高精度臭灵丹微量元素含量检测系统设计

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(楚雄医药高等专科学校，云南 楚雄 675005)

高精度臭灵丹微量元素含量检测系统设计

卞富永，李光富，戴绍波

(楚雄医药高等专科学校，云南楚雄675005)

为了实现快速、无损、实时检测和分析臭灵丹中微量元素的含量，现对高精度臭灵丹微量元素检测系统进行设计；使用当前方法检测臭灵丹时，无法在保证微量元素活性的条件下提取微量元素；为此，提出一种基于Taguchi的高精度臭灵丹微量元素含量检测系统设计方法；该方法使用日本理学ZSX100型X射线荧光光谱仪采集臭灵丹微量元素光谱，确定微量元素种类，利用超临界萃取技术中的两大技术超临界流体萃取技术和超临界固体萃取技术萃取出臭灵丹中的微量元素，再经过超滤分离法中直线段、曲线段、水平段3个阶段分离出萃取液中微量元素，以ICP-MS法计算出微量元素的含量，达到对臭灵丹中微量元素含量的高精度检测；实验仿真证明，所提方法可以快速、无损、实时检测和分析臭灵丹中微量元素。

高精度；臭灵丹；微量元素；检测系统

0 引言

近年来，许多中医学者留意到中药分为有机成分与无机成分，在两者的协同作用下才能发挥药效，当前的研究偏重于有机成分，忽略无机成分微量元素的作用，对无机成分微量元素展开研究[1]。不同地区臭灵丹中微量元素含量有所不同，微量元素含量不同相对应的药性不同，为了准确的用药，将对高精度检测臭灵丹微量元素含量展开研究[2]。当前使用的微量元素检测方法，无法在保证微量元素活性的条件下提取微量元素[3]。在这种情况下，如何快速、无损、实时检测其含量成为了主要问题。而高精度臭灵丹微量元素含量检测系统设计方法通过使用超临界萃取技术的超临界流体萃取技术萃取臭灵丹表面微量元素，再利用超临界固体萃取技术萃取遗留下的固态物料中的微量元素，并以超滤分离法将萃取液中微量元素分离出来，采用ICP-MS法计算出微量元素的含量，以达到高精度检测臭灵丹中微量元素含量。由于臭灵丹微量元素含量对臭灵丹药效有着严重的影响，因此受到许多医学专家的重视与关注，同时取得了一定的医学研究成果[4-5]。

现有的臭灵丹微量元素含量检测的方法有：文献[6]提出一种基于氢化物高精度臭灵丹微量元素含量检测系统设计方法。首先以蒸汽法对臭灵丹微量元素进行检测，将微量元素与大量机体分离，提高臭灵丹微量元素检测效率，蒸汽法不仅提高检测速度，同时对微量元素的价态、形态进行分析，将分离出来的微量元素以电感耦合等离子体原子发射光谱法检测其基体效应、形态。该方法提高了检测效率，节省了试剂和检测时间，但该方法微量元素检测的稳定性较差、气液分离效率低。文献[7]提出一种基于等离子体发射光谱高精度臭灵丹微量元素含量检测系统设计方法。等离子体发射光谱方法使用HNO3-HClO4湿法消化对臭灵丹的微量元素钙、铝、钾、氯、磷、硫进行检测，这些微量元素分为两种层次存在，利用微光技术将两种层次分为初级形态分析和次级形态分析，针对不同层次采用不同方法进行分析。该方法可以准确的检测出臭灵丹的微量元素，但需要提高微量元素检测的精密度。文献[8]提出一种基于原子吸收分光光度高精度臭灵丹微量元素含量检测系统设计方法。原子吸收分光光度法以臭灵丹微量元素数据极差对微量元素进行处理，再以臭灵丹微量元素数据数据积法计算出微量元素之间的相关系数，当系数等于0.5时，说明臭灵丹中包含二醇、冬青酸、洋艾素，当相关系数等于0.65时，说明臭灵丹中包含槲皮素、柽柳素、万寿菊素，以此类推。该方法可以准确的检测出臭灵丹中微量元素的含量。但仅能检测微量元素较少的中药，一旦检测到含有大量微量元素的中药，检测的时间将延长[9-10]。

针对上述问题，提出一种基于Taguchi的高精度臭灵丹微量元素含量检测系统设计方法。实验仿真证明，所提方法可以快速、无损、实时检测和分析臭灵丹中微量元素的含量。

1 高精度臭灵丹微量元素含量检测系统设计

1.1 高精度臭灵丹微量元素含量检测系统硬件设计

高精度臭灵丹微量元素含量检测系统其原理及构成如图1所示。检测臭灵丹的微量元素将利用Taguchi方法分析臭灵丹在甲醇溶液的柱温、流速、流动相变化情况来检测臭灵丹微量元素的含量，利用紫外光照射溶液，利用岛津LC-2010AT光谱仪采集臭灵丹微量元素光谱，通过滤谱仪将采集到的荧光图像的单色光信号转换成电信号，并将荧光图像保存到计算机中，最后处理计算机中的光谱图像。

图1 臭灵丹光谱成像微量元素分析系统

本文对高精度臭灵丹微量元素含量检测系统的硬件系统不做考量，主要研究软件。

1.2 高精度臭灵丹微量元素含量检测算法

1.2.1 臭灵丹样品处理

超临界萃取分为超临界流体萃取技术和超临界固体萃取技术。超临界流体萃取技术是近年开始使用的微量元素分离提取技术，该方法可在低温条件下对臭灵丹进行处理，保证臭灵丹不发生氧化变质，并且萃取效率高、无化学溶剂残留的优点。在检测臭灵丹无机成分的微量元素是，利用火焰原子吸收光谱法测定臭灵丹中的微量元素的不同形态，经超临界萃取技术萃取后残渣中8中不同的微量元素含量，超临界萃取技术对不同元素的萃取率不同。超临界流体萃取技术仅是萃取过程的开始，对臭灵丹的外表面进行萃取，将臭灵丹外表微量元素溶解并携带。超临界流体萃取技术进行萃取后会遗留固态的臭灵丹萃余物层，即未被萃取的微量元素的固态物料。经过超临界固体萃取技术对微量元素固态物料进行萃取，萃取的过程中，固态物料不断的变小，从宏观的现象说明正在萃取固态物料里的微量元素。

该超临界固体萃取技术给出了宏观萃取速率的表达式，固态物料是因为微量元素之间引力的作用聚集起来形成的。超临界萃取的微量元素萃取过程可以表示为：

A(流)+lB(固)=mF(流)+nS(固)

(1)

式中：A为超临界流体；B为臭灵丹未提取的微量元素形成的固态物料；F为携带微量元素的超临界流体；S为超临界固体萃取；l、m、n为计量系数；

为了方便进一步的研究，对将建立的数学模型提出以下几点：

1)假设臭灵丹未提取的微量元素形成固态物料为球形颗粒。

2)固态无量的组织细致，缝隙小，超临界流体萃取的过程比超临界固体萃取过程要快的多。

3)假设整个微量元素过程中为稳态过程。

4)由臭灵丹微量元素形成的固态物料颗粒内部的温度和压力是均匀。

超临界萃取宏观过程为，在单位时间内微量元素由内向外的扩散，相当于单位时间内臭灵丹内微量元素在萃取的界面上被提取，变成携带臭灵丹微量元素的流体。

在单位时间内通过超临界流体萃取外表面微量元素后，形成的球形颗粒固态物料。固态物料外表面的微量元素的量为：

(2)

其中：为单位时间内，超临界流体萃取的微量元素，即整个超临界流体萃取操作的宏观过程萃取微量元素的速率值，单位为kmol·s-1；Rs为微量元素形成的固态物料颗粒半径，单位为m；kc为超临界流体A在超流体萃取时流体带出的微量元素的系数，单位为m·s-1；CAg为超临界流体A在超流体萃取时携带微量元素流体的浓度，单位为kmol·m-3；CAs为超临界流体在固态物料外表面浓度，单位为kmol·m-3；

在单位时间内，超临界固体萃取技术萃取固态物料内部的微量元素，内部微量元素扩散到球形颗粒固态物料表面的含量为：

(3)

式中，R为球形颗粒固态物料的半径，单位为m；Rc为未被萃取的球形固态物料半径，单位为m；D为超临界固体萃取液在球形颗粒固态物料内的扩散系数，单位为m2·s-1；dCA/dR为球形颗粒固态物料内，超临界固体萃取液沿着由外向内的方向浓度变化率，单位为kmol·(m3·m)-1；则可利用公式(4)计算出超临界流体萃取液在单位时间内消耗的量：

(4)

式中，k为超临界流体萃取技术的萃取速率常数，单位为m·s-1；CAc为超临界流体A萃取液的浓度，单位为kmol·m-3；因此，在超临界流体萃取的过程中，宏观的萃取速度可以表示为：

(5)

在测量过程中发现CAs和CAs的值无法测量，通过公式(5)将其消去，以球形颗粒的几何特征，计算出单位时间内固态物料B的萃取量为：

(6)

式中，ρB为固态物料B的密度，单位为kg·m-3；MB为固态物料B的质量平均值，单位为kg·kmol-1；超临界流体A与固态物料B之间的计量关系，根据公式(1)与公式(6)可知，则有：

(7)

联立公式(5)和公式(7)，并且引入无因次量参数l；

(8)

(9)

(10)

式中，t为超临界固体的萃取时间，单位为s；推算出萃取整个固态物料中的微量元素所用的时间，即未被萃取的球形颗粒固态物料半径Rc=0时所以用的时间为：

(11)

1.2.2 臭灵丹微量元素分离与分析

臭灵丹微量元素分离技术一般采用超滤分离法，该方法滤速快、不易形成表面浓差极化现象、低温操作破坏有效成分的可能性小的特点，利用0.45 μm、0.22 μm、0.15 μm分子质量为5万、1万的滤膜对臭灵丹超临界萃取液中微量元素的初级形态进行研究。

臭灵丹微量元素超滤分离过程分为3个阶段：

第一阶段：直线段。

直线段的膜通量的ΔP变大，膜通量变小，膜两端的浓度差可以忽略不计，传质过程中的比例系数，即传质系数，可以用方程式表示为：

T=(Km/μ)·ΔP

(12)

其中：μ为微量元素液态粘度，单位为Pa·s；ΔP为膜两侧压力差，单位为MPa；Km为传质过程中的比例系数，即传质系数；T为膜通量，单位为L/m2h；

第二阶段：曲线段。

(13)

式中，D为微量元素在溶剂中的扩散系数；Cm为膜面微量元素溶质的浓度；Cp为透过液中溶质浓度；δ为浓度差极化时边界层的厚度；Cb为超临界萃取液中主体溶质浓度，对臭灵丹微量元素超滤过程而言，Cp≈0时：

T=K·ln(Cm/Cb)

(14)

第三阶段：水平段。

在滤膜的表面形成凝胶层，随着微量元素溶质的增多，凝胶层的厚度逐渐增加，质量变大，使得滤膜的通量变小，滤膜两端的压力变大，此时的压力用ΔPL表示，通量为极限通量，用Tlim表示。则有：

Tlim=K·ln(Cg/Cb)

(15)

滤膜透水通量可表示为:

Tw=ΔP/(Rm+Rp+Rg)

(16)

式中，Rp、Rm、Rg分别表示滤膜、浓差极化层、凝胶层的阻力。当RgRp时，滤膜透水通量为：

Tw=ΔP/(Rm+Rg)=ΔP/Rm=ΔP/Rg

(17)

当滤膜两端的压力差一定时，随着传质系数K的改变循环速度与通量相对改变，传质系数K的关系式可表示为：

K=Sh·D/dn

(18)

层流：

Sh=1.62(Re·Sc·dn/L)1/3

(19)

湍流：

Sh=0.023Re0.785·Sc0.25

(20)

式中，Sh为舍伍德准数；Re为雷诺准数；dn为当量直径；L为膜长度。

在对臭灵丹微量元素进行分析将采用ICP-MS法，ICP-MS法是近年来微量元素分析技术的主要方法，该方法的灵敏度高、检出限低、稳定性好，还可以同时分析多种微量元素。

分析臭灵丹中微量元素含量X，按公式(21)进行计算；

(21)

式中，X为臭灵丹中微量元素(钙、铝、钾、氯、磷、硫)的含量，单位为mg·kg-1；c为测定液中山柰酚-3-O-β-D-吡喃葡萄糖苷、豆甾醇、豆甾醇-3-O-β-D-吡喃葡萄糖苷、邻羟基苯甲酸的含量，单位为μg·L-1；V为超临界萃取液定量总体积，单位为mL；m为臭灵丹的质量，单位为g；f为稀释溶液的倍数。

2 实验与分析

本实验将在广州市药品检验所进行臭灵丹微量元素检测实验，采用Taguchi电子天平检测臭灵丹中微量元素、岛津LC-2010AT光谱仪与超纯水器(Millipore)。挑选9个不同地区的臭灵丹进行实验，不同地区的臭灵丹含有的微量元素有所差别，将9个地区的臭灵丹放入9份相同的溶液里，经过初步的测量确定臭灵丹中含有的微量元素有氧、碳、钙、镁、铁等20种微量元素，其含量如表1所示。在50 mL容量瓶中，加50%的甲醇溶液30 mL溶解，超声提取20 min，用50%的甲醇溶液定容至刻度，摇匀，再用0.45μm微孔滤膜滤过，即得，精密吸取上述溶液10μL为进样量。应用本文提出的基于Taguchi的高精度臭灵丹微量元素含量检测系统设计方法的L9(33)正交表分析臭灵丹微量元素，该系统以柱温，流速，流动相(甲醇溶液百分含量)3个因素来检测臭灵丹中微量元素的含量。在检测前将利用岛津LC-2010AT光谱仪分辨出臭灵丹中微量元素的种类，再进行微量元素含量的测试。在测试范围内分别选取3个水平，在甲醇百分含量分别为40%、56%和62%，流速分别为0.5、0.7和0.9 mL·min-1，以及柱温分别为15、30和50 ℃时，取9份臭灵丹甲醇溶液样品进行分析。实验因数设计如表2所示。

表1 臭灵丹中微量元数成分含量

表2 Taguchi实验水平/因数设计表

Taguchi这3种参数被选作微量元素检测参数表3为一组实验的数据计算表和微量元素含量图。

表3 Taguchi数据实验计算表

为了可以同时考虑到信号的最小编译值和最小离心值，对实验进行优化，以最大化光谱信噪比(S/N)为目标的信号变异最小化设计，以最优化光谱信号分离品质为目标的平均值(mean)微调。信噪比中包含了两种信息，即信号信息和噪音信息。信噪比越大，则信号信息越大，并且噪音信息越小，光谱信号的变异就越小。当分离微量元素时平均值越大越好。

信噪比中包含保留时间、拖尾因子、峰高3种因子，在相同的水平下，求得9个不同地区臭灵丹微量元素参数拖尾因子和峰高的信噪比的优化条件，以及臭灵丹微量元素参数留时间(t)、拖尾因子和峰高(PA)的平均值的优化条件，表4和图2分别表示臭灵丹微量元素参数信噪比的优化条件和信噪比(S/N Ratio)的因子反应图。

图2 信噪比(S/N Ratio)的因子反应图

从表4中可以看出，对于不同地区臭灵丹微量元素参数信噪比的优化条件并不相同。因此在检验水准设为0.1(置信度CI=90%)时，对臭灵丹微量元素参数进行方差分析(ANOVA)，判断微量元素的种类，当ANOVA分析所得P值见表5，判断因素对臭灵丹微量元素信号参数的影响大小。

表4 臭灵丹微量元素参数信噪比的优化条件

表5 各因子对信噪比(S/N Ratio)和平均值的P值

表5和图3分别表示各因子对信噪比(S/N Ratio)和平均值的P值和平均值(mean)的因子反应，由表4和图3可知，柱温、流速、流动相三因素皆对保留时间和峰高的S/N有显著影响，而对拖尾因子S/N影响显著的因素只有流动相。根据本文系统方法检测得到20种微量元素的荧光光谱图，则图4表示臭灵丹中主要微量元素荧光光谱强度。

图3 平均值(mean)的因子反应图 图4 臭灵丹中主要微量元素的荧光光谱强度

简而言之，对臭灵丹微量元素检测条件中流动相配比是影响分析结果的最重要因素，最佳的检测结果在柱温为30 ℃，流速0.5 mL·min-1，流动相甲醇百分比为75%的条件下，检测臭灵丹微量元素最为准确。在此优化条件下的重复检测实验获得了较好的分析检测结果。

3 结论

针对当前方法检测臭灵丹无法保证在微量元素活性的条件下提取微量元素的问题，提出一种基于Taguchi的高精度臭灵丹微量元素含量检测系统设计方法。仿真实验结果表明，所提方法可以快速、无损、实时检测和分析臭灵丹中微量元素。

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DesignofDetectionSystemofContentsofTraceElementsinHighPrecisionPterodontic

Bian Fuyong,Li Guangfu,Dai Shaobo

(Chuxiong Medical College,Chuxiong 675005,China)

In order to achieve a rapid, nondestructive, real-time detection and analysis of the content of trace elements in Herba Laggerae, need to study the system of detection of trace elements in high precision. The current method is used to detect pterodontic, unable to ensure extraction of trace elements activity conditions. The method of using RIGAKU ZSX100 X-ray fluorescence spectrometer X acquisition pterodontic trace element spectrum to determine trace element types, two technology using ultra supercritical extraction technology of supercritical fluid extraction and supercritical extraction technology to extract solid trace elements from Laggera pterodonta, after ultrafiltration separation in straight line and curve section and horizontal section three stages separation of trace elements in the extract, using ICP-MS method to calculate the content of trace elements, to achieve high precision detection of the content of trace elements in Herba laggerae. Simulation results show that the proposed method can fast, nondestructive, real-time detection and analysis of trace elements in Herba Laggerae.

high precision; pterodontic; trace element; detection system;

2017-04-19；

2017-05-18。

云南省教育厅科学研究基金资助性项目(2016ZZX280)；校级课题(2016XBYJ03)。

卞富永(1985-)，男，云南楚雄人，硕士研究生，讲师，主要从事药物分析方向的研究。

1671-4598(2017)11-0021-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.006

R286

A