近紅外光譜技術(shù)在丹酚酸B純化在線質(zhì)控中的應(yīng)用研究

1、近紅外光譜技術(shù)在丹酚酸b純化在線質(zhì)控中的應(yīng)用研究作者：張延瑩，張金巍，張培，劉巖【摘耍】 冃的利用近紅外光譜(nir)技術(shù)研究并建立丹酚酸b的含 量檢測模型，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模中藥生產(chǎn)純化過程的在線質(zhì)量監(jiān)控。方法在 線采集近紅外光譜，同時進行丹酚酸b的hplc檢測，采用偏最小二乘法 建立純化過程的丹酚酸b含量檢測模型。結(jié)果模型的最佳建模波段為9 815-5 430 cm-1,相關(guān)系數(shù)"0.977 6,校正均方差rmsec二402。預(yù)測 值與真實值的平均相對誤差結(jié)論利用nir技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)丹酚酸b 純化過程的在線質(zhì)量監(jiān)控?！娟P(guān)鍵詞】 近紅外；高效液相色譜法；丹酚酸b；在線質(zhì)量監(jiān)控； 生產(chǎn)規(guī)模

2、我國現(xiàn)行中藥生產(chǎn)工藝的控制模式很少考慮工藝過程中的 成分及含量變化，基本仍停留在傳統(tǒng)的經(jīng)驗控制方法上；同時產(chǎn)品的離線 檢測方法無法適應(yīng)生產(chǎn)過程在線檢測的需要。實現(xiàn)生產(chǎn)過程的在線實時質(zhì) 量監(jiān)控是保證中藥質(zhì)量穩(wěn)定、均一的關(guān)鍵，也是實現(xiàn)中藥生產(chǎn)現(xiàn)代化的技 術(shù)瓶頸。近紅外光譜(near infrared, nir)是近年來迅速發(fā)展的一種快 速分析技術(shù)，它是被測樣品的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)信息的間接體現(xiàn)。樣品nir 光譜的獲取操作簡便且成本低，無須復(fù)雜的樣品前處理，符合在線檢測的 要求。隨著化學(xué)計量學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展，nir技術(shù)在農(nóng)業(yè)和石油工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用1, 2 o 2002年，美國fda把該項技術(shù)作

3、為一種 標(biāo)準(zhǔn)的檢測方法，2005版中國藥典已將“近紅外分光光度法指導(dǎo)原則” 列入目錄3。近年來，nir技術(shù)在中藥行業(yè)特別是中藥生產(chǎn)過程的在 線檢測逐漸成為研究熱點，有學(xué)者應(yīng)用其檢測丹參水提過程丹參酮和丹酚 酸b的含量4,也有對梔子藥材提取和三七總皂昔模擬物系進行實時 定量分析5, 6,最近還有應(yīng)用nir技術(shù)對黃連和枳殼提取物的純化 過程進行快速分析的報道7, 8,但這些僅局限于實驗室規(guī)模的模擬 生產(chǎn)研究，基于生產(chǎn)規(guī)模的中藥純化過程的近紅外在線檢測技術(shù)的研究還 未見報道。本研究以產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)丹酚酸b的關(guān)鍵工序一純化過程作為研究系統(tǒng)，以洗脫液中的主要有效成分-丹酚酸b的含量變化作為研究對象，利用ni

4、r 在線檢測技術(shù)采集光譜，并結(jié)合hplc檢測技術(shù)和化學(xué)計量學(xué)的數(shù)據(jù)處理 方法，建立純化過程的丹酚酸b含量檢測模型，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全程實時 質(zhì)量監(jiān)控。1儀器與材料1. 1儀器antaris傅立葉近紅外分析儀（美國thermo公司），配有光纖配件 及tq analyst分析軟件；agilent 1100高效液相色譜儀（美國hp公司）； 150l不銹鋼層析裝置（天士力現(xiàn)代中藥資源有限公司）。1. 2材料丹參（陜西商洛），經(jīng)天士力現(xiàn)代中藥資源有限公司質(zhì)檢部鑒定為丹參salvia m訂tionrhiza bge；丹酚酸b對照品（中國藥品生物制品檢 定所）；甲醇、乙月青為色譜純（默克公司）；甲酸為分析純（

5、天津化學(xué)試劑 有限公司）。2原理與方法2. 1原理近紅外光是介于可見光和中紅外光之間的電磁波，美國材料檢測學(xué)會將近紅外光譜區(qū)的范圍定義為780-2 526 nm（12 820-3 959 cm-1） 9,是人們最早發(fā)現(xiàn)的非可見光。它的光譜區(qū)與有機分子 中含氫基團（oh、nh、ch）振動的合頻和各級倍頻的吸收區(qū)相一致，通過 掃描樣品的近紅外光譜，可以得到樣品中有機分子含氫基團的特征信息。 不同基團或同一基團在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波長與強度都有明 顯差別。因此近紅外光譜具有豐富的樣品結(jié)構(gòu)和組成信息，適用于天然產(chǎn) 物活性成分的甜質(zhì)檢測100由于近紅外光譜吸收譜帶較寬且重疊嚴(yán)重，必須使用化學(xué)計量

6、學(xué)方法提取近紅外光譜特征信息11 o木研究 以hplc確定待測組分的含量，應(yīng)用偏最小二乘法（pls）建立組分含量與 nir光譜間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對丹酚酸b生產(chǎn)過程的在線檢測和質(zhì)量 監(jiān)控。2.2方法2. 2. 1建立研究系統(tǒng)稱取丹參藥材共50 kg,置于500 l提取罐中, 加5. 5倍量水，煎煮提取1 h,放液；藥渣進行第2次提取，加入3倍量 水，煎煮提取0.5 h,放液。提取液混合并經(jīng)過處理后，用聚酰胺樹脂純 化，流速為1bv/ho在純化過程屮每隔一定時間在線采譜1次，同時取樣 進行hplc檢測。2.2.2nir譜圖的在線采集光譜采集方式：對純化過程每隔25 min采譜1次，每次采集2

7、張譜圖；采譜的同時取樣進行hplc檢測，樣品編號一一對應(yīng)。光譜采集條件：掃描范圍:10 000-4 000 cm-1,掃描次數(shù)32,分辨 率8 cm-lo丹參洗脫液的近紅外譜圖參見圖1。在譜圖采集過程中，流通池中的樣品存在氣泡，一直是困擾試驗進行 的大問題，因為其直接影響到光信號在流通池中的吸收與傳播，造成采集 到的光譜出現(xiàn)不規(guī)則峰型，譜圖信息受到嚴(yán)重干擾。針對該問題，作者從 設(shè)備、現(xiàn)場操作等方面入手，經(jīng)過試驗和摸索，避免了氣泡的干擾現(xiàn)象， 掃清了在線采譜的最大障礙。2. 2. 3丹酚酸b含量的hplc測定方法色譜條件：色譜柱為 agilent zorbax sb-c18c5 u m, 4.

8、6mmx250 mm）； 流動相為甲醇-乙睛-甲酸-水二30 ： 10 ： 1 ： 59；檢測波長286 nm；流速1 ml/min；柱溫 30°c；進樣量 5 口1。對照品溶液的制備：精密稱取丹酚酸b對照品適量，加75%甲醇制成 濃度約為0. 14 mg/ml的溶液。供試品溶液的制備：精密量取適量洗脫液，用75%甲醇稀釋至10 ml,搖勻，用0.45 um濾膜過濾，取濾液即得。3結(jié)果3.1 光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理在近紅外光譜的采集過程中，環(huán)境的變化 會引起光譜的基線偏移，隨機噪聲和樣品背景干擾都會對校正結(jié)果產(chǎn)生影 響，因此需要對光譜數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。本研究將各種光譜預(yù)處理方法排列 組合，考

9、察其對純化模型相關(guān)系數(shù)(r)、均方差(rmsec)及內(nèi)部交叉驗證均 方差(rmsecv)的影響。結(jié)果見表1。使用的預(yù)處理方法有多元散射校正(msc)、標(biāo)準(zhǔn)正交變換(snv)、一 階微分(fd)、二階微分(sd) > savitzky-gdcey 濾波平滑(s-g)和 norris 導(dǎo)數(shù)濾波平滑(norris)等。根據(jù)表屮的計算結(jié)果，最終選擇fd+norris的 光譜預(yù)處理方式建立模型。3.2最佳主因子數(shù)的選擇采用pls法建立定量模型時，為避免出 現(xiàn)“過擬合”現(xiàn)象，需要對主因子數(shù)進行合理選擇。本研究采用留一交叉 驗證法12,考察了主因子數(shù)對內(nèi)部交叉驗證均方差(rmsecv)的影響。 模型的

10、交叉驗證結(jié)果見圖2。從圖2中可以看出，當(dāng)主因子數(shù)為6時，rmsecv為4. 42,超過此主 因子數(shù)時，rmsecv不下降反而有所上升，因此確定最佳主因子數(shù)為6。3. 3光譜范圍的選擇光譜范圍的選擇在nir定量分析模型的建立 屮是最難的一步。迄今為止，化學(xué)計量學(xué)領(lǐng)域還沒有一個完美的算法來選 擇最佳的光譜范圍。本研究在去除吸收飽和波段及噪聲較大的部分波段后，通過比較，選取吸收特征較為明顯的9 815-5 430 cni-l波段作為建 立模型的最佳光譜范圍，模型的相關(guān)系數(shù)及預(yù)測效果良好。表1不同光 譜預(yù)處理方法對純化模型的影響（略）3. 4 模型的建立本研究對6批次丹酚酸b純化過程的251個實驗 樣

11、本進行數(shù)據(jù)分析，采用一階微分光譜對丹酚酸b含量進行pls建模。根 據(jù)交叉驗證獲得的結(jié)果如下：最佳主因子數(shù)為6,相關(guān)系數(shù)r=0. 977 6, rmsec二4. 02o模型預(yù)測值與真實值的相關(guān)系數(shù)圖見圖3o3.5 預(yù)測效果的評價為了驗證上述模型的預(yù)測效果，參照同樣的 生產(chǎn)條件，重復(fù)進行1批次生產(chǎn)，采集純化樣本33個，用于模型的驗證。 丹酚酸b含量的預(yù)測值與真實值的變化趨勢見圖4o從圖4可以看出，剔除個別異常數(shù)據(jù)點，純化過程的預(yù)測曲線與真實 曲線呈現(xiàn)穩(wěn)定、一致的變化趨勢，預(yù)測值與真實值之間的平均相對誤差為4. 8%o異常數(shù)據(jù)點的形成可能有如下幾個原因：首先近紅外儀器要求待測 組分含量不能低于0.

12、1%,目標(biāo)組分的含量過低會給檢測帶來較大誤差；同 時，考慮到本研究采用在線采譜的方式，液體在管路中一直是處于不斷運 動的狀態(tài)，其通過流通池時的流動穩(wěn)定性以及氣泡問題，會導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù) 失真，增大了預(yù)測誤差。4討論近紅外光譜分析技術(shù)具有方便、省時、成本低、環(huán)境良好等優(yōu)點。 本研究以產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的丹酚酸b純化過程作為研究對象，采用直接在生產(chǎn) 裝置上進行在線采譜的方式，建立了丹酚酸b含量檢測模型，模型的趨勢 預(yù)測效果良好，能夠滿足生產(chǎn)過程中在線檢測和質(zhì)量監(jiān)控的要求。光譜的預(yù)處理方法、光譜范圍及主因子數(shù)的選擇對所建模型的精確度 影響很大，應(yīng)對各種條件進行分析對比，以選擇最優(yōu)的建模參數(shù)。待測組分含量低于近紅

13、外儀器檢測限、液體在管路中流動狀態(tài)的穩(wěn) 定性，以及流動過程中氣泡的存在都會干擾譜圖信息的采集，影響模型的 預(yù)測效果。在實際在線檢測過程中應(yīng)采取有效措施，減少上述情況的發(fā)牛?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 weyer lg. applied spectroscopy j . reviews, 1985, 21(12):1.2 lang, ga. nirs monitor critical gasoline parameters jhydrocarbon process, 1994, 72 (2):69.3 王寧，武衛(wèi)紅.近紅外光譜技術(shù)在中藥分析領(lǐng)域中的應(yīng)用j山東中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報，2007, 31 (4):350.4倪力軍，史曉浩，高秀蛟，等.nir在線檢測、分析技術(shù)在丹參水提過程質(zhì)量監(jiān)控中的應(yīng)用j中國藥學(xué)雜志，2004, 39(8) : 628.5嚴(yán)詩楷，羅國安,王義明，等.梔子藥材提取工藝的近紅外光譜實時控制方法研究j光譜學(xué)與光譜分析,2006, 26(6): 1026.6楊南林，瞿海斌,程翼宇.近紅外光譜法快速測定三七總皂昔的方法研究j 浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2002, 36(4): 4637 楊南林，程翼宇，瞿海斌一種用于中藥純化過程的近紅外光譜分析新方法j 化學(xué)學(xué)報，2003,61 (5): 742.8 楊志斌，欒連軍近紅外透対光譜用于枳殼提取物純化過程快速分析j