高精度臭靈丹微量元素含量檢測系統設計

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(楚雄醫藥高等專科學校，云南 楚雄 675005)

高精度臭靈丹微量元素含量檢測系統設計

卞富永，李光富，戴紹波

(楚雄醫藥高等專科學校，云南楚雄675005)

為了實現快速、無損、實時檢測和分析臭靈丹中微量元素的含量，現對高精度臭靈丹微量元素檢測系統進行設計；使用當前方法檢測臭靈丹時，無法在保證微量元素活性的條件下提取微量元素；為此，提出一種基于Taguchi的高精度臭靈丹微量元素含量檢測系統設計方法；該方法使用日本理學ZSX100型X射線熒光光譜儀采集臭靈丹微量元素光譜，確定微量元素種類，利用超臨界萃取技術中的兩大技術超臨界流體萃取技術和超臨界固體萃取技術萃取出臭靈丹中的微量元素，再經過超濾分離法中直線段、曲線段、水平段3個階段分離出萃取液中微量元素，以ICP-MS法計算出微量元素的含量，達到對臭靈丹中微量元素含量的高精度檢測；實驗仿真證明，所提方法可以快速、無損、實時檢測和分析臭靈丹中微量元素。

高精度；臭靈丹；微量元素；檢測系統

0 引言

近年來，許多中醫學者留意到中藥分為有機成分與無機成分，在兩者的協同作用下才能發揮藥效，當前的研究偏重于有機成分，忽略無機成分微量元素的作用，對無機成分微量元素展開研究[1]。不同地區臭靈丹中微量元素含量有所不同，微量元素含量不同相對應的藥性不同，為了準確的用藥，將對高精度檢測臭靈丹微量元素含量展開研究[2]。當前使用的微量元素檢測方法，無法在保證微量元素活性的條件下提取微量元素[3]。在這種情況下，如何快速、無損、實時檢測其含量成為了主要問題。而高精度臭靈丹微量元素含量檢測系統設計方法通過使用超臨界萃取技術的超臨界流體萃取技術萃取臭靈丹表面微量元素，再利用超臨界固體萃取技術萃取遺留下的固態物料中的微量元素，并以超濾分離法將萃取液中微量元素分離出來，采用ICP-MS法計算出微量元素的含量，以達到高精度檢測臭靈丹中微量元素含量。由于臭靈丹微量元素含量對臭靈丹藥效有著嚴重的影響，因此受到許多醫學專家的重視與關注，同時取得了一定的醫學研究成果[4-5]。

現有的臭靈丹微量元素含量檢測的方法有：文獻[6]提出一種基于氫化物高精度臭靈丹微量元素含量檢測系統設計方法。首先以蒸汽法對臭靈丹微量元素進行檢測，將微量元素與大量機體分離，提高臭靈丹微量元素檢測效率，蒸汽法不僅提高檢測速度，同時對微量元素的價態、形態進行分析，將分離出來的微量元素以電感耦合等離子體原子發射光譜法檢測其基體效應、形態。該方法提高了檢測效率，節省了試劑和檢測時間，但該方法微量元素檢測的穩定性較差、氣液分離效率低。文獻[7]提出一種基于等離子體發射光譜高精度臭靈丹微量元素含量檢測系統設計方法。等離子體發射光譜方法使用HNO3-HClO4濕法消化對臭靈丹的微量元素鈣、鋁、鉀、氯、磷、硫進行檢測，這些微量元素分為兩種層次存在，利用微光技術將兩種層次分為初級形態分析和次級形態分析，針對不同層次采用不同方法進行分析。該方法可以準確的檢測出臭靈丹的微量元素，但需要提高微量元素檢測的精密度。文獻[8]提出一種基于原子吸收分光光度高精度臭靈丹微量元素含量檢測系統設計方法。原子吸收分光光度法以臭靈丹微量元素數據極差對微量元素進行處理，再以臭靈丹微量元素數據數據積法計算出微量元素之間的相關系數，當系數等于0.5時，說明臭靈丹中包含二醇、冬青酸、洋艾素，當相關系數等于0.65時，說明臭靈丹中包含槲皮素、檉柳素、萬壽菊素，以此類推。該方法可以準確的檢測出臭靈丹中微量元素的含量。但僅能檢測微量元素較少的中藥，一旦檢測到含有大量微量元素的中藥，檢測的時間將延長[9-10]。

針對上述問題，提出一種基于Taguchi的高精度臭靈丹微量元素含量檢測系統設計方法。實驗仿真證明，所提方法可以快速、無損、實時檢測和分析臭靈丹中微量元素的含量。

1 高精度臭靈丹微量元素含量檢測系統設計

1.1 高精度臭靈丹微量元素含量檢測系統硬件設計

高精度臭靈丹微量元素含量檢測系統其原理及構成如圖1所示。檢測臭靈丹的微量元素將利用Taguchi方法分析臭靈丹在甲醇溶液的柱溫、流速、流動相變化情況來檢測臭靈丹微量元素的含量，利用紫外光照射溶液，利用島津LC-2010AT光譜儀采集臭靈丹微量元素光譜，通過濾譜儀將采集到的熒光圖像的單色光信號轉換成電信號，并將熒光圖像保存到計算機中，最后處理計算機中的光譜圖像。

圖1 臭靈丹光譜成像微量元素分析系統

本文對高精度臭靈丹微量元素含量檢測系統的硬件系統不做考量，主要研究軟件。

1.2 高精度臭靈丹微量元素含量檢測算法

1.2.1 臭靈丹樣品處理

超臨界萃取分為超臨界流體萃取技術和超臨界固體萃取技術。超臨界流體萃取技術是近年開始使用的微量元素分離提取技術，該方法可在低溫條件下對臭靈丹進行處理，保證臭靈丹不發生氧化變質，并且萃取效率高、無化學溶劑殘留的優點。在檢測臭靈丹無機成分的微量元素是，利用火焰原子吸收光譜法測定臭靈丹中的微量元素的不同形態，經超臨界萃取技術萃取后殘渣中8中不同的微量元素含量，超臨界萃取技術對不同元素的萃取率不同。超臨界流體萃取技術僅是萃取過程的開始，對臭靈丹的外表面進行萃取，將臭靈丹外表微量元素溶解并攜帶。超臨界流體萃取技術進行萃取后會遺留固態的臭靈丹萃余物層，即未被萃取的微量元素的固態物料。經過超臨界固體萃取技術對微量元素固態物料進行萃取，萃取的過程中，固態物料不斷的變小，從宏觀的現象說明正在萃取固態物料里的微量元素。

該超臨界固體萃取技術給出了宏觀萃取速率的表達式，固態物料是因為微量元素之間引力的作用聚集起來形成的。超臨界萃取的微量元素萃取過程可以表示為：

A(流)+lB(固)=mF(流)+nS(固)

(1)

式中：A為超臨界流體；B為臭靈丹未提取的微量元素形成的固態物料；F為攜帶微量元素的超臨界流體；S為超臨界固體萃取；l、m、n為計量系數；

為了方便進一步的研究，對將建立的數學模型提出以下幾點：

1)假設臭靈丹未提取的微量元素形成固態物料為球形顆粒。

2)固態無量的組織細致，縫隙小，超臨界流體萃取的過程比超臨界固體萃取過程要快的多。

3)假設整個微量元素過程中為穩態過程。

4)由臭靈丹微量元素形成的固態物料顆粒內部的溫度和壓力是均勻。

超臨界萃取宏觀過程為，在單位時間內微量元素由內向外的擴散，相當于單位時間內臭靈丹內微量元素在萃取的界面上被提取，變成攜帶臭靈丹微量元素的流體。

在單位時間內通過超臨界流體萃取外表面微量元素后，形成的球形顆粒固態物料。固態物料外表面的微量元素的量為：

(2)

其中：為單位時間內，超臨界流體萃取的微量元素，即整個超臨界流體萃取操作的宏觀過程萃取微量元素的速率值，單位為kmol·s-1；Rs為微量元素形成的固態物料顆粒半徑，單位為m；kc為超臨界流體A在超流體萃取時流體帶出的微量元素的系數，單位為m·s-1；CAg為超臨界流體A在超流體萃取時攜帶微量元素流體的濃度，單位為kmol·m-3；CAs為超臨界流體在固態物料外表面濃度，單位為kmol·m-3；

在單位時間內，超臨界固體萃取技術萃取固態物料內部的微量元素，內部微量元素擴散到球形顆粒固態物料表面的含量為：

(3)

式中，R為球形顆粒固態物料的半徑，單位為m；Rc為未被萃取的球形固態物料半徑，單位為m；D為超臨界固體萃取液在球形顆粒固態物料內的擴散系數，單位為m2·s-1；dCA/dR為球形顆粒固態物料內，超臨界固體萃取液沿著由外向內的方向濃度變化率，單位為kmol·(m3·m)-1；則可利用公式(4)計算出超臨界流體萃取液在單位時間內消耗的量：

(4)

式中，k為超臨界流體萃取技術的萃取速率常數，單位為m·s-1；CAc為超臨界流體A萃取液的濃度，單位為kmol·m-3；因此，在超臨界流體萃取的過程中，宏觀的萃取速度可以表示為：

(5)

在測量過程中發現CAs和CAs的值無法測量，通過公式(5)將其消去，以球形顆粒的幾何特征，計算出單位時間內固態物料B的萃取量為：

(6)

式中，ρB為固態物料B的密度，單位為kg·m-3；MB為固態物料B的質量平均值，單位為kg·kmol-1；超臨界流體A與固態物料B之間的計量關系，根據公式(1)與公式(6)可知，則有：

(7)

聯立公式(5)和公式(7)，并且引入無因次量參數l；

(8)

(9)

(10)

式中，t為超臨界固體的萃取時間，單位為s；推算出萃取整個固態物料中的微量元素所用的時間，即未被萃取的球形顆粒固態物料半徑Rc=0時所以用的時間為：

(11)

1.2.2 臭靈丹微量元素分離與分析

臭靈丹微量元素分離技術一般采用超濾分離法，該方法濾速快、不易形成表面濃差極化現象、低溫操作破壞有效成分的可能性小的特點，利用0.45 μm、0.22 μm、0.15 μm分子質量為5萬、1萬的濾膜對臭靈丹超臨界萃取液中微量元素的初級形態進行研究。

臭靈丹微量元素超濾分離過程分為3個階段：

第一階段：直線段。

直線段的膜通量的ΔP變大，膜通量變小，膜兩端的濃度差可以忽略不計，傳質過程中的比例系數，即傳質系數，可以用方程式表示為：

T=(Km/μ)·ΔP

(12)

其中：μ為微量元素液態粘度，單位為Pa·s；ΔP為膜兩側壓力差，單位為MPa；Km為傳質過程中的比例系數，即傳質系數；T為膜通量，單位為L/m2h；

第二階段：曲線段。

(13)

式中，D為微量元素在溶劑中的擴散系數；Cm為膜面微量元素溶質的濃度；Cp為透過液中溶質濃度；δ為濃度差極化時邊界層的厚度；Cb為超臨界萃取液中主體溶質濃度，對臭靈丹微量元素超濾過程而言，Cp≈0時：

T=K·ln(Cm/Cb)

(14)

第三階段：水平段。

在濾膜的表面形成凝膠層，隨著微量元素溶質的增多，凝膠層的厚度逐漸增加，質量變大，使得濾膜的通量變小，濾膜兩端的壓力變大，此時的壓力用ΔPL表示，通量為極限通量，用Tlim表示。則有：

Tlim=K·ln(Cg/Cb)

(15)

濾膜透水通量可表示為:

Tw=ΔP/(Rm+Rp+Rg)

(16)

式中，Rp、Rm、Rg分別表示濾膜、濃差極化層、凝膠層的阻力。當RgRp時，濾膜透水通量為：

Tw=ΔP/(Rm+Rg)=ΔP/Rm=ΔP/Rg

(17)

當濾膜兩端的壓力差一定時，隨著傳質系數K的改變循環速度與通量相對改變，傳質系數K的關系式可表示為：

K=Sh·D/dn

(18)

層流：

Sh=1.62(Re·Sc·dn/L)1/3

(19)

湍流：

Sh=0.023Re0.785·Sc0.25

(20)

式中，Sh為舍伍德準數；Re為雷諾準數；dn為當量直徑；L為膜長度。

在對臭靈丹微量元素進行分析將采用ICP-MS法，ICP-MS法是近年來微量元素分析技術的主要方法，該方法的靈敏度高、檢出限低、穩定性好，還可以同時分析多種微量元素。

分析臭靈丹中微量元素含量X，按公式(21)進行計算；

(21)

式中，X為臭靈丹中微量元素(鈣、鋁、鉀、氯、磷、硫)的含量，單位為mg·kg-1；c為測定液中山柰酚-3-O-β-D-吡喃葡萄糖苷、豆甾醇、豆甾醇-3-O-β-D-吡喃葡萄糖苷、鄰羥基苯甲酸的含量，單位為μg·L-1；V為超臨界萃取液定量總體積，單位為mL；m為臭靈丹的質量，單位為g；f為稀釋溶液的倍數。

2 實驗與分析

本實驗將在廣州市藥品檢驗所進行臭靈丹微量元素檢測實驗，采用Taguchi電子天平檢測臭靈丹中微量元素、島津LC-2010AT光譜儀與超純水器(Millipore)。挑選9個不同地區的臭靈丹進行實驗，不同地區的臭靈丹含有的微量元素有所差別，將9個地區的臭靈丹放入9份相同的溶液里，經過初步的測量確定臭靈丹中含有的微量元素有氧、碳、鈣、鎂、鐵等20種微量元素，其含量如表1所示。在50 mL容量瓶中，加50%的甲醇溶液30 mL溶解，超聲提取20 min，用50%的甲醇溶液定容至刻度，搖勻，再用0.45μm微孔濾膜濾過，即得，精密吸取上述溶液10μL為進樣量。應用本文提出的基于Taguchi的高精度臭靈丹微量元素含量檢測系統設計方法的L9(33)正交表分析臭靈丹微量元素，該系統以柱溫，流速，流動相(甲醇溶液百分含量)3個因素來檢測臭靈丹中微量元素的含量。在檢測前將利用島津LC-2010AT光譜儀分辨出臭靈丹中微量元素的種類，再進行微量元素含量的測試。在測試范圍內分別選取3個水平，在甲醇百分含量分別為40%、56%和62%，流速分別為0.5、0.7和0.9 mL·min-1，以及柱溫分別為15、30和50 ℃時，取9份臭靈丹甲醇溶液樣品進行分析。實驗因數設計如表2所示。

表1 臭靈丹中微量元數成分含量

表2 Taguchi實驗水平/因數設計表

Taguchi這3種參數被選作微量元素檢測參數表3為一組實驗的數據計算表和微量元素含量圖。

表3 Taguchi數據實驗計算表

為了可以同時考慮到信號的最小編譯值和最小離心值，對實驗進行優化，以最大化光譜信噪比(S/N)為目標的信號變異最小化設計，以最優化光譜信號分離品質為目標的平均值(mean)微調。信噪比中包含了兩種信息，即信號信息和噪音信息。信噪比越大，則信號信息越大，并且噪音信息越小，光譜信號的變異就越小。當分離微量元素時平均值越大越好。

信噪比中包含保留時間、拖尾因子、峰高3種因子，在相同的水平下，求得9個不同地區臭靈丹微量元素參數拖尾因子和峰高的信噪比的優化條件，以及臭靈丹微量元素參數留時間(t)、拖尾因子和峰高(PA)的平均值的優化條件，表4和圖2分別表示臭靈丹微量元素參數信噪比的優化條件和信噪比(S/N Ratio)的因子反應圖。

圖2 信噪比(S/N Ratio)的因子反應圖

從表4中可以看出，對于不同地區臭靈丹微量元素參數信噪比的優化條件并不相同。因此在檢驗水準設為0.1(置信度CI=90%)時，對臭靈丹微量元素參數進行方差分析(ANOVA)，判斷微量元素的種類，當ANOVA分析所得P值見表5，判斷因素對臭靈丹微量元素信號參數的影響大小。

表4 臭靈丹微量元素參數信噪比的優化條件

表5 各因子對信噪比(S/N Ratio)和平均值的P值

表5和圖3分別表示各因子對信噪比(S/N Ratio)和平均值的P值和平均值(mean)的因子反應，由表4和圖3可知，柱溫、流速、流動相三因素皆對保留時間和峰高的S/N有顯著影響，而對拖尾因子S/N影響顯著的因素只有流動相。根據本文系統方法檢測得到20種微量元素的熒光光譜圖，則圖4表示臭靈丹中主要微量元素熒光光譜強度。

圖3 平均值(mean)的因子反應圖 圖4 臭靈丹中主要微量元素的熒光光譜強度

簡而言之，對臭靈丹微量元素檢測條件中流動相配比是影響分析結果的最重要因素，最佳的檢測結果在柱溫為30 ℃，流速0.5 mL·min-1，流動相甲醇百分比為75%的條件下，檢測臭靈丹微量元素最為準確。在此優化條件下的重復檢測實驗獲得了較好的分析檢測結果。

3 結論

針對當前方法檢測臭靈丹無法保證在微量元素活性的條件下提取微量元素的問題，提出一種基于Taguchi的高精度臭靈丹微量元素含量檢測系統設計方法。仿真實驗結果表明，所提方法可以快速、無損、實時檢測和分析臭靈丹中微量元素。

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DesignofDetectionSystemofContentsofTraceElementsinHighPrecisionPterodontic

Bian Fuyong,Li Guangfu,Dai Shaobo

(Chuxiong Medical College,Chuxiong 675005,China)

In order to achieve a rapid, nondestructive, real-time detection and analysis of the content of trace elements in Herba Laggerae, need to study the system of detection of trace elements in high precision. The current method is used to detect pterodontic, unable to ensure extraction of trace elements activity conditions. The method of using RIGAKU ZSX100 X-ray fluorescence spectrometer X acquisition pterodontic trace element spectrum to determine trace element types, two technology using ultra supercritical extraction technology of supercritical fluid extraction and supercritical extraction technology to extract solid trace elements from Laggera pterodonta, after ultrafiltration separation in straight line and curve section and horizontal section three stages separation of trace elements in the extract, using ICP-MS method to calculate the content of trace elements, to achieve high precision detection of the content of trace elements in Herba laggerae. Simulation results show that the proposed method can fast, nondestructive, real-time detection and analysis of trace elements in Herba Laggerae.

high precision; pterodontic; trace element; detection system;

2017-04-19；

2017-05-18。

云南省教育廳科學研究基金資助性項目(2016ZZX280)；校級課題(2016XBYJ03)。

卞富永(1985-)，男，云南楚雄人，碩士研究生，講師，主要從事藥物分析方向的研究。

1671-4598(2017)11-0021-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.006

R286

A