基于XRD、NIRS和Raman光谱技术的硼砂系统鉴别和硼砂等4种中药钴辐照的稳定性研究

摘要

目的: 硼砂作为常用矿物类中药品种之一，应用历史悠久。硼砂为一种白色矿物，混淆品甚多；天然来源的硼砂矿物、以及用药用原料的加工品硼砂可能含有一定杂质；同时，硼砂目前还没有中药材标准。因此，对硼砂药材进行品质评价是保证用药安全的重要环节。本研究尝试从硼砂历史沿革、品质评价标准、现代鉴别方法等方面对硼砂进行系统研究，同时探索利用X-射线衍射（XRD）、近红外（NIRS）和拉曼（Raman）光谱技术构建硼砂系统鉴别方法，以期对硼砂质量控制提供新的标准和分析方法，并应用于实践，同时扩展到其他矿物类中药的分析中，丰富矿物类中药的质量控制方法。 方法: 1.本草考证和质量评价 本论文首先考证历代本草，重点关注硼砂的药物基源、产地变迁、历代品质评价和采收加工，同时，结合现代国内外的文献研究，分析了硼砂的功能主治和临床应用。此外，还整理了历版《中国药典》和各地方标准收载的有关硼砂质量评价的相关内容，并进行对比，归纳总结适合硼砂质量控制的方法和质量评价指标。 2.制定药材的质量和规格等级标准 目前我国硼砂药材商品绝大多数是用药用硼砂原料或工业硼砂加工精制而成，对其进行品质评价区分规格等级很有必要。首先从各大药材市场采集大量硼砂药材样品，归纳总结市售硼砂药材的质量现状；以经典的性状鉴别和理化方法分别对不同来源的药材样品进行鉴别、分析和整理，并探讨制定市售硼砂药材的药材标准和商品规格等级。 3.建立硼砂的XRD、拉曼光谱及近红外光谱分析方法 在上述研究基础上，以及在以XRD分析方法确定基原的基础上，进行硼砂的拉曼光谱及近红外光谱分析，并结合相关系数法、聚类分析法、PLSR法等化学计量学算法，构建矿物药硼砂的快速定性、定量模型，实现硼砂的快速系统鉴别和品质评价。 3.1硼砂的XRD分析 对13批硼砂样品进行XRD光谱采集，利用JADE6.0对样品的XRD图谱分别进行寻峰和物相检索，确定样品的物相组成。绘制物相为硼砂样品的XRD图谱，与标准卡片PDF12-0258(Borax)相比对，并与易混淆品白矾和白硇砂的粉末XRD图谱相比对，考察其差异的显著性。 3.2硼砂的拉曼光谱分析 在XRD分析确定基原的基础上，分析各样品的拉曼光谱特征。以这8批硼砂正品的平均数和中位数图谱的10个共有峰为特征峰建立拉曼指纹图谱，以样品的相关系数为相似度评价指标，进行相似度评价和聚类分析，建立硼砂样品的拉曼光谱定性分析方法。 以偏最小二乘回归（PLSR）算法建立硼砂中四硼酸钠含量的拉曼光谱定量分析模型，用于硼砂的快速质量评价。采集60批硼砂样品的拉曼光谱，并将60批样品划分为训练集和测试集，同时，所有正品硼砂均采用酸碱滴定法测定四硼酸钠的含量，并作为参考值；依次进行异常样品剔除、光谱预处理方法筛选、建模谱段筛选，将各筛选后所确定的训练集光谱数据与含量参考值数据以PLSR算法相匹配，计算相关关系，构建PLSR定量分析模型。模型以训练集内部交叉验证指导优化，内部交叉验证采用留一法交叉验证。模型优化后，采用测试集对模型预测能力进行考察。 3.3硼砂的近红外光谱分析 采集各硼砂正品、伪品及易混淆品的近红外光谱，分别在不同光谱预处理条件下，将正品硼砂样品的平均光谱作为参考光谱，在全谱段范围内计算所有样品光谱与参考光谱之间的相关系数，确定用于相关系数法定性分析最佳光谱预处理方法，并进一步确定正品与非正品之间的相关系数阈值，建立硼砂的定性分析模型。同时，借鉴上述拉曼光谱定量建模方法，建立硼砂中四硼酸钠含量的近红外光谱PLSR定量分析模型。 4.应用多种光谱技术考察硼砂等4种中药材辐照前后成分的变化程度 硼砂、炉甘石、硇砂、珍珠4味矿物类中药的原粉常直接用于眼膏剂和其它外用剂。因此，对其进行灭菌是一个关键工艺。本文采用 XRD、近红外光谱和拉曼光谱这三种分析技术，考察这4种药材经过60Co辐照前后各指纹图谱是否存在显著性变化，从而了解60Co辐照后对产品的安全性、有效性、质量稳定性有无影响。 结果: 1.硼砂的基原与鉴定 通过本草考证，证实硼砂自《本草纲目》起，其来源即与现代文献记载相一致，为硼酸盐类硼砂族矿物硼砂精制而成的结晶，主含四硼酸钠（Na2B4O7·10H2O）。硼砂以无色透明或白色半透明，纯净，体轻质脆为佳。无论是天然来源的硼砂还是药用原料加工的硼砂，都需要进行精制， Na2B4O7·10H2O含量应为99～103%。对于硼砂药材的含量测定，由于《美国药典》方法操作简便、滴定终点颜色变化明显，且滴定液保存方便，稳定性好，因此选用该方法测定硼砂含量较好，测定结果以四硼酸钠（Na2B4O7）计，Na2B4O7含量应为52.28%～54.39%，或Na2B4O7·10H2O应为99～103%。 2.硼砂的规格与等级 在大量市场样品调查的基础上，发现硼砂药材依据加工方法分为硼砂块、硼砂坠、硼砂粉三个规格，市场上均为统货。其中硼砂坠为结晶形成的不规则棒状或圆锥状团块，中心有一棉绳贯穿。几乎所有古代和现有文献、《中国药典》二部和各地方标准描述的硼砂的性状，以及我们用X衍射验证为硼砂正品的8个样品的性状是“无色透明、白色半透明”的颗粒、结晶或块状物。因此，我们拟将含量虽达到要求，但其颜色杂有黄色、淡黄色、棕色或灰色的硼砂块样品，其等级规定为“二等品”，若内服，则需要进一步精制。 3.硼砂的XRD、拉曼光谱及NIRS分析 3.1硼砂的XRD分析 对13批硼砂样品的 XRD图谱分别进行寻峰和物相检索，发现其中样品S1-S8的物相为硼砂， S9、S12、S13为白矾，S10、S11为白硇砂。绘制8批硼砂样品的XRD图谱，经比较，与标准卡片PDF12-0258（Borax）相匹配，主要成分均为Na2B4O7·10H2O（硼砂），故这8批样品能准确鉴定为硼砂正品。其中样品S6、S8为白色不透明粉末，与白硇砂粉末容易混淆； S1，S2，S7为半透明块状，与块状白矾性状特征相似。经比较，硼砂与白硇砂、白矾的XRD图谱存在显著差异，且白硇砂、白矾之间亦存在较大差异。由此可得XRD法对硼砂样品的鉴别准确可靠，图谱特征专属性较高，可为其它分析方法提供可靠的参考依据。 3.2硼砂的拉曼光谱定性定量分析 建立了硼砂样品的拉曼光谱相似度定性分析模型。硼砂正品样品的相似度均大于95%，伪品的相似度均低于32%。聚类分析结果可以将真伪硼砂准确区分。 所建立的拉曼光谱定量模型，在硼砂样品中的四硼酸钠含量在49.81%～63.81%内获得了以最大-最小归一化法预处理光谱，提取1100～700 cm-1谱段为特征谱段，主因子数选择4个，建立硼砂中四硼酸钠含量的拉曼光谱PLSR定量模型，该模型建模效果和预测能力均最优，对预测集的预测值与其参考值的最大偏差为2.21%，平均偏差为0.42%，平均相对偏差为1.62%，模型可满足中药分析的准确度和精度要求，且模型对测试集预测的RPD值＞3，故可应用于实际分析。 3.3硼砂的NIRS分析 在硼砂近红外光谱定性分析中，以一阶导数为近红外光谱预处理方法，将正品硼砂样品的平均光谱作为参考光谱，当 r≥75.45%时为正品硼砂，当 r＜75.45%为非正品硼砂，模型的预测准确率为100%。在硼砂近红外光谱法定量分析中，以矢量归一化+一阶导数（17点平滑）为预处理方法，9100～5700 cm-1谱段内，采用区间偏最小二乘法建立硼砂的定量分析模型。在内部交叉验证中，RMSECV为0.36%，R2为99.06%，说明建模的效果好；在测试集验证中RMSEP为0.37%，R2为98.99%，预测结果最大相对偏差为1.02%，平均相对偏差为0.57%，平均回收率为99.74%，说明模型的预测能力强。 4.硼砂等4种药材辐照前后组成的稳定性考察 采用上述3种分析技术证明了在60Co辐照剂量为30kGy的情况下，辐照前后硼砂等4味药材原粉的指纹谱图没有明显变化。其中硼砂、炉甘石、硇砂等矿物药和主要为无机成分的珍珠采用XRD分析，证明其物相和结构没有发生变化；用近红外光谱分析了4种中药，用拉曼光谱光谱分析了硼砂和珍珠，显示其成分和光谱其成分组成较稳定且无明显变化。辐照后主要检测成分的含量均在药典规定范围内。因此，本研究认为辐照可用于这4味矿物类中药材粉末的灭菌，但辐照剂量应适当，不宜超过30kGy。 结论: 本文通过本草考证，证实硼砂古今来源一致，为硼酸盐类硼砂族矿物硼砂精制而成的结晶，主含四硼酸钠（Na2B4O7·10H2O），以无色透明或白色半透明，纯净，体轻质脆为佳。其Na2B4O7·10H2O含量应为99～103%，既可保证硼砂的精制程度，又可避免失水太多，用药过量。在此基础上，制定了硼砂的中药材标准和商品规格等级标准，可保证用药的安全。 本文在应用XRD法准确确定硼砂基原的基础上，分别建立了硼砂的拉曼光谱和近红外光谱定性、定量分析模型，所得模型的分析精度和回收率较高，能推进快检技术的发展。本文采用XRD、NIRS和 Raman等现代技术对硼砂的鉴别应用具有示范性，对其它矿物药的相关研究具有指导意义。 本文应用所建立的多种技术手段考察了硼砂等4种中药原粉辐照前后成分的变化程度。从XRD、NIRS和Raman指纹谱等多个角度考察矿物药成分受到辐照的影响从而了解了60Co辐照后对产品的安全性、有效性和质量稳定性的影响，为企业的产品升级和安全性评价提供了可靠的依据。 上述研究，丰富了中医基础理论的研究内容，对于确保中硼砂用药安全有效，具有一定参考意义。

目录

声明

英文缩略词表

前言

1. 研究背景

2. 选题依据

3. 前期研究及本次研究内容

第一章 矿物类中药硼砂的中医药基础研究

1别名与释名

2基原考证

3产地变迁

4品质评价

5历代采收加工

6功能主治

7临床应用

第二章 硼砂现有质量标准概况

1中国药典

2地方标准

3中药硼砂的质量标准研究

4规格等级相关标准汇总

第三章 市售硼砂的质量考察

1产地调查

2市场流通情况调查

3小结

4硼砂商品规格等级的研究

第四章 硼砂的X射线衍射与拉曼光谱鉴别

1仪器与材料

2方法与结果

3讨论

第五章 Raman光谱法快速测定硼砂中四硼酸钠含量

1仪器与材料

2方法与结果

3讨论

第六章 硼砂的NIRS快速鉴别和定量研究

1仪器与材料

2方法与结果

3讨论

第七章 4味药材 60Co辐照前后稳定性研究

1仪器与材料

2方法与结果

3讨论

结语

参考文献

附录

附录一 综述:矿物类中药的鉴别方法

附录二 读博期间发表论文情况

致谢