生物物理技术综述

近红外光谱术在传统中药中的研究应用

摘要：红外光谱技术是近20年来发展较快的新型分析检测技术，它具有快速、简便、准确和不破坏样品等特点，已在农业、食品、石油化工等行业中得到了较为广泛的应用。我国中药材资源丰富，有利于实现中药现代化持续发展战略，加强中药质量管理是实现中药现代化的关键环节。在借鉴红外光谱在线检测技术在其它领域中的成熟应用的基础上，分析近红外用于中药研究中的可行性与优势所在，结合中药的特点，在中药的定性鉴别、定量分析等研究上取得了一些进展，显示出了红外光谱技术在中药领域中广阔的应用前景。

关键词：红外光谱技术；传统中药；生产制作过程应用；生产过程质量控制；定性分析

中药是中国医药学宝库中的一颗璀璨明珠，在人类与疾病斗争的过程中扮演重要的角色，在世界医药发展史上占有重要地位。随着科学技术的发展和人们“回归自然”的需求，中药产业成为21世纪具有发展空间的高增值产业。目前，我国的中药产企业有近1500家，但我国中药制药水平整体低下，生产模式和管理水平相对落后，质量控制的方法和手段创新不足，导致我国中药产品质量难以保证，极大地阻碍了中药现代化和国际化的进程。中药生产过程由一系列单元操作如提取、浓缩、纯化、制粒、混合、包衣等组成，每一项单元操作工艺参数的变化都会影响到最终产品的质量。目前，由于这些单元操作过程中缺乏有效的过程检测手段，大多只能根据经验决定过程是否完成，成为中药应用的盲点。近年来，红外光谱技术的引入到中药研究

领域中，积累了丰富的成果，极大地推动了中药的应用范围。

1 近红外光谱技术介绍

现代近红外光谱分析( near — infrared spectroscopy， NIRS)是光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测试技术的有机结合，它是采用化学计量学技术，建立近红外光谱所反映的样品基团、组成或物态信息与用标准或认可的参比方法测得的组成或性质数据的定量模型或判断模型，然后通过对未知样品光谱的测定，依据所建立的定量模型或判断模型来快速预测其组成或性质的一种分析方法。

1.1NIRS分析技术的发展历程

20世纪初，人们采用摄谱的方法首次获得了有机化合物的NIRS ，并对有关基团的光谱特征进行了解释，由于缺乏仪器基础，20世纪5O年代以前，NIRS的研究只限于为数不多的几个实验室中，且没有得到实际应用。5O年代中后期，随着简易型 NIRS仪器的出现及Norris等在NIRS漫反射技术上所做的大量工作，NIRS在测定农副产品的品质方面得到广泛使用。进入60年代中后期，随着(中) 红外光谱技术的发展及其在化合物结构表征中所起的巨大作用，使人们淡漠了NIRS在分析测试中的应用。直到 8O年代后期，随着化学计量学迅速的发展以及过去中红外光谱技术经验的积累，NIRS才真正为人们所关注，成为一门独立的分析技术，有关 NIRS的研究及应用文献几乎呈指数增长。

1.2 原理

近红外光谱区为7 8 0～ 2526 nm(4000～10000c m )的区域，该区域与有机分子中含氢基团( 0-H,N-H, C—H,S-H) 振动的合频和各级倍频的吸收区一致。因此,扫描样品的近红外光谱，就可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息,从而完成近红外光谱的测量。近红外光谱分析的光学原理主要包括反射和透射两大类。其中反射光谱主要指体漫反射( body reflectance ),它是光能量透过物质表层与其微观结构发生相互作用，依据微观结构不同的化学键与具有不同运动模式和不同频率的光振动有选择性地发生耦合吸收，而没有发生耦合吸收的光能量出射再进入其他微粒，被原子核通过多次反射后折出该物质表层,体漫反射光信号与入射原始光信号之间的比值反映了物质对不同频率光的选择吸收特性,即形成了测量物质的吸收光谱。透射光谱是入射光通过样品并与样品分子相互作用后形成的光谱。若样品是透明的真溶液，则分析光在样品中经过的路程一定，透射光的强度与样品组分浓度符合比耳定律。

近红外光谱吸光度数据是通过近红外光谱分析仪器的能量采集系统( 主要是探测器) 来得到的，是物质对近红外波段光辐射能量人射前后的比值，为无量纲单位，它的大小与待测物质成分的浓度成线性关系,因此,可以利用物质在近红外波段的透射或反射光谱的能量变化来测量物质成分的浓度。同时,根据各个频率位置及其对应的相对值的强度, 依据光谱理论可推导分子的结构。

1 .3 NIRS分析技术的组成

NIRS分析技术主要由硬件、软件、模型 3部分组成。硬件主要包

括光谱仪、取样系统、测样装置和样品预处理系统；软件包括光谱实时采集软件和化学计量学光谱分析软件；模型在 NIRS分析中处于核心地位，一般情况，在系统建立、调试初期，可利用一段时期内现场收集的有代表性样品，使用模型建立模拟系统建立一个初始模型，然后随着在线检测来逐渐扩充模型。

1.4 NIRS分析技术的特点

与传统分析技术相比， NIRS技术具有诸多优点：①分析速度快、产出多，能在几分钟内，仅通过对被测样品完成 1次 NIRS的采集测量，即可完成其多项性能指标的测定( 最多可达10余项指标) ；②光谱测量时不需要对分析样品进行前处理，分析过程中不消耗其他材料或破坏样品；③可通过光纤实现远距离测量,实现在线检测( 质量过程控制) ；④适用固态、粉粒态、半固态、液态等各种样品。同时，NIRS技术也有其局限性：①目前还只能作常量分析，其检测极限一般为 0.1 ％ ,难进行痕量分析;②需要对大量代表性的样品用参比方法进行测定，辅助于化学计量学等方法,建立校正模型;③非原始方法,测定的准确性取决于原始方法的准确性。

2 在中药生产过程中的应用

2.1提取过程

在中药提取过程中，由于提取液中活性成分含量往往过低且含较多的杂质，难以直接准确地快速测定，造成中药生产过程中缺乏有效的质量控制手段。现行中药生产工艺控制模式仍以传统的经验控制方法为主，多数环节缺乏在线检测手段，无法实时监控有效成分含量变

化，使生产工艺很难得到精确控制，从而导致中药药品批次质量差异较大。目前，国内就有学者将NIRS分析方法应用于中药提取过程质量

控制的研究，并取得了很好的效果。比如，陈雪英等[1]

建立一种用

近红外(NIR)透射光谱法快速测定赤芍水提过程有效成分含量的新方法，以HPLC为对照分析法测定了芍药苷含量，运用PLS法建立NIR光谱与芍药苷HPLC分析值之间多元校正模型，并对未知样本进行含量预测。结果校正模型相关系数达0．9962，预测相关系数达0．9895。王静等

[2]

运用正交信号校正算法消除光谱中的干扰信息，采用偏最小二乘法建立NIR光谱校正模型。结果表明NIR光谱校正模型能够准确地预测红参提取过程中总皂苷的质量浓度。结果表明NIR光谱校正模型能够准

确地预测红参提取过程中总皂苷的质量浓度。

2.2浓缩过程

浓缩是中药制药过程中的重要操作单元，不同批次浸膏质量的稳定与否直接影响到后续工序的操作和产品的最终质量。例如，罗晓芳

[3]

以丹参水提液浓缩过程为例，建立了中药浓缩过程的NIRS在线监控方法。利用PLS建立的NIRS校正模型能够快速测定浓缩过程中丹参素

和原儿茶醛的含量以及含固量，及时获得浓缩过程的有效成分和含固量的信息。模型预测值与参考值之间具有较好的相关性，这表明利用NIRS技术能实时反映浓缩过程中料液的状态，提高中药浸膏质量的稳定性。

2.3 纯化过程

NIRS结合光纤技术可实现中草药提取液纯化过程的在线分析。有

罗晓芳[3]以丹参醇沉过程为例，将NIRS技术用于在线分析中药醇沉过程。通过对预处理方法和建模波段的优化，用PLS算法建立了丹参醇沉液中丹酚酸A，丹酚酸B，丹酚酸D，咖啡酸，丹参素，原儿茶醛6

种成分和含固量的快速分析方法。模型预测值与参考值之间具有较好的相关性，适用于醇沉过程的在线质量控制。杨南林等[4]针对大孔吸附树脂纯化过程缺少在线分析手段等问题，提出基于光纤近红外透射光谱的过程分析新方法，并将其应用于黄连纯化过程中生物碱洗脱曲线的预测，该方法可同时测定洗脱物中盐酸小檗碱、盐酸巴马亭、盐酸药根碱和黄连总生物碱的浓度。张延莹等[5]利用近红外光谱(NIRS)技术研究并建立纯化过程中丹酚酸B的含量检测模型，实现产业化规模中药生产纯化过程的在线质量监控。

2.4 制粒和干燥过程

制粒的目的是为了改善压片过程中粉末流动性和可压性等问题。NIRS技术可用于在线监测制粒过程中的颗粒的水分含量。例如，养胃颗粒喷雾制粒干燥终点的判断主要是工人通过已有的经验来控制干

燥时间，有自动化程度低的缺点，王静[6]针对这个问题，研究建立了近红外光谱分析技术测定制粒过程中颗粒水分含量的方法，并在此基础上。采用移动块标准偏差法(moving block of standard deviation，MBSD)，研究建立了基于近红外光谱分析技术的无糖型养胃颗粒喷雾制粒过程的终点判断方法，实现了中药喷雾制粒过程的在线检测。

2.5 粉末混合过程

中成药组方、成分复杂，生产要求混合均匀，否则不仅影响产品

外观，更重要的是对安全用药与疗效的影响，甚至造成不良后果。徐晓杰等[7]利用近红外光谱法对六味地黄丸粉末混合均匀度进行检测，建立的方法基本可以满足药品生产过程中粉末混合均匀度测定的要求，并提出通过样本量的加大以及设计浓度范围的扩大，近红外技术可以用于六味地黄丸粉末混合过程的质量控制，为中药生产的现代化、粉末混合过程的实时在线质量控制提供了一个好方法。

2.6 包衣过程

均匀、完整的包衣可以确保制剂良好的品质，如良好的释放度。带光纤探头的NIR漫反射光谱仪使用PLS模式可以对片剂包衣层进行

检测等。已发现片剂样品NIRS的变化与包衣的厚度之间存在相关性。刘冰等[8]利用NIRS分析技术，建立乳块消糖衣片包衣厚度快速、无损测定方法，采用Kennard—Stone法对校正集样本和验证集样本进行分类，比较不同的建模方法，并对光谱的预处理方法、建模波段、主因子数的选择进行详细地讨论，结果表明采用偏最小二乘回归方法(PLSR)建立包衣厚度的NIRS定量分析校正模型，所建模型的相关系数r=0.996 1，RMSEC为0．014 9，RMSEP为0．019 4。预测结果表明，

所建方法快速、无损、可靠，可推广应用于中药生产包衣过程的存线检测。

3 NIRS技术在中药生产过程中的质量控制应用

3.1 原药材的优选

中药制药不但包括提取、浓缩、分离等过程，原药材的优选也是其中的重要组成部分.对中药制药所需原药材进行优选，过滤掉假冒

伪劣品, 将从源头上保证药材的最佳品质，从而为成药的最终质量提供最基本的保证。运用 NIRS 技术可以实现对原药材的快速筛选。

3.1.1 优质原药材的快速定性筛选

在丹参药材整体质量评价中，瞿海斌等[9]以10批基地药材作为标准样品集,建立相似度匹配模型，并用于计算其余5 2批药材的相似度匹配值。结果相似度匹配值不仅能反映各批次丹参药材与基地丹参药材的质量差别，还能准确区分基地药材和其他产地药材。对来源不同的阿胶真伪品的NIRS使用多重散射校正和小波变换进行预处理后，

分别运用相似度匹配和马氏距离方法建立质量鉴别模型，两种方法

均对阿胶真伪做出了正确鉴别。建立不同产地黄柏药材及其伪品判别模型，对正品、伪品以及不同产地黄柏药材的预测精度达到 100％。同样,利用NIRS技术，张延莹等[10]也准确无误地鉴别了三七及其伪品。诸多研究表明，运用NIRS能够快速、有效地对中药材整体质量进行评价与鉴定。

3.1.2 定量筛选

范积平等对 3个不同产地大黄的大黄素、大黄酚、大黄酸、芦

荟大黄素进行高效液相含量测定，并用41个样品建立近红外光谱的

定量模型，预测大黄样品结果4种活性成分的优化模型的决定系数均

超过95.96，预测均方差最大为0.139( 大黄素)。采用偏最最小二

乘 ( PLS ) 法，选择软件优化选择波段( 6950～ 4223 c m＾-1) ，选定丹参药材中丹酚酸 B和丹参酮ⅡA的最佳建模因子数分别为 12

和7,结果所建模型可以准确地预测丹酚酸B和丹参酮ⅡA的含量。通过

建立NIRS校正模型，测定不同来源黄柏中小檗碱的质量百分含量，快速又简便。同样，白雁等[11]建立了山药中尿囊素的NIRS含量测定方法。范铭然等[12]建立了八角茴香中莽草酸的最佳定量分析模型。相比于常规定量分析方法，NIRS检测结果逼近标准方法，但分析效率却大为提高。这点对于企业来说，尤为重要。

3.2 中药提取过程

提取、精制等生产环节决定着中药中不同成分在成品中的比例，即决定着药品的疗效。我国对中药提取过程的质量控制仍十分被动，只对终端产品进行质检，存在分析结果滞后的缺陷，容易造成人力、物力及时间的浪费。运用NIRS可以克服上述缺点。采用NIRS光纤技术分析不同工艺条件下的栀子药材提取液样本，通过 SIMCA方法建立了工艺稳态监控模型，结果模型可以对任一未知样本的工艺状态进行实时评价，且提供一个客观、量化的指标用以判别其工艺是否出现异常。

4 红外光谱技术在中药定性分析的应用

中药成分复杂，传统的定性鉴定方法有性状鉴定、显微鉴定和理化鉴定等。2010 年版《中国药典》 ( 一部) 所收载的中药鉴别方法主要为显微鉴别法、色谱法和光谱法等。这些方法大多需要对样品进行预处理，分析过程繁琐且耗时较长，相比之下近红外光谱技术则可实现中药材的快速、无损坏、在线鉴定。

4.1 中药真伪鉴定

药材的鉴别是药物质量标准的核心部分，假药或劣药问题是目前

世界各国特别是发展中国家共同面临的严峻问题之一。近红外光谱法作为一种快速扫描技术，有助于假药、劣药的识别与鉴定，目前正成为国内、外药物分析中的一支奇葩。利用近红外光谱结合聚类分析和判别分析法可以快速、准确地鉴别多种常用药材。目前采用近红外光谱技术已经成功地鉴别了丹参、外观相似的高丽参、紫云英根、天

门冬根等药材的真伪。王良金等[13]应用近红外图谱直观法分析鉴别

假药，与已知真品药物的近红外光谱进行对比，验证了复方甘草片、六味地黄丸等13个中成药品种，证明了应用近红外谱图直观对比法

筛查市场上常见的假药是切实可行的。刘荔荔等[14]用近红外漫反射

峰位鉴别法成功地对天麻进行了真伪鉴别。汤彦丰等[15]应用近红外

光谱和人工神经网络相结合的方法对大黄进行了鉴别，正确率高达9 6 ％。因此，可以利用所含组分的差异，找出对应光谱峰的变化规律，就可以从相似的图谱中把相应的物质鉴别出来。

4.2 中药掺伪鉴别

市场上的中药材掺伪现象比较常见，而应用一般的理化分析方法难以鉴别，并且掺伪药材的红外吸收光谱区域的吸收峰基本一致，无法用近红外特征峰位吸收法进行定性鉴别。天然牛黄资源稀少，价格昂贵，市场上有人用人工牛黄加工冒充天然牛黄粉，或在天然牛黄粉中掺人不等量的人工牛黄粉，针对这种情况，马群等[16]应用近红外漫反射技术结合支持向量机测定天然牛黄粉中人工牛黄的含量，建立了天然牛黄中人工牛黄含量的模型，结果可靠，可用于天然牛

黄的质量控制。针对目前中药材市场假药的识别难度越来越大、要

求越越高等特点，应用近红外光谱结合不同的分析模式，逐步建立常见药材图谱库，可以实现大批量药材的快速、无损鉴别，并有利于在药品检测车上推广使用，实现在线即时检测，从而避免了传统的色

谱等较为复杂的分析手段，使分析过程更加高效、快捷。

4.3 中药材的产地鉴别

我国的中药产地众多，同一物种在不同的生长环境下质量也会

有一定的差异，应用传统的形态和理化鉴别法，鉴别难度较大。而

近红外光谱可以反映不同产地的同种药材在化学成分上的细微变化，在产地鉴别上有越来越广泛的应用。邓波等[17]用近红外漫反射光谱

和主成分分析相结合，比较了川贝、浙贝等4 8个品种的二维和三

维投影图差异，不仅能够准确区分不同产地的贝母，而且也与中医临床用药习惯相符合，可作为药材质量的检测手段。

总结：我国中药品种众多，成分复杂，天然药材资源十分丰富，传统的方法鉴别难度较大 , 并且需要对药材进行破坏性的预

处理，为避免其成分间的相互干扰，还需对其化学成分进行提取、分离等，耗时较长，药材损耗量大。因此，迫切需要借助先进的仪器和科学的分析技术相互印证、相互补充，建立一种快速、准确、高效的新型检测技术。近红外光谱分析技术能够以无损的方式从样本中直接获取分析信息，并借助于化学计量学的方法进行系统研究，建立常用药用植物的模型和信息库，对于药材的定性鉴别、质量控

制具有十分重要的科学意义和实用价值。加上便携式近红外光谱仪的研制，近红外光谱在快速、高效、无损分析方面将有很大的优势。

近年来，该技术在中药的真伪鉴别、在线质量控制、快速测定等方面得到广泛应用。但是红外光谱技术有一些弱点，即：它只是一种间接的分析技术，前期需要通过大量的基础数据来建立模型；其次，近红外光谱的信号较弱，仅适用于常量分析，被测组分的含量一般要大于0.1 ％。近红外光谱技术在中药生产及检验方面有很大的优势，但由于中药成分复杂，其吸收光谱是所含各化合物吸收光谱的叠加，具有难以解析的复杂性，加之大多数药材的主体成分相似，图谱又具有一定的相似性，这使得建模方法学成为近红外光谱技术用于药物分析的关键和研究前沿还存在一些不足。

NIRS作为一种通过建立校正模型对未知样品进行分析的技术,

其应用的前提必须要找到能够表征中药质量的化学物质作为分析的

对象基础，并且能够用相应的标准分析方法得出其可靠的化学值。但对于大多数中药,其物质化学基础研究还比较薄弱,很多药物含量测

定所选择的指标成分不能充分表征中药质量。所以只有加强中药的基础研究,搞清楚能够表征中药疗效的化学成分群，NIRS才能对中药进行更为全面的质量控制，才能更好地拓展NIRS分析技术在中药领域的应用。中药制药过程是一个动态变化过程，具有非线性、时变性、大滞后的特点。用NIRS对样品进行取样测样时，液体样品通过流通池时的流动稳定性和气泡问题，固体粉末样品的松紧度及光学物理特性,在线检测所用测量探头能否抵御测样环境中各种因素的变化等都会影响模型的可靠性。因此，在进行NIRS分析时，应考虑样品的特征，针对制药过程各环节的特点，合理设计专门的取样、测样装置，尽量

减小取样误差与外界环境因素的影响，保证所选过程点样品的代表性与测量的准确性( 包括光谱采集的准确与标准值获得的准确) ，实现NIRS仪与制药装置的良好结合，从而建立稳定可靠的数学模型。

展望：由于中医药独特的理论体系和复杂的物质基础，对中药的质量控制技术提出了巨大的挑战，如何对其质量进行有效控制和探明其作用的机制是传统中医药现代化研究面临的艰巨任务。NIRS分析技术与传统分析手段相比有着不可比拟的优势，其一次试验过程即可实现多个质量参数的分析，非常适合对复杂体系的分析处理；其快速、简便、经济的特点适合于经常性大样本的分析；其不破坏样品、不产生污染的特点与目前提倡的低碳环保的理念相符。以上分析显示，NIRS 技术非常适合于中药产品的质量控制，其在中药产业中的应用

将会对中药的可控性和临床疗效的稳定起到积极推动作用。近几年来，随着近红外光谱仪器生产技术及处理复杂信号所用方法等各方面的

突破，如光纤材料和光纤技术的发展使得近红外光谱技术和中红外波长范围的光纤的联用成为可能，成功地实现了药物工业过程的在线、实时遥控控制和遥感监测；同时，随着软件的数理统计方法的进一步的完善，从复杂、重叠的光谱信号中提取有效信息效率地快速提高，为近红外光谱技术在中药生产过程控制中的应用奠定了坚实的基础。可以看出，虽然我国在 NIRS技术用于中药制药过程的研究还处于起

步阶段，但发展迅速，已在生产中的大部分环节都有涉及。其绿色分析属性符合现代人的生存理念，其高效快速的特点又非常符合社会发展生产力的要求，是顺应时代潮流的技术之一。相信近红外光谱技术

在中药生产领域会有非常广阔的应用和发展前景。

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