CN105092515A - 一种基于太赫兹光谱技术的全成分颗粒剂中草药牵牛子的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及中药材检测领域，具体涉及一种基于太赫兹光谱技术的全成分颗粒剂中草药牵牛子的检测方法。本发明的目的在于提供了一种利用宽频段太赫兹光谱技术表征了全成份中草药颗粒，获得其宽频谱段内的指纹峰，利用在宽频段内的太赫兹指纹峰特征来区别不同种类的全成分中草药颗粒。该方法解决了衡量全成份中草药颗粒的光谱表征与种类区分问题；减少了化学试剂的辅助，是一种纯物理的检测方法；该方法操作简单，数据处理快速，结果准确。

Description

一种基于太赫兹光谱技术的全成分颗粒剂中草药牵牛子的检测方法

技术领域

本发明涉及中药材检测领域，具体涉及一种基于太赫兹光谱技术的全成分颗粒剂中草药牵牛子的检测方法。

背景技术

中药提取物是传统中草药结合现代制药技术的新产品，建立有效的分析、识别、鉴别方法将有助于中药提取物对于中草药的国际市场推广具有重要意义。目前，中药提取物常见的是单一化合物或者是复杂的混合物体系比如全成分提取物颗粒剂。中药是复杂的混合物体系，中药的优势在于“多兵种联合作战”，即复方治病，常用阴阳五行理论来归来描述中药整体表现的性质，并不需要知道药物的某种具体成分。中药的天然成分很复杂，也许一种药物就有十几种甚至几十种成分，一个复方用十几种药物，也许有几百种成分。如果把中药的某种成分提取出来，虽然它是以中药为原料提取的，但是单一成分的化合物其实已经是西药，而西药是无法用中医的思想理论来指导和诊断、组方、治疗的，所以单一成分药的针对性是有限的。因此，作为一种中草药，其药效并不是来自任何单一的活性成分，其药效作用应是多种活性成分共同协作的结果针对这一问题，全成分提取物颗粒剂方式就能克服单一成分提取方法带来的医学问题，可以通过全成分颗粒剂组合来进行搭配治疗，同时还解决了解决中药不便于服用的弊端。所以对中药提取后的全成分颗粒进行分析、鉴别其结构是极其重要的基础性工作，而指纹谱是这一工作最有效的方式。

对于各种形式的中草药来说，指纹谱信息是其最好的识别特征，指纹谱是指中药化学成分采用光谱、色谱和其他分析方法建立的用以表征中药化学成分的特征的图谱。根据中药指纹图谱目前已经可用于中药制剂研究、生产过程的各个阶段比如：中药材(原料药材)指纹图谱、中药原料药(包括饮片、配伍颗粒)指纹图谱和中药制剂指纹图谱，以及用于工艺生产过程中间产物的指纹图谱。

中药化学(成分)指纹图谱常常采用光谱、色谱和其他分析方法建立的用以表征中药化学成分的特征的指纹图谱。光谱最常用的是红外光谱(IR)，比如清华大学的孙素琴利用红外光谱获得了中药药材、中药配方颗粒、中药制剂、中药注射剂的指纹峰；色谱最常用的是高效液相色谱(HPLC)，如广东药学院申请的专利“一种区分不同品种钩藤的高效液相色谱检测方法”等。在这些技术的使用中，红外光谱技术中会有稀释剂的加入而带来不确定性的干扰而且更关键的是测量的光谱仅仅反映了一种药物的分子内的相互作用力情况，不能探测中药复杂混合物中多种药物分子之间的相互作用；高效液相色谱技术中溶剂的多样性选择以及操作步骤的复杂等外界因素会干扰指纹峰的识别，而且其测量的重复性更有待提高。根据以上分析可以看到，获取有效的质量高的指纹谱特征是实现中药材料识别的重要前提。为了解决这一问题，本发明从中药材的处理方法与光谱探测手段两个方面来进行。

一方面，本发明将实验对象选为全成分颗粒剂中药材。这是因为传统汤剂的临用现煎用药方式已逐步表现出其“不方便性”(体积大，不方便携带和保存；煎煮费时，服用量大；旅行和工作时无法煎煮服用；中医急诊用药受限)和疗效的“不确定性”(中药饮片质量受品种、产地、采收季节、炮制等因素影响；服用者的煎煮方法和条件无法统一；中药饮片质量无统一评判标准等)，在一定程度上限制了中药汤剂的临床应用以及中医药发展。于是，中药配方颗粒是用符合炮制规范的中药饮片为原料，利用现代化的生产工艺“全成分”提取、浓缩、干燥、制粒而成的供医生配方使用的单味中药颗粒剂。同传统饮片具有相同的性味归经、功效主治，同时具有安全、高效、稳定、可控的特点，并能随症加减，完全体现了中医辩证施治的特点。既保持了传统饮片汤药的药性、药效，又具有不需煎煮、直接冲服、服用量小、高效卫生等优点。另一方面，中药是一个混合物体系，完全是依靠药物之间的搭配来发挥药效，因此药物分子之间的相互作用必须要得到体现。

另一方面，针对获得中药药材的混合物的特征指纹问题，太赫兹技术提供了一种新的有效途径。太赫兹波段自从上个世纪80年代起逐步受到了科学家的重视，并被称为电磁波谱上的最后一个待开发的波段。太赫兹是指频率范围在0.3THz到10THz的电磁波，它填补了毫米波与红外波之间的空白。太赫兹光谱技术是获得物质结构在太赫兹波段内的物理化学信息的一个重要手段，由于太赫兹波对有机分子的振动和转动模式以及分子间相互作用敏感，物质的太赫兹光谱具有指纹性，而且太赫兹时域光谱技术可以同时获得幅值和相位信息，信息量丰富，且物质的太赫兹光谱是物质的指纹光谱，具有独一无二的特征，并且太赫兹能量低不会引起生物体的电离等优点，因此非常适合用于物质识别中。基于以上特点，太赫兹技术在物理、化学、生物等基础自然科学，以及生物医学等研究领域具有广泛的应用前景。目前，国内外各个研究机构已经利用太赫兹技术对中药材展开了初步的研究，比如天津大学申请了“一种基于太赫兹时域光谱的中药样品真伪初筛方法”，上海理工大学发明了“一种中草药检测鉴别的系统和方法”，中国科学院上海应用物理研究所发明了“中草药真伪及质量鉴别的快速无损分析方法”，首都师范大学张卓勇等人给出了“一种利用THz-TDS结合化学计量学鉴定中草药的方法”和“一种利用THz-TDS结合模糊规则专家系统鉴定中草药的方法”。但是，这些太赫兹测试的研究对象还局限在原始的未经处理中药材或者草药材上，这种形式的药材未经提纯处理，因此杂质分子等对光谱图的干扰因素很大，测量的重复性与相关性都不高，并且在有限的2.6THz范围内，很难从实验上获得中药材的明显的特征指纹峰。

由此，我们利用宽频太赫兹时域光谱技术实现对全成分颗粒剂中药材进行光谱探测以及光学常数的提取。

发明内容

为了克服上述背景技术的不足，本发明的目的在于提供了一种利用宽频段太赫兹光谱技术表征了全成份中草药颗粒，获得其宽频谱段内的指纹峰，利用在宽频段内的太赫兹指纹峰特征来区别不同种类的全成分中草药颗粒。该方法解决了衡量全成份中草药颗粒的光谱表征与种类区分问题；减少了化学试剂的辅助，是一种纯物理的检测方法；该方法操作简单，数据处理快速，结果准确。

本发明的基于太赫兹光谱技术的全成份中草药颗粒的光谱检测与表征方法，具有如下有益效果：

1)本发明针对浓缩提取后的全成份中草药颗粒，大大减少了杂质等无效成分带来的光谱干扰影响，采用全成份中草药颗粒避免了因药材炮制方法不同所带来的干扰，有利于大批量、标准化的检测；

2)宽频段的太赫兹光谱技术能在大于3THz范围获得全成份中草药颗粒的指纹谱，太赫兹技术能保证测量到不同中药材分子之间的相互作用，宽频技术能保证了一个更加宽的频率范围内得到更多的指纹特征峰的位置；

3)本发明采用的检测方法，免除了目前医学检测中各种化学试剂的外在影响，而且检测速度快，检测准确，成本低；

4)本发明采用物理学的检测方法，不同于其他化学的检测方法，本发明的检测方法具有无需添加多种化学试剂，避免化学试剂污染，减少资源浪费等优点。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于太赫兹光谱技术的全成份中草药颗粒的光谱检测与表征方法。其包括以下步骤：

(1)选择一种全成份中草药颗粒，然后研磨、压片；

(2)利用宽谱太赫兹时域光谱装置测量药片的太赫兹光谱；

(3)处理光谱数据，计算药片的吸收系数，获得吸收峰位置。

作为优选实施方式，1.一种基于太赫兹光谱技术的全成份中草药颗粒的光谱检测与表征方法。其特征在于：包括以下步骤：

(1)选择一种全成份中草药颗粒，具体选择牵牛子颗粒，研磨、压片，所述全成份牵牛子颗粒选用市面上出售的产品，利用电子天平称取质量为60-100毫克的样品，用研钵把颗粒研细成粉末，粉末粒径不大于1mm，然后用压片机压成直径为10至13毫米的圆片。然后把完整的圆片放入圆形的样品架中并固定，作为待测样品。

(2)利用宽谱太赫兹时域光谱装置测量药片的太赫兹光谱，所述的宽频谱太赫兹光谱测量装置是透射型的太赫兹时域光谱系统，测试环境是样品仓充满氮气的环境，空气湿度小于2％，温度为在18℃-25℃，样品检测的频谱范围在0.2THz～5THz。

(3)处理光谱数据，计算药片的吸收系数，获得吸收峰位置，光谱数据处理为利用傅里叶变换把时域光谱转化为频域光谱，再利用基于菲涅尔公式的数据处理模型得到样品的消光系数κ、吸收系数α随着太赫兹频率变化符合下述方程：

κ＝(c/2πdv)ln(4n/(A(1+n)²))＝αc/4πv，n＝(cφ/2πdv)+1

上述参数中，A代表幅度，d是样品的厚度，v是频率，c是真空中的光速，φ是参考信号与样品信号之间的相位差。吸收峰位置是指出现吸收峰所对应的频率值。

2.如权利要求1所述的基于太赫兹光谱技术的全成份中草药颗的光谱检测与表征方法，所述步骤(2)中的宽频谱源产生和探测系统是由空气产生与空气探测系统构成。所述步骤(2)中的测量是使用宽频谱源产生太赫兹脉冲波分别透过不装样品时候的空样品架以及装有样品的样品架，并分别获得透射过去的太赫兹脉冲时域波谱信号，即参考时域信号与样品时域信号。获得的太赫兹光谱数据显示图谱格式的一个坐标轴是时间，另一坐标轴是强度的时域数据点。

本发明所提供的利用太赫兹时域光谱检测药片的方法所采用的太赫兹时域光谱系统，其包括钛蓝宝石飞秒激光器以及放大器系统1(中心波长为800nm(纳米)，重复频率为1KHz(千赫兹)，脉冲宽度为35fs(飞秒)，能量为1.5mJ的激光光源)，输出的800nm光源经过反射镜2到达分束镜3，一部分光作为泵浦光照射到BBO晶体4和半波片5后，再由抛物镜6聚焦形成空气等离子体，从而产生太赫兹辐射，接着太赫兹辐射与800nm泵浦光经过抛物镜8反射平行射出到达抛物镜9，接下来分束片20挡住800nm泵浦光，太赫兹辐射可以透过分束片20到达样品10，随后太赫兹辐射以及样品被激发出来的信号光一起被抛物镜11反射到抛物镜12；同时，分束镜3分出的另一部分探测光束依次经过反射镜13、14、15组成的时间延迟系统后到达反射镜16，然后经过透镜17聚焦穿过抛物镜12后与太赫兹光、样品信号光同时会聚，最后经过滤波片进入光电倍增管进行信号的采集。

附图说明

图1为透射型太赫兹时域光谱光路图。

图2为牵牛子的太赫兹波段的测量结果图。

具体实施方式

为了对本发明的技术方案、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供一种利用太赫兹时域光谱技术对牵牛子进行检测的方法，其包括以下步骤：

1)、样品准备：所用的样品为北京康仁堂药业有限公司生产的全成分中药牵牛子颗粒，用电子天平称取约60毫克的牵牛子颗粒，然后在研钵中研磨成细粉末状，接下来在压片机中定型，压力加到5吨，时间8分钟，这样就会得到直径为13毫米的圆片，两面光滑，厚度在0.4毫米以下。

2)、样品测试：打开激光器直至输出功率稳定后，校准光路中的光线准直情况；打开笔记本电脑，设置太赫兹光谱系统软件程序面板上的测量参数，激光预热一小时后进行测量；将准备好的空样品架放进光路中的样品仓位置处；随后开始充氮气直到仓内湿度降低到1％以下，采集空样品架的太赫兹透射时域光谱；以空样品架的太赫兹时域波形为参考信号。接下来，空样品架中放上压制好的药片再放入样品仓的位置上，冲氮气，重复采用以上方法即可获得中药样品的太赫兹透射时域光谱数据，以这个太赫兹时域波形作为样品信号。为提高准确度与精确度，每种样品重复测量至少三次，取平均值作为最终的参考信号和样品信号。

3)、数据处理：信号处理：将参考信号和样品信号的时域波形进行快速傅里叶变换，然后利用基于菲涅尔原理的数据处理模型计算出中药材牵牛子在有效的太赫兹波段的吸收系数α(v)：

κ＝(c/2πdv)ln(4n/(A(1+n)²))＝αc/4πv

其中，φ为样品电场(药片样品的电场)和参考电场(空样品架电场)之间的相位差，d为样品厚度，v为辐射的频率，c为真空的光速。

其中，有效的太赫兹波段频率范围可以利用太赫兹时域系统对样品进行扫描检测后得到的包括时间、振幅强度在内的多组数据进行计算得到。

4)、谱图分析：从牵牛子颗粒药材的宽吸收谱图(图2)可以看到，由于能够在大于3THz宽频段范围内，因此可以获得比常规的太赫兹时域光谱系统测量有较多的有效的吸收峰位置，这些吸收峰来源于药材内部分子间或者分子内部的各种相互作用力。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于太赫兹光谱技术的全成份中草药颗粒的光谱检测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)选取全成份中草药牵牛子颗粒，然后将其研磨、压片；

(2)利用宽谱太赫兹时域光谱装置测量药片的太赫兹光谱；

(3)处理光谱数据，计算药片的吸收系数，获得吸收峰位置。

2.如权利要求1所述的基于太赫兹光谱技术的全成份中草药颗的光谱检测方法，其特征在于：

步骤(1)为选取中草药牵牛子颗粒，然后研磨、压片，利用电子天平称取质量为60-100毫克的样品，用研钵把颗粒研细成粉末，粉末粒径不大于0，1mm，然后用压片机压成直径为10至13毫米的圆片，然后把完整的圆片放入圆形的样品架中并固定，作为待测样品；

步骤(2)为利用宽谱太赫兹时域光谱装置测量药片的太赫兹光谱，所述的宽频谱太赫兹光谱测量装置是透射型的太赫兹时域光谱系统，测试环境是样品仓充满氮气的环境，空气湿度小于2％，温度为在18℃-25℃，样品检测的频谱范围在0.2THz～5THz。

步骤(3)为处理光谱数据，计算药片的吸收系数，获得吸收峰位置，光谱数据处理为利用傅里叶变换把时域光谱转化为频域光谱，再利用基于菲涅尔公式的数据处理模型得到样品的消光系数κ、吸收系数α随着太赫兹频率变化符合下述方程：

κ＝(c/2πdv)ln(4n/(A(1+n)²))＝αc/4πv，n＝(cφ/2πdv)+1

上述参数中，A代表幅度，d是样品的厚度，v是频率，c是真空中的光速，φ是参考信号与样品信号之间的相位差，吸收峰位置是指出现吸收峰所对应的频率值。

3.如权利要求2所述的基于太赫兹光谱技术的全成份中草药颗的光谱检测方法，所述步骤(2)中的宽频谱源产生和探测系统构成如下：钛蓝宝石飞秒激光器以及放大器系统1(中心波长为800nm(纳米)，重复频率为1KHz(千赫兹)，脉冲宽度为35fs(飞秒)，能量为1.5mJ的激光光源)，输出的800nm光源经过反射镜2到达分束镜3，一部分光作为泵浦光照射到BBO晶体4和半波片5后，再由抛物镜6聚焦形成空气等离子体，从而产生太赫兹辐射，接着太赫兹辐射与800nm泵浦光经过抛物镜8反射平行射出到达抛物镜9，接下来分束片20挡住800nm泵浦光，太赫兹辐射可以透过分束片20到达样品10，随后太赫兹辐射以及样品被激发出来的信号光一起被抛物镜11反射到抛物镜12；同时，分束镜3分出的另一部分探测光束依次经过反射镜13、14、15组成的时间延迟系统后到达反射镜16，然后经过透镜17聚焦穿过抛物镜12后与太赫兹光、样品信号光同时会聚，最后经过滤波片进入光电倍增管进行信号的采集。

4.如权利要求2所述的基于太赫兹光谱技术的全成份中草药颗的光谱检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中的测量是使用宽频谱源产生太赫兹脉冲波分别透过不装样品时候的空样品架以及装有样品的样品架，并分别获得透射过去的太赫兹脉冲时域波谱信号，即参考时域信号与样品时域信号。

5.如权利要求2所述的基于太赫兹光谱技术的全成份中草药颗的光谱检测方法，其特征在于：所述步骤(2)获得的太赫兹光谱数据显示图谱格式的一个坐标轴是时间，另一坐标轴是强度的时域数据点。