中药材重金属超标问题日趋严重, 将阻碍中药产业的未来高质量发展, 因此研究高效、 准确、 便捷的超标鉴定方法对于了解中药的安全性具有重要意义。 X射线荧光(XRF)光谱分析具有无损检测、 快速准确、 样品制备方便等优势, 在元素分析领域获得广泛应用。 由于中药材重金属超标阈值低(如中国药典2020年版规定铅超标为5 mg·kg-1), 中药的种类繁多, 基体复杂, 国家标准样本匮乏, 常规的分类算法难以准确鉴定超标问题。 将迁移学习与多分类支持向量机(TrAdaBoost-SVM)方法结合, 以金银花为例, 采用与金银花相似的国家土壤标准样品的光谱特征信息用于数据增强, 将土壤标准样品和少量中药样本混合建立迁移学习和支持向量机分类模型。 通过实验验证, 迁移学习和TrAdaBoost-SVM结合的分类优化方法, 与传统SVM、 AdaBoost分类算法相比, 鉴定重金属元素铅(Pb)的超标准确率有显著提高。 通过测试数据集的预测验证, TrAdaBoost-SVM模型的预测准确率为96.7%, 高于传统SVM及AdaBoost分类模型的准确率。 所提出的迁移学习与TrAdaBoost-SVM结合的方法, 可在小样本条件下建立分类模型, 并对中药的重金属超标准确预测, 具有一定的理论意义和应用价值。
X荧光光谱分析技术 迁移学习 支持向量机 中药重金属超标分类 X-ray fluorescence spectroscopy analysis technolog Migration learning Support vector machine Heavy metals in traditional Chinese medicine class 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2729
1 中国医学科学院药用植物研究所, 北京 100193
2 北京城市学院生物医药学部, 北京 100094
忍冬属中药材种类多、 产量大, 外观性状特征相似, 区分较为困难。 采用傅里叶变换红外光谱对来源于忍冬属的忍冬(金银花)、 红腺忍冬、 灰毡毛忍冬、 黄褐毛忍冬4种中药材进行测定, 红外光谱扫描范围为4 000～400 cm-1, 得到图谱后进行图谱解析; 采用谱带较密集的指纹区(1 800～400 cm-1)计算红外光谱图相似系数和二阶导数谱, 同时结合SMICA(簇类独立软模法)聚类分析法对红外指纹图谱进行分类和异同点比较。 结果表明, 4种忍冬属中药材红外光谱整体峰形相似, 谱峰位置和峰高都比较接近, 在1 629～1 635、 1 376～1 384、 1 265～1 282、 1 152～1 158、 1 050～1 051、 814～816、 611～614和534～537 cm-1附近均有吸收, 但忍冬中1 731 cm-1CO伸缩振动吸收峰最明显, 仅灰毡毛忍冬与忍冬显示出1 105和1 103 cm-1C—O的伸缩振动吸收峰。 红腺忍冬与灰毡毛忍冬1 317 cm-1 CH的弯曲振动吸收峰最明显, 黄褐毛忍冬1 075 cm-1处糖醇类物质的C—OH伸缩振动特征峰最明显。 相似系数结果表明4种中药材间存在一定差异, 其中红腺忍冬与黄褐毛忍冬差异最大, 相似系数为0.94。 二阶导数光谱中, 4种中药材在1 700～1 300和971～780 cm-1波段差异明显。 采用Assure ID软件以药材吸收波数为变量进行聚类分析, 红腺忍冬与黄褐毛忍冬的类间距最大, 为6.86, 进一步表明红腺忍冬与黄褐毛忍冬差异最大。 聚类模型中, 4种中药材的识别率和拒绝率最高值为100%, 最低值达99%; 类模型图中, 不同基原药材两两分开, 表明红外光谱结合SIMCA聚类分析能够鉴别忍冬属4种中药材; 取已知基原的样品对聚类分析模型进行验证, 均被正确识别。 因此, 红外光谱与聚类分析法相结合可以快速、 无损鉴别忍冬属4种中药材, 为忍冬属中药的基原鉴别提供了一种科学有效的方法。
红外光谱法 聚类分析法 忍冬属 中药 Infrared spectroscopy Cluster analysis Lonicera japonicar Traditional chinese medicine 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3518
1 湖南中医药大学 长沙 410208
2 湖南省中医药研究院 长沙 410006
3 湖南中医药大学第二附属医院 长沙 410005
中药应用形式多样，有饮片、生粉入药、提取物、中成药等，如何把控外源微生物污染，保障中药的安全性和有效性，选择适宜的灭菌技术是关键。本文通过检索中国知网、万方、维普、Web of Science自2001－2021年已发表的中药灭菌文献，应用可视化分析软件VOSviewer与CiteSpace对近20年来中药灭菌方法的应用现状与趋势进行分析。经过筛选，本研究共纳入文献322篇，收录中药灭菌相关文献载文量第一的期刊为《机电信息》；作者合作网络分析发现，中药灭菌领域主要形成了中国食品药品检定研究院和广州市药品检验所等核心研究团队；文献关键词显示，中药灭菌研究主要集中在辐照、微波、制备工艺、有效成分、干燥、指纹图谱等方面。本研究还深入探讨了不同灭菌技术的优缺点及其适宜范围，结合中药灭菌未来发展趋势进行深入分析，以期为研究者选择合适的灭菌方法提供参考。为进一步统筹推进中药灭菌科学发展，笔者提出中药灭菌未来需要紧密结合技术、设备和政策，才能更快推进中药现代化发展。
中药 灭菌 CiteSpace VOSviewer 知识图谱 Traditional Chinese medicine Sterilization CiteSpace VOSviewer Knowledge map 辐射研究与辐射工艺学报
2022, 40(6): 060401
1 山东中医药大学第一临床医学院, 济南 250013
2 山东中医药大学附属医院, 济南 250011
通过生物信息学对过敏性紫癜(HSP)的差异表达miRNA进行分析, 探索其调控的基因、生物过程及代谢通路, 进而预测治疗HSP的潜在中药组方。运用GEO数据库对原始数据集GSE80401进行差异分析, 筛选出差异表达的miRNA, 通过miRwalk、TargetScan、miRDB数据库预测靶基因, 基于Metascape数据库进行基因本体(GO)和pathway富集分析, 利用Cytoscape软件进行关键靶点筛选。最后将关键靶点与Coremine Medical数据库相互映射, 筛选治疗HSP的潜在中药组方。基于GSE样本数据预测的靶基因共有83个, 关键基因为hsa-miR-3945, GO富集分析结果涉及对脂多糖的反应、对无机物的反应、凋亡信号通路、对细胞外刺激的反应等生物过程, KEGG富集结果涉及IL-17信号通路、TNF信号通路、Th17细胞分化通路、NF-κB信号通路等。中药预测发现桂枝、茯苓、赤芍、桃仁、牡丹皮可作为潜在药物来治疗HSP。显著性差异基因和潜在核心靶点的分析研究促进了对HSP发病机制的进一步理解和探索, 为中医药治疗HSP提供了新的方向和临床依据。
过敏性紫癜 生物信息学 差异miRNA基因 中药预测 Henoch-Sch?nlein purpura bioinformatics differential miRNA gene hsa-miR-3945 hsa-miR-3945 traditional Chinese medicine forecast
1 太原科技大学 应用科学学院 太原 030024
2 江西中医药大学 现代中药制剂教育部重点实验室, 南昌 330004
为了实现中药浊度在线精确测量, 采用频谱分析法, 将样品透射光和散射光信号的频谱特征与浊度之间建立联系, 研究了一种低成本中药浊度在线传感器。将近红外发光二极管作为传感器的光源, 通过FDS100光电二极管进行光电信号转换, 经跨阻放大器和低通滤波器处理后由模数转换器转为数字信号, 采用STM32F405单片机进行快速傅里叶变换和浊度反演；应用梯度稀释法制备了16组0NTU~1000NTU的福尔马肼标准浊度液对传感器做标定与验证实验, 并测试了当归精油浊度的线性度。结果表明, 透射和散射信号的3次谐波、5次谐波分量的幅值比值与浊度的线性拟合相关系数各为0.9883和0.9946；传感器的最小误差为0.471%, 最大误差为3.768%；当归精油浊度的线性拟合度为0.99176, 达到了精油提取、浓缩及干燥的实时在线测量需求。该传感器在中药的制造加工和质量监测中具有一定的应用价值。
信号处理 中药浊度传感器 频谱分析 方波激励 吸收光谱 signal processing turbidity sensor for TCM spectrum analysis square excitation absorption spectrum
1 湖南中医药大学医学院，长沙 410208
2 中医药防治眼耳鼻咽喉疾病湖南省重点实验室，长沙 410208
3 湖南省中医药防治眼耳鼻咽喉疾病与视功能保护工程技术研究中心，长沙 410208
长链非编码 RNA(lncRNA)是指长度大于 200 bp的非编码 RNA。在肺癌发生发展的过程中有大量 ln-cRNA的表达发生异常变化，这些 lncRNA主要通过调控肺癌细胞的增殖、凋亡、迁移、自噬等方面影响肺癌的病理生理过程。近些年，以 lncRNA为靶点的中药抗肺癌研究逐渐增多，本文主要就肺癌中异常表达的 lncRNA及其作用机制进行了综述，并概述了以 lncRNA为靶点的抗肺癌中药治疗进展，以期为肺癌的治疗和研究提供新方法和新思路。
肺癌 中药 诊断 治疗 lncRNA lncRNA lung cancer Chinese medicine diagnosis therapy
1 太原科技大学应用科学学院, 山西 太原 030024
2 江西中医药大学现代中药制剂教育部重点实验室, 江西 南昌 330004
传统中药在世界范围的需求量巨大, 尤其是屠呦呦在2015年获得诺贝尔医学奖以来, 中药的受欢迎程度进一步得到了提高。 然而, 中药的质量标准管理中还存在较多关键性问题, 其中, 中药水分含量的检测是中药质量一致性控制中的一个重要因素。 基于近红外LED吸收光谱的中药水分传感器, 通常采用电平信号或锁相放大来实现信号的探测。 方波激励可以获得水吸收光谱信号丰富的时域和频域响应信息, 故常被用来作为水分传感器的激励源。 针对待测样品的不平整度、 提离效应及噪声等因素严重影响水分含量的时域特征量的问题, 提出了一种基于方波激励的近红外吸收信号频谱分析的中药水分传感器。 首先, 利用中心波长为1 450 nm的LED作为水吸收光谱信号的光源, 并采用快速傅里叶变换获得水直接吸收光谱信号的频谱特征量。 其次, 分析和优化了激励方波信号参数, 优化结果表明, 当方波激励源的频率、 幅值及占空比三个参数分别为100 Hz, 1 500 mV及50%时, 水的吸收光谱信号最好。 最后, 制备了8组用于标定的肚痛丸样品和4组用于验证的肚痛丸样品, 在优化激励方波参数基础上, 建立了肚痛丸水分含量与奇次谐波信号幅度之间的线性关系。 标定与验证实验结果表明, 谐波分量中基频分量(100 Hz)和三次谐波分量(300 Hz)的幅值与肚痛丸的水分含量的线性相关系数r值分别为0.992和0.993, 平均后的最小误差为1.0%, 最大误差小于6.5%。 该水分传感器把方波作为激励源, 利用小波滤波算法对水吸收光谱信号进行去噪, 并采用快速傅里叶变换算法将光谱吸收信号转换到频域后进行特征量提取, 具有精度高、 适用性强、 实时在线测量等优点, 在中药制药质量控制和过程分析中具有广阔的应用前景。
中药水分测量 近红外LED 吸收光谱 方波激励 频谱分析 Moistrue content detection of TCM Near-infrared LED Absorption spectrum Square excitation Spectrum analysis 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1656
1 燕山大学电气工程学院, 河北 秦皇岛 066004
2 联勤保障部队第九八四医院, 北京 100094
由于三维荧光光谱技术选择性好、 灵敏度高、 测试快速等优点目前已在众多领域中被广泛应用。 中药药性理论是中药的核心基础理论, 是中药学的特色理论之一, 中药药性的客观化判别是中医药现代化研究的关键问题。 中药中大部分分子具备产生荧光的能力, 因而, 针对中药三维荧光光谱特征, 从中药药性的角度对中药进行分类识别研究。 利用FS920型稳态荧光光谱仪测得5组不同浓度的23味寒温类中药溶液制剂的三维荧光光谱数据, 获取样本的等高线图和三维荧光光谱图; 分析不同样本不同激发波长和发射波长范围存在噪声的基础上, 应用集合经验模态分解算法(EEMD)对光谱图进行降噪预处理; 基于局部线性嵌入算法(LLE)对光谱数据进行特征提取, 分析近邻点数k=12, 本征维数d=7时得到的特征向量, 结果表明不同浓度的寒性药在PC4和PC6的特征值变化明显, 不同浓度的温性药在PC1, PC2, PC4和PC7的特征值变化明显, 且浓度越高特征值都有下降趋势。 将提取的特征向量输入到随机森林(RF)中, 构建LLE-RF分类模型, 分析不同参数时LLE-RF分类模型对寒温类中药荧光光谱数据的分类效果, 设置RF分类器中训练集和测试集的样本比例分别为3∶1和2∶1, 即训练集的比重r分别为3/4和2/3, 分析LLE中近邻点数k取值为7~18, 本征维数d分别取值为6, 7, 8, 9和10时分类正确率。 当近邻点数k=12, 本征维数d=7时LLE-RF模型对中药药性的分类正确率最高, 达到96.6%。 最后比较同一比例r情况下, 采用不同核函数构造SVM分类器对寒温类中药荧光光谱数据分类效果, 当多层感知机作为核函数时, 分类效果最差。 当r=3/4, 径向基作为核函数时, 寒温类中药荧光光谱数据的分类效果最好, 正确率达到82.1%。 分析结果表明, 通过荧光光谱技术与LLE-RF相结合的方法, 能有效的将寒温类中药进行模式识别, 并且分类效果比LLE-SVM更理想。
三维荧光光谱 特征提取 中药药性 局部线性嵌入 随机森林 Three-dimensional fluorescence spectrum Feature extraction Traditional Chinese medicine property Local linear embedding Random forest 光谱学与光谱分析
2020, 40(6): 1763
1 陕西中医药大学药学院, 陕西 咸阳 712046
2 陕西中医药大学第一附属医院, 陕西 咸阳 712046
3 长安大学地球科学与资源学院, 陕西 西安 710054
从中药材黄花蒿中提取的青蒿素, 是一种含有过氧基团的倍半萜内酯药物, 目前已成为世界卫生组织推荐的抗疟疾药物。 含有青蒿素的复方制剂具有抗疟、 抑菌和调节免疫功能等作用, 然而含青蒿素的复方制剂没有可量化的统一质量标准, 因此难以控制和评价这些复方制剂的质量。 目前对于青蒿素复方制剂的研究主要集中在定性分析其有效成分上, 但具体如何定量分析其中青蒿素含量的研究工作却并不多, 迫切需要一种简便、 快速、 无损的方法监控青蒿素的生产和使用。 激光拉曼光谱是一种分子联合的光散射现象, 能够提供样品分子的成分及结构, 对研究青蒿素具有重要的意义。 首先对青蒿素标准样品进行激光拉曼光谱定性分析测试, 获得青蒿素标准品的拉曼特征图谱, 这些标准图谱为以后分析中药复方制剂中的青蒿素奠定了基础。 通过拉曼测试分析得到位于724 cm-1处的拉曼峰是与青蒿素中过氧基团直接相关的特性声子振动模式, 可用于检测过氧桥键的存在, 也是决定其抗疟活性的关键; 而位于1 736 cm-1处的拉曼峰强度大、 周围无其他振动峰干扰, 是与青蒿素中内酯基团相关的特性声子振动模式, 也可用来检测分析青蒿素。 因此, 拟采用青蒿素分子中位于724 cm-1处和1 736 cm-1两处的拉曼特征峰进行定性定量分析。 然后, 在实验室制备了一系列具有不同青蒿素质量百分数的青蒿素/面粉混合样品, 确定出混合样品中青蒿素724 cm-1处和1 736 cm-1处拉曼光谱参数。 并以峰面积比值A724/A1 736的平均值作为横坐标, 青蒿素质量百分数作为纵坐标, 拟合青蒿素质量百分数与峰面积比的函数关系, 得到二次函数关系式为y=0.907 22x2+0.465 93x(0
激光拉曼光谱 青蒿素含量 中药复方制剂 定量分析 Laser Raman spectroscopy Artemisinin content Chinese traditional compound medicine Quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2019, 39(8): 2403
浙江大学工业控制技术国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
随着中药生产行业的转变, 中药生产过程现代化成为了必然趋势。 而目前由于缺乏有效的在线检测手段, 中药生产检测滞后性大, 产品质量参差不齐。 针对中药提取过程在线监控及终点判定的问题, 基于朗伯比尔定律及中药提取动力学方程建立提取液紫外吸光度随时间变化模型, 并提出动态分析及终点判断方法, 该方法包括紫外吸光度序列拟合、 稳健性分析以及终点计算。 以千年健提取过程为例, 使用本实验室自主研发的中药提取液在线采样系统进行光谱收集, 并对离线样本求取其有效固体物质含量作为参考。 分析过程中, 首先对实时检测的光谱进行插值及滤波处理, 计算2302～400 nm紫外谱区的吸光度均值并结合前期数据组成吸光度均值序列; 随后, 进行了该吸光度序列与提取液固体含量之间的相关分析, 得到线性相关系数r2=09828, 证明二者存在较强的线性关系; 最终对吸光度均值序列进行动态模型稳健回归及提取终点判定。 结果表明: 回归过程通过稳健性分析能够充分识别出测量异常点, 提高了拟合曲线与原始吸光度的复相关系数, 使其达到099, 并通过终点判定将千年健提取时间由最初人工设定的180 min缩短至122 min。 实验证明, 紫外在线监控方法实现了提取过程的在线监控及终点判定, 对稳定产品质量、 提高经济效益具有重要意义。
紫外光谱 中药提取 模型回归 终点判定 Ultraviolet spectroscopy Chinese traditional medicine extraction Model regression Endpoint determination
