莱森光学：基于LIBS的中药质量检测技术与应用

基于LIBS的中药质量检测技术与应用

一、引言

激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种新兴的、快速的多元素检测技术，它可以在几秒钟内用一个激光脉冲快速检测样品的多元素光谱。与传统的元素分析技术不同，它快速、安全、绿色、简单样品预处理且支持多元素检测。目前该项技术已被广泛应用于农业、食品行业等许多领域，然而LIBS技术在中药领域内的应用不多，因此将LIBS技术与中药制药过程结合，实现中药质量快速评价与基本无损检测，为LIBS技术在中药智能制造中的实际应用提供借鉴意义。

2、LIBS技术在中药原料质量检测中的应用

中药原料的质量很大程度会影响最终制药产品质量。中药原料的质量控制主要围绕产地溯源和真伪鉴别两个研究领域展开。前者要求原料必须是符合相关规定的道地药材，后者则是要求原料的主要成分满足生产质量的需求。相关研究人员采用LIBS技术在这两个检测领域进行了大量细致的研究工作，取得了显著进展，为该技术与中药制药工艺的深度结合提供了重要的数据支持。

2.1 产地溯源

现代研究表明药材除了受自身遗传特性的影响，其生长环境也是决定其品质的重要因素之一，因此，不同产地的同种中药材其含有的有机物成分有较大差异，故而药效也有所不同。道地药材作为中药的精髓，具有良好的品质和较高的药效，同时也是评价中药质量的独特标准。LIBS技术被用于进行基于元素的产地溯源。基于LIBS技术产生的无机离子的指纹图谱，首次采用LIBS技术进行了艾香的全元素谱图的采集工作，探讨LIBS技术快速分析中药材成分和种源的可行性，通过对LIBS数据进行多元分析以及模式识别筛选出对应的钾（K）、钙（Ca）和钠（Na）等特征元素，数据和模型分析结果表明LIBS技术是一种产地溯源的有效手段。用LIBS技术结合PCA及人工神经网络数据处理方法对不同产地或部位的当归、党参和川芎3种中草药的根进行了分析鉴定，结果显示此方法的平均分类准确率高达99.89%，可见LIBS技术结合PCA和反向传播人工神经网络对于中药产地鉴定可行性。

2.2 中药材真伪、品次鉴别

LIBS技术可同时进行多种元素的检测，其优势足以匹敌价格昂贵或前处理麻烦的传统分析技术。通过相关元素信息的提取，该项技术可以进行快速辨别中药材的真伪。植物体内的微量元素的含量和分布具有一定的特殊性，对其进行一定的谱图分析再结合相关的数据处理技术，即可实现不同品次、不同品种植物类中药区分。采用LIBS技术测定了植物标准物质颗粒中大量营养素[磷（P）、K、Ca和镁（Mg）]的含量，证明了LIBS技术对植物中的微量元素和常量元素进行采集分析的可行性。使用LIBS技术特征波段提取与化学计量学方法结合，探究证明了两者结合鉴别硫熏程度不同的浙贝母的可行性，这为硫熏中药的相关鉴别以及中药材质量检测分级评定系统建立提供一定方法与思路，为中药质量的快速检测提供了一定的理论依据，为同类药材元素检测提供理论与数据支持。可见将LIBS技术用于中药材真伪、品次鉴别的可行性。

图1 3种树脂LIBS光谱

3、LIBS技术在中药制药过程质量控制中的研究

为了保证中药产品质量，有效的生产过程质量控制是重中之重。而生产过程质量控制的关键是对生产的重要环节进行及时监测，并对生产过程进行反馈和控制以减少生产过程中影响质量的不利因素。目前，LIBS指纹图谱对于中药生产过程质量控制主要体现在重金属检测以及重要工艺过程评价上。

3.1 重金属快速检测中药材的重金属超标严重

影响了中药的品质，随着中药现代化与国际化需求，中药重金属问题已成为国内外关注的焦点，重金属检测是中药质量安全控制的重要保障。中药中重金属不仅来源于原料药的种植过程还可能存在于生产加工运输各个过程中。因此有必要对中药制药生产全流程中各个生产阶段产品的重金属含量进行检测。起初为了验证LIBS技术对中药内重金属铜（Cu）检测的可行性，结合内标法对茯苓、附片、黄连饮片中的Cu元素进行了含量测定，结果显示，与直接定标法相比，内标法可以提升拟合精度，该方法可用于中药重金属Cu含量的快速检测。

用LIBS技术的药材元素图谱结合PCA算法对吉林省5个产地6种人参进行了产地和不同部位聚类分析研究，并且使用人参粉末压片法定量计算了人参中掺杂的重金属元素铅（Pb）和镉（Cr）的含量，结果表明该方法对于人参产地分类和重金属检测效果良好。通过将全谱图特征变量提取的数据处理方法与其他分析框架相结合，建立了稳定准确的桑叶和桑葚的重金属定量测定模型。

图2 人参部位实例及其LIBS光谱

3.2 中药制药过程质量评价

对中药生产制剂制造过程中重要工艺过程进行质量评价是过程质量控制的重要环节。将质量原于技术（QbD）理念的控制策略用来解决大品种中药-安宫牛黄丸混合终点判断问题，提出一种基于LIBS技术的总体混合终点的判断方法。基于药物混合中间体的LIBS数据，通过微区时序分析方法的结合比较朱砂、雄黄和珍珠粉相邻混合时间光谱的差异，对整体的混合过程进行评价，得到建议混合终点，该方法既可为含矿物类中药混合提供一定的参考方法也可快速评价生产中整体混合过程，进行相应过程控制。鉴于此项使用LIBS技术建立的过程控制方法具有快速分析、几乎无损、样品前处理简单且无需标准光谱库等优点，很大程度上为中药制剂的质量研究提供了一种新思路。LIBS作为一种先进的过程分析技术，是否也可以通过相关过程方法学的建立，实现其他制药工艺过程的预测与评价。总而言之，LIBS技术有望持续推动在线过程分析与控制的发展，加快中药制药智能生产的进程。

3.3 中药产品在线质量评估

随着元素检测技术的进步以及常量和微量元素对健康作用研究的不断深入，中药中所包含的元素越来越引起了人们的关注。元素作为中药有效成分的重要组成部分，是中药质量控制不可或缺的特征参数，而元素的种类及含量与中药性味、归经、功效等密切相关，是潜在的一个质量标志物。在中药制药过程中，复杂繁琐的提取，浓缩，干燥等的中药工序会对中药质量产生一定的影响，而作为一种绿色的多元素快速检测技术，将LIBS技术应用于中药制药过程中中间体质量的一个快速检测，具有较大的优势。例如：一种元素的发射线只存在于药物剂型的特定成分中，如从某种药物中释放P，而从其他特殊制剂辅料中释放Mg，使用多元素指纹图谱进行制药中间体的一个质量评价，可以快速分析与检测产品有效成分的高低，从而进一步实现过程药效测定。未来，甚至可以对中药质量与功能进行分类研究或中药组方解析研究等，从而为中药产品质量控制标准和实际应用提供科学依据。

四、总结

LIBS技术作为光谱分析领域一种崭新的元素分析手段，由于其本身只能用于无机元素的质量检测劣势，目前在一些领域内与其他光谱存在联合应用，主要表现为通过光谱结合实现高灵敏检测或将其他光谱分析提供的有机物信息等和自身检测的无机元素信息相结合，从而进一步达到对质量检测与控制的准确性和全面性。将LIBS技术与其他光谱联合应用具有一定的优势性与实际应用性，这在中药制造过程质量控制上同样适用。除了将不同光谱测量目标数据融合增加LIBS技术检测灵敏度以外还可以进行不同光谱信息优势互补，如通过可见光技术测量宏观判断目标样品的好坏，使用近红外光谱技术进一步检测含水量、硬度以及其他指标，再使用LIBS技术对其重金属或其他特征元素进行检测等。这样一套综合的光谱联用检测系统可以限度的控制制造过程质量，为最终产品的质量提供保证。

应将已有的谱图分析方法与强化学习相结合，深入研究寻找基于人工智能的解谱方法，提高谱图解析的智能性、专业性和准确性，达到LIBS技术准确与便捷分析的目的，同时在充分了解 LIBS技术原理的基础上继续深挖提升LIBS技术检测精度的方法，如仪器精度校正软件的开发等，进一步完善LIBS光谱分析技术。随着LIBS技术的不断发展，其在中药智能制造等领域一定具有更加广泛的应用前景，可以发挥更大的应用价值。

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