X射线衍射指纹图谱在矿物药中的研究进展

黄必胜，明 晶，陈科力

(湖北中医药大学 教育部中药资源和中药复方重点实验室，武汉 430065)

X射线衍射指纹图谱在矿物药中的研究进展

黄必胜，明 晶，陈科力*

(湖北中医药大学 教育部中药资源和中药复方重点实验室，武汉 430065)

通过查阅大量相关文献资料，综述了X射线衍射(XRD)指纹图谱在矿物类中药中的研究及应用，总结了在应用过程中出现的问题，提出了相应的解决办法，并对其应用前景做出了展望.

X射线衍射；指纹图谱；矿物药

矿物类中药是中药的一个重要组成部分.由于矿物药的外部形态特征相似度较高，其伴生的矿物种类多，因此，市场上的混淆品和伪劣品较多，与动、植物类中药相比，其鉴定难度更大.尤其对于具有不同来源的同种矿物药，更是难以通过传统的性状鉴别、理化鉴别等手段准确鉴别[1]，如炉甘石、金礞石等.矿物类中药多炮制后入药，其炮制前后化学成分及含量的变化，目前缺少相应的质量控制标准.X射线衍射(XRD)技术是一种针对固体粉末样品测试的现代分析方法[2-5]，将矿物药样品制成粉末进行X射线照射可得到XRD图谱.XRD图谱中衍射的晶面间距与相对强度能反映物质的固有属性，从而使XRD图谱特征具有指纹特性[6]，XRD指纹图谱具有重现性好、专属性强等优点[7]，因此，在矿物药的鉴别和质量评价中具有独特的优势和广阔的应用前景.

1 X射线衍射技术原理及建立指纹图谱依据

当某一晶体物质被X射线照射时，可产生不同程度的衍射现象，该衍射现象与物质的组成、晶型、分子成键方式、分子构型等密切相关.利用这种衍射现象对物质进行分析的方法称为X射线衍射分析法，分为单晶X射线衍射法与多晶X射线衍射法[2].

单晶X射线衍射法常用于解析物质晶体结构.该法能获取晶胞的空间群、晶胞常数和一套晶胞中每个原子位置的参数.从结构分析结果看，可以很容易得到键长、键角、配位数等晶体化学数据.多晶X射线衍射法又称粉末X射线衍射法，如果某物质是一混合物，X射线衍射图就是混合物各组分衍射效应的叠加，只要这一混合物的物质组成是恒定的，其衍射图谱可以作为该混合物的特征图谱[8].

由于不同矿物药的组成成分各不相同，其X射线衍射的峰及其相对应的峰强度具有明显差异并较固定，故每种矿物药都应有反映其各自组分特征的XRD图谱.从每种矿物类中药不同样品的图谱中寻找共有特征峰，提取特征信息(峰位、晶面间距、峰强度等)，并借鉴中药指纹图谱技术[9]，由此可建立矿物药XRD指纹图谱分析方法，用于矿物药的鉴定与质量分析.

2 X射线衍射指纹图谱在矿物药中的应用现状

利用XRD指纹图谱分析方法可实现对矿物药的真伪鉴别，且可快速区分生品、炮制品以及易混淆品.通过对指纹图谱进行物相解析和检索，还可确定矿物药主要组成成分.目前已建立XRD指纹图谱分析方法的矿物药有十余种，详细信息见表1.

李祥等[10]建立了石膏的XRD指纹图谱，为中药石膏与类似含钙矿物药(寒水石、玄精石、紫石英)、化学试剂硫酸钙及非纤维状石膏的区分提供了较为可靠的鉴别方法.何立巍等[12]通过建立XRD指纹图谱，对花蕊石和其它含钙矿物药加以区别.傅兴圣等[13]建立了磁石的XRD指纹图谱，同时对图谱进行了物相解析，得知磁石的主要物相为Fe3O4和SiO2.杨欢等[16]建立了禹余粮的XRD指纹图谱，并通过物相解析和检索，得知了禹余粮的主要物相组成为石英、针铁矿和高岭石.韩墨等[18]通过建立XRD指纹图谱对雄黄和雌黄进行了鉴别.XRD指纹图谱还可用来鉴定矿物药的生品与煅品.雷雨等[22]建立了自然铜炮制前后XRD指纹图谱，给自然铜生、煅品的区分提供了较为可靠的鉴别方法.刘圣金等[17]建立了青礞石的XRD指纹图谱，并发现炮制前后青礞石的XRD图谱具有明显差异，由此推测青礞石炮制前后物相发生了变化.此外，熊南燕等[21]通过考察三种不同性状的赭石XRD图谱，发现由于不同性状赭石中三氧化二铁(Fe2O3)在含量上具有差异，导致矿物药赭石的XRD图谱具有特定的起伏，从而建立了三种性状赭石的XRD指纹图谱.这表明了XRD指纹图谱不仅可以用于鉴别不同种矿物药，还可用来鉴别不同性状的同种矿物药.

3 用于矿物药XRD指纹图谱分析的化学计量学方法

化学计量学作为一门新兴的化学分支学科，它运用化学、数学、统计学、计算机科学以及其他相关学科的理论与方法，优化化学测量过程，通过解析化学测量数据，最大限度地获取有关物质的化学信息及其他信息，对于阐明物质的成分、结构与其性质之间的复杂关系有着重要意义[7].在应用指纹图谱对中药进行鉴别和质量研究时，必然会遇到指纹图谱的分析和评价的问题，运用化学计量学方法能够很好地解决这类问题.目前用于矿物药XRD指纹图谱鉴别的数字计算方法主要有相似度评价、模糊聚类法，亦有研究者对图谱做主成分分析.

3.1 相似度评价

相似度作为数字信号科学中的一个定量定性参数,已被国家药典委员会确定为中药指纹图谱标准中的一项重要评价指标,目前被应用于中药注射剂及色谱类指纹图谱的研究[24].相似度的评价方法主要有峰重叠率法(Nei系数法)[25]、相关系数法、距离系数法[26]、向量夹角余弦法[27]和峰重叠率与共有峰强度结合法(改进的Nei系数法)[28]等方法.在实际应用中，针对不同的问题选用合适的计算方法.目前，XRD指纹图谱相似度评价计算一般使用相关系数法或夹角余弦法，二者均可以反映指纹图谱峰的数目、位置和面积的微小变化，量化表示指纹图谱间的相似情况，衡量图谱之间峰的比例的一致性[29]，相对于其他方法更适用于中药品种的鉴定[30].初步建立矿物药指纹图谱后，通过计算相似度的方法可以评价指纹图谱的指纹性强弱.一般认为，相似度大于95%则可建立该矿物药的指纹图谱[10,12,13,17]，相似度越大，则建立的指纹图谱可靠性越高.另外，相似度的大小还可作为矿物药质量的评价指标，通过比较各样品X射线衍射图谱与指纹图谱的相似度，可粗略判断矿物药样品的质量.

3.2 聚类分析法

目前，将聚类分析法应用在中药指纹图谱方面的文献报导并不多，该方法最开始应用于中药裂解气相色谱指纹图谱的研究.周敬泉等[31]为了寻求和评价不同产地中药裂解气相色谱图之间的相似关系和差异程度，建立指纹图谱，选取了10个郁金样品的裂解气相色谱图，提取图谱中反映不同样本在化学成分和含量上有差异的信息特征，采用模糊聚类6种不同分析法在16个峰参数上进行分类，得到简洁明了的模糊聚类图.实验结果反映了图谱之间的相似关系，并能快速准确地选出具有代表性的图谱.矿物药XRD指纹图谱具有复杂性、整体性和模糊性的特点，且对于图谱中的各峰并不要求解析所有物相,也不需要对物相组成清楚地定量，故将模糊聚类法应用于矿物药XRD指纹图谱的分析中合理且可行.傅兴圣等[13]首次将模糊聚类法应用于矿物药磁石的XRD指纹图谱研究中，得到了磁石的XRD指纹图谱聚类分析图，但未对分析结果做出评价或讨论.杨欢[16]等在建立禹余粮XRD指纹图谱时，采用SPSS 16. 0软件对其做了模糊聚类法分析，得到不同样品禹余粮的聚类分析图.研究表明，聚类分析可以有效地将物相组成比例不同的禹余粮样品区分开来，相似度评价结合聚类分析法可用于禹余粮的质量控制.

3.3 主成分分析法

除了相似度评价与聚类分析法外，杨欢等[16]还选取了矿物药禹余粮的XRD图谱15个共有峰，对其做主成分分析，结果显示，石英和碱式氧化铁的特征峰与禹余粮样品高度相关，与物相分析的结果一致，石英和碱式氧化铁为禹余粮的主要矿物组成.主成分分析是一种常用的提取光谱特征信息的方法，利用方差最大原则，对原始光谱数据所包含的多个自变量进行线性拟合，以新的低维变量代替原始高维变量，进而达到数据降维的目的[32].运用主成分分析法对矿物药XRD指纹图谱特征峰进行分析，将分析得到的主成分与物相解析结果对比，可较准确地得到该药材的主要矿物组成.

4 矿物药XRD指纹图谱应用的局限性及解决办法

XRD指纹图谱也具有一定的局限性.房方等[20,21]建立钟乳石和紫石英的XRD指纹图谱，同时指出，对于钟乳石、方解石和南寒水石，由于其主要化学成分均为CaCO3，XRD图谱相似度极高，故无法简单利用XRD指纹图谱将其准确区分.该实验表明，利用XRD指纹图谱可以很好的区分含有不同化学成分的矿物药，而对于主成分相同的矿物中药，XRD指纹图谱有时并不能将它们准确区分，即XRD指纹图谱仅具有相对的专属性.对于这种情况，可将XRD指纹图谱与其他现代分析技术(近红外光谱[33]、拉曼光谱[34]等)结合分析，综合多种光谱信息指导鉴别.

此外，运用XRD指纹图谱分析基源不唯一或尚存争议的矿物药时,常常遇到一些问题.对于基源不唯一的矿物药，如炉甘石[35]，尽管其药材名相同，但来源不同的同种药材其矿物组成和含量可能存在较大差异，这便导致XRD图谱中峰的位置和强度并不一致，故无法建立该矿物药整体的指纹图谱.对于这类基源不唯一的矿物药，可以试图分别建立来源不同的同种矿物药的XRD指纹图谱，这样既可达到鉴别这种矿物药的目的，还可确定其来源.对于基原尚存争议的矿物药，如寒水石、金礞石[36]、阴起石及阳起石等，需首先对其进行本草考证，并广泛采集不同产地的样品，扫描X射线衍射得到图谱并分析物相，将本草考证结果与样品性状、衍射图谱结合对比分析，确定其基源，最后建立该矿物药XRD指纹图谱.大部分矿物药均为无机物，具有良好的晶型，XRD图谱有尖锐的峰，然而对于主要成分为有机物的矿物药，如琥珀、松香等，由于有机物的结晶多为低级晶系，且有机成分繁多，XRD图谱峰重叠成一宽峰且弥散严重，这也是研究中草药XRD指纹图谱时遇到的主要问题之一，需借助一些新的处理方法来描述图谱之间的相似程度，发现图谱间的微小差异.高夏红[8]在研究中草药指纹图谱方法学时，采用了数字分峰技术以及全谱数字化拟合技术鉴别了野生和栽培天麻，解决了某些植物类中药XRD图谱弥散宽峰的解析问题.数字分峰技术是一种精确的数学拟合方法,它可以从整体叠加图谱中获得各单因素的特征信息.该技术为本课题组提供了一种新的思路，尝试将该技术运用于建立主成分为有机物的矿物药XRD指纹图谱中，从而解决图谱峰重叠且弥散的问题.

5 总结与展望

XRD指纹图谱能够很好地反映矿物药的整体内在特征，且具有指纹性强、专属性好、准确度高的优点.多位研究者建立矿物药XRD指纹图谱分析方法，用以区分矿物药的真伪优劣，取得了良好的效果.通过将矿物药样品XRD图谱与优质品指纹图谱比较，进行相似度分析，相似度的大小即可代表该样品的质量好坏，由此可实现对矿物药的质量评价与控制.XRD指纹图谱分析法在矿物药鉴别和质控方面具有广阔的应用前景.

然而，目前矿物药XRD指纹图谱的研究并不成熟，已建立的指纹图谱分析方法尚存不足之处.对于XRD图谱效果不好或一致性较差的矿物药，仍须探索新的化学计量学方法对图谱进行处理，得到更好的图谱效果.此外，尚有多种矿物药在此方面未见研究报道，有待加强.借鉴建立中药XRD指纹图谱数据库[8]的思想，将矿物药XRD指纹图谱与计算机技术结合，建立相应的数据库，这将为今后矿物药的鉴别提供更加方便快捷、准确可靠的方法，真正实现对矿物药质量整体的评价和控制，保证临床用药安全有效.

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Research Progress in X-ray Diffraction Fingerprint
on Mineral Medicinal Materials

Huang Bisheng, Ming Jing, Chen Keli

(Key Laboratory of Traditional Chinese Medicine Resourceand Compound Prescription，Hubei University of Traditional Chinese Medicine，Wuhan 430065，China)

This paper deals with the study and application of X-ray diffraction (XRD) fingerprint on mineral medicinal materials by consulting related documents. Then, some practical problems in the application are summarized. In conclusion, solution methods and prospects have been put forward.

XRD；fingerprint；mineral medicinal materials

2015-09-02 * 通讯作者 陈科力(1947-)，男，教授，博导，研究方向：中药资源及其品质研究，E-mail：kelichen@126.com

黄必胜(1963-)，男，教授，博导，研究方向：中药资源及其品质研究，E-mail:hbsh1963@163.com

武汉市2012年高新技术产业发展行动计划生物技术与新医药专项(20126053193)

R932

A

1672-4321(2015)04-0045-05