CN108827889A - 一种基于光学特性的胶类材料鉴别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学特性的胶类材料鉴别方法，系统由电源、光机和信号处理机三部分组成。采用多模硅光二极管阵列传感器的双光路滤镜式测量方案；信号处理机采用基于低功耗高性能微处理器的计算/人机接口方案；电源部分采用开关式电源以及电源管理方案。整机设计选型着重考虑中药片剂颜色检测仪的小型化、低功耗和高精度。

Description

一种基于光学特性的胶类材料鉴别方法

技术领域

本发明涉及一种胶类材料鉴别方法，具体涉及一种基于光学特性的胶类材料鉴别方法。

背景技术

随着人民物质水平的不断提高和我国医药行业的不断发展，胶类药材的用量急速增长。目前全国生产胶类药材的厂家众多，不同厂家的生产工艺各有差异，同时受原料药材供需矛盾的影响，生产中以次充好、掺假掺杂的现象常见，造成市场上胶类药材产品的质量参差不齐，尤以驴皮为原料的阿胶的问题最为突出。由于胶类药材质量标准不完善，对其真伪优劣的鉴别缺乏简便、灵敏、专属性强的方法。

胶类药材因其原料药材(动物类)和加工工艺的特殊性，各种胶类药材的组成成分相对较为相似，主要为氨基酸、蛋白质、肽类、无机元素等。一方面，胶类药材的所含成分与其功效的相关性尚不明确，在其真伪鉴别及其质量优劣评价的客观指标选择上较为困难；同时因不同厂家的生产工艺、使用辅料不尽一致，不同厂家产品在性状上变化较大、成分组成不稳定，难以制定客观统一的质量标准。虽然有不少学者从理化性质、微量元素、有机化学成分和生物遗传等方面开展了胶类药材质量评价等研究，但目前《中国药典》在阿胶、鹿角胶、龟甲胶的含测项仍仅采用了4个氨基酸的含量指标，而实践证明该标准客观性和专属性较差，难以实现有效的市场监管。质量标准及其检测方法成为胶类药材生产、质量控制和市场监管中一直未能解决的突出问题。探索制定胶类药材客观的质量标准，建立准确性好、专属性强、灵敏度高的胶类药材的质量检测技术和方法，对于指导胶类药材生产、质量控制、提高市场监管能力，保障人民用药安全具有重要意义。

微量元素作为胶类药材的成分之一，其含量和种类会影响到胶类药材的色泽和品质，而原料药材的来源、产品制作过程的熬胶用水、器皿和辅料的不同等均可能造成不同厂家胶类药材中微量元素含量的差异。

目前检测胶类药材中微量元素的方法有多种，各有其优缺点。火焰原子吸收分光光度法操作简单、重现性好、火焰稳定，但其原子化效率低；石墨炉原子吸收分光光度法的原子化效率接近100％，适用各种元素的测定，但其取样量小而导致重现性差，且操作复杂；氢化物发生原子吸收分光光度法检测元素种类少，但是其检出限低，且干扰低；冷蒸汽发生原子吸收分光光度法该方法仅专用于简单、快速的测定汞含量；原子荧光光度法的检出限低于原子吸收法，谱线简单且干扰少，但线性范围较宽，仅用于测定As、Sb、Bi、Se、Te、Ge、Sn、Pb、Zn、Cd、Hg等元素；电感耦合等离子体-原子发射光谱法(ICP-基于光学特性的胶类材料鉴别方法ES)具有灵敏度高，检出限低，干扰小，线性宽，能同时或顺序对多种高温金属元素进行快速分析等优点，可用于除Cd、Hg外绝大部分金属元素的测定；电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)具有比原子吸收法更低的检测限，是微量元素分析领域中最先进的方法，可用于除Hg外的绝大多数重金属的测定，但其价格昂贵，易受污染。

目前，中药材真伪优劣评价主要采用以活性成分为指标的评价模式。但事实上，大多数中药的药性、功效及药理作用，并不能以单体化学成分所代表。在大多数情况下，所选择的指标成分不能客观完整地代表或反映原药材的药效物质，或并不一定是原药材中起主要药效的物质，甚至与原药材的生物活性不相关而只能作为标示性成分。胶类药材的真伪优劣鉴别，传统主要依靠性状鉴别，随着现代科学技术的进步，目前已在理化性质(如运动粘度、蛋白质等电点及分子量)检测、化学成分(如蛋白质、氨基酸及微量元素等)含量测定、多肽识别及DNA基于光学特性的胶类材料鉴别方法鉴别等方面进行了大量研究探讨。作为动物性来源的胶类药材因经过熬胶工艺加工而使其成分趋于一致，一方面，以胶类药材中一些成分为指标评价其真伪优劣的客观性和可行性明显不足；另一方面，目前有关胶类药材的药效物质和药理作用的研究，虽已提出有氨基酸微量元素学说、改善造血微环境学说、聚负离子基结构学说、影响相关细胞因子及端粒酶表达学说等观点，但均难以准确确定其药效物质并合理解释其发挥药效的机制，从而导致在胶类药材的真伪优劣评价中，难以从成分的角度选择客观的指标成分。因而目前阿胶等胶类药材无论是真伪鉴别还是质量优劣评价，均尚未能形成较为准确、客观、专属性强、简便的方法。鉴于此，探索建立客观有效的阿胶等胶类药材真伪优劣鉴别方法和技术具有迫切的社会需求和广泛的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种基于光学特性的胶类材料鉴别方法解决如下问题1、胶类材料均一性的鉴别；2、胶类材料真伪鉴别；3、胶类材料等级鉴别。

本发明采用如下技术方案：一种基于光学特性的胶类材料鉴别方法，包括

1)自检标定

考虑到光源光衰和传感器的老化差异，系统需要通过自检标定流程补偿误差，保证测量精度；系统初始化负责设置处理器的定时器/计数器以及通讯接口的工作方式，读入初始跳线设定值，选择传感器的输出比例因子，使能输出引脚以及设置通信参数。初始化完成后，检测是否需要进行白平衡调整：如需要,进入调整白平衡子程序；否则，转到下一步。检测是否需要进行颜色识别：如不需要颜色识别，返回；否则，调用颜色识别子程序，直到颜色识别完毕。

按键“A”启动测量，测量完成后由液晶显示三刺激测量值以及与当前标准色卡测量值的差值。

按键“B”保存当前测量值为当前标准色卡测量值，此后的测量均基于此基准计算色差。

2)三刺激值测量

便携式胶类中药材光学检测仪有硅光二极管作为传感器完成测量数据的采集和三刺激值的计算,同时处理机也实现系统的人机接口和数据传输(上传数据到计算机)功能。便携式胶类中药材光学检测仪包括：人机接口、信号处理机和电源；人机接口由液晶屏和点触摸按键组成。人机接口设于信号处理机上，信号处理机与电源连接，信号处理机直接通过LCD显示屏测量结果。

人机接口包括设于信号处理机上的点触摸按键和LCD显示屏，LCD显示屏显示测量结果；

所述电源支持外部直流供电方式；

使用时，按下点触摸按键，信号处理机进行测量，并将结果显示到LCD显示屏。

信号处理机包括滑块底座、轨道、光源模块、检测支架、LCD显示屏、点触摸按键、彩色光检测机箱；所述彩色光检测机箱一侧中间设有竖直的轨道，轨道可滑动设置滑块底座，所述滑块底座连接光源模块，所述光源模块正下方为检测支架，检测支架设于彩色光检测机箱上，所述彩色光检测机箱上还设LCD显示屏和点触摸按键。

所述滑块底座内设有滚珠，滑块底座可沿轨道上下平滑移动。

所述检测支架为“L”型支架，检测支架贴近彩色光检测机箱一侧为样品槽，所述样品槽中心设直径1cm的圆形透光孔。

所述光源模块外壳内从上至下依次设有散热片、白色LED底座、聚光杯、滤光片和聚光透镜，所述聚光杯顶部中心设LED灯，光源模块外壳底部设有遮光板，所述遮光板为边长大于光源模块外壳直径的正方形板，所述遮光板中心开有透光孔，透光孔直径在1.5cm～2cm之间。

所述彩色光检测机箱采用不透光材质制成，所述彩色光检测机箱内透光孔的下方设彩色滤光片，彩色滤光片下方为硅光二极管，硅光二极管连接光信号采集检测电路，透过彩色滤光片后，经硅光二极管，光信号采集检测电路。硅光电二极管是一种能量转换型器件，根据各个分量的能量强度来度量RGB，能量强度的度量反应在电信号变换上，测得电信号变化就可知道相对光强。在8*8的光电二极管阵列中，感光管均匀分布，配合光路即可获取一种颜色分量强度值。

使用时，将阿胶置于样品槽，打开光源模块，LED白光光源打在阿胶上通过透过孔打在硅光二极管上，经由光信号采集检测电路，通过模数转换器ADC将模拟信号转换成为数字信号，并显示在LCD显示屏上。

3)样品与色卡比对差值

便携式胶类中药材光学检测仪设有具有存储功能的单片机，能存储一种标准色，将信号处理机采集到的样品的XX与标准色进行对比。

所述硅光二极管在作为集成传感器使用，采集样品颜色时，会受各方面的影响导致采集的颜色参数存在误差。为此需对采集数据输出的电信号值进行处理。常用标定方法则利用白光进行系统校准。为了获取频谱分量上拟合出精确的三刺激值(RGB)，需要建立一套可调且具有一定频谱分辨率的单色谱光源，对系统的光路以及传感器进行校准。

4)上位机控制批量测量

测量样品的平均厚度，根据样品的大小在均匀选取测量点，大块样品选取15个测量点，块样品选取9个测量点，在相同的环境条件下测量样品的三种颜色光的反射值和透射值，统计学处理方法数据以均数±标准差表示，采用SPSS 19.0统计软件进行统计分析，运用单因素方差分析。通过对透射值RSD求值，得到透射值差异具有统计学意义。

当一束平行的单色光通过均匀的吸光物质时，吸光度与吸光物质的浓度和厚度成正比关系。由于光通过物体的透射值受物体本身物质组成与厚度值影响，而每一块胶的厚度值存在差异，建立透射与厚度之间的线性关系。通过建立透射值与厚度之间的线性关系可得，部分产品不能够建立线性关系，从中也反映受不同厂家生产工艺影响，产品质量的均一性不同。进一步证明通过透射值可检测胶类药材的均一性。

本发明具有的优点：彩色光检测机箱的设置，光路安置于封闭黑箱中，减小外界和光路之间的干扰。

用光学特性中透射值可直接反映不同的胶类药材之间的差异性。利用光学特性中透射值测量方法简便，准确，为胶类药材质量评价提供依据。

对阿胶的鉴定建立准确性好、专属性强、灵敏度高的胶类药材的质量检测技术和方法，对于指导胶类药材生产、质量控制、提高市场监管能力，保障人民用药安全具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的自检标定流程图。

图2为便携式胶类中药材光学检测仪的系统框图。

图3是便携式胶类中药材光学检测仪的结构示意图。

图4是图3的俯视结构示意图。

图5为图3中光源模块内部结构示意图。

图6为硅光二极管阵列三刺激值特性曲线。

图7为实施例中不同胶类的红光透射值条形图。

图8为实施例中不同胶类的绿光透射值条形图。

图9为实施例中不同胶类的蓝光透射值条形图。

附图标记说明:1.滑块底座、2.轨道、3.光源模块、31散热片、32.白色LED底座、33.LED、34.聚光杯、35.滤光片、36.聚光透镜、37.遮光板、4.检测支架、5.LCD显示屏、6.点触摸按键、61.按键A、62.按键B、7.彩色光检测机箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

一种基于光学特性的胶类材料鉴别方法，包括

1)自检标定

考虑到光源光衰和传感器的老化差异，系统需要通过自检标定流程补偿误差，保证测量精度；系统初始化负责设置处理器的定时器/计数器以及通讯接口的工作方式，读入初始跳线设定值，选择传感器的输出比例因子，使能输出引脚以及设置通信参数。初始化完成后，检测是否需要进行白平衡调整：如需要,进入调整白平衡子程序；否则，转到下一步。检测是否需要进行颜色识别：如不需要颜色识别，返回；否则，调用颜色识别子程序，直到颜色识别完毕。

按键“A”启动测量，测量完成后由液晶显示三刺激测量值以及与当前标准色卡测量值的差值。

按键“B”保存当前测量值为当前标准色卡测量值，此后的测量均基于此基准计算色差。

2)三刺激值测量

便携式胶类中药材光学检测仪，人机接口包括设于信号处理机上的点触摸按键和LCD显示屏(5)，人机接口设于信号处理机上，信号处理机与电源连接，LCD显示屏(5)显示测量结果；

所述电源支持外部直流供电方式；

信号处理机包括滑块底座(1)、轨道(2)、光源模块(3)、检测支架(4)、彩色光检测机箱(7)；所述彩色光检测机箱(7)一侧中间设有竖直的轨道(2)，轨道(2)可滑动设置滑块底座(1)，所述滑块底座(1)连接光源模块(3)，所述光源模块(3)正下方为检测支架(4)，检测支架(4)设于彩色光检测机箱(7)上，所述彩色光检测机箱(7)上还设LCD显示屏(5)和点触摸按键。

所述滑块底座(1)内设有滚珠，滑块底座(1)可沿轨道(2)上下平滑移动。

所述检测支架(4)为“L”型支架，检测支架(4)贴近彩色光检测机箱(7)一侧为样品槽，所述样品槽中心设直径1cm的圆形透光孔。

所述光源模块(3)外壳内从上至下依次设有散热片(31)、白色LED底座(32)、聚光杯(34)、滤光片(35)和聚光透镜(36)，所述聚光杯(34)顶部中心设LED灯(33)，光源模块(3)外壳底部设有遮光板(37)，所述遮光板(37)为边长大于光源模块(3)外壳直径的正方形板，所述遮光板(37)中心开有透光孔，透光孔直径在1.5cm～2cm之间。

所述彩色光检测机箱(7)采用不透光材质制成，所述彩色光检测机箱(7)内透光孔的下方设彩色滤光片(35)，彩色滤光片(35)下方为硅光二极管，硅光二极管连接光信号采集检测电路，透过彩色滤光片(35)后，经硅光二极管，光信号采集检测电路。硅光电二极管是一种能量转换型器件，根据各个分量的能量强度来度量RGB，能量强度的度量反应在电信号变换上，测得电信号变化就可知道相对光强。在8*8的光电二极管阵列中，感光管均匀分布，配合光路即可获取一种颜色分量强度值。

3)样品与色卡比对差值

便携式胶类中药材光学检测仪设有具有存储功能的单片机，能存储一种标准色，将信号处理机采集到的样品的XX与标准色进行对比。

所述硅光二极管在作为集成传感器使用，采集样品颜色时，会受各方面的影响导致采集的颜色参数存在误差。为此需对采集数据输出的电信号值进行处理。常用标定方法则利用白光进行系统校准。为了获取频谱分量上拟合出精确的三刺激值(RGB)，需要建立一套可调且具有一定频谱分辨率的单色谱光源，对系统的光路以及传感器进行校准。

4)上位机控制批量测量

测量样品的平均厚度，根据样品的大小在均匀选取测量点，大块样品选取15个测量点，块样品选取9个测量点，在相同的环境条件下测量样品的三种颜色光的反射值和透射值，统计学处理方法数据以均数±标准差表示，采用SPSS 19.0统计软件进行统计分析，运用单因素方差分析。通过对透射值RSD求值，得到透射值差异具有统计学意义。L便携式胶类中药材光学检测仪

当一束平行的单色光通过均匀的吸光物质时，根据Lamber-Beer定律，吸光度与吸光物质的浓度和厚度成正比关系。由于光通过物体的透射值受物体本身物质组成与厚度值影响，而每一块胶的厚度值存在差异，建立透射与厚度之间的线性关系。通过建立透射值与厚度之间的线性关系可得，部分产品不能够建立线性关系，从中也反映受不同厂家生产工艺影响，产品质量的均一性不同。进一步证明通过透射值可检测胶类药材的均一性。

实施例1

1.药材

本实施例中取32批次市售胶类药材作为实验对象，所得药品如下表2-1所示，对32批次样品进行编号分组依次为1到32组。

表2-1 32批次市售胶类药材商品信息

对以上样品进行测量和计算得：

阿胶厚度：(6.30～7.99,)mm，长度(72.23-94.22，)mm，宽度(36.65～40.88,)mm；

龟甲胶厚度(3.86～6.98,)mm，长度(35.95～41.95，)mm，宽度(27.21～36.90，)mm；

鹿角胶厚度(3.55～7.18,)mm，长度(28.81～38.53，)mm，宽度(21.88～29.70，)mm。

2.测量与结果

1.样品性状测定

市场商品的规格，厚度、颜色和透明度均存在较大差异，厚度对光学特性的影响最大。通过对32批次胶类药材红光、绿光、蓝光反射值进行方差分析，发现差异无统计学意义(p>0.05)，反射离散系数的红光为6.15％绿光为5.30％蓝光为5.00％，因此胶类药材反射值不存在明显差异。

2.对胶类药材产品的透射值进行测量统计

表2-2 32批次市售胶类药材商品的中每一块红光透射值相对标准偏差

表2-3 32批次市售胶类药材商品的中每一块绿光透射值相对标准偏

表2-4 32批次市售胶类药材商品的中每一块蓝光透射值相对标准偏差

表2-5 32批次市售胶类药材商品透射值相对标准偏差

通过对透射值RSD求值，实验数据显示绝大部分三种颜色透射值的RSD<10％，同一批号产品中少量RSD>10％，同时也有部分批号产品RSD值整体性大于10％(红光和绿光的组6、11，蓝光组7、8、9、14、19、24)，见表2-2、2-3、2-4。且若以同一个批号为考察对象其RSD值明显增大，在组15、16、17和特级胶组18中不同品质的胶RSD以质量越高其RSD值越小。见表2-5。透射值的差异性必定受产品本身质量的影响，因此借助透射值可以反映胶类药材质量的均一性。在组12其产品厚度值大透光性差，三种光透射值都为1因此其RSD值为0。

根据L便携式胶类中药材光学检测仪mber-Beer定律便携式胶类中药材光学检测仪＝ElC，当一束平行的单色光通过均匀的吸光物质时，吸光度与吸光物质的浓度和厚度成正比关系。由于光通过物体的透射值受物体本身物质组成与厚度值影响，而每一块胶的厚度值存在差异，建立透射与厚度之间的线性关系。通过建立透射值与厚度之间的线性关系可得，部分产品不能够建立线性关系，从中也反映受不同厂家生产工艺影响，产品质量的均一性不同。进一步证明通过透射值可检测胶类药材的均一性。

通过透射值数据可发现32批次样品三种颜色透射值之间存在明显的差异，为此通过不同的分类比较以寻找之间的差异与联系的规律性，用于胶类药材的鉴别研究。

3.同厂家同种胶不同品质透射值分析

同厂家不同品质胶透射值，组间两两对比发现，组15(一级胶)、16(二级胶)、17(谱胶)太极集团三种品质的胶差异有显著性意义(P<0.01)，且透射值随品质的降低而减少。山东东阿三种品质的阿胶，组7和8与组18比较三种光透射值明显偏小有统计学意义(P<0.01)，组7与组8比较透射值红光和蓝光有统计学意义(P<0.05)，但绿光无统计学意义(P>0.05)；山东谷阳二种阿胶差异有显著性意义(P<0.01)。山东福胶二种阿胶红光、绿光差异有显著性意义(P<0.01)，但蓝光差异无显著性意义(p>0.05)。胶类药材同一厂家不同品质之间的透射是存在很大差异的。红光值差异性最显著。绿光和蓝光相对差异性相对减弱。且阿胶的透光性随品质的增加而提高。见表2-6、2-7、2-8、2-9。

表2-6太极集团不同品质阿胶三种颜色透射值

注：均值差的显著性水平为0.01,三种胶两两比较，**P<0.01。

表2-7山东东阿阿胶不同品质阿胶三种颜色透射值

注：**P<0.01，*P<0.05

表2-8山东谷阳不同品质阿胶三种颜色透射值

注：与5号比较**P<0.01。

表2-9山东福胶不同品质阿胶三种颜色透射值

注：与6号比较**P<0.01。

Claims (6)

1.一种基于光学特性的胶类材料鉴别方法，其特征在于，包括

1)自检标定

考虑到光源光衰和传感器的老化差异，系统需要通过自检标定流程补偿误差，保证测量精度；系统初始化负责设置处理器的定时器/计数器以及通讯接口的工作方式，读入初始跳线设定值，选择传感器的输出比例因子，使能输出引脚以及设置通信参数，初始化完成后，检测是否需要进行白平衡调整：如需要，进入调整白平衡子程序；否则，转到下一步，检测是否需要进行颜色识别：如不需要颜色识别，返回；否则，调用颜色识别子程序，直到颜色识别完毕；

2)三刺激值测量

人机接口包括设于信号处理机上的点触摸按键和LCD显示屏(5)，人机接口设于信号处理机上，信号处理机与电源连接，LCD显示屏(5)显示测量结果；

所述电源支持外部直流供电方式；

信号处理机包括滑块底座(1)、轨道(2)、光源模块(3)、检测支架(4)、彩色光检测机箱(7)；所述彩色光检测机箱(7)一侧中间设有竖直的轨道(2)，轨道(2)可滑动设置滑块底座(1)，所述滑块底座(1)连接光源模块(3)，所述光源模块(3)正下方为检测支架(4)，检测支架(4)设于彩色光检测机箱(7)上，所述彩色光检测机箱(7)上还设LCD显示屏(5)和点触摸按键，将胶类药材置于样品槽，打开光源模块，LED白光光源打在胶类药材上通过透过孔打在硅光二极管上，经由光信号采集检测电路，通过模数转换器ADC将模拟信号转换成为数字信号，并显示在LCD显示屏上；

3)样品与色卡比对差值

便携式胶类中药材光学检测仪设有具有存储功能的单片机，能存储一种标准色，将信号处理机采集到的样品的RGB色与标准色进行对比；

4)上位机控制批量测量

测量样品的平均厚度，根据样品的大小在均匀选取测量点，在相同的环境条件下测量样品的三种颜色光的反射值和透射值，数据以均数±标准差表示，采用SPSS 19.0统计软件进行统计分析，运用单因素方差分析，比较差值得到胶类药材品质的判定。

2.根据权利要求1所述的基于光学特性的胶类材料鉴别方法，其特征在于，所述自检标定包括对按键“A”启动测量，测量完成后由液晶显示三刺激测量值以及与当前标准色卡测量值的差值。

按键“B”保存当前测量值为当前标准色卡测量值，此后的测量均基于此基准计算色差。

3.根据权利要求1所述的基于光学特性的胶类材料鉴别方法，其特征在于，所述滑块底座(1)内设有滚珠，滑块底座(1)可沿轨道(2)上下平滑移动。

4.根据权利要求1所述的基于光学特性的胶类材料鉴别方法，其特征在于，所述检测支架(4)为“L”型支架，检测支架(4)贴近彩色光检测机箱(7)一侧为样品槽，所述样品槽中心设直径1cm的圆形透光孔。

5.根据权利要求1所述的基于光学特性的胶类材料鉴别方法，其特征在于，所述光源模块(3)外壳内从上至下依次设有散热片(31)、白色LED底座(32)、聚光杯(34)、滤光片(35)和聚光透镜(36)，所述聚光杯(34)顶部中心设LED灯，光源模块(3)外壳底部设有遮光板(37)，所述遮光板(37)为边长大于光源模块(3)外壳直径的正方形板，所述遮光板(37)中心开有透光孔，透光孔直径在1.5cm～2cm之间。

6.根据权利要求1所述的基于光学特性的胶类材料鉴别方法，其特征在于，所述彩色光检测机箱(7)采用不透光材质制成，所述彩色光检测机箱(7)内透光孔的下方设彩色滤光片(35)，彩色滤光片(35)下方为硅光二极管，硅光二极管连接光信号采集检测电路。