不同类型电子鼻在中药质量评价研究中的应用△

温英丽，罗茵，许淑清，任晓亮，窦志英，刘亚男

天津中医药大学 中药学院，天津 301636

我国具有庞大的中药资源宝库，中药的发现与应用对人类文明的发展产生深远影响。中药质量是保障其临床疗效的基础，严格把控中药质量是中药现代化进程的首要任务[1]。中药质量受地理环境、基原品种、采收加工、运输贮藏、造假掺伪等多重因素的影响[2]。随着现代仪器分析的不断发展，中药质量的评价方法也由经验鉴别发展到仪器分析，考察指标也由单一成分发展到指纹信息。而气味作为中药的重要特征属性之一，也是判定其质量的重要指标。依据气味等性状评价中药质量的方法已有悠久历史，但以人工评价为主，需要有丰富的经验并存在主观误差[3]。电子鼻技术的产生将主观感受数字化、模式化、可视化[4]。电子鼻技术包括传感器型电子鼻（electronic nose）[5]和超快速气相电子鼻（flash gas chromatography E-nose）[6]两类，其广泛应用于食品[7-9]、医药[10-11]、化工[12]、环境[13]等领域，是一种高效、绿色、无损的检测技术，对气味敏感性、选择性普遍较高。本文首先从电子鼻的发展史、系统组成、应用3个角度着手，比较2种电子鼻的特点，分析不同类型电子鼻的优势；其次总结近年来电子鼻技术在中药质量评价中的应用，为中药的现代化研究提供参考。

1 2种类型电子鼻的比较

1.1 电子鼻技术的发展

早在20 世纪60 年代，气味检测机械装置[14]的出现打开了传感器型电子鼻技术发展的大门。在随后的发展中，又将模式识别方法与电子鼻技术相结合[15]，逐步形成如今应用广泛的电子鼻技术体系。超快速气相电子鼻技术的原理是基于气相色谱-嗅闻技术（GC/O），始于20 世纪60 年代。随着嗅闻技术不断更新，出现GC 与气味传感器（MOS、SAW）、氢火焰离子化检测器（FID）联用的多种应用形式。直到2007年，法国Alpha MOS公司在BCEIA分析仪器应用技术报告会上提出创新型电子鼻——Heracles超快速气相电子鼻[16]。

1.2 电子鼻系统的组成

在进样系统方面，2 种电子鼻进样方式原理相似，均为顶空气体进样[17]；在分离系统方面，传感器型电子鼻无分离系统，而超快速气相电子鼻分离系统是在气相色谱的基础上，使用更短的色谱柱、更薄的填充材料，极大缩短了挥发性成分分离时间，提高样品分析速度；在信号采集系统方面，传感器型电子鼻的气味信号采集装置为传感器阵列，超快速气相电子鼻的信号采集装置则为FID；在数据处理系统方面，模式识别是2 种类型电子鼻通用的数据处理方式，超快速气相电子鼻系统除了有将样品进行分类的模式识别外，还配有Arochembase 数据库，实现挥发性成分的初步定性。

1.3 电子鼻的应用

国外文献通过Web of Science 核心合集数据库获得，国内文献通过中国知网（CNKI）、万方、维普数据库获得。分别以“Electronic nose”“E-nose”“flash gas chromatography E-nose”“FGC E-nose”和“电子鼻”“电子鼻技术”“快速气相电子鼻”“ 超快速气相电子鼻”为检索关键词，检索得到2015年1 月1日—2020年7月8日共3905篇相关文献。统计分析发现，传感器型电子鼻相关文献占比高达96.77%，应用更为普遍，这与其仪器成本低廉、传感器种类繁多密不可分。2 种类型电子鼻的应用范围大致相同，涉及食品、医疗、化工、环境、材料、农业以及中药领域，主要应用于食品气味的快速检测（图1）。而在食品行业传感器型电子鼻多用于果蔬[18-19]、水产[20]、肉类[21]质量的快速检测，超快速气相电子鼻用于检测调味品[22]、肉制品[23]质量的相关文献较多（图2）。2 种电子鼻虽在原理上存在差异，但对样品气味均有较强的识别能力，均是高效、灵敏的气味分析技术。

图1 电子鼻应用领域分布雷达图

图2 电子鼻在食品领域应用分布雷达图

2 2种类型电子鼻在中药质量评价中的应用

2.1 基于传感器型电子鼻技术的中药质量评价

2.1.1 传感器型电子鼻单一技术的中药质量评价 中药质量受其生长、采收、运输、加工、贮藏各个环节的影响，针对中药质量评价的研究也层出不穷，电子鼻技术以挥发性成分为考察对象评价中药质量。Liu 等[24]通过改变电子鼻响应特征的提取方法有效地区分了甘肃、云南、山东产区共21 批当归，其中甘肃和云南2 个产区当归电子鼻信号负响应特征存在明显差异。说明电子鼻可以用来鉴别中药产地，该方法快速、便捷。电子鼻中最常用的模式识别方法有主成分分析（PCA）[25]、判别因子分析（DFA）[25]、偏最小二乘分析（PLS）[26]、软独立建模的类类比（SIMCA）[27]等，由于电子鼻信号易受环境干扰，因此优性能的数学算法在提取复杂数据的差异信息方面至关重要。徐珍珍等[28]借助PEN3电子鼻获得8 个产地48 批木香的气味信息，采用基于Fisher 鉴别准则的线性判别分析（LDA）和非线性降维的局部线性嵌入算法+移动平均（LLE+SMA）进行数据处理，结果显示，LLE+SMA 算法可以区分不同产地木香。蓝振威等[29]比较反向传播（BP）神经网络与决策树、朴素贝叶斯、支持向量机[32]、K 最临近、集成分类在电子鼻分析生、醋广西莪术中的识别能力，结果显示，电子鼻结合BP神经网络能够精准地识别生、醋莪术。徐东等[30]将机器学习方法、XGBoost 算法[31]、支持向量机等引入到电子鼻分析中，发挥出电子鼻数据分类的最优效果。单一传感器型电子鼻在中药质量评价研究中的应用见表1。

表1 单一传感器型电子鼻在中药质量评价研究中的应用

传感器型电子鼻可以实现对中药由产地采收、基原品种、炮制加工、存储全过程的质量评价，但难以确定影响中药质量变化的物质基础，不能将中药质量与成分变化相关联。中药气味成分复杂多样，电子鼻获得样品整体气味的轮廓信息，传统的模式识别方法识别精确度不高，因此，仅用电子鼻评价中药质量时还需要开发更为适合的数学算法。随着研究的不断深入，单一电子鼻技术难以满足中药质量评价要求，因此，电子鼻结合其他技术评价中药质量的研究模式应势而生。

2.1.2 传感器型电子鼻与其他技术结合的中药质量评价 传感器型电子鼻与顶空-气相色谱质谱法（HS-GC-MS）联用，刘梦楚等[44]利用I-nose 获得22批不同产地砂仁的气味信息，PCA 结果显示，传感器S14、S8、S6、S3 响应敏感的物质是区分其产地的主要成分，结合气相色谱-质谱法（GC-MS）得到电子鼻响应的物质基础，进一步印证了电子鼻分析结果。传感器型电子鼻与红外联用，Chen 等[45]建立电子鼻、近红外光谱、中红外光谱快速鉴别羌活和宽叶羌活方法，电子鼻支持向量机（SVM）模型识别准确率92.9%，红外光谱SVM 模型识别准确率为100%。表明电子鼻与红外光谱可以快速、准确评价中药质量，是有广阔应用前景的中药快速检测技术。传感器型电子鼻与超高效液相色谱法（UPLC）联用，Wei等[46]开发了电子鼻结合液相鉴定黄芪产区的方法，通过液相验证电子鼻鉴定的准确性，证明电子鼻可以快速、可靠地鉴别中药产地。电子鼻与其他仿生技术结合，从嗅、味、色出发分析中药整体感官信息[21,47-48]。传感器型电子鼻结合其他技术在中药质量评价研究中的应用见表2。

表2 传感器型电子鼻结合其他技术在中药质量评价研究中的应用

传感器型电子鼻多与色谱技术（GC-MS、HPLC）联用，将中药外部的性状特征与内部的成分变化相关联，确定影响中药质量的物质基础。电子鼻与其他仪器联合使用进一步佐证电子鼻用于中药质量评价的准确性。随着研究方法的迭代更新，也出现电子鼻与图像分析[60]、DNA 测序[61]、代谢组学[61]等技术结合评价中药质量的报道。

2.2 基于超快速气相电子鼻技术的中药质量评价

2.2.1 超快速气相电子鼻单一技术的中药质量评价 中药自古以来就有“道地药材”的说法，气候环境不同药材质量自然参差不齐，影响临床疗效。宋亮[62]以挥发性成分为研究对象，建立了基于超快速气相电子鼻鉴别黑果枸杞产地（甘肃、新疆和青海）的方法。发现甘肃产的黑果枸杞挥发性成分种类最少，但气味浓郁。乙偶姻和3-己酮分别为新疆和青海黑果枸杞的特有气味成分，说明超快速气相电子鼻技术可以快速鉴别中药材产地，推测不同产地药材成分差异。炮制是中药特有的处理方式，通过炮制工艺与辅料的合理作用，为中药性-效-毒变化提供动能[63]。田连起等[64]基于电子鼻技术分析蕲蛇药材及其饮片的气味成分差别，通过AroChemBase 数据库定性出12 种成分，发现炮制后其中的二硫化碳、己醛有所下降，而新增了香味成分3-甲基-1-丁醇、异戊酸乙酯、香茅醛、乙酸苯乙酯、L-香芹酮，解释蕲蛇炮制矫味的物质基础，为中药炮制研究提供了借鉴。中药掺假严重影响临床用药疗效，常见的掺伪造假形式有以伪充真、真假混杂、以次充好、优劣相掺、新旧互拌等[65]。金银花开花后有效成分会发生变化，从而导致其质量下降。武文奇等[10]利用Heracles Ⅱ超快速气相电子鼻建立快速评价金银花等级的方法，通过分析掺杂不同比例开花金银花的药材粉末的气味变化，结合模式识别将其质量分为一等、二等、三等3 个等级，结果表明，电子鼻技术对外观难以区分的掺伪中药有很好的预测能力。

超快速气相电子鼻在中药质量评价中的应用涉及生产，加工及销售全流程，是一种高效、便捷、绿色的分析方法。超快速气相电子鼻将GC 分离技术与电子鼻的模式识别分析相结合，初步分离、定性中药的挥发性成分，实现中药质量的快速评价。但由于中药成分复杂多样，超快速气相电子鼻在提高分析速率的同时难以将复杂成分完全分离、准确定性，因此单一仪器用于中药质量研究时，具有局限性，研究较片面，层次较浅显。

2.2.2 超快速气相电子鼻结合其他技术的中药质量评价 超快速气相电子鼻与HS-GC-MS 联用，刘晓梅等[66]通过超快速气相电子鼻获得生地龙、炒地龙、甘草泡地龙、醋地龙和酒地龙的整体气味轮廓，化学计量学结果表明，地龙及其炮制品气味成分具有显著差异。为了进一步揭示炮制前后气味成分变化，该课题组借助HS-GC-MS对生地龙及其炮制品定性、定量分析，发现炮制前后醛类和胺类成分种类含量均有所下降。该种研究模式从成分层面进一步详细解释了中药炮制原理。

超快速气相电子鼻兼具传感器型电子鼻的判别分析能力与GC-MS 的成分定性能力，因此在现有报道中多为单独使用。但与传感器型电子鼻相比，仪器成本大大增加；与GC-MS 相比其分析速率大幅度提升，准确性也成比例下降。种种特性造成了超快速气相电子鼻应用的局限性，超快速气相电子鼻的最佳应用领域仍有待发掘。

3 电子鼻技术在中药领域应用的挑战与展望

3.1 电子鼻技术在中药领域应用的挑战

传感器型电子鼻在食品检测、医疗诊断、环境监测等方面应用广泛，相应的传感器材料研究更为成熟。而电子鼻在中药领域的应用发展较慢，这与中药气味复杂，电子鼻传感器灵敏度高、选择性差有关，需进一步开发适合中药分析的传感器材料。电子鼻易受环境因素影响，数据噪音大，常规的化学计量学分析方法难以提取样品间的差异信息，为提高其识别精度，需要结合高效的数学算法进行分析。

经查阅文献发现，在超快速气相电子鼻评价中药质量的研究中，缺少方法准确性的验证，可行性研究较为局限，还需提高超快速气相电子鼻评价中药质量方法的普适性。超快速气相电子鼻虽能定性挥发性成分，但在分离过程中存在样品分离不完全的问题，以至于定性结果存在较大误差。

3.2 电子鼻技术在中药领域应用的展望

中药质量参差不齐，目前的研究方法存在样品处理复杂、分析时间长、损坏样品等弊端，电子鼻作为一种绿色高效且无损的检测方法，为名贵药材的检测提供一个可靠的选择。电子鼻技术实现了中药质量的快速鉴定，为中药一体化生产过程中在线检测提供了技术支持。随着研究的不断深入，构建不同中药电子鼻分析数据库，建立中药质量评价气味标准，使电子鼻能更准确且有依据地划分中药质量，充分发挥电子鼻在中药质量评价中的优势。

4 结语

中药质量是临床药效的基础保障，因此质量评价一直是中药研究的重中之重。随着科技的不断发展，质量评价的技术方法愈加成熟，指标成分愈加全面。电子鼻技术的发展无疑为质量评价提供一种更为快速、可靠、绿色、无损的分析方法，避免了气味检测中产生的主观偏差，实现气味的数字化转变。文中2 种电子鼻各具优势，传感器型电子鼻由于种类繁多、仪器低廉，其应用普遍性更高，而超快速气相电子鼻除了具有识别分类样品功能，还可以定性、定量分析样品气味成分。2 种技术在中药研究领域均具有较好的分析能力，形成了以中医药基础理论为指导，以中药的挥发性成分为对象，结合先进的分析技术评价中药质量的模式，为中药质量评价开拓思路。