萊森光學(xué)：基于LIBS的中藥質(zhì)量檢測技術(shù)與應(yīng)用

基于LIBS的中藥質(zhì)量檢測技術(shù)與應(yīng)用

一、引言

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）是一種新興的、快速的多元素檢測技術(shù)，它可以在幾秒鐘內(nèi)用一個激光脈沖快速檢測樣品的多元素光譜。與傳統(tǒng)的元素分析技術(shù)不同，它快速、安全、綠色、簡單樣品預(yù)處理且支持多元素檢測。目前該項技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品行業(yè)等許多領(lǐng)域，然而LIBS技術(shù)在中藥領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用不多，因此將LIBS技術(shù)與中藥制藥過程結(jié)合，實現(xiàn)中藥質(zhì)量快速評價與基本無損檢測，為LIBS技術(shù)在中藥智能制造中的實際應(yīng)用提供借鑒意義。

2、LIBS技術(shù)在中藥原料質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

中藥原料的質(zhì)量很大程度會影響**終制藥產(chǎn)品質(zhì)量。中藥原料的質(zhì)量控制主要圍繞產(chǎn)地溯源和真?zhèn)舞b別兩個研究領(lǐng)域展開。前者要求原料必須是符合相關(guān)規(guī)定的道地藥材，后者則是要求原料的主要成分滿足生產(chǎn)質(zhì)量的需求。相關(guān)研究人員采用LIBS技術(shù)在這兩個檢測領(lǐng)域進行了大量細致的研究工作，取得了***進展，為該技術(shù)與中藥制藥工藝的深度結(jié)合提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

2.1 產(chǎn)地溯源

現(xiàn)代研究表明藥材除了受自身遺傳特性的影響，其生長環(huán)境也是決定其品質(zhì)的重要因素之一，因此，不同產(chǎn)地的同種中藥材其含有的有機物成分有較大差異，故而藥效也有所不同。道地藥材作為中藥的精髓，具有良好的品質(zhì)和較高的藥效，同時也是評價中藥質(zhì)量的獨特標準。LIBS技術(shù)被用于進行基于元素的產(chǎn)地溯源?；贚IBS技術(shù)產(chǎn)生的無機離子的指紋圖譜，***采用LIBS技術(shù)進行了艾香的全元素譜圖的采集工作，探討LIBS技術(shù)快速分析中藥材成分和種源的可行性，通過對LIBS數(shù)據(jù)進行多元分析以及模式識別篩選出對應(yīng)的鉀（K）、鈣（Ca）和鈉（Na）等特征元素，數(shù)據(jù)和模型分析結(jié)果表明LIBS技術(shù)是一種產(chǎn)地溯源的有效手段。用LIBS技術(shù)結(jié)合PCA及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理方法對不同產(chǎn)地或部位的當歸、黨參和川芎3種中草藥的根進行了分析鑒定，結(jié)果顯示此方法的平均分類準確率高達99.89%，可見LIBS技術(shù)結(jié)合PCA和反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于中藥產(chǎn)地鑒定可行性。

2.2 中藥材真?zhèn)?、品次鑒別

LIBS技術(shù)可同時進行多種元素的檢測，其優(yōu)勢足以匹敵價格昂貴或前處理麻煩的傳統(tǒng)分析技術(shù)。通過相關(guān)元素信息的提取，該項技術(shù)可以進行快速辨別中藥材的真?zhèn)?。植物體內(nèi)的微量元素的含量和分布具有一定的特殊性，對其進行一定的譜圖分析再結(jié)合相關(guān)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，即可實現(xiàn)不同品次、不同品種植物類中藥區(qū)分。采用LIBS技術(shù)測定了植物標準物質(zhì)顆粒中大量營養(yǎng)素[磷（P）、K、Ca和鎂（Mg）]的含量，證明了LIBS技術(shù)對植物中的微量元素和常量元素進行采集分析的可行性。使用LIBS技術(shù)特征波段提取與化學(xué)計量學(xué)方法結(jié)合，探究證明了兩者結(jié)合鑒別硫熏程度不同的浙貝母的可行性，這為硫熏中藥的相關(guān)鑒別以及中藥材質(zhì)量檢測分級評定系統(tǒng)建立提供一定方法與思路，為中藥質(zhì)量的快速檢測提供了一定的理論依據(jù)，為同類藥材元素檢測提供理論與數(shù)據(jù)支持?？梢妼IBS技術(shù)用于中藥材真?zhèn)?、品次鑒別的可行性。

圖13種樹脂LIBS光譜

3、LIBS技術(shù)在中藥制藥過程質(zhì)量控制中的研究

為了保證中藥產(chǎn)品質(zhì)量，有效的生產(chǎn)過程質(zhì)量控制是重中之重。而生產(chǎn)過程質(zhì)量控制的關(guān)鍵是對生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)進行及時監(jiān)測，并對生產(chǎn)過程進行反饋和控制以減少生產(chǎn)過程中影響質(zhì)量的不利因素。目前，LIBS指紋圖譜對于中藥生產(chǎn)過程質(zhì)量控制主要體現(xiàn)在重金屬檢測以及重要工藝過程評價上。

3.1 重金屬快速檢測中藥材的重金屬超標嚴重

影響了中藥的品質(zhì)，隨著中藥現(xiàn)代化與國際化需求，中藥重金屬問題已成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點，重金屬檢測是中藥質(zhì)量安全控制的重要保障。中藥中重金屬不僅來源于原料藥的種植過程還可能存在于生產(chǎn)加工運輸各個過程中。因此有必要對中藥制藥生產(chǎn)全流程中各個生產(chǎn)階段產(chǎn)品的重金屬含量進行檢測。起初為了驗證LIBS技術(shù)對中藥內(nèi)重金屬銅（Cu）檢測的可行性，結(jié)合內(nèi)標法對茯苓、附片、黃連飲片中的Cu元素進行了含量測定，結(jié)果顯示，與直接定標法相比，內(nèi)標法可以提升擬合精度，該方法可用于中藥重金屬Cu含量的快速檢測。

用LIBS技術(shù)的藥材元素圖譜結(jié)合PCA算法對吉林省5個產(chǎn)地6種人參進行了產(chǎn)地和不同部位聚類分析研究，并且使用人參粉末壓片法定量計算了人參中摻雜的重金屬元素鉛（Pb）和鎘（Cr）的含量，結(jié)果表明該方法對于人參產(chǎn)地分類和重金屬檢測效果良好。通過將全譜圖特征變量提取的數(shù)據(jù)處理方法與其他分析框架相結(jié)合，建立了穩(wěn)定準確的桑葉和桑葚的重金屬定量測定模型。

圖2人參部位實例及其LIBS光譜

3.2 中藥制藥過程質(zhì)量評價

對中藥生產(chǎn)制劑制造過程中重要工藝過程進行質(zhì)量評價是過程質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。將質(zhì)量原于技術(shù)（QbD）理念的控制策略用來解決大品種中藥-安宮牛黃丸混合終點判斷問題，提出一種基于LIBS技術(shù)的總體混合終點的判斷方法。基于藥物混合中間體的LIBS數(shù)據(jù)，通過微區(qū)時序分析方法的結(jié)合比較朱砂、雄黃和珍珠粉相鄰混合時間光譜的差異，對整體的混合過程進行評價，得到建議混合終點，該方法既可為含礦物類中藥混合提供一定的參考方法也可快速評價生產(chǎn)中整體混合過程，進行相應(yīng)過程控制。鑒于此項使用LIBS技術(shù)建立的過程控制方法具有快速分析、幾乎無損、樣品前處理簡單且無需標準光譜庫等優(yōu)點，很大程度上為中藥制劑的質(zhì)量研究提供了一種新思路。LIBS作為一種先進的過程分析技術(shù)，是否也可以通過相關(guān)過程方法學(xué)的建立，實現(xiàn)其他制藥工藝過程的預(yù)測與評價?？偠灾?，LIBS技術(shù)有望持續(xù)推動在線過程分析與控制的發(fā)展，加快中藥制藥智能生產(chǎn)的進程。

3.3 中藥產(chǎn)品在線質(zhì)量評估

隨著元素檢測技術(shù)的進步以及常量和微量元素對健康作用研究的不斷深入，中藥中所包含的元素越來越引起了人們的關(guān)注。元素作為中藥有效成分的重要組成部分，是中藥質(zhì)量控制不可或缺的特征參數(shù)，而元素的種類及含量與中***味、歸經(jīng)、功效等密切相關(guān)，是潛在的一個質(zhì)量標志物。在中藥制藥過程中，復(fù)雜繁瑣的提取，濃縮，干燥等的中藥工序會對中藥質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，而作為一種綠色的多元素快速檢測技術(shù)，將LIBS技術(shù)應(yīng)用于中藥制藥過程中中間體質(zhì)量的一個快速檢測，具有較大的優(yōu)勢。例如：一種元素的發(fā)射線只存在于藥物劑型的特定成分中，如從某種藥物中釋放P，而從其他特殊制劑輔料中釋放Mg，使用多元素指紋圖譜進行制藥中間體的一個質(zhì)量評價，可以快速分析與檢測產(chǎn)品有效成分的高低，從而進一步實現(xiàn)過程藥效測定。未來，甚至可以對中藥質(zhì)量與功能進行分類研究或中藥組方解析研究等，從而為中藥產(chǎn)品質(zhì)量控制標準和實際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

四、總結(jié)

LIBS技術(shù)作為光譜分析領(lǐng)域一種嶄新的元素分析手段，由于其本身只能用于無機元素的質(zhì)量檢測劣勢，目前在一些領(lǐng)域內(nèi)與其他光譜存在聯(lián)合應(yīng)用，主要表現(xiàn)為通過光譜結(jié)合實現(xiàn)高靈敏檢測或?qū)⑵渌庾V分析提供的有機物信息等和自身檢測的無機元素信息相結(jié)合，從而進一步達到對質(zhì)量檢測與控制的準確性和全面性。將LIBS技術(shù)與其他光譜聯(lián)合應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢性與實際應(yīng)用性，這在中藥制造過程質(zhì)量控制上同樣適用。除了將不同光譜測量目標數(shù)據(jù)融合增加LIBS技術(shù)檢測靈敏度以外還可以進行不同光譜信息優(yōu)勢互補，如通過可見光技術(shù)測量宏觀判斷目標樣品的好壞，使用近紅外光譜技術(shù)進一步檢測含水量、硬度以及其他指標，再使用LIBS技術(shù)對其重金屬或其他特征元素進行檢測等。這樣一套綜合的光譜聯(lián)用檢測系統(tǒng)可以比較大限度的控制制造過程質(zhì)量，為**終產(chǎn)品的質(zhì)量提供保證。

應(yīng)將已有的譜圖分析方法與強化學(xué)習(xí)相結(jié)合，深入研究尋找基于人工智能的解譜方法，提高譜圖解析的智能性、專業(yè)性和準確性，達到LIBS技術(shù)準確與便捷分析的目的，同時在充分了解 LIBS技術(shù)原理的基礎(chǔ)上繼續(xù)深挖提升LIBS技術(shù)檢測精度的方法，如儀器精度校正軟件的開發(fā)等，進一步完善LIBS光譜分析技術(shù)。隨著LIBS技術(shù)的不斷發(fā)展，其在中藥智能制造等領(lǐng)域一定具有更加廣泛的應(yīng)用前景，可以發(fā)揮更大的應(yīng)用價值。

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