CN102288551A - 利用高光谱数据鉴别中药材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用高光谱数据鉴别中药材的方法，包括以下步骤：(1)建立标准中药材的高光谱数据库；(2)采集待检中药材的高光谱数据；(3)将待检中药材的高光谱数据在标准中药材的高光谱数据库中进行比对，根据高光谱数据相似性判定待检中药材究竟属于何种中药材，较佳地，高光谱数据库包括标准中药材的高光谱数据信息，步骤(3)中的比对操作包括将待检中药材的高光谱数据和标准中药材的高光谱数据信息进行比对，高光谱数据库还可以包括标准中药材的高光谱学稳定波段区及特征峰信息、其特征有效成分的高光谱数据信息等，本发明设计巧妙、检测准确、迅速、可靠且简便，还不需要消耗药材，适于大规模推广应用。

Description

利用高光谱数据鉴别中药材的方法
技术领域
本发明涉及中药材技术领域，特别涉及中药材鉴定技术领域，具体是指一种利用高光谱数据鉴别中药材的方法。
背景技术
中药材是指在特定自然条件、生态环境的地域和区域内所产的药材，中药材生产较为集中，其栽培技术、采收加工也都有一定的讲究，中药材作为防治疾病的主要武器，对保障人民健康和民族繁衍起着不可忽视的作用。
因此，中药材的真伪以及优劣，直接关系到临床用药之安全与效果，然而市场上中药材品种混乱，自古以来很难杜绝。或同名异物，或同物异名，或形似而实非，或随意替代，以假乱真，都会影响到临床用药的有效性，甚者危及生命。所以，中药之鉴别，对于中药之采集、加工、生产、检定、贸易、应用，都是至关重要的一环。
中药材的质量和真伪与所含的有效成分组群密切相关。传统常用的中药材鉴定方法有来源鉴定，性状鉴定，显微鉴定，理化鉴定，生物测定法，质量分析等等。它们多依靠人工经验，或需要化学提取分离技术检测个别成分，往往存在很大随意性，或者很难推广，或者标准无法量化，执行起来有一定难度。近些年来中药材指纹图谱开始兴起，中药材经适当的处理以后，采用一定的分析手段(主要是色谱或光谱方法等)，得到的能够反映该中药材所含化学成分的种类与数量的特征、标示该中药材特性的共有峰的图谱，起到了一定的标准化作用。
中药材指纹图谱技术主要涉及色谱法(包括薄层扫描(TLCS)、高效液相色谱法(HPLC)、气相色谱法(GC)和高效毛细管电泳法(HPCE)等)以及光谱法(如紫外光谱法(UV)、红外光谱法(IR)、质谱法(MS)、核磁共振法(NMR)和X-射线衍射法等)。前者基于分离出特定的特征有效成分，而后者则是根据有效组分群的光谱学特征来鉴别，目前已前者较为常用。
然而在实际过程中，用色谱分离成分的方法存在操作灵敏度和稳定性问题，在鉴定过程中往往只能靠一个或者很少几个化合物的峰值高低来判别，与中药活性成分组群的概念有一定差距。而现有光谱技术往往只能扫描中药材在某一单波波段内的特征，很难全面反映出中药材的全面特征性峰值。另外现有技术往往需要溶解中药材，检测后不可回收利用，需消耗中药材而且存在鉴别的模糊性。
由于存在上述缺陷，因此，需要一种中药材鉴别方法，其检测准确、迅速、可靠且简便。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种利用高光谱数据鉴别中药材的方法，该利用高光谱数据鉴别中药材的方法设计巧妙、检测准确、迅速、可靠且简便，还不需要消耗药材，适于大规模推广应用。
为了实现上述目的，本发明的利用高光谱数据鉴别中药材的方法，其特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)建立标准中药材的高光谱数据库；
(2)采集待检中药材的高光谱数据；
(3)将待检中药材的高光谱数据在标准中药材的高光谱数据库中进行比对，根据高光谱数据相似性判定待检中药材究竟属于何种中药材。
本发明所述“高光谱”是一种涵盖电磁波的紫外、可见光、近红外、中红外以至热红外区域的光谱学数据，跨度可从200nm到2500nm范围内，采集步长可到每隔0.5nm，能获取许多非常窄且光谱连续的高清晰度图谱学数据，从而全面精细地刻画反映出物质的内在组分总特征和品质。它克服了传统单波段在波段数、波段范围、精细信息表达等方面的局限性，以较窄的波段区间、较多的波段数量提供物品光谱信息，能够从光谱空间中对目的物予以细分和鉴别，已经在资源、环境、城市、生态等领域得到了广泛应用。据文献报导，此技术应用于农业可以分辨区别同一植物不同成熟期，也可以分辨同一成分在不同物种中的分布差异，甚至可以通过检测苹果营养成分的高低来检测苹果的品质高低。本发明人通过前期试验发现每种中药材都具有自己的特征高光谱，可以用于鉴别中药。该技术不损耗药材(检测完药材可以直接回收使用)，能全面反应中药材内部有效成分组群的含量和特征。
较佳地，所述的标准中药材的高光谱数据库包括标准中药材的高光谱数据信息，所述步骤(3)中的比对操作包括：将待检中药材的高光谱数据和标准中药材的高光谱数据信息进行比对。
更佳地，所述的标准中药材的高光谱数据库还包括标准中药材的高光谱学稳定波段区及特征峰信息，所述步骤(3)中的比对操作还包括：
通过将待检中药材的高光谱数据和标准中药材的高光谱学稳定波段区及特征峰信息进行比对，选出最可能(高光谱学稳定波段区及特征峰信息最相近)的标准药材品种。如果无法确定具体属于哪一品种，则需要通过下列步骤进行进一步鉴定。
更佳地，所述的标准中药材的高光谱数据库还包括标准中药材特征有效成分的高光谱数据信息，所述步骤(3)中的比对操作还包括：
将待检中药材的高光谱数据和标准中药材特征有效成分的高光谱数据信息进行比对。
所谓特征有效成分指的是一种标准中药材应该含有的主要活性成分。比如，黄连中应该有高含量黄连素，(随野生和栽培及产地的不同，黄连中黄连素的含量约4～10％)除此外，还含有黄连碱、甲基黄连碱、棕榈碱等。其它中药中也可能含有黄连素，但是含量要低得多。特征有效成分可以是标准中药材的主要有效成分，也可以是主要加上次要有效成分，通常是药典里规定的该标准药材常规含有的少数几种特征成分。
更佳地，所述步骤(1)中的建立标准中药材的高光谱数据库，包括以下步骤：(11)取适量标准中药材，干燥研磨成粉末；(12)置于密封袋内，压成均匀薄层；(13)用高光谱探头扫描步骤(12)获得的薄层数次，获取标准中药材的高光谱数据信息；(14)通过步骤(11)-(13)获得不同品种的标准中药材的高光谱数据信息，形成标准中药材的高光谱数据库。
更进一步地，在步骤(13)和步骤(14)之间还包括以下步骤：(131)分析不同批次的标准中药材的高光谱数据信息，找出高光谱学稳定波段区及特征峰信息，并记入标准中药材的高光谱数据库。
更进一步地，在步骤(14)之后，还包括以下步骤：(15)采集标准中药材特征有效成分的高光谱数据信息，并记入标准中药材的高光谱数据库。
尤其更佳地，所述步骤(15)包括以下步骤：(151)取适量标准中药材特征有效成分标准品；(152)置于密封袋内，压成均匀薄层；(153)用高光谱探头扫描步骤(152)获得的薄层数次，获取标准中药材特征有效成分的高光谱数据信息，然后记入标准中药材的高光谱数据库。
较佳地，所述步骤(2)中的采集待检中药材的高光谱数据，包括以下步骤：(21)取适量待检中药材，干燥研磨成粉末；(22)置于密封袋内，压成均匀薄层；(23)用高光谱探头扫描步骤(22)获得的薄层数次，获取待检中药材的高光谱数据。
本发明的有益效果具体如下：
1.本发明通过建立标准中药材的高光谱数据库，然后采集待检中药材的高光谱数据，再将待检中药材的高光谱数据在标准中药材的高光谱数据库中进行比对，根据高光谱数据相似性判定待检中药材究竟属于何种中药材，设计巧妙、检测准确、迅速、可靠且简便，还不需要消耗药材，适于大规模推广应用。
2.本发明的标准中药材的高光谱数据库包括标准中药材的高光谱数据信息，步骤(3)中的比对操作包括将待检中药材的高光谱数据和标准中药材的高光谱数据信息进行比对，从而可以判断待检中药材属于哪种中药材，设计巧妙、检测准确、迅速、可靠且简便，还不需要消耗药材，适于大规模推广应用。
3.在待检中药材的高光谱数据和标准中药材的高光谱数据信息的比对无法确定待检中药材属于哪种中药材的情况下，本发明的标准中药材的高光谱数据库还包括标准中药材的高光谱学稳定波段区及特征峰信息，步骤(3)中的比对操作还包括将待检中药材的高光谱数据和标准中药材的高光谱学稳定波段区及特征峰信息进行比对，从而可以判断待检中药材属于哪种中药材，设计巧妙、检测准确、迅速、可靠且简便，还不需要消耗药材，适于大规模推广应用。
4.在待检中药材的高光谱数据和标准中药材的高光谱学稳定波段区及特征峰信息的比对无法确定待检中药材属于哪种中药材的情况下，本发明的标准中药材的高光谱数据库还包括标准中药材特征有效成分的高光谱数据信息，步骤(3)中的比对操作还包括待检中药材的高光谱数据和标准中药材特征有效成分的高光谱数据信息进行比对，从而可以判断待检中药材属于哪种中药材，设计巧妙、检测准确、迅速、可靠且简便，还不需要消耗药材，适于大规模推广应用。
附图说明
图1是采用本发明的利用高光谱数据鉴别中药材的方法获得的标准中药材炙甘草的高光谱数据信息。
图2是采用本发明的利用高光谱数据鉴别中药材的方法获得的不同产地的标准中药材牛膝的高光谱数据信息。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，下面对本发明进行详细描述。
1、首先建立标准中药材的高光谱数据库
所谓“标准中药材”是指来自中药对照药材并符合《中华人民共和国药典》的常用药材。建立标准中药材的高光谱数据库的步骤如下：
1)取适量标准中药材，干燥研磨成粉末(视实际情况而定，如果市售标准中药材通常已经是干燥粉末状，则无需干燥研磨成粉末步骤)；
2)置于密封袋内，压成均匀薄层；
3)用高光谱探头扫描薄层数次，获取标准中药材的高光谱数据信息；
4)分析不同批次的标准中药材的高光谱数据信息，找出高光谱学稳定波段区及特征峰信息；
5)通过上述步骤获得不同品种的标准中药材的高光谱数据信息、高光谱学稳定波段区及特征峰信息，形成标准中药材的高光谱数据库。
6)取适量标准中药材特征有效成分标准品(通常已经是干燥粉末状，因此无需干燥研磨成粉末步骤)，重复步骤2)～3)，获取标准中药材特征有效成分的高光谱数据信息，然后记入标准中药材的高光谱数据库；
从图1和图2可以看出，采用上述方法获得的不同药材的图谱学特征也不同。如果放大某一波段，精细的特征就能更清楚地反映出来。
2、然后采集待检中药材的高光谱数据
取适量待检中药材，干燥研磨成粉末，重复上述步骤2)-3)，获取待检中药材的高光谱数据；
3、判别待检中药材究竟是哪种中药材
利用常用模式识别算法将待检中药材的高光谱数据在标准中药材的高光谱数据库中进行比对，根据高光谱数据相似性判定待检中药材究竟属于何种中药材。
具体模式识别算法可利用谱图走势、峰大小、面积、峰位置等，这些高光谱算法在遥感和农业领域应用很多，文章常见于《光谱学与光谱分析》(2008年11期-李飞，周成虎等；2009年3期-王圆圆等等)和《计算机应用研究》(2008年2期-苏红军)等杂志，此处不再细述。
将待检中药材的高光谱数据和标准中药材的高光谱数据信息进行比对，从而可以判断待检中药材属于哪种中药材；
若只能判别待检中药材属于哪类或哪几类中药材，则再进行待检中药材的高光谱数据和标准中药材的高光谱学稳定波段区及特征峰信息的比对，从而可以判断待检中药材属于哪种中药材；
若仍然只能判别待检中药材属于哪类或哪几类中药材，则再进行待检中药材的高光谱数据和标准中药材特征有效成分的高光谱数据信息的比对，从而可以判断待检中药材属于哪种中药材。
由于高光谱数据是一种反应所有内在物质的综合特征谱图，涵盖了所有特征有效成分的数据。如果有某种中药材的特征有效成分，就能通过比对，鉴别出来。
综上，本发明的利用高光谱数据鉴别中药材的方法设计巧妙、检测准确、迅速、可靠且简便，还不需要消耗药材，适于大规模推广应用。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种利用高光谱数据鉴别中药材的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)建立标准中药材的高光谱数据库；
(2)采集待检中药材的高光谱数据；
(3)将待检中药材的高光谱数据在标准中药材的高光谱数据库中进行比对，根据高光谱数据相似性判定待检中药材究竟属于何种中药材。
2.根据权利要求1所述的利用高光谱数据鉴别中药材的方法，其特征在于，所述的标准中药材的高光谱数据库包括标准中药材的高光谱数据信息，所述步骤(3)中的比对操作包括：
将待检中药材的高光谱数据和标准中药材的高光谱数据信息进行比对。
3.根据权利要求2所述的利用高光谱数据鉴别中药材的方法，其特征在于，所述的标准中药材的高光谱数据库还包括标准中药材的高光谱学稳定波段区及特征峰信息，所述步骤(3)中的比对操作还包括：
将待检中药材的高光谱数据和标准中药材的高光谱学稳定波段区及特征峰信息进行比对。
4.根据权利要求2所述的利用高光谱数据鉴别中药材的方法，其特征在于，所述的标准中药材的高光谱数据库还包括标准中药材特征有效成分的高光谱数据信息，所述步骤(3)中的比对操作还包括：
将待检中药材的高光谱数据和标准中药材特征有效成分的高光谱数据信息进行比对。
5.根据权利要求2所述的利用高光谱数据鉴别中药材的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的建立标准中药材的高光谱数据库，包括以下步骤：
(11)取适量标准中药材，干燥研磨成粉末；
(12)置于密封袋内，压成均匀薄层；
(13)用高光谱探头扫描步骤(12)获得的薄层数次，获取标准中药材的高光谱数据信息；
(14)通过步骤(11)～(13)获得不同品种的标准中药材的高光谱数据信息，形成标准中药材的高光谱数据库。
6.根据权利要求5所述的利用高光谱数据鉴别中药材的方法，其特征在于，在步骤(13)和步骤(14)之间还包括以下步骤：
(131)分析不同批次的标准中药材的高光谱数据信息，找出高光谱学稳定波段区及特征峰信息，并记入标准中药材的高光谱数据库。
7.根据权利要求5所述的利用高光谱数据鉴别中药材的方法，其特征在于，在步骤(14)之后，还包括以下步骤：
(15)采集标准中药材特征有效成分的高光谱数据信息，并记入标准中药材的高光谱数据库。
8.根据权利要求7所述的利用高光谱数据鉴别中药材的方法，其特征在于，所述步骤(15)包括以下步骤：
(151)取适量标准中药材特征有效成分标准品；
(152)置于密封袋内，压成均匀薄层；
(153)用高光谱探头扫描步骤(152)获得的薄层数次，获取标准中药材特征有效成分的高光谱数据信息，然后记入标准中药材的高光谱数据库。
9.根据权利要求1所述的利用高光谱数据鉴别中药材的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的采集待检中药材的高光谱数据，包括以下步骤：
(21)取适量待检中药材，干燥研磨成粉末；
(22)置于密封袋内，压成均匀薄层；
(23)用高光谱探头扫描步骤(22)获得的薄层数次，获取待检中药材的高光谱数据。
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