矿物类中药系统鉴别方法的构建

摘要

目的：利用X-射线衍射（XRD）、近红外漫反射光谱（NIRS）、激光拉曼光谱等多种现代分析技术，结合传统性状鉴别和理化鉴别方法，构建矿物类中药快速分析的系统鉴别方法，为矿物类中药的真伪鉴别和品质评价提供新的方法。
　　方法：根据XRD、NIRS及拉曼光谱三种现代分析技术的特点及其在矿物类中药鉴别中的应用，提出了结合应用这三种方法对矿物类中药进行系统鉴别的思路和技术结构。然后以紫石英为例，结合传统性状鉴别和理化分析方法，具体探索了这一系统鉴别方法在矿物类中药快速分析中的实践应用。内容如下：
　　（1）对市售阳起石、阴起石样品进行性状鉴别及常规理化分析，并采集XRD谱，解析物相组成，对比各样品物相组成及性状特点，总结阳起石和阴起石矿物基原及品质与XRD特征相关关系。并利用优质正品阳起石粉末的XRD图，绘制阳起石平均数谱和中位数谱，寻找共有峰，建立XRD指纹图谱；以指纹图谱为对照，根据不同样品 XRD图谱中各共有特征峰相对强度，以夹角余弦法和相关系数法计算各样品XRD图谱的相似度，并做聚类分析。
　　（2）结合前期研究工作，对51种不同阴离子类型的常见矿物类中药的NIRS特征谱段进行归纳和解析，并参考矿物学和地质学文献，确定矿物类中药NIRS特征谱段的归属，为其NIR快速鉴别提供理论依据。
　　（3）采集不同来源的鱼脑石、鹅管石、花蕊石、南寒水石、钟乳石及实验室自制的不同CaCO3含量的药材配比品，共67批样品的拉曼光谱，以 EDTA滴定法测定值为参照，采用一种改进的组合区间偏最小二乘法（siPLS）对特征谱段进行优化，建立CaCO3定量分析模型，并对模型进行评价及验证。
　　（4）收集不同来源的紫石英样品58批及紫石英混淆品方解石和白石英各1批。依次考察样品的性状特征、理化特征，初步鉴别样品真伪；采用EDTA滴定法，测定各样品中CaF2含量，判断样品品质优劣；取代表性样品，利用扫描电子显微镜，观察超微特征；取代表性样品进行 XRD分析，进一步核对样品鉴别结果；采集样品拉曼光谱，归纳总结正品、伪品、掺杂品及易混淆品的拉曼光谱特征，并将颜色较浅的样品（CaF2含量＞75％）的拉曼光谱与EDTA滴定法测得的氟化钙含量相匹配，建立紫石英中氟化钙含量的PLSR定量分析模型；采集紫石英正品、伪品、煅品、醋淬品的近红外光谱，并进行预处理，利用多个参考光谱计算的各样品相关系数为输入，建立 BP-ANN定性鉴别模型，用于4类紫石英样品的区分；采集所有紫石英正品、伪品及实验室混合而得的自制样品，共74批的NIRS图，并与EDTA滴定法测得的各样品中CaF2含量相匹配，建立紫石英中 CaF2含量的 PLSR定量分析模型。对比分析上述各技术在紫石英质量控制中的应用优劣，探讨适合自适应的系统鉴别思路。
　　（5）分别利用SVM算法的分类方法（SVC）和回归方法（SCR）建立紫石英正品、伪品、煅品、醋淬品的 NIRS定性鉴别模型和紫石英中CaF2含量的 NIRS定量分析模型，并利用 BP-ANN算法，建立紫石英中CaF2含量的拉曼光谱定量模型。将上述各智能算法所构建的非线性分析模型与常规线性分析算法所建分析模型进行对比分析，归纳总结各算法在矿物类中药质量控制研究中的应用优劣。
　　结果：（1）阳起石和阴起石 XRD技术研究表明：阴起石药材的基原为硅酸盐类滑石族矿物滑石片岩；阳起石药材的基原为硅酸盐类角闪石族矿物阳起石、透闪石；所获得10批阳起石正品的 XRD图谱几何拓扑特征基本一致；利用该10批正品阳起石样品XRD图谱得到由18个共有特征峰组成的阳起石XRD指纹图谱；相似度分析显示，15批样品中，不同正品样品XRD图谱共有峰相似度均较高（＞98%），掺杂样品相似度略低（80%~98%），伪品样品相似度最低（＜30%），三者相似度具有明显差异，可一一区分；聚类分析结果与相似度分析结果一致。
　　（2）常见矿物类中药的 NIRS特征研究表明：矿物类中药的 NIRS特征主要在8000~4000 cm-1，归属于矿物药中所含的水及-OH和[CO32-] 等基团。水峰具有一定的规律性：一般结构水与-OH基团在7000 cm-1附近有组合峰，尖锐而强，结晶水在7000 cm-1和5100 cm-1附近有两个强峰，吸附水只在5100 cm-1附近有宽峰。不同类型矿物类中药中水的存在形式不同，含量不同，水峰特征不同，据此可用于矿物类中药的鉴别。硫酸盐类矿物药多含结晶水，硅酸盐类多含结构水，而碳酸盐类中以吸附水为主，因此，以阴离子类型对矿物类中药进行分类在NIRS分析中具有合理性。此外，由于某些矿物类中药所含的阳离子类型、杂质种类以及结晶性和晶型存在差异，在4600~4000 cm-1谱段存在专属性的NIRS特征，主要可归属于Al-OH, Mg-OH, Fe-OH, Si-OH,[CO32-]等基团的特征吸收。煅制过的矿物类中药常伴随水分和主要成分的改变，其NIRS亦发生变化，据此可用于其炮制过程的监测。
　　（3）拉曼光谱法对5种含CaCO3的矿物类中药分析表明：利用siPLS法优化所得的1290~1280,730~714,700~690,660~650,465~460,455~445,405~385 cm-1谱段，定量模型。模型对CaCO3质量分数在0.4654~0.9997时，预测结果良好，模型预测值与参照值的平均相对偏差2.71%，平均回收率100.46%。
　　（4）紫石英系统鉴别研究表明：性状鉴别和理化鉴别初步判断收集的58批紫石英样品中，正品38批、掺杂的劣质品5批、伪品15批。通过EDTA滴定法测得各样品中CaF2含量，38批正品中5批样品中CaF2含量低于85%，实为劣质品；5批掺杂的样品中，2批样品CaF2含量高于85%，为合格品；伪品样品中，1批样品CaF2含量高于85%，为正品紫石英。各类样品扫描电镜超微特征不同，正品样品打碎后的碎屑为块状，棱角分明，表面光滑。紫石英XRD分析表明正品紫石英中萤石（CaF2）为主要物相，常伴生少量石英；伪品紫石英物相组成复杂，杂质含量多而萤石含量远低于中国药典标准。正品紫石英拉曼光谱在310~325,720~1500,1700~1900 cm-1处有3组拉曼指纹特征峰，据此能很好地鉴别紫石英的真伪。利用NIRS建立的紫石英正品、伪品、煅品和醋淬品定性的BP-ANN模型对预测集的15批样品进行鉴别，准确率达93.33%，模型预测能力强。拉曼光谱定量分析中，建模谱段为1550~1540,1530~1520,1510~1500,540~535,530~525,475~450,300~250 cm-1，氟化钙含量为77.76%~99.75%时，预测均方差 RMSEP为2.99%，R2为80.29%，模型平均相对偏差为2.66%，平均回收率为100.11%。NIRS定量分析中，以消除常数偏移量法为预处理方法，7500~6300,5900~5500,5100~4300 cm-1为建模谱段， CaF2含量为44.28%~99.95%时，RMSEP为4.17%，R2为95.26%，模型平均相对偏差为4.99%，平均回收率为102.86%，模型具有较好的预测能力，且适用的氟化钙含量范围较拉曼光谱模型宽。
　　（5）光谱结合智能算法所建模型的预测能力相对于常规线性模型的预测能力，均得到提高。具体而言：正品、伪品、煅品和醋淬品4类紫石英的NIRS定性的SVC模型对预测集预测，准确率最高达93.33%；紫石英NIRS定量的SVR模型，RMSEP为4.10%，R2为96.04%，模型平均相对偏差为5.03%，平均回收率为102.23%。紫石英拉曼光谱定量的BP-ANN模型，RMSEP为2.73%，R2为85.64%，平均相对偏差为2.30%，平均回收率为99.74%。
　　结论：矿物类中药性状鉴别方法直观、快捷，但该方法主观性强，对粉末、性状特征不完整或非典型性状的样品鉴别困难；常规理化鉴别专属性差，杂质及伴生矿物影响显著；XRD技术解析物相组成和含量，可准确鉴别样品及其粉末的真伪和评价质量优劣；拉曼光谱技术和NIRS技术通过结合化学计量学方法，建立定量定性分析模型，可实现光谱法快速鉴别，均是值得推广的矿物类中药快检技术，二者各有优劣。三种现代分析技术在矿物类中药鉴别研究中均具有较好的适用性，且分析快速，结果准确可靠。
　　本文除了应用常规的相关系数法等化学计量学方法对NIRS和拉曼光谱模型进行解析外，还采用了较先进的BP-ANN人工智能和SVM等算法对模型不断改进，使模型对矿物类中药的定性和定量分析准确度得到了较大的提高，使之能进入实用阶段。

目录

声明

缩略词表

前言

1 一些矿物类中药基原混乱

2 矿物类中药鉴别有一定的难度

3 矿物类中药鉴定研究薄弱，标准缺失

第一部分 综述：矿物类中药系统鉴别方法的构建

1 XRD、NIRS及拉曼光谱技术在矿物类中药研究中的应用简介

2 矿物类中药系统鉴别方法的模式

3 小结

第二部分 阳起石、阴起石XRD鉴别及阳起石指纹图谱研究

1 阳起石、阴起石XRD谱鉴别

2 阳起石XRD指纹图谱建立

3 小结

第三部分 常见矿物类中药NIRS特征归纳与分析

1 材料和仪器

2 方法

3 结果

4 讨论

5 总结

第四部分 基于改进siPLS法建立5种含CaCO3中药的拉曼光谱定量模型

1 仪器与材料

2 方法与结果

3 讨论

第五部分 中药紫石英的系统鉴别研究

1 材料

2 方法与结果

3 讨论

第六部分 矿物类中药系统分析中智能算法的应用探索

1 SVM算法的应用探索

2 BP-ANN算法的应用探索

3 总结

结语

参考文献

附录

附录1 紫石英药材图

附录2 紫石英扫描电镜图

附录3 紫石英XRD图

附录4 紫石英拉曼光谱图

附录5 紫石英样品NIRS图

附录6 紫石英样品NIRS相关系数计算结果

附录7 紫石英拉曼光谱原始图谱与预处理后图谱对比

附录8 本文作者已经发表的论文及获奖情况

致谢