基于电子鼻技术的多基原莪术鉴定＊

李 羿，吴浩忠，刘春生△

1.成都医学院 药学院（成都 610083）；2.北京中医药大学 中药学院（北京 100102）

电子鼻（electronic nose）是模拟动物嗅觉器官开发出的一种高科技仪器，其能凭借检测样品气味的整体特征信息进行分析或鉴定。电子鼻通常由气体传感器阵列、空气压缩机、气体净化器、自动进样器和软件系统等组成，气体传感器是其核心器件。电子鼻广泛应用于医学诊断、环境监测和产品质量检测（如食品、烟草、发酵产品和香精香料等）等众多领域［1－3］，在中药材鉴定领域也具有广阔的应用空间［4－6］。

莪术为一类多基原的中药材，具有行气破血和消积止痛的功效。其基原药用植物分别为温郁金Curcuma wenyujin Y.H.Chen et C.Ling、蓬莪术Curcuma phaeocaulis Val.和广西莪术Curcuma kwangsiensis S.G.Lee et C.F.Liang。目前，3种基原的莪术在市场上均有销售，临床均有应用。但由于不同基原莪术所含化学成分存在差异，对其临床疗效将产生较大的影响［7］。仅依据《中国药典》2010年版鉴定项目中莪术性状和横切面组织构造的描述进行鉴定，较难有效分清莪术的基原［8］。因此，笔者探讨了电子鼻在多基原莪术鉴定中的应用，以确保其临床用药的安全有效，也为中药材及中成药的鉴定提供新的技术手段。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究所用药材为当地购买或采集（表1），样品均经北京中医药大学刘春生教授鉴定为生药莪术。

表1 莪术来源

1.2 仪器

α－FOX 3000型气电子鼻（法国Alpha MOS公司）；金属氧化物传感器12根（6根LY型传感器：LY2/LG、LY2/G、LY2/AA、LY2/Gh、LY2/gCT1和 LY2/gCT；6根TP型传感器：T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2 和 PA/2）；电子天平（Sartorius BS 110S）；药典筛。

1.3 方法

1.3.1 样品准备和检测参数 将样品烘干后粉碎，过2号筛，备用。用电子天平精确称量0.4g样品，移于顶空瓶（10mL）中，加盖密封后待检。电子鼻对莪术样品气味特征采集分为顶空动态平衡、自动进样和信号采集3个流程。以检测器响应值为评价指标，通过预实验确定样品适宜的检测参数。以高纯空气为载气，流速150mL/min；顶空时间1 200s，孵化温度80℃，样品振荡速度150r/min；注射体积2.0mL，注射速度2.0mL/s；数据采集时间200s，吹扫时间600s，进样量数据采集间隔1s。

1.3.2 传感器信号分析 以采集时间为横坐标，电子鼻传感器响应强度值为纵坐标，绘制电子鼻传感器响应值变化曲线，每条曲线代表一个传感器在200s内的响应值变化。采集每根传感器的最大响应值，利用归一法对数据进行特征提取，从电子鼻两组共12根传感器中筛选出适宜的传感器。

1.4 统计学方法

应用Alpha Softv12软件对电子鼻获得数据进行多元统计学分析，采用主成分分析（principal component analysis，PCA）和辨别因子分析（discrimental factor analysis，DFA）［5－6］，建立蓬莪术、广西莪术和温郁金的气味识别模式。每份样品重复检测3次。

2 结果

2.1 传感器的选择与优化

因传感器LY2/LG响应值低（图1），故去掉不用。将11根传感器的响应值数据经过标准化处理，并通过软件以“定性”方式自动筛选响应值。结果表明：莪术样品对11根传感器反应强度不同，综合分析后最终确定LY2/Gh、LY2/G、LY2/AA的传感器为本实验最优化气体传感器阵列。

2.2 PCA分析结果

蓬莪术、广西莪术和温郁金的顶空气试样数据簇可相互分开，且各试验数据相互间无重叠（图2），表明在该电子鼻检测条件下使用PCA能够有效区分多基原莪术。

2.3 DFA分析结果

蓬莪术、广西莪术和温郁金的顶空气试样数据簇能相互分开，且各试验数据没有重叠（图3），说明在该电子鼻检测条件下使用DFA能够实现多基原莪术的有效区分。

图1 传感器阵列对莪术样品气味的响应谱

图2 多基原莪术的PCA识别模式图

图3 多基原莪术的DFA识别模式图

3 讨论

金属氧化物传感器阵列是电子鼻识别气味的关键因素。如何选择传感器阵列，以剔除冗余信息，同时保证所获取信息的完整性、有效性和可靠性是传感器阵列优化需考虑的首要问题。因此，笔者对金属氧化物传感器进行了优化，确定了最佳传感器阵列。

PCA是一种包含了向量分析和相关矩阵的分类技术，目的是区分不同的样品，一般作为DFA模型的预备分析。通过PCA可以删除过于离散的离群点，有利于传感器的优化。DFA是一种通过重新组合传感器数据来优化区分性的分类技术，能使组间重心距离最大的同时保证组内差异最小［9］。

本研究在利用电子鼻对不同基原莪术的整体气味特征提取和分析基础上，通过PCA和DFA实现了多基原莪术的快速鉴定。但本研究所采集样品的范围有限、样品量偏少和试验结果代表性较局限，以后还需扩大样本量和进一步优化模型。电子鼻鉴定技术是中药鉴定的一种新技术，未来将在中药材和中成药气味特征的标准化研究及其快速鉴定方面发挥重要的作用。

［1］郑哲洲，林雪娟.电子鼻在医学诊断中的应用研究［J］.世界科学技术－中医药现代化，2012，14（6）：2115－2119.

［2］崔丽静，周显青，林家永，等.电子鼻快速判别玉米霉变技术研究［J］.中国粮油学报，2011，26（10）：103－107.

［3］Baldwin EA，Bai J，Plotto A，et al.Electronic noses and tongues：applications for the food and pharmaceutical industries ［J］.Sensors，2011，11（5）：4744－4766.

［4］杨文玺，刘亚令，魏胜利，等.电子鼻在中药材质量评价中应用的研究进展［J］.北方药学，2013，10（7）：70－71.

［5］邹慧琴，韩玉，邢姝，等.电子鼻技术及其在中药领域中的应用［J］.世界科学技术－中医药现代化，2012，14（6）：2120－2125.

［6］邹慧琴，刘勇，陶欧，等.电子鼻 MOS传感器阵列优化及其在中药材快速鉴别中的应用［J］.中国中药杂志，2013，38（2）：161－166.

［7］唐德才，臧文华，冯海红，等.莪术不同品种含药血清抑制人卵巢癌细胞HO－8910增殖及诱导凋亡的实验研究［J］.时珍国医国药，2013，24（10）：2313－2315.

［8］沈艳，李羿，刘婷婷，等.3种基源莪术的显微及理化鉴定［J］.化学研究与应用，2014（2）：267－270.

［9］黄璐琦，胡之壁.中药鉴定新技术新方法及其应用［M］.北京：人民卫生出版社，2010：366－381.