低場核磁共振及成像技術分析白芍炮制過程中水分變化規律

段文娟+李月+崔莉+劉峰+楊國紅+郭蘭萍+王曉

[摘要] 該文采用低場核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）及成像（nuclear magnetic resonance imaging，MRI）技術對白芍炮制過程中的水分狀態和含量進行研究，考察白芍藥材水煮、干燥過程中馳豫時間（transverse relaxation time，T₂）和MRI圖像的變化。結果顯示白芍鮮品中主要是自由水，煮制過程中，結合水的含量下降而自由水的含量增加，煮制過程結束時，白芍藥材中自由水的含量達到90%以上。干燥過程中，T₂向左移動，水分流動性降低。MRI圖像顯示白芍炮制過程中水分的增加和減少均是由外而內的過程，干燥結束時，剩余水主要存在于白芍內層。水分的變化對藥材炮制后的品質和外觀均有影響，低場核磁及成像技術為白芍藥材炮制過程中水分的變化提供了直觀的參考依據，研究結果為根類藥材的炮制方法的優化及飲片評價提供直觀的參考方法和技術支撐。

[關鍵詞] 白芍；炮制；低場核磁共振技術；馳豫時間

[Abstract] Moisture status and content during the processing of Paeoniae Radix Alba were studied by nuclear magnetic resonance （NMR） and nuclear magnetic resonance imaging （MRI） to investigate the changes of transverse relaxation time （T₂） and MRI images during boiling and drying processes of Paeoniae Radix Alba. The results showed that water in Paeoniae Radix Alba fresh products was major of free water，and in the boiling process，the content of free water increased whereas the content of bound water declined. At the end of boiling，content of free water reached over 90%. During the drying process，T₂ moved to the left，and moisture mobility was reduced. The MRI image directly showed that moisture transfer was outside-in process for both increase and decrease. At the end of drying，remaining moisture was mainly present in inner layer of Paeoniae Radix Alba. Quality and appearance were affected by the change of moisture during processing process of medicinal herbs. NMR and MRI could provide direct reference evidence for its moisture changes，and the results of this study could provide direct references and technical support for optimization of processing process of root medicinal materials and evaluation of Chinese herbal pieces.

[Key words] Paeoniae Radix Alba；processing process；nuclear magnetic resonance；transverse relaxation time

白芍是毛茛科植物芍藥Paeonia lactiflora Pall.的干燥根，苦、酸，微寒，歸肝、脾經，具有養血調經，斂陰止汗，柔肝止痛，平抑肝陽的作用[1]。白芍的炮制工藝較為復雜，夏、秋二季采挖，洗凈，除去頭尾和細根，置沸水中煮后除去外皮或去皮后再煮，然后干燥。炮制品質量的優劣直接關系到藥材臨床治療的效果，因此，近年來，人們越來越關注中藥炮制的過程控制。目前，關于白芍炮制過程的研究主要依據白芍中的指標性成分——芍藥苷的含量變化[2-5]，但是，對藥材炮制過程中水分的形態和含量變化未見報道，水分的變化對藥材炮制后的品質和外觀均有影響。水分按照與組織中底物的結合程度分為2種類型：束縛水和自由水，束縛水是被細胞中生物大分子吸附不能自由移動的水，自由水是存在于細胞外的間隙中能夠自由移動的水[6-7]。

低場核磁低場核磁共振（low-fieldnuclearmagnetic resonance，LF-NMR）是利用氫原子核在磁場中的自旋弛豫特性，通過弛豫時間的變化從微觀的角度解釋樣品中水分的分布變化和遷移情況，具有快速、準確、無損、無侵入等優點[8-11]。近年來，此技術已廣泛應用于觀測樣品干燥過程中水分的存在形式及變化[12-15]。本實驗采用低場核磁成像技術（nuclear magnetic resonance imaging，MRI）和弛豫時間（transverse relaxation time，T₂）研究白芍炮制過程中的水分傳遞過程，監測水分的含量及狀態變化，為深入研究白芍的炮制原理、優化和完善白芍炮制過程的質量評價方法提供更加直觀的技術方法和理論依據。

1 材料與方法

1.1 藥材、試劑與儀器 白芍藥材采自山東省平陰市，經山東省中醫藥大學李佳副教授鑒定為毛茛科植物芍藥P. lactiflora的干燥根；純水配制質量濃度為0.2 g·L^-1的硫酸銅溶液；MesoMR23-60中尺寸核磁共振成像分析儀，上海紐邁電子科技有限公司生產，共振頻率23.309 MHz，磁體強度0.55 T，線圈直徑25 mm，磁體溫度32 ℃；BAS124S 1/1萬天平，賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；HF881-2型紅外干燥箱，吳江華飛電熱設備有限公司。

1.2 白芍的炮制 采收3—5年生的白芍根，挖出后洗凈，去除頭尾和細根，除去外皮后將樣品切成3 cm的短段，置沸水中煮10 min，然后置于紅外干燥箱中，分別選擇40，50，60 ℃進行干燥試驗[16]，白芍炮制過程中隔一定時間取樣進行稱量、T₂測定、MNR成像，詳細情況見表1。

1.3 樣品橫向弛豫時間（T₂）的測定 實驗過程中，樣品降至室溫后稱量，然后放入永久磁場中心位置的直徑為25 mm的玻璃管中，利用硬脈沖自由感應衰減（free induction decay，FID）序列獲得樣品中心頻率，再利用CPMG（carr-purcell-meiboom-gill sequence）脈沖序列測樣品橫向弛豫時間（T₂），連續測量3 次，取平均值[15]。采用多脈沖回波序列 CPMG掃描采集核磁信號，通過調整MSE 序列中的選層梯度、相位編碼梯度和頻率編碼梯度，分別獲取樣品俯視、側視成像數據，然后利用sirt算法，迭代次數為10萬次進行反演得到T₂譜圖。T₂試驗主要參數：主頻 SF=20 MHz，偏移頻率O1=987 kHz，90度脈沖時間 P1=7.52 μs，180度脈沖時間P2=14 μs，累加采樣次數NS=16，回波時間TE=0.250 ms，回波個數NECH=5 000，信號接收帶寬SW=250 kHz。

1.4 低場核磁共振成像（MRI）試驗 本實驗中，采用多層自旋回波序列（multi-slice spin echo，MSE）采集樣品橫斷面的質子H質子密度圖像[14]，采用MRI成像軟件進行核磁共振成像試驗。MRI成像參數：選層層厚2.0 mm，層間隙1.5 mm，重復時間300 ms，回波時間20 ms，頻率編碼方向視野80 mm，相位編碼方向視野80 mm，采集次數16，頻率方向256，編碼步數192。

2 結果

2.1 白芍煮制過程中水分含量和狀態的變化 H質子的弛豫時間分布可以表明在白芍組織結構中存在多個水分群，橫向弛豫時間T₂可以表明水分的自由度，弛豫時間（T₂）越短說明水分與底物結合越緊密或自由度越小，在T₂譜上峰位置較靠左；反之弛豫時間（T₂）越長說明水分越自由，在T₂譜上峰位置較靠右[17]。水分按照與底物結合的狀態，主要分為2種，自由水和束縛水，T₂譜中的2個峰分別對應2種狀態的水：T₂₁（0～10 ms）對應的是束縛水， T₂₂（10～1 000 ms）對應的是自由水，峰積分面積分別代表2種狀態水的相對含量[18]。白芍煮制過程中，水分的狀態和變化見表1，2。白芍鮮品中所含的水分是束縛水和自由水，分別占總水分的22.72%，77.28%。煮制過程中，0～2 min，水分的含量和狀態變化較大，自由水的含量下降64.40%，束縛水的含量增加了27.41%，并且T₂向左移動，水分與底物的結合越來越緊密；2～8 min，隨著煮制時間的延長，自由水的含量增加，且T₂繼續向左移動；煮制過程結束時，水分組成中自由水達到93.29%。

2.2 白芍干燥過程中水分含量的變化 樣品的干燥過程中，橫向弛豫時間T₂的大小反映了不同狀態的水分分布與變化情況，T₂越小，水分自由度越小，表明水與所處環境中的大分子等的結合越緊密；T₂越大，表明水分自由度越大，越容易除去[19]。白芍50 ℃條件下干燥過程中不同時間的水分的狀態和變化見表3，表3中存在2種不同的峰，在0～10 ms流動性較差的T₂₁，以及在10～1 000 ms流動性較強的T₂₂。從表3可知，干燥過程中2種水分的變化具有一定的規律，隨著干燥時間的延長，水分峰向左移動，水分的流動性變差，峰面積逐漸變小，說明干燥過程中白芍內部水分的含量和分布都發生了變化。通過分別計算不同弛豫時間T₂對應的峰面積（A₂₁，A₂₂）可以定量計算出白芍藥材中束縛水和自由水的相對含量。干燥初始時，白芍煮制后的樣品中束縛水4.7%，自由水95.3%，0～1.5 h，隨著干燥時間的延長，自由水含量（A₂₂）逐漸下降，束縛水含量（A₂₁）逐漸上升，說明干燥的前期過程中，自由水向束縛水方向轉化，與大分子之間的結合變得更加緊密。干燥至2.5 h，束縛水消失，水分狀態全部轉化為自由水，可能是由于組織被破壞，束縛水在組織中受到的束縛作用力減小，導致束縛水向自由水轉變。2.5～9.5 h，水分的總量不斷下降，T₂向左移動，水分流動性變差，低熵、低序狀態的水向高能級、有序狀態的水移動。9.5 h后，隨著干燥時間的延長，T₂繼續向左移動，水分狀態大部分轉化為束縛水（A₂₁），少量為自由水（A₂₂），水分總量繼續下降且水分與組織間的結合變得更加緊密。

2.3 不同干燥溫度的干燥過程中水分含量與形態變化 干燥的溫度和干燥時間是藥材炮制方法的重要參數，對藥材的品質和外觀的形成均有影響，不同干燥溫度條件下，水分狀態變化相似，均向水分流動性變差的方向移動，橫向馳豫時間T₂逐漸縮短，見圖1。束縛水和自由水所占比例隨著干燥時間的變化而變化，干燥溫度越高，白芍藥材失水越快。

2.4 白芍炮制過程中的MRI圖像變化 利用MRI技術獲得的白芍炮制過程中1H質子密度圖像變化，見圖2，紅色代表的水分含量高，黃色代表水分含量低，綠色代表水分含量最少。MRI圖像表明，白芍煮制過程中前2 min，水分含量明顯增加，且外層增加的比內層明顯，2 ～10 min，水分含量增加不明顯，而是逐漸向內層聚集；干燥開始時，可能由于組織被破壞，水分向外層擴散，白芍的表層最先失水；干燥過程中，隨著干燥時間的延長，水分逐漸向內層聚集，水分是由外到內逐漸失去的過程，內部最后失水；干燥后期，水分集中于白芍的內層，由于水分含量太低，成像模糊。

3 討論

白芍鮮品中的水分狀態是束縛水和自由水2種，自由水所占比例較大，橫向弛豫時間T₂顯示在炮制的過程中，水分的含量和狀態均發生了明顯變化。首先，煮制過程中，束縛水的含量下降而自由水的含量增加明顯，煮制過程結束時，白芍藥材中自由水的含量達到90%以上。干燥過程中，水分的總量不斷下降，T₂向左移動，水分流動性降低，干燥后期，束縛水的相對含量（A₂₁）增加，而自由水的相對含量（A₂₂）下降，水分與組織間的結合變得更加緊密。干燥溫度不同時，水分的狀態變化相似，溫度越高，藥材失水越快。MRI圖像給出了更加直觀的炮制過程中水分變化規律，炮制過程中水分的增加和減少均是由外而內的過程，煮制的過程中，前2 min水分增加分布在表層，然后逐漸向內聚集，干燥過程中，表層最先失去水分，水分向內層聚集，內層最后失去水分，干燥結束時，剩余水主要存在于白芍內層。低場核磁共振及成像技術作為近年來新興的一種研究方法在水分測定研究中顯示出獨特的優越性，如：被測試的樣品無需處理而且用量極少，可實時獲得實驗數據，能夠從分子水平直觀的顯示被測試材料中水分的分布、流動性及遷移過程等。與差式掃描量熱法（DSC）、卡爾·費休法、動態熱機械分析（DMTA）、烘箱干燥等常規水分分析方法相比，研究結果更加直觀、數據更加準確、檢測更加快捷。此方法的建立為根類藥材炮制方法的優化提供了更為直觀的評價方法和技術支撐。

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[責任編輯 孔晶晶]