基于電子鼻技術的多基原莪術鑒定＊

李 羿，吳浩忠，劉春生△

1.成都醫學院 藥學院（成都 610083）；2.北京中醫藥大學 中藥學院（北京 100102）

電子鼻（electronic nose）是模擬動物嗅覺器官開發出的一種高科技儀器，其能憑借檢測樣品氣味的整體特征信息進行分析或鑒定。電子鼻通常由氣體傳感器陣列、空氣壓縮機、氣體凈化器、自動進樣器和軟件系統等組成，氣體傳感器是其核心器件。電子鼻廣泛應用于醫學診斷、環境監測和產品質量檢測（如食品、煙草、發酵產品和香精香料等）等眾多領域［1－3］，在中藥材鑒定領域也具有廣闊的應用空間［4－6］。

莪術為一類多基原的中藥材，具有行氣破血和消積止痛的功效。其基原藥用植物分別為溫郁金Curcuma wenyujin Y.H.Chen et C.Ling、蓬莪術Curcuma phaeocaulis Val.和廣西莪術Curcuma kwangsiensis S.G.Lee et C.F.Liang。目前，3種基原的莪術在市場上均有銷售，臨床均有應用。但由于不同基原莪術所含化學成分存在差異，對其臨床療效將產生較大的影響［7］。僅依據《中國藥典》2010年版鑒定項目中莪術性狀和橫切面組織構造的描述進行鑒定，較難有效分清莪術的基原［8］。因此，筆者探討了電子鼻在多基原莪術鑒定中的應用，以確保其臨床用藥的安全有效，也為中藥材及中成藥的鑒定提供新的技術手段。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究所用藥材為當地購買或采集（表1），樣品均經北京中醫藥大學劉春生教授鑒定為生藥莪術。

表1 莪術來源

1.2 儀器

α－FOX 3000型氣電子鼻（法國Alpha MOS公司）；金屬氧化物傳感器12根（6根LY型傳感器：LY2/LG、LY2/G、LY2/AA、LY2/Gh、LY2/gCT1和 LY2/gCT；6根TP型傳感器：T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2 和 PA/2）；電子天平（Sartorius BS 110S）；藥典篩。

1.3 方法

1.3.1 樣品準備和檢測參數 將樣品烘干后粉碎，過2號篩，備用。用電子天平精確稱量0.4g樣品，移于頂空瓶（10mL）中，加蓋密封后待檢。電子鼻對莪術樣品氣味特征采集分為頂空動態平衡、自動進樣和信號采集3個流程。以檢測器響應值為評價指標，通過預實驗確定樣品適宜的檢測參數。以高純空氣為載氣，流速150mL/min；頂空時間1 200s，孵化溫度80℃，樣品振蕩速度150r/min；注射體積2.0mL，注射速度2.0mL/s；數據采集時間200s，吹掃時間600s，進樣量數據采集間隔1s。

1.3.2 傳感器信號分析 以采集時間為橫坐標，電子鼻傳感器響應強度值為縱坐標，繪制電子鼻傳感器響應值變化曲線，每條曲線代表一個傳感器在200s內的響應值變化。采集每根傳感器的最大響應值，利用歸一法對數據進行特征提取，從電子鼻兩組共12根傳感器中篩選出適宜的傳感器。

1.4 統計學方法

應用Alpha Softv12軟件對電子鼻獲得數據進行多元統計學分析，采用主成分分析（principal component analysis，PCA）和辨別因子分析（discrimental factor analysis，DFA）［5－6］，建立蓬莪術、廣西莪術和溫郁金的氣味識別模式。每份樣品重復檢測3次。

2 結果

2.1 傳感器的選擇與優化

因傳感器LY2/LG響應值低（圖1），故去掉不用。將11根傳感器的響應值數據經過標準化處理，并通過軟件以“定性”方式自動篩選響應值。結果表明：莪術樣品對11根傳感器反應強度不同，綜合分析后最終確定LY2/Gh、LY2/G、LY2/AA的傳感器為本實驗最優化氣體傳感器陣列。

2.2 PCA分析結果

蓬莪術、廣西莪術和溫郁金的頂空氣試樣數據簇可相互分開，且各試驗數據相互間無重疊（圖2），表明在該電子鼻檢測條件下使用PCA能夠有效區分多基原莪術。

2.3 DFA分析結果

蓬莪術、廣西莪術和溫郁金的頂空氣試樣數據簇能相互分開，且各試驗數據沒有重疊（圖3），說明在該電子鼻檢測條件下使用DFA能夠實現多基原莪術的有效區分。

圖1 傳感器陣列對莪術樣品氣味的響應譜

圖2 多基原莪術的PCA識別模式圖

圖3 多基原莪術的DFA識別模式圖

3 討論

金屬氧化物傳感器陣列是電子鼻識別氣味的關鍵因素。如何選擇傳感器陣列，以剔除冗余信息，同時保證所獲取信息的完整性、有效性和可靠性是傳感器陣列優化需考慮的首要問題。因此，筆者對金屬氧化物傳感器進行了優化，確定了最佳傳感器陣列。

PCA是一種包含了向量分析和相關矩陣的分類技術，目的是區分不同的樣品，一般作為DFA模型的預備分析。通過PCA可以刪除過于離散的離群點，有利于傳感器的優化。DFA是一種通過重新組合傳感器數據來優化區分性的分類技術，能使組間重心距離最大的同時保證組內差異最小［9］。

本研究在利用電子鼻對不同基原莪術的整體氣味特征提取和分析基礎上，通過PCA和DFA實現了多基原莪術的快速鑒定。但本研究所采集樣品的范圍有限、樣品量偏少和試驗結果代表性較局限，以后還需擴大樣本量和進一步優化模型。電子鼻鑒定技術是中藥鑒定的一種新技術，未來將在中藥材和中成藥氣味特征的標準化研究及其快速鑒定方面發揮重要的作用。

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