电化学振荡反应在中药鉴定中的应用*

2011-01-22李继睿禹练英

化学分析计量 2011年2期

李继睿禹练英丁峰

(湖南化工职业技术学院，株洲 412004)

长期以来，化学反应就被认为是从热力学不平衡到平衡的一个单项过程，即反应物浓度由高到低，如果条件不发生改变，不会自发地使反应物浓度升高。这在热力学中，有“熵增原理”作为有力依据。

20世纪初，各种有趣的现象被陆续发现，其中之一就是化学振荡现象。在化学振荡中，反应体系中某些状态量(如物质浓度、反应温度、体积等)随时间、空间的变化而发生周期性变化。其中最著名的是20世纪50年代，俄国化学家贝洛索夫(B.P.Belousov，1893～1970)发现的振荡体系。他用柠檬酸、溴酸钾、硫酸作配剂，用铈盐作催化剂进行实验，发现柠檬酸在稀释的硫酸中被溴氧化，铈离子在3价4价间振荡，溶液在无色透明至淡黄色间周期变化。这是一种周期性振荡的化学反应，又称化学钟反应[1-3]。

化学振荡自出现之日起就在化学界引起轩然大波，首当其冲是它违背了化学家们的经典认识。当时人们认为热力学第二定律确言：任何化学反应只能走向退化的平衡态，在两种颜色之间的化学振荡当然是不可能的。然而，对这个反应的奇特行为化学家和生物学家们均无法相信，以致他的论文屡遭拒绝，最后收录在一个辐射医学学术讨论会的论文集中。几年后，更多的化学家投身于此，更多更明显的振荡体系被发现，这促使人们正视它、认识它、从理论的角度分析它。但直到目前，还不存在能对化学振荡体系做出完全准确预测的理论。

1 电化学振荡理论研究现状

首先是前苏联化学家贝洛索夫于1953年发现第一个复杂化学振荡体系，但宏观振荡特征不明显，并不被化学家认同。1952年，英国数学家图灵(Turing，Alan)在一篇论文中，提出了像化学振荡一类现象的可能性，并试图寻找生命中的证据。1963年，从莫斯科大学生物化学系毕业的扎鲍廷斯基(A.M.Zhabotinsky)对别洛索夫的配方做了一些修改，使化学混合物在一薄层内扩散，形成圆形波和螺旋波纹，使化学振荡确确实实呈现在人们眼前。

20世纪60年代，普利高津(I.Prigogine，1917-)研究了远离平衡态的开放系统，指出这样系统在非线性相互作用的条件下(如涨落)将会从无序进入有序而不违背热力学第二定律，并把这样的过程称之为自组织，他认为化学振荡是一类自组织现象(一个系统内部由无序自发地变为有序，使其中大量分子或单元按一定的规律运动的现象称为自组织现象)，也可以叫做非平衡非线性现象。当振荡体系处于非平衡非线性区时，无序的均匀定态并不总是稳定的，在特定的动力学条件下，一个无序的均匀定态可以失去稳定性，从而自发产生某种新的、可能是时空有序的状态——耗散结构，化学振荡就是处于远离平衡态的耗散结构[4-9]。

2 国内外电化学振荡的应用现状

化学振荡现象在分析化学中的应用出现在近二十几年，1978年Tikhonova及其合作者发表了第一篇分析应用文章，报道了微量硫酸钌可以缩短B-Z反应(Belousov-Zhabotinsky reactions)的振荡周期，其变化与硫酸钌的质量浓度(7～330 mg/L)线性相关，利用这一关系可以测定钌。

1995年Dolores Perez Bendito等[10]报道了利用被测物质对化学振荡体系的脉冲扰动进行分析测定(Analyte Pulse Perturbation Technique，简称APP)。

利用化学振荡技术可以检测生物活性物质，如测定尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)。

B-Z反应在分析方面的应用主要是测定金属离子和无机阴离子，已报道测定的金属阳离子有铁、锰、银、铊、钌、汞等；阴离子有氟、氯、碘、硫代硫酸根及金属络合阴离子等；以及气体物质NO、CO、Cl2等[11]。

相对而言，该方法在有机物测定中比较成功，报道也较多，例如苯酚、二苯胺磺酸钠、间苯二酚和没食子酸、缬氨酸、咖啡因、利福平、维生素B1、维生素B2、维生素B6、维生素C及香子兰醛、氢醌、谷胱甘肽[12]。

在研究化学振荡时常采用连续流动搅拌反应器CSTR(continuous-flow stirred ank reactor)。

上述被测有机物大多为药物，说明分析化学家已经把注意力聚焦在生命科学上，试图将生命体内的振荡现象移植于实验室中进行研究，因此，化学振荡分析法更具有生命力。

有报道用化学振荡分析方法测定人血清和患者尿液，获得了很有参考价值的结果[13,14]。金利通等[15]人利用模拟生物膜振荡器研究了味觉物质，使该方法更逼近生物振荡实际情况。

最近有报道利用吉尔(Gear)法和龙格-库塔(Runge-Kutta)法等数学模型，3种研究化学振荡反应机理模型的数学分析方法——稳定性分析、灵敏度分析和主成分分析，2种符号型数学运算软件——Mathematica和Maple来求解振荡反应数学模型的方法；用来模拟化学振荡机理的遗传算法和蒙特卡洛(Monte Carlo)算法以及MECHEM和Chemical Kinetic Simulator(CKS)软件[16-18]。

3 中药质量控制现状

中药作为一种天然产物，成分复杂，药效部分不明确，尤其是复方药，更以一种“膏、汤、丸、散，神仙难辨”的面目进入市场。加之中药同名异种，同种异名现象较多，对于中药质量的鉴别，一直没有很好的方法。因此，只有对中药进行现代意义下科学的质量控制，才能更好地保证中药的质量，实现中药的安全、有效、稳定、可控，为中药走向世界奠定良好基础。故中药真伪鉴别和质量评价科学方法的研究已成为对分析化学家富有挑战性的课题，用于中药这一黑色或灰色复杂体系化学成分群集表征的中药指纹图谱一词也应运而生，而且指纹图谱在中药真伪鉴别和质量评价与监控方面的重要作用已成为人们的共识。

目前这方面的研究报道有高效液相色谱指纹图谱、气相色谱指纹图谱、薄层色谱指纹图谱、高速逆流色谱指纹图谱、毛细管电泳指纹图谱和红外光谱指纹图谱等。其中中药色谱指纹图谱的研究和应用最为普遍和深入，已成为目前国际公认的评价和控制中药或天然药物质量最有效的方法和手段，但色谱指纹图谱也有不可忽视的局限性。如液相色谱仅适用于真溶液体系；气相色谱仅适用于中药挥发性成分分析；色谱指纹图谱因其定性和定量参数一般只有保留值和峰强度，色谱峰形也很少变化，因而其特征直观性不强，在多数情况下需根据化学计量学方法处理后的结果来鉴别和评价中药，因而费时，一般只有掌握一定相关专业技术知识的分析人员才能接受；色谱技术不能直接用于占绝大多数中药中“膏、汤、丸、散”成药和固体原药材指纹图谱的测定，测定前必须对其成分进行提取、分离等预处理，因而烦琐、费事、操作流程长，试剂消耗量大，分析费用高，不仅会引入杂质，而且提取的部分已不能代表中药的全部成分，其指纹图谱实际上只是中药部分化学成分的信息集合等。故严格说来，色谱指纹图谱能作为中药复杂体系所有成分的群集表征，仅适用于中药注射液和口服真溶液。

因此，无需分离提纯等预处理技术，能适用于各种物相和剂型的中药中所有化学成分群集表征的指纹图谱直接制作方法的研究，已作为首要任务之一摆在分析化学家的面前。电化学振荡指纹图谱应运而生，它具有无需繁琐的预处理，适应所有中药体系，图谱信息含量大，特征值明显，重现性好，检测费用低廉等特点[19-22]。

4 化学振荡在中药检测中的应用

4.1 电化学指纹图谱特征参数

电化学指纹图谱特征参数有诱导时间、最高电位、最低电位、振荡周期、振荡时间、最大振幅等，如图1所示。

图1 电化学振荡指纹图谱基本参数

笔者对不同产地不同种类的中药进行了测定，从测定结果中可以看出，不同的中药特征参数不同，不同产地的同一种中药特征参数相似。因此，根据电化学振荡指纹图谱特征参数可以对中药进行鉴别和检测。

原春兰等[24]应用振荡技术，采用KBrO3-MnSO4-H2SO4丙酮振荡器，得到解表药柴胡、葛根、连翘，祛风湿药木瓜、独活、五加皮和理血药鸡血藤、丹参、虎杖的振荡指纹图谱。结果表明，这些化学振荡指纹图谱可用于辨识中药。

4.2 定量分析应用

李守君等[23]应用电化学振荡技术获取大黄不同提取工艺的电化学指纹图谱,根据电化学指纹图谱特征参数诱导时间来考察大黄提取液中总成分含量的高低。以诱导时间和总蒽醌含量为指标,通过正交试验优化大黄提取工艺。结果:大黄提取液浓度和诱导时间(tin)呈良好的线性关系[25-27]。

利用电化学振荡指纹图谱来研究中草药在国外尚无报道，国内有少数报道，也局限于对单味中药进行测定；测量标准局限于振荡反应的一小部分即均匀振荡时期，大部分有用信息如诱导期、振荡后期被忽视；没有确定定性和定量依据，仅靠目测区分；分析检测手段简单，单一；数据用X-Y型记录仪记录，仅能获得振荡整体波形图，难以获取每一点确切数据，不能进行数据深挖掘从而获得完全信息并探讨内部机理[28,29]。

4.3 电化学指纹图谱有待完善

中药指纹图谱是以系统的化学成分研究和药理学研究为基础，采用一定的分析手段将中药的特征和有效成分以图谱的形式描绘出来，以全面反映中药所含化学成分的种类和数量进而识别真伪﹑辨认优劣﹑确定其质量和疗效。但在实际应用中中药指纹图谱还面临许多问题：

(1)药材生产供应﹑流通领域的混乱对指纹图谱的研究是不利的，用多种来源的药材很难制订稳定的指纹图谱。若维C银翘片要制订指纹图谱，其所用的药材均应固定品种﹑药用部位﹑产地﹑采收期﹑产地加工和炮制方法等，照目前的情况是难以达到要求的。

(2)是从药材提取分离到分析检测全过程的标准化﹑规范化程度不够，影响实验室之间的重现性。除中药注射剂外，大部分的中药制剂生产工艺简单粗糙，杂质较多，既难以保证产品的稳定，更无法提供高的质量。同时，同一产品不同生产厂家的工艺不同，指纹图谱亦有差别，故难免有突出某个厂家的产品特征之嫌。

(3)对于制订中药制剂的指纹图谱来说，要求研究技术人员不但需要丰富的分析技术经验，而且须熟悉掌握产品的提取，制剂等工艺。

5 结语

运用多元指纹图谱分析技术，可以实现对中成药材产地和栽培、采收的监控，以保证药材的稳定，并通过对中成药成分的监测，实现对制药过程的分析和控制，确保中成药的药效。我国指纹图谱应用示范研究提出了化学指纹图谱相似度概念，在国际上率先建立了指纹图谱相似度测量方法科学实验技术平台。它在指纹图谱整体相似度计算、相似性比较鉴别、基于信息融合的多元指纹图谱相似性计算等指纹图谱计算分析技术方面取得了突破。

中药以其毒副作用小，临床疗效好，治标治本，绿色环保的特点深受重视，在世界范围内也越来越多地得到应用。中药市场潜力巨大，国际市场不可限量，质量控制体系是重中之重，为中药建立新型的准确、快速、方便的质量评价体系，必然推动中药在国际市场的发展，带来巨大的社会效益与经济效益。

[1] 王晓菊,等.长春师范学院学报,1998(5):15-18.

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