电子鼻技术在中药领域的应用

冷晓红，陈海燕，郭鸿雁

(1.宁夏中药材开发与利用工程技术研究中心，银川 750021；2.宁夏职业技术学院，银川 750021)

目前，色谱、光谱、核磁共振、质谱、液-质联用和气-质联用等方法是中药质量评价的主要手段。但上述技术往往以某种单一成分或某一类成分作为评价指标[1]。电子鼻技术能快速、准确地对气味整体信息进行定性分析，主要应用在环境控制、医疗诊断、食品工业及中药领域中[2-9]。

1 电子鼻的工作原理

电子鼻也称人工嗅觉系统[10]，是模拟动物嗅觉器官开发出的高科技产品，由多个具有不同性质的传感器组合成传感器阵列，根据传感器阵列对一种气味的响应构成了响应谱，以合适的模型识别分析方法对其进行处理[11]。由于每种气味都会有它的特定响应谱，当一种或多种气味物质经过电子鼻时，该气味物质的“气味指纹”可被传感器感知并经过特定的智能模式识别算法提取。利用不同气味物质的不同“气味指纹”信息，实现定性或定量分析不同的气体样本。

电子鼻识别气味的主要机制[12-13]是在阵列中的每个传感器对被测气体均有不同的灵敏度,各气体可在相应传感器上产生高响应，而对其他传感器产生低响应，所以整个传感器阵列对不同气体的响应图谱是不同的。其工作过程可简单归纳为：传感器阵列-信号预处理-各种算法-计算机识别(气体定性定量分析)。某些特定的气味物质恰好可以表达样品在不同产地、不同采收时间、不同加工条件以及不同存放环境等多变量影响下的综合质量信息。

电子鼻由气敏传感器阵列、信号处理系统和模型识别3部分组成[14]。电子鼻的优势在于能较全面、完整地反映中药材的整体气味特征。

2 电子鼻技术在中药材鉴定中的应用

基源鉴定是中药鉴定学的核心内容之一。原植物、性状、显微和理化四大鉴别法都可用于中药的基源鉴定，确定中药的品种。原植物鉴别主要靠经验，色谱和色谱-光谱联用技术准确度较高，但操作复杂，尤其需要样品的前处理。李羿等[15]采用电子鼻技术对4种基源郁金(温郁金、姜黄、广西莪术及蓬莪术)的干燥块根进行了鉴别，主成分分析(PCA)法和判别因子分析(DFA)法结果表明， 4种基原的郁金样品的数据簇能相互分开，各实验数据间没有重叠，区分指数DI为81。韩玉[16]通过提取样品气味，建立了茅苍术、关苍术和北苍术3个品种的电子鼻DFA判别模型，可将3个不同品种的苍术进行分类，同时对于未知品种及不同产地的苍术也可进行分类判别。所建立的模型可将山西、吉林、河北和内蒙4个不同产地的苍术进行区分，为苍术药材的质量评价提供依据。杨诗龙[17]建立了电子鼻技术进行快速鉴别结合PCA和DFA等化学计量学分析方法，可区分浙贝母、平贝母、川贝母和伊贝母粉末样品。其不同品种贝母样品及川贝母掺假样品是否掺假的正确识别率可达100%。刘红秀等[18]通过提取八角、白豆蔻、川芎、丁香、荆芥、肉桂和砂仁7种中药材挥发的气味信息，结合PCA法和线性判别分析(LDA)法，建立了鉴别7种中药材的电子鼻检测方法，结果表明，采用PCA和LDA 2种方法均能很好地区别以上7种中药材,识别率达到100%。王蔚昕[19]采用电子鼻技术，结合PCA、单类成分判别方法(SIMCA)的DFA等多元统计方法进行数据分析与模式识别，结果表明，电子鼻可以很好地区分以下中药：《中国药典》收载的正品防风与地方习用品(甘肃产小防风、河南产水防风及云南防风)，《中国药典》收载的北柴胡及地方习用品(小叶黑柴胡和阿尔泰柴胡)，甘肃产珉当归与云南产当归。沈国庆等[20]建立了生白术(浙江和河北产)、麸炒白术及土炒白术的粉末电子鼻检测技术，采用PCA法对数据进行分析，结果显示，不同产地和炮制方法得到的白术样本得到了较好的区分。

3 电子鼻技术在中药材采收期的应用

杨庆珍等[21]建立了电子鼻对2，7 和10年以上生长年限黄芪样品的响应特点分类模型。结果显示，2，7和10年以上生长年限的黄芪样品组内电子鼻检测结果PCA和LDA均可分为一类。相同生长年限黄芪化学成分含量相似，不同生长年限黄芪化学成分含量差异明显。电子鼻技术能够实现对不同生长年限的黄芪样品进行快速、灵敏、无损地鉴别。蔡泳等[22]对不同采收期金樱子样品挥发成分的动态变化进行了电子鼻技术、PCA和DFA等方法检测，对不同采收期的金樱子进行聚类，结果将10月下旬与11月上旬采收的金樱子明显分为2类，为气味作为金樱子质量控制可量化的新方法提供了依据。彭华胜等[23]采用电子鼻技术对野生白术与不同产区栽培白术的气味进行了检测，表明野生白术与栽培白术之间聚类差异明显。其研究结果可为开展野生白术的仿野生栽培提供依据。白花前胡以气味浓香为质量上乘的鉴别标准，开花后的前胡由于气味淡寡而不用[24]，韩邦兴等[25]采用电子鼻技术、PCA和DFA等法对开花前后2种前胡样品气味进行了检测分析。结果表明，开花前后2种前胡样品气味变化明显。该研究结果显示，电子鼻技术可用来评价前胡气味的整体信息。

4 电子鼻技术在中药材炮制过程质量控制的应用

中药材炮制过程中质量控制方法大多是根据感官经验来判断，如眼看、鼻闻和口尝等。电子鼻技术能客观评价气味，并能把涉及到成分相互作用的内在信息转化成不同气味与质量的关系，应用于中药材炮制过程的质量控制。李欣逸等[26]采用电子鼻技术、PCA法和统计质量控制分析(SQC)等化学计量学分析，对胆南星炮制过程中胆汁的加入量进行了实验，结果3个加入不同比例胆汁的胆南星样品PC1和PC2的总贡献率达到了98.5%，区分指数为79。对胆南星炮制过程中的发酵程度进行了实验，表明电子鼻技术能体现胆南星发酵整个过程气味的相应变化，并能准确、快速地鉴别出天南星粉末与胆汁简单混合而未发酵的劣品。汪云伟等[27]建立了电子鼻指纹图谱以区别益智仁不同炮制品，DFA法结果表明，综合判别率为98.77%，说明所建立的电子鼻模型可有效区分益智仁生品、清水炒制品及盐炙品。胥敏等[28]利用电子鼻技术分别对生黄连、酒黄连、姜黄连及萸黄连的气味进行检测，依据获得的客观化气味信息，结合化学计量学方法对黄连及其不同炮制品进行区分判别。结果表明，黄连及其不同炮制品在气味上存在显著差异，SQC与软独立建模分析(SIMCA)模型能够实现黄连炮制品与生品的区分，PCA法可明显区分黄连及其不同炮制品。黄学思等[29]采用电子鼻技术对不同炮制品槟榔的气味进行客观评价，通过建立气味指纹图谱，对不同炮制品生槟榔(气微)、炒槟榔(微香味)和焦槟榔(焦香味)等性状指标进行了量化。运用电子鼻技术控制炮制过程中的质量检测，不仅实现了火候判别的客观数量化，还能避免某些刺激性毒性药材对操作人员的身体健康的潜在的影响。

5 电子鼻技术在中药生产过程质量控制的应用

中药生产涉及到药材的粉碎、提取及制剂生产等环节，工艺和贮存条件的不同，可能存在气味散失。这些具有特殊气味的中成药及其中间品可通过电子鼻进行质量控制。万军等[30]利用电子鼻、PCA、DFA和SQCA等技术，研究了天麻药材-饮片-浸膏-配方颗粒这一制备过程中气味的变化与相关性，结果表明，天麻药材-饮片-浸膏过程中，天麻气味损失较小，而浸膏-配方颗粒过程中气味损失较大，提示按照现有化学药模式评价中药配方颗粒工艺虽然可行，但与符合中医药整体观的气味指标评价结果有差异。气味指标可作为天麻配方颗粒制剂工艺的整体评价指标。庄家俊等[31]应用电子鼻、PCA和DFA技术对不同生产批次的百草油进行了检测，对不同批次百草油产品鉴别分类，以香气质量较佳的样品为对照建立模型，便于产品质量的在线监控。

6 基于电子鼻技术在中药物质基础方面的研究

采用组合化学成分研究中药药效物质基础已成为当前研究的一种方法，同类中药材如解表类中药材，一定存有其共同的物质基础，《素问·六节脏象论》中就有“五气入鼻，藏于心肺”的论述。王光耀等[32]用电子鼻对常用的12种活血化瘀功效的中药材进行检测，结果表明，12种中药材具有相似的气味特征指纹图，PCA法也能体现12种中药材的挥发成分为同一簇，说明具有共同的物质基础，是它们均具有活血化瘀这一功效的原因，但其电子鼻图形又各不相同，说明它们之间还有各自个性的差别。电子鼻检测中药材不是单独分析部分嗅觉信息，而是分析其综合整体信息，而中药材的药性理论证是对中药整体信息的具体描述。电子鼻检测中药材的药性，这一探索方式有助于解决中药材药效物质无法检测的弊端。盛良[33]用电子鼻检测了治疗消化性溃疡的5种中药和7种化学药，发现它们有共同的PCA和指纹图谱，研究结果为药效学物质基础的研究提供了思路。

7 小结

综上所述，电子鼻作为一种新型的仿生检测设备，对气味的客观评估弥补了人类感官描述的模糊性、主观性、不精确性以及色谱的繁杂性等缺点。特别是在中药材基源鉴别、中药材质量检测以及中药材炮制品等方面得到了应用。运用电子鼻建立中药气味指纹图谱，以建立不同药材产地、不同品种药材、储藏期的中药电子鼻识别模型，进行质量评价，为中药材鉴别及中药材品质的保证提供了有效的方法。随着这一技术的不断发展，电子鼻将会在中药气味掩盖效果评价[34-35]和辅助中药安慰剂制备等方面[36]得到进一步的应用。同时电子鼻与气质联用仪的联合[37-38]也会在中药药理药效研究、中药制剂研究、生产与质量控制等方面更加广泛的应用。