電化學振蕩反應在中藥鑒定中的應用*

李繼睿 禹練英 丁 峰

(湖南化工職業技術學院，株洲 412004)

長期以來，化學反應就被認為是從熱力學不平衡到平衡的一個單項過程，即反應物濃度由高到低，如果條件不發生改變，不會自發地使反應物濃度升高。這在熱力學中，有“熵增原理”作為有力依據。

20世紀初，各種有趣的現象被陸續發現，其中之一就是化學振蕩現象。在化學振蕩中，反應體系中某些狀態量(如物質濃度、反應溫度、體積等)隨時間、空間的變化而發生周期性變化。其中最著名的是20世紀50年代，俄國化學家貝洛索夫(B.P.Belousov，1893～1970)發現的振蕩體系。他用檸檬酸、溴酸鉀、硫酸作配劑，用鈰鹽作催化劑進行實驗，發現檸檬酸在稀釋的硫酸中被溴氧化，鈰離子在3價4價間振蕩，溶液在無色透明至淡黃色間周期變化。這是一種周期性振蕩的化學反應，又稱化學鐘反應[1-3]。

化學振蕩自出現之日起就在化學界引起軒然大波，首當其沖是它違背了化學家們的經典認識。當時人們認為熱力學第二定律確言：任何化學反應只能走向退化的平衡態，在兩種顏色之間的化學振蕩當然是不可能的。然而，對這個反應的奇特行為化學家和生物學家們均無法相信，以致他的論文屢遭拒絕，最后收錄在一個輻射醫學學術討論會的論文集中。幾年后，更多的化學家投身于此，更多更明顯的振蕩體系被發現，這促使人們正視它、認識它、從理論的角度分析它。但直到目前，還不存在能對化學振蕩體系做出完全準確預測的理論。

1 電化學振蕩理論研究現狀

首先是前蘇聯化學家貝洛索夫于1953年發現第一個復雜化學振蕩體系，但宏觀振蕩特征不明顯，并不被化學家認同。1952年，英國數學家圖靈(Turing，Alan)在一篇論文中，提出了像化學振蕩一類現象的可能性，并試圖尋找生命中的證據。1963年，從莫斯科大學生物化學系畢業的扎鮑廷斯基(A.M.Zhabotinsky)對別洛索夫的配方做了一些修改，使化學混合物在一薄層內擴散，形成圓形波和螺旋波紋，使化學振蕩確確實實呈現在人們眼前。

20世紀60年代，普利高津(I.Prigogine，1917-)研究了遠離平衡態的開放系統，指出這樣系統在非線性相互作用的條件下(如漲落)將會從無序進入有序而不違背熱力學第二定律，并把這樣的過程稱之為自組織，他認為化學振蕩是一類自組織現象(一個系統內部由無序自發地變為有序，使其中大量分子或單元按一定的規律運動的現象稱為自組織現象)，也可以叫做非平衡非線性現象。當振蕩體系處于非平衡非線性區時，無序的均勻定態并不總是穩定的，在特定的動力學條件下，一個無序的均勻定態可以失去穩定性，從而自發產生某種新的、可能是時空有序的狀態——耗散結構，化學振蕩就是處于遠離平衡態的耗散結構[4-9]。

2 國內外電化學振蕩的應用現狀

化學振蕩現象在分析化學中的應用出現在近二十幾年，1978年Tikhonova及其合作者發表了第一篇分析應用文章，報道了微量硫酸釕可以縮短B-Z反應(Belousov-Zhabotinsky reactions)的振蕩周期，其變化與硫酸釕的質量濃度(7～330 mg/L)線性相關，利用這一關系可以測定釕。

1995年Dolores Perez Bendito等[10]報道了利用被測物質對化學振蕩體系的脈沖擾動進行分析測定(Analyte Pulse Perturbation Technique，簡稱APP)。

利用化學振蕩技術可以檢測生物活性物質，如測定尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)。

B-Z反應在分析方面的應用主要是測定金屬離子和無機陰離子，已報道測定的金屬陽離子有鐵、錳、銀、鉈、釕、汞等；陰離子有氟、氯、碘、硫代硫酸根及金屬絡合陰離子等；以及氣體物質NO、CO、Cl2等[11]。

相對而言，該方法在有機物測定中比較成功，報道也較多，例如苯酚、二苯胺磺酸鈉、間苯二酚和沒食子酸、纈氨酸、咖啡因、利福平、維生素B1、維生素B2、維生素B6、維生素C及香子蘭醛、氫醌、谷胱甘肽[12]。

在研究化學振蕩時常采用連續流動攪拌反應器CSTR(continuous-flow stirred ank reactor)。

上述被測有機物大多為藥物，說明分析化學家已經把注意力聚焦在生命科學上，試圖將生命體內的振蕩現象移植于實驗室中進行研究，因此，化學振蕩分析法更具有生命力。

有報道用化學振蕩分析方法測定人血清和患者尿液，獲得了很有參考價值的結果[13,14]。金利通等[15]人利用模擬生物膜振蕩器研究了味覺物質，使該方法更逼近生物振蕩實際情況。

最近有報道利用吉爾(Gear)法和龍格-庫塔(Runge-Kutta)法等數學模型，3種研究化學振蕩反應機理模型的數學分析方法——穩定性分析、靈敏度分析和主成分分析，2種符號型數學運算軟件——Mathematica和Maple來求解振蕩反應數學模型的方法；用來模擬化學振蕩機理的遺傳算法和蒙特卡洛(Monte Carlo)算法以及MECHEM和Chemical Kinetic Simulator(CKS)軟件[16-18]。

3 中藥質量控制現狀

中藥作為一種天然產物，成分復雜，藥效部分不明確，尤其是復方藥，更以一種“膏、湯、丸、散，神仙難辨”的面目進入市場。加之中藥同名異種，同種異名現象較多，對于中藥質量的鑒別，一直沒有很好的方法。因此，只有對中藥進行現代意義下科學的質量控制，才能更好地保證中藥的質量，實現中藥的安全、有效、穩定、可控，為中藥走向世界奠定良好基礎。故中藥真偽鑒別和質量評價科學方法的研究已成為對分析化學家富有挑戰性的課題，用于中藥這一黑色或灰色復雜體系化學成分群集表征的中藥指紋圖譜一詞也應運而生，而且指紋圖譜在中藥真偽鑒別和質量評價與監控方面的重要作用已成為人們的共識。

目前這方面的研究報道有高效液相色譜指紋圖譜、氣相色譜指紋圖譜、薄層色譜指紋圖譜、高速逆流色譜指紋圖譜、毛細管電泳指紋圖譜和紅外光譜指紋圖譜等。其中中藥色譜指紋圖譜的研究和應用最為普遍和深入，已成為目前國際公認的評價和控制中藥或天然藥物質量最有效的方法和手段，但色譜指紋圖譜也有不可忽視的局限性。如液相色譜僅適用于真溶液體系；氣相色譜僅適用于中藥揮發性成分分析；色譜指紋圖譜因其定性和定量參數一般只有保留值和峰強度，色譜峰形也很少變化，因而其特征直觀性不強，在多數情況下需根據化學計量學方法處理后的結果來鑒別和評價中藥，因而費時，一般只有掌握一定相關專業技術知識的分析人員才能接受；色譜技術不能直接用于占絕大多數中藥中“膏、湯、丸、散”成藥和固體原藥材指紋圖譜的測定，測定前必須對其成分進行提取、分離等預處理，因而煩瑣、費事、操作流程長，試劑消耗量大，分析費用高，不僅會引入雜質，而且提取的部分已不能代表中藥的全部成分，其指紋圖譜實際上只是中藥部分化學成分的信息集合等。故嚴格說來，色譜指紋圖譜能作為中藥復雜體系所有成分的群集表征，僅適用于中藥注射液和口服真溶液。

因此，無需分離提純等預處理技術，能適用于各種物相和劑型的中藥中所有化學成分群集表征的指紋圖譜直接制作方法的研究，已作為首要任務之一擺在分析化學家的面前。電化學振蕩指紋圖譜應運而生，它具有無需繁瑣的預處理，適應所有中藥體系，圖譜信息含量大，特征值明顯，重現性好，檢測費用低廉等特點[19-22]。

4 化學振蕩在中藥檢測中的應用

4.1 電化學指紋圖譜特征參數

電化學指紋圖譜特征參數有誘導時間、最高電位、最低電位、振蕩周期、振蕩時間、最大振幅等，如圖1所示。

圖1 電化學振蕩指紋圖譜基本參數

筆者對不同產地不同種類的中藥進行了測定，從測定結果中可以看出，不同的中藥特征參數不同，不同產地的同一種中藥特征參數相似。因此，根據電化學振蕩指紋圖譜特征參數可以對中藥進行鑒別和檢測。

原春蘭等[24]應用振蕩技術，采用KBrO3-MnSO4-H2SO4丙酮振蕩器，得到解表藥柴胡、葛根、連翹，祛風濕藥木瓜、獨活、五加皮和理血藥雞血藤、丹參、虎杖的振蕩指紋圖譜。結果表明，這些化學振蕩指紋圖譜可用于辨識中藥。

4.2 定量分析應用

李守君等[23]應用電化學振蕩技術獲取大黃不同提取工藝的電化學指紋圖譜,根據電化學指紋圖譜特征參數誘導時間來考察大黃提取液中總成分含量的高低。以誘導時間和總蒽醌含量為指標,通過正交試驗優化大黃提取工藝。結果:大黃提取液濃度和誘導時間(tin)呈良好的線性關系[25-27]。

利用電化學振蕩指紋圖譜來研究中草藥在國外尚無報道，國內有少數報道，也局限于對單味中藥進行測定；測量標準局限于振蕩反應的一小部分即均勻振蕩時期，大部分有用信息如誘導期、振蕩后期被忽視；沒有確定定性和定量依據，僅靠目測區分；分析檢測手段簡單，單一；數據用X-Y型記錄儀記錄，僅能獲得振蕩整體波形圖，難以獲取每一點確切數據，不能進行數據深挖掘從而獲得完全信息并探討內部機理[28,29]。

4.3 電化學指紋圖譜有待完善

中藥指紋圖譜是以系統的化學成分研究和藥理學研究為基礎，采用一定的分析手段將中藥的特征和有效成分以圖譜的形式描繪出來，以全面反映中藥所含化學成分的種類和數量進而識別真偽﹑辨認優劣﹑確定其質量和療效。但在實際應用中中藥指紋圖譜還面臨許多問題：

(1)藥材生產供應﹑流通領域的混亂對指紋圖譜的研究是不利的，用多種來源的藥材很難制訂穩定的指紋圖譜。若維C銀翹片要制訂指紋圖譜，其所用的藥材均應固定品種﹑藥用部位﹑產地﹑采收期﹑產地加工和炮制方法等，照目前的情況是難以達到要求的。

(2)是從藥材提取分離到分析檢測全過程的標準化﹑規范化程度不夠，影響實驗室之間的重現性。除中藥注射劑外，大部分的中藥制劑生產工藝簡單粗糙，雜質較多，既難以保證產品的穩定，更無法提供高的質量。同時，同一產品不同生產廠家的工藝不同，指紋圖譜亦有差別，故難免有突出某個廠家的產品特征之嫌。

(3)對于制訂中藥制劑的指紋圖譜來說，要求研究技術人員不但需要豐富的分析技術經驗，而且須熟悉掌握產品的提取，制劑等工藝。

5 結語

運用多元指紋圖譜分析技術，可以實現對中成藥材產地和栽培、采收的監控，以保證藥材的穩定，并通過對中成藥成分的監測，實現對制藥過程的分析和控制，確保中成藥的藥效。我國指紋圖譜應用示范研究提出了化學指紋圖譜相似度概念，在國際上率先建立了指紋圖譜相似度測量方法科學實驗技術平臺。它在指紋圖譜整體相似度計算、相似性比較鑒別、基于信息融合的多元指紋圖譜相似性計算等指紋圖譜計算分析技術方面取得了突破。

中藥以其毒副作用小，臨床療效好，治標治本，綠色環保的特點深受重視，在世界范圍內也越來越多地得到應用。中藥市場潛力巨大，國際市場不可限量，質量控制體系是重中之重，為中藥建立新型的準確、快速、方便的質量評價體系，必然推動中藥在國際市場的發展，帶來巨大的社會效益與經濟效益。

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