電子鼻技術在中藥領域的應用

冷曉紅，陳海燕，郭鴻雁

(1.寧夏中藥材開發與利用工程技術研究中心，銀川 750021；2.寧夏職業技術學院，銀川 750021)

目前，色譜、光譜、核磁共振、質譜、液-質聯用和氣-質聯用等方法是中藥質量評價的主要手段。但上述技術往往以某種單一成分或某一類成分作為評價指標[1]。電子鼻技術能快速、準確地對氣味整體信息進行定性分析，主要應用在環境控制、醫療診斷、食品工業及中藥領域中[2-9]。

1 電子鼻的工作原理

電子鼻也稱人工嗅覺系統[10]，是模擬動物嗅覺器官開發出的高科技產品，由多個具有不同性質的傳感器組合成傳感器陣列，根據傳感器陣列對一種氣味的響應構成了響應譜，以合適的模型識別分析方法對其進行處理[11]。由于每種氣味都會有它的特定響應譜，當一種或多種氣味物質經過電子鼻時，該氣味物質的“氣味指紋”可被傳感器感知并經過特定的智能模式識別算法提取。利用不同氣味物質的不同“氣味指紋”信息，實現定性或定量分析不同的氣體樣本。

電子鼻識別氣味的主要機制[12-13]是在陣列中的每個傳感器對被測氣體均有不同的靈敏度,各氣體可在相應傳感器上產生高響應，而對其他傳感器產生低響應，所以整個傳感器陣列對不同氣體的響應圖譜是不同的。其工作過程可簡單歸納為：傳感器陣列-信號預處理-各種算法-計算機識別(氣體定性定量分析)。某些特定的氣味物質恰好可以表達樣品在不同產地、不同采收時間、不同加工條件以及不同存放環境等多變量影響下的綜合質量信息。

電子鼻由氣敏傳感器陣列、信號處理系統和模型識別3部分組成[14]。電子鼻的優勢在于能較全面、完整地反映中藥材的整體氣味特征。

2 電子鼻技術在中藥材鑒定中的應用

基源鑒定是中藥鑒定學的核心內容之一。原植物、性狀、顯微和理化四大鑒別法都可用于中藥的基源鑒定，確定中藥的品種。原植物鑒別主要靠經驗，色譜和色譜-光譜聯用技術準確度較高，但操作復雜，尤其需要樣品的前處理。李羿等[15]采用電子鼻技術對4種基源郁金(溫郁金、姜黃、廣西莪術及蓬莪術)的干燥塊根進行了鑒別，主成分分析(PCA)法和判別因子分析(DFA)法結果表明， 4種基原的郁金樣品的數據簇能相互分開，各實驗數據間沒有重疊，區分指數DI為81。韓玉[16]通過提取樣品氣味，建立了茅蒼術、關蒼術和北蒼術3個品種的電子鼻DFA判別模型，可將3個不同品種的蒼術進行分類，同時對于未知品種及不同產地的蒼術也可進行分類判別。所建立的模型可將山西、吉林、河北和內蒙4個不同產地的蒼術進行區分，為蒼術藥材的質量評價提供依據。楊詩龍[17]建立了電子鼻技術進行快速鑒別結合PCA和DFA等化學計量學分析方法，可區分浙貝母、平貝母、川貝母和伊貝母粉末樣品。其不同品種貝母樣品及川貝母摻假樣品是否摻假的正確識別率可達100%。劉紅秀等[18]通過提取八角、白豆蔻、川芎、丁香、荊芥、肉桂和砂仁7種中藥材揮發的氣味信息，結合PCA法和線性判別分析(LDA)法，建立了鑒別7種中藥材的電子鼻檢測方法，結果表明，采用PCA和LDA 2種方法均能很好地區別以上7種中藥材,識別率達到100%。王蔚昕[19]采用電子鼻技術，結合PCA、單類成分判別方法(SIMCA)的DFA等多元統計方法進行數據分析與模式識別，結果表明，電子鼻可以很好地區分以下中藥：《中國藥典》收載的正品防風與地方習用品(甘肅產小防風、河南產水防風及云南防風)，《中國藥典》收載的北柴胡及地方習用品(小葉黑柴胡和阿爾泰柴胡)，甘肅產珉當歸與云南產當歸。沈國慶等[20]建立了生白術(浙江和河北產)、麩炒白術及土炒白術的粉末電子鼻檢測技術，采用PCA法對數據進行分析，結果顯示，不同產地和炮制方法得到的白術樣本得到了較好的區分。

3 電子鼻技術在中藥材采收期的應用

楊慶珍等[21]建立了電子鼻對2，7 和10年以上生長年限黃芪樣品的響應特點分類模型。結果顯示，2，7和10年以上生長年限的黃芪樣品組內電子鼻檢測結果PCA和LDA均可分為一類。相同生長年限黃芪化學成分含量相似，不同生長年限黃芪化學成分含量差異明顯。電子鼻技術能夠實現對不同生長年限的黃芪樣品進行快速、靈敏、無損地鑒別。蔡泳等[22]對不同采收期金櫻子樣品揮發成分的動態變化進行了電子鼻技術、PCA和DFA等方法檢測，對不同采收期的金櫻子進行聚類，結果將10月下旬與11月上旬采收的金櫻子明顯分為2類，為氣味作為金櫻子質量控制可量化的新方法提供了依據。彭華勝等[23]采用電子鼻技術對野生白術與不同產區栽培白術的氣味進行了檢測，表明野生白術與栽培白術之間聚類差異明顯。其研究結果可為開展野生白術的仿野生栽培提供依據。白花前胡以氣味濃香為質量上乘的鑒別標準，開花后的前胡由于氣味淡寡而不用[24]，韓邦興等[25]采用電子鼻技術、PCA和DFA等法對開花前后2種前胡樣品氣味進行了檢測分析。結果表明，開花前后2種前胡樣品氣味變化明顯。該研究結果顯示，電子鼻技術可用來評價前胡氣味的整體信息。

4 電子鼻技術在中藥材炮制過程質量控制的應用

中藥材炮制過程中質量控制方法大多是根據感官經驗來判斷，如眼看、鼻聞和口嘗等。電子鼻技術能客觀評價氣味，并能把涉及到成分相互作用的內在信息轉化成不同氣味與質量的關系，應用于中藥材炮制過程的質量控制。李欣逸等[26]采用電子鼻技術、PCA法和統計質量控制分析(SQC)等化學計量學分析，對膽南星炮制過程中膽汁的加入量進行了實驗，結果3個加入不同比例膽汁的膽南星樣品PC1和PC2的總貢獻率達到了98.5%，區分指數為79。對膽南星炮制過程中的發酵程度進行了實驗，表明電子鼻技術能體現膽南星發酵整個過程氣味的相應變化，并能準確、快速地鑒別出天南星粉末與膽汁簡單混合而未發酵的劣品。汪云偉等[27]建立了電子鼻指紋圖譜以區別益智仁不同炮制品，DFA法結果表明，綜合判別率為98.77%，說明所建立的電子鼻模型可有效區分益智仁生品、清水炒制品及鹽炙品。胥敏等[28]利用電子鼻技術分別對生黃連、酒黃連、姜黃連及萸黃連的氣味進行檢測，依據獲得的客觀化氣味信息，結合化學計量學方法對黃連及其不同炮制品進行區分判別。結果表明，黃連及其不同炮制品在氣味上存在顯著差異，SQC與軟獨立建模分析(SIMCA)模型能夠實現黃連炮制品與生品的區分，PCA法可明顯區分黃連及其不同炮制品。黃學思等[29]采用電子鼻技術對不同炮制品檳榔的氣味進行客觀評價，通過建立氣味指紋圖譜，對不同炮制品生檳榔(氣微)、炒檳榔(微香味)和焦檳榔(焦香味)等性狀指標進行了量化。運用電子鼻技術控制炮制過程中的質量檢測，不僅實現了火候判別的客觀數量化，還能避免某些刺激性毒性藥材對操作人員的身體健康的潛在的影響。

5 電子鼻技術在中藥生產過程質量控制的應用

中藥生產涉及到藥材的粉碎、提取及制劑生產等環節，工藝和貯存條件的不同，可能存在氣味散失。這些具有特殊氣味的中成藥及其中間品可通過電子鼻進行質量控制。萬軍等[30]利用電子鼻、PCA、DFA和SQCA等技術，研究了天麻藥材-飲片-浸膏-配方顆粒這一制備過程中氣味的變化與相關性，結果表明，天麻藥材-飲片-浸膏過程中，天麻氣味損失較小，而浸膏-配方顆粒過程中氣味損失較大，提示按照現有化學藥模式評價中藥配方顆粒工藝雖然可行，但與符合中醫藥整體觀的氣味指標評價結果有差異。氣味指標可作為天麻配方顆粒制劑工藝的整體評價指標。莊家俊等[31]應用電子鼻、PCA和DFA技術對不同生產批次的百草油進行了檢測，對不同批次百草油產品鑒別分類，以香氣質量較佳的樣品為對照建立模型，便于產品質量的在線監控。

6 基于電子鼻技術在中藥物質基礎方面的研究

采用組合化學成分研究中藥藥效物質基礎已成為當前研究的一種方法，同類中藥材如解表類中藥材，一定存有其共同的物質基礎，《素問·六節臟象論》中就有“五氣入鼻，藏于心肺”的論述。王光耀等[32]用電子鼻對常用的12種活血化瘀功效的中藥材進行檢測，結果表明，12種中藥材具有相似的氣味特征指紋圖，PCA法也能體現12種中藥材的揮發成分為同一簇，說明具有共同的物質基礎，是它們均具有活血化瘀這一功效的原因，但其電子鼻圖形又各不相同，說明它們之間還有各自個性的差別。電子鼻檢測中藥材不是單獨分析部分嗅覺信息，而是分析其綜合整體信息，而中藥材的藥性理論證是對中藥整體信息的具體描述。電子鼻檢測中藥材的藥性，這一探索方式有助于解決中藥材藥效物質無法檢測的弊端。盛良[33]用電子鼻檢測了治療消化性潰瘍的5種中藥和7種化學藥，發現它們有共同的PCA和指紋圖譜，研究結果為藥效學物質基礎的研究提供了思路。

7 小結

綜上所述，電子鼻作為一種新型的仿生檢測設備，對氣味的客觀評估彌補了人類感官描述的模糊性、主觀性、不精確性以及色譜的繁雜性等缺點。特別是在中藥材基源鑒別、中藥材質量檢測以及中藥材炮制品等方面得到了應用。運用電子鼻建立中藥氣味指紋圖譜，以建立不同藥材產地、不同品種藥材、儲藏期的中藥電子鼻識別模型，進行質量評價，為中藥材鑒別及中藥材品質的保證提供了有效的方法。隨著這一技術的不斷發展，電子鼻將會在中藥氣味掩蓋效果評價[34-35]和輔助中藥安慰劑制備等方面[36]得到進一步的應用。同時電子鼻與氣質聯用儀的聯合[37-38]也會在中藥藥理藥效研究、中藥制劑研究、生產與質量控制等方面更加廣泛的應用。