利用TGA-DTA热分析法快速鉴别中药乳香及质量分析研究＊

魏永恒，郑志全，罗菊元，金国航，陈功森，李燕呢，李鑫洁，石晋丽＊

（北京中医药大学中药学院北京100102）

利用TGA-DTA热分析法快速鉴别中药乳香及质量分析研究＊

魏永恒＊＊，郑志全＊＊，罗菊元，金国航，陈功森，李燕呢，李鑫洁，石晋丽＊＊＊

（北京中医药大学中药学院北京100102）

目的：利用TGA-DTA热分析法快速鉴别中药乳香，并进行质量分析。方法：收集市场上乳香药材共计25份，通过考察升温范围、升温速率、粉末粒度三个重要因素对TGA-DTA热分析实验的影响，利用TGADTA特征图谱快速鉴别药材真伪；分别采用一阶中点法和连线法进行热重分析与热焓计算，对乳香药材进行定量分析。结果：确定了乳香TGA-DTA实验的最佳条件：升温范围选择50-750℃；升温速率选择20℃·min-1；粉末过100目筛；在该条件下，通过特征峰位（T1=447±5℃、T2=549±5℃、T3=350±5℃）、热重分析（TV-max、ΔW2+ΔW3）、热焓分析（ΔH）可以很好的区分正品乳香、伪品乳香以及乳香的掺伪品。结论：TGA-DTA技术操作简单，是一种快速、准确、简单的乳香鉴别与质量分析新方法。

乳香热分析快速鉴别质量分析

乳香为橄榄科植物乳香树Boswellia carterii Bird.及同属植物Boswellia bhaw-dajiana Birdw.树皮渗出的树脂[1]。乳香性辛、苦，温，具有活血行气止痛、消肿生肌的功效神奇，现代药理研究表明，乳香有抗炎、抗肿瘤、诱导分化凋亡、抗溃疡、降糖、改善学习记忆等药理活性[2，3]。由于乳香药材的需求量大，目前市场上频繁出现以假乱真、以次充好的伪劣药材，严重影响到乳香临床使用[4]。目前，对乳香药材的常规鉴别方法有性状鉴别、显微鉴别法、薄层色谱鉴别、HPLC指纹图谱鉴别等[5-7]。

热重-差热联用分析技术（Thermogravimetry Differential Thermal Analysis，TGA-DTA）[8，9]作为一种成熟的热分析技术，已被欧洲药典、美国药典收载。任何两种物质的所有物理、化学性质是不会完全相同的。因此，TGA曲线和DTA曲线均具有物质“指纹图”的性质。它可以在很宽广的温度范围内对样品进行研究，可以试用各种温度程序（即不同的升降温速率），对样品的物理状态没有特殊的要求，对于样品用量要求非常少，而且几乎不需要进行预处理，仪器的灵敏度高，还可与傅里叶变换红外、质谱、XRD等技术联用进行分析[10-12]，以获取物质内部多种信息。目前为止TGADTA热分析技术已经用于贝母[13]、大黄[14]、昆布[15]、雷公藤[16]等中药的鉴别与分析研究。本研究利用TGADTA热分析技术对中药乳香的真伪进行快速鉴别，并通过热重与热焓的定量分析进行初步的质量评价。

1 实验材料

收集乳香药材样本共25批次，1批为从中国食品药品鉴定研究院购买的乳香对照药材，12批生乳香以及12批制乳香药材分别购于北京、山东、甘肃、贵州、广西、安徽及河北等地的药店或药市（表1）。所有药材均经北京中医药大学石晋丽教授鉴定，25个批次中22个批次的药材为正品乳香。所有样品制成粉末，减压干燥处理，备用。

表1 乳香实验样品来源信息

2 主要仪器与方法

2.1 仪器

HCR-2微机差热仪（测量范围：±10µV至± 1 000µV，北京恒久科学仪器厂）；ARTORIUS-BS124S型电子分析天平（精度为0.01 mg，德国塞多利斯股份有限公司）；FW200高速万能粉碎机（北京科伟永兴仪器有限公司）。

2.2 实验方法

2.2.1 TGA-DTA热分析操作方法

将乳香药材粉末过100目筛，取细粉适量，按2015年版《中国药典》四部通则“水分测定法”第三法项下，干燥24 h，即得供试品。分别取供试品10.00 mg，置差热仪炉中分析。实验条件：空气气氛，升温速率20.00℃·min-1，参比为α-Al2O3坩埚。

2.2.2 数据分析方法

实验获取的数据用HJ Thermal Analysis（ATAT2020）软件进行预处理。右侧坩埚不放置样品作为空白对照，在同一条件进行5次实验，得到5条空白曲线，取5组数据的平均值作为基线，之后每组样品的数据处理均利用软件自动扣除基线，减少误差。去除基线后，通过HJ Thermal Analysis（ATAT2020）软件的“平滑滤波”去除由于仪器电流噪音而采集到的数据。最终得到的数据导入Origin 9.0软件获取TGA-DTA分析图谱。热重分析利用HJ Thermal Analysis（ATAT2020）软件的微积分功能，采用一阶中点法，获取DTG曲线，并分析各阶段失重情况。热焓分析同样利用该软件，采用连线法，分别计算吸热峰区、放热峰区的热焓数值。

3 结果与分析

3.1 TGA-DTA热分析条件优化

热分析实验的升温都可以达到1 000℃以上，但是持续高温会减少仪器寿命，往往选择合适的升温范围。对于有气体产生的反应来说，试样粒度适当特别重要，乳香中含有大量的挥发油，因此制样粉末的粒度对于峰形、峰顶的影响很大。此外，升温速率往往也会影响差热峰的形状、位置和相邻峰的分辨率。本实验主要考察升温范围、样品粒度、升温速率对TGA-DTA实验的影响。

3.1.1 升温范围对乳香TGA-DTA分析实验的影响研究

取样品粉末R-2，过100目筛，干燥24h后即为供试品。精密称取供试品约10.00 mg于Al2O3坩埚内，放置于差热仪炉体中。在室温条件下通入空气，以20℃· min-1的升温速率开始测试，升温到1 000℃后结束采集。实验结果如图1所示，温度达到750℃以后，热重曲线（Weight/%）和DTA曲线（Heat Flow/μV）均趋于平滑，即样品发生的各类反应结束。因此，升温范围选择在50-750℃。

3.1.2 不同样品粒度对乳香TGA-DTA分析实验的影响研究

取样品粉末R-2，分别制成60目、80目、100目、120目、160目、200目粒度大小的样品，干燥24 h后即为供试品。依次精密称取各种粒度的供试品10 mg于Al2O3坩埚内，放置于差热仪炉体中。在室温条件下通入空气，升温范围为50-750℃，以20℃·min-1的升温速率开始测试。实验结果如图2所示，乳香药材的TGA曲线受样品粒度影响不大，然而对于DTA曲线，形成的两个特征峰（吸热峰endo、放热峰exo）峰形和峰位的影响较大。如图2C所示，100目大小的样品吸热峰endo和放热峰exo均峰形对称无裂缝，峰位明确。因此，样品粒度选择过100目筛的粉末。

3.1.3 不同升温速率对乳香TGA-DTA分析实验的影响研究

取样品粉末R-2，制成100目粒度大小的样品，干燥24 h后即为供试品。依次精密称取上述供试品10 mg于Al2O3坩埚内，放置于差热仪炉体中。在室温条件下通入空气，升温范围为50-750℃，分别以10、15、20、25、30℃·min-1的升温速率开始测试。实验结果如图3所示，对于DTA曲线，形成的两个特征峰（吸热峰endo、放热峰exo）峰形和峰位的影响较大。如图3A（5℃·min-1）所示，太慢的升温速率容易出现肩峰，而图3B（15℃·min-1）、3D（25℃·min-1）、3E（30℃·min-1）中吸热峰endo的峰形均较差。图3C（20℃·min-1）所示，吸热峰endo和放热峰exo峰形对称、峰顶单一、峰位明确。因此，升温速率选择20℃·min-1。

3.2 利用TGA-DTA图谱快速鉴别乳香真伪品

图1 升温范围对乳香TGA-DTA分析实验的影响研究

本研究分别取25个批次的乳香样品粉末，按照优化的TGA-DTA实验条件（升温范围50-750℃；粒度大小100目；升温速率20℃·min-1），通过空气气氛，氧化铝坩埚为参比进行测试分析。利用HJ Thermal Analysis（ATAT2020）和Origin 9.0软件处理数据后，结果如图4所示。图4A为乳香对照药材（R-1）的TGADTA图谱，DTA曲线出现了两个明显的特征峰：吸热峰（T1=477℃）和放热峰（T2=549℃）；图4B为制乳香样本（R-14）的TGA-DTA图谱，DTA曲线中出现了与对照药材的共有特征峰T1=478℃、T2=549℃，还出现了一个明显的吸热峰T3=351℃，T3可以作为生乳香与制乳香的鉴别峰；图4C为伪品乳香（R-15），其DTA曲线无生乳香、制乳香样品曲线中的特征峰（T1、T2、T3），而TG曲线在550℃趋近不变，因此认为R-15为伪品；图4D中，DTA曲线出现了制乳香的3个特征峰（T1、T2、T3），然而在375-475℃温度范围内有一系列小峰，认为是该样品中一些杂质产生的，因此判断R-19样品为制乳香的掺伪品；其余批次样品特征峰峰位与鉴别结果见表格2。

图2 不同样品粒度对乳香TGA-DTA分析实验的影响研究

图3 不同升温速率对乳香TGA-DTA分析实验的影响研究

图4 利用TGA-DTA图谱快速鉴别乳香真伪品

3.3 TGA-DTA热分析法对乳香样本的定量分析研究

本研究基于热力学原理，对乳香样本进行分别进行TGA分析和DTA分析。下面以乳香对照药材（R-1）为例说明。如图5所示，TGA分析首先通过一阶中点法对TGA曲线求导获得DTG曲线，DTG曲线所反应的是物质重量变化的快慢情况，通过DTG曲线将热重分为4个阶段，求取各阶段热重数据（ΔW1=2.12%；ΔW2= 49.41%；ΔW3=25.48%；ΔW4=0.11%；）。其中第一阶段为水分和低沸点小分子烯类气体失去阶段，第四阶段热重开始趋近于不变，而第二阶段和第三阶段为挥发油失去和物质发生氧化反应、分解反应的主要阶段，ΔW2+ΔW3数据具有重要分析意义，本实验中用以表征药材中挥发油的相对含量。此外当DTG曲线达到峰值时，意味着反应速度达到最快，对每种物质而言，最大反应速率温度TV-max基本恒定，具有明显的鉴别特点。25个批次样本的ΔW2+ΔW3和TV-max数据总结于表格2。DTA分析主要为特征峰热焓的计算，如图5所示，热焓大小为基线与峰围成的面积ΔH，放热峰exo的两条内切线与基线相交于两点分别为外推起点温度Te、外推终点温度Tc，利用软件HJ Thermal Analysis（ATAT2020）计算切线与基线围成的面积ΔH，即为热焓值。25个批次样本的ΔH数据总结于表格2。

表2 25个批次乳香药材的TGA-DTA热分析法定量分析结果

表格2中总结的数据可以发现样品R-15、R-20的ΔW2+ΔW3和TV-max明显不同于乳香对照药材，且DTA曲线没有出现鉴别特征峰，而放热峰的热焓值较对照药材明显偏大，分析认为二者是伪品。样品R-19，DTA曲线出现制乳香的特征峰（T1、T2、T3），然而ΔW2+ΔW3明显偏小，放热峰热焓明显偏大，认为该样本药材质量较差，可能存在掺伪。

4 讨论

图5 TGA-DTA热分析法对乳香样本的定量分析研究

乳香具有特殊的生物学基础，其化学成分复杂，利用常规方法进行鉴别具有一定鉴定难度。为找到快速、简单、准确的鉴别树脂类药材乳香的方法，本研究从“树脂受热变软”经验鉴别中着手寻找答案，该药材热特征明显，便采用基于不同物质不同理化性质理论的TGA-DTA热分析技术开展研究。与常规鉴别方法比较，TGA-DTA热分析法具有样品用量少、预处理简易、分析速度快等优势，适合大批量乳香样品的鉴别。

通过对照药材TGA-DTA图谱比对分析，发现生品乳香的DTA曲线鉴别特征峰为T1=477±5℃、T2=549± 5℃；制品乳香的DTA曲线鉴别特征峰为T1=477±5℃、T2=549±5℃、T3=350±5℃；TGA定量分析表明，正品乳香的TV-max应为300-320℃，ΔW2+ΔW3应为70%-80%；由DTA计算热焓值，发现伪品乳香的ΔH-exo值远大于正品乳香。据此能够快速区分出真伪乳香以及生乳香和制乳香，但不能区分出不同产地、不同基原的乳香药材。

不同产地的乳香来源可能为同属不同种植物，但是两者亲缘关系较近，根据植物亲缘关系越近其化学成分越相似的原理，来源于Boswellia carterii Bird.植物与来源于Boswellia bhaw-dajiana Birdw.植物的药材成分相似。研究结果表明，热分析技术有利于鉴别化学成分差别较大的属种来源的树脂类中药材，而对于化学成分相似的同属种区别可能存在困难和局限性，对于这种情况，应该结合其他传统的方法——薄层色谱和高效液相色谱等技术进一步鉴别。

5 小结

本研究收集市场上乳香药材共计25份，通过优化TGA-DTA热分析实验条件，利用TGA-DTA特征图谱快速鉴别药材真伪，并分别采用一阶中点法和连线法进行热重分析与热焓计算，对乳香药材新型定量分析。该方法可以很好的区分正品乳香、伪品乳香以及乳香的掺伪品。针对难以鉴别的树脂类中药乳香，认为TGA-DTA技术操作简单，是一种快速、准确、简单的鉴别与质量分析新方法，本研究可以为树脂类中药材的鉴别与质量评价研究提供新思路。

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Rapid Identification and QualityAnalysis of Olibanum by TGA-DTAThermalAnalysis

Wei Yongheng,Zheng Zhiquan,Luo Juyuan,Jin Guohang,Chen Gongsen,Li Yanni,Li Xinjie,Shi Jinli (School of Chinese Materia Medica,Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100102,China)

This study was aimed to quickly identify Chinese medicine Olibanum.Thermal analysis method was used on the quality analysis of Chinese materia medica(CMM).A total of 25 batches of Olibanum on the market were collected. This study examined three important factors of temperature range,heating rate,powder mesh on the TGA and DTA thermal analysis experiments.And a method of rapid authentication of medicinal materials using TGA and DTA feature maps was built.Methods of the first-order points,connection on thermogravimetric analysis and heat enthalpy calculation were adopted in the quantitative analysis of Olibanum.The results showed that the best condition of TGA and DTA experiment on Olibanum was confirmed.The temperature range is 50-750℃.The heating rate is 20℃·min-1.The powder mesh is 100 mesh.Under these conditions,good quality goods of Olibanum,counterfeit Olibanum and adulterants of Olibanum could be distinguished through the characteristic peak(T1=447±5℃,T2=549±5℃,T3=350±5℃), thermogravimetric analysis(TV-max,ΔW2+ΔW3)and thermal enthalpy analysis(ΔH).It was concluded that the TGA-DTA technology was simple.It was thought to be a rapid,accurate and simple new method for Olibanum identification and quality analysis.

Olibanum,thermal analysis,rapid identification,quality analysis

10.11842/wst.2017.04.014

R286.0

A

（责任编辑：马雅静，责任译审：王晶）

2017-03-16

修回日期：2017-04-20

＊北京市共建项目（BJGJ1634）：基于DSC热分析技术结合快速元素分析技术对树脂类中药乳香真伪、等级、产地区分效果影响研究，负责人：罗菊元。

＊＊魏永恒、郑志全为共同第一作者。

＊＊＊通讯作者：石晋丽，教授，博士生导师，主要研究方向：中药质量标准研究。