差(RMSECV)为0.004 6，相关系数(R)为0.970 7；验证集标准偏差(RMSECV)为0.007 2；相关系数(R)0.865 4，该模型具有较好的预测效果，可以准确测定其覆盖范围内的川乌双酯型生物碱含量。武彦文等[2]使用FTIR-ATR法定量分析红花油中的水杨酸甲酯、ɑ-蒎烯和丁香酚3个指标成分，并比较了使用MIR-ATR和NIR两种检测方法所得到的结果，两种检测方法所建立的模型都得到了较好的预测结果，决定系数R2均达到0.98以上。李文龙等[3]利用近红外漫反射光谱确立了5个数据定量模型，分别用来测定金银花、连翘、黄芩、熊胆粉及山羊角中的水分含量，所建模型中验证集水分含量的预测值与实测值的Rc均>0.90，RMSEP均在0.05以下。苏碧茹[4]以及尹震等[5]人分别用HPLC值作为参照对象，然后采用近红外漫反射光谱对消渴丸浓缩液、消渴丸药粉、消渴丸干模丸的PLS进行定量模型的建立，并且均取得了较满意的效果。范积平[6]以高效液相色谱法测定了3种不同产地大黄的大黄酸、大黄素、大黄酚，以及芦荟大黄素的含量,并用41个样品建立近红外光谱校正模型并经优化和验证，预测大黄样品中各有效活性成分的含量，实验结果令人满意。袁明洋等[7]采用偏最小二乘法对7 种矿物类中药的主要成分碳酸钙含量建立近红外定量分析模型，预测结果的平均回收率为100. 3%，平均相对偏差为0. 24%，实验结果良好。许崇瑶[8]将54 份样品的原始光谱经多元散射校正( MSC) 预处理，选取不同波段，并结合偏最小二乘法对芍药苷建立定量校正模型，用建立的校正模型对13 份提取为参照，预测误差均方差( RMSEP) 为0.086 1。程亮[9]采用近红外漫反射光谱技术采集杭白菊的近红外光谱，结合偏最小二乘法建立了木犀草苷、绿原酸及3，5-O-双咖啡酰基奎宁酸含量的快速测定方法，3种成分的预测值和真实值相关系数分别达到0.941 2、0.940 4、0. 944 6。仲怿等[10]在线采集五味子提取液的近红外光谱,以高效液相色谱法和差重法获取参照，采用最小二乘回归法分别建立五味子果糖、葡萄糖和醇曱、可溶性固形物的定量模型，试验结果令人满意。王佳黎[11]采用近红外光谱对栀子渗漉提取和大孔树脂纯化过程进行研究，建立了过程中栀子苷含量的检测模型，可实现对中药栀子提取和纯化过程栀子苷含量的快速分析。刘薇[12]采用偏最小二乘回归方法对中药蒲黄总灰分不同的光谱预处理方法、建模波段和因子数选择等进行比较，建立其定量预测模型，并考查模型预测准确度，其结果总灰分为6. 0%～27. 3%的10 批蒲黄样品的预测值与实测值的相对偏差均小于7. 5%。

2.2 NIR在中药制剂方面的研究进展 吴莎等[13]将7批共147个热毒宁注射液中栀子萃取液样品通过NIR离线光谱扫描，测定有效成分栀子苷含量和固含量，应用偏最小二乘法建立定量校正模型，两者的模型校正集R2分别为0.987 2和0.994 7，RMSEC分别为1.460 9和2.367 7，说明所建模型性能良好，然后对20个栀子萃取液样品进行预测，栀子苷和固含量的R2分别为0.980 7和0.986 1，RMSEP分别为1.827 5和7.307 7，RSEP分别为3.08%和5.29%均小于6%，能够满足中药生产过程中质量控制要求，证实NIR技术在热毒宁注射液栀子萃取过程应用的可行性。Li等[14]采用NIR快速定量技术对痰热清注射液中绿原酸、黄芩苷、鹅去氧胆酸、熊去氧胆酸和总固体含量的进行快速无损测定，且试验重复性和精密度均符合要求。邵玉蓝[15]运用近红外漫反射光谱技术与高效液相色谱相结合来测定丹参饮片中丹参酮ⅡA，结果显示定量模型的预测值与化学值的相关系数在89%以上，实验结果令人满意。张爱军[16]和张延莹等[17]分别以丹参提取过程为研究对象，利用近红外在线检测技术，在线采集丹参提取液的近红外光谱，建立了丹酚酸B 检测模型，实现了对丹参提取生产过程的在线监控。刘君动等[18]采用近红外漫反射光谱技术对注射用丹参多酚酸中的水分进行快速、无损的定量分析。蔡佳良等[19]采用一阶导数法对广藿香的近红外光谱进行预处理，然后应用多元散射校正法结合最小二乘法建立了广藿香中水分含量的近红外定量模型，试验结果令人满意。屈战果等[20]首先建立了黄芩苷含量数据库及其近红外光谱图的方法，运用偏最小二乘法建立了近红外光谱与黄芩苷含量校正模型，实现了对女金胶囊提取浓缩过程中黄苓苷含量的快速在线检测。韩晓萍等[21]采用近红外光谱分析技术对50批注射用益气复脉(冻干)中人参总皂苷含量进行了定量分析，验证集R2为90.04,RMSECV为0.614,最佳回归因子为9，对10批样品的人参总皂苷进行了预测,RMSEP为0.517，10份样品的预测值和真实值之间RSD平均值为4.1%。 陈杨等[22]运用近红外光谱法分析黄连上清丸的总体质量差异，其校正集和验证集的正判率均为100.0%，结果满意。江燕[23]采用红外光谱法对中药饮片近水分定量模型的研究，也取得不错效果。金叶[24]以丹参、当归和川芎3 种药材混合提取过程为例，采用偏最小二乘法分别建立阿魏酸浓度和含固量的定量校正模型，并将模型应用于提取过程的在线检测。白雁等[25]以100 批清热解毒口服液为样本，采用红外光谱技术对其主要成分黄芩苷进行定量分析，并建立其含量校正模型，为清热解毒口服液的现场、即时快速定量分析提供了一种新方法。

3 小结与展望

综上所述，NIR定量分析技术在中药分析中较其他定量方法更加简便，研究对象的范围呈扩大之势，且对环境无污染性，这一技术对中药制药过程的实时监控及中药原材料的质量控制均有独特的优势，且已被大量研究结果所证明。随着信息技术、现代分析仪器以及分析技术的日新月异，近红外光谱技术也将不断优化和完善，其在中药定性定量研究及应用价值方面将不断提高。尽管如此，NIR定量研究亦存在许多薄弱及空白之处，主要表现为：①中药提取、分离工艺的实时监控方面研究不足；②原药材中微量农药残留及重金属等快速检测方面研究薄弱；③在中药炮制、加工及储藏过程的质量控制中的应用尚属空白。对于上述中药分析研究的难点领域，NIR定量技术有着广阔的研究与应用前景，应当作为今后研究的主要方向。

1 吴文辉，冯建，胡昌江，等.NIR技术对川乌毒性成分快速测定的模型研究[J].中药与临床，2015，6(1)：40-42

2 Wu Yanwen, Sun Suqin, Zhou Qun,etal. Fourier tranform mid-infrared (MIR) and near-infrared(NIR) spectroscopy for raid quality assessment of Chinese medicine preparation Honghua Oil[J]. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis , 2008,46:498-504

3 李文龙，徐金钟，刘绍勇，等.近红外漫反射光谱法测定5种中药提取物中水分含量的研究[J].药物分析杂志，2009，29(10)：1602-1606

4 苏碧茹，叶彬，耿春贤，等.近红外光谱法快速测定消渴丸药粉中葛根素含量[J].中国中药杂志，2011，36(6)：672-675

5 尹震，石猛，刘燕鹏，等.近红外光谱法快速测定消渴丸浓缩液的干固物含量中药材[J].中药材，2012，35(6)：989-991

6 范积平，张贞良，张柳瑛，等.近红外光谱法测定药用大黄中4种蒽醌类成分[J].第二军医大学学报，2005，26(10) ：1194-1195

7 袁明洋，黄必胜，余驰，等.8 种含碳酸盐的矿物类中药近红外定性定量模型的建立[J].中国中药杂志，2014，39(2)：267-272

8 许崇瑶，叶正良，李德坤，等.近红外透射光谱法快速测定赤芍提取液中芍药苷含量[J]. 中国实验方剂学杂志，2012，(18)17：134-137

9 程亮，杜伟锋，丛晓东，等.近红外光谱法快速测定杭白菊中3 种成分的含量[J].中国实验方剂学杂志，2013，19(7)：85-89

10 仲怿，潘万芳，朱捷强，等.基于近红外光谱的五味子提取过程在线检测方法研究[J]. 药学与临床研究，2014，22(4)：332-335

11 王佳黎，代涛，汪学楷，等.栀子提取和纯化过程的近红外光谱快速检测方法[J].四川大学学报，2013，45(1)：198-201

12 刘薇，肖新月，魏锋，等.近红外光谱法应用于蒲黄总灰分的定量预测研究[J].药物分析杂志，2011，31(10)：1941-1946

13 吴莎，刘启安，吴亚男，等.近红外光谱对热毒宁注射液栀子萃取过程中的可行性分析[J].中国实验方剂学杂志，2015，21(1)：53-56

14 Li W L，Cheng Z W，Wang Y F，etal.A study on the use of near-infrared spectroscopy for the rapid quantification of major compounds in Tanreqing injection[J].Spectrochim Acta A：Molecular and Biomolecular Spectroscopy，2013，101(15)：1-7

15 邵玉蓝，曹岗.HPLC 结合近红外光谱技术快速测定丹参饮片中丹参酮ⅡA 的含量[J].中国医药导报，2014，11(9)：135-141

16 张爱军，戴宁，赵国磊.丹参产业化提取中近红外在线检测技术的研究[J].中草药，2010，42(2)：238-240

17 张延莹，张金巍，张培，等.近红外光谱技术在丹酚酸B纯化在线质控中的应用研究[J].时珍国医国药，2010，21(1)：220-222

18 蔡佳良，李蕾蕾，姬生国，等.近红外光谱法快速测定广藿香中水分含量[J].医药导报，2012，31(11)：1468-1470

19 屈战果，耿熠，胡浩武，等.近红外光谱技术在女金胶囊提取浓缩过程中的应用研究[J].时珍国医国药，2012，23(10)：2555-2557

20 韩晓萍，李德坤，周大铮，等.近红外光谱法快速测定注射用益气复脉(冻干)中人参总皂苷的含量 [J].光谱实验室，2011 ，28(04)：1888-1891

21 陈杨，范琦，王以武，等.近红外光谱法高通量分析黄连上清丸的总体质量差异[J].中成药，2014，36(5)：973-980

22 江燕，杨眉，张学博，等.中药饮片近红外光谱水分定量模型的研究[J].药物分析杂志，2013，33( 9)：1572-1577

23 刘君动，叶正良，李德坤，等.近红外漫反射光谱法快速测定注射用丹参多酚酸中的水分[J].中国实验方剂学杂志，2012，18(4)：91-94

24 金叶，丁海樱，吴永江，等.近红外光谱技术用于血必净注射液提取过程的在线检测研究[J].药物分析杂志，2012，32( 7)：1214-1221

25 白雁，李珊，龚海燕.近红外光纤光谱法快速检测清热解毒口服液中黄芩苷的含量[J]. 中国实验方剂学杂志，2012，18(21)：109-112

Latest application of near infrared spectroscopy in analysis of traditional Chinese medicine

Xu Maoling

(Tianjin Medical University General Hospital,Tianjin 300070)

Near infrared spectroscopy (NIR) is a rapidly developing analysis technique in qualitative and quantitative analysis of traditional Chinese medicine and preparations. NIR is a fast, comprehensive and non-destructive method to identify the active ingredient of the drug. Then chemometrics models like PLS and ANN were established to predict the contents of chemical compositions in herbal medicines and compound Chinese medicinal preparation.The established models were commonly evaluated by indicators of correlation coefficient (R)，RMSEC (the root-mean-square error of calibration)，RMSEP(the root-mean-square error of prediction)and RMSECV(the root-mean-square error of cross.validation).This review shows that qualitative and quantitative NIR technique has been widely used in the determination of the active ingredient of Chinese herbal medicine and compound preparations, extract and volatile oil contents. NIR also helps optimize the Chinese medicinal preparations as well as the real-time monitoring of pharmaceutical process.This technique opens up a new research approach in the area of qualitative and quantitative analysis of traditional Chinese medicine and preparations.

near infrared spectroscopy，quantitative determination，analysis of traditional Chinese medicine

2015-09-30

R917

A

1006-5687(2015)06-0065-03