（测试计量技术及仪器专业论文）岭南中草药分类鉴别的机器嗅觉实现方法研究.pdf

撼要 摘要 岭南地区中草药资源品种多，分布广，产量大，有不少质量上乘的道地药材及 中成药，素有“广药”之称。但由于药材种类繁多，来源复杂，不但贵重稀有药材 的伪劣品屡屡发现，一些常用普通中草药都会有混淆品出现。因此，中草药质量的 可控性研究一直是中医药界关注的热门课题。在对中草药分类鉴别和质量控制方面 的国内外现状和发展趋势详细了解和分析的基础上，本文探讨利用机器嗅觉技术， 通过气味综合信息来建立一种鉴别、评价中草药类别和品质等级的新方法。 本课题主要研究思路是：选择典型的中草药作为研究对象，利用机器嗅觉技术 来获取不同品种、产地和生产日期的中草药挥发性组分的气味指纹图谱和传感器稳 态响应极坐标图谱；对传感器响应信号进行多项式拟合，将所得的拟合系数加上响 应信号的若干个统计参量构成原始特征参数向量，完成特征生成；然后利用主成分 分析法，找出最能代表整体信息的特征参数，实现数据降维和特征提取；最后通过 线性判别分析法，实现对岭南中草药品种、产地和生产日期的分类鉴别。 根据研究目标筛选出6 种典型的中草药材作为本课题的研究对象，分三个阶段 开展试验研究，结论如下： ( 1 ) 首先通过基于统计学的方差分析方法，研究了不同顶空空间、不同顶空生 成时间和不同进气流量等影响机器嗅觉系统( 俗称“电子鼻”) 传感器响应特性的 因素。通过对响应信号的相对标准差的分析，确定了获得较佳信号的试验条件和试 验参数。研究表明，在中草药样品质量一定( 1 5 9 ) 、采样时间为6 0 s 的条件下，较 大容积的顶空空间( 5 0 0 m 1 ) 有利于保持信号的稳定，3 0 6 0 m i n 的静置时间可形成足 够浓度的、稳定的顶空气体；中速的进气流量( 2 0 0 m l m i n ) 即可保证采样信号的稳 定性，也可使得样品气体与传感器阵列充分接触反应。 ( 2 ) 对不同品种、产地、生产日期的中草药样品进行图谱构建，从直观上分析 了中草药气味指纹图谱与药材品种、产地及生产日期的关系。根据响应曲线的趋势 和变化情况，分别选择各个传感器的3 个统计参数( 即最大响应值、平均值、标准 差) ，以及对响应数据进行4 阶多项式拟合得到的5 个拟合参数，合共8 个特征子 集来组成原始特征参数向量。利用主成分分析方法和主元载荷分析方法，实现了对 广东工业大学工学硕士学位论文 原始特征参数向量的降维。采用前五个主成分的得分值作为新的特征参数，使特征 参数向量由8 0 维降至5 维，并且可以保留原始特征参数向量绝大部分( 9 5 以上) 的信息。 ( 3 ) 利用p c a 分析得到的降维后的特征参数，通过距离判别、相关性分析以 及线性判别分析等方法，实现了对中草药样品的分类鉴别。欧氏距离法判别效果最 好，其次是马氏距离法，相关性分析法判别性能不稳定。p c a 方法可以从高维空间 中找出数据分布的主轴方向，但对分类起重要作用的主成分的方差贡献率较低时， 会被忽略而导致分类效果不好；l d a 方法一般不能应用于少样本、高维数的分类问 题，但通过p c a 方法将维数降低，就可以利用l d a 实现准确的数据分类。 关键字：中草药质量；机器嗅觉；电子鼻；方差分析；主成分分析；线性判别分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh e r b a lr e s o u r c e si nl i n g n a na r e ah a v ed i v e r s ev a r i e t i e s ，w i d ed i s t r i b u t i o na n d g r e a tp r o d u c e t h e r ea r em a n yh i g hq u a l i t yc h i n e s eh e r b sa n dd r u g si nt h i sa r e a b u td u e t ot h ec o m p l i c a t e ds o u r c e sv a r i e t y , m o r ea n dm o r ec o u n t e r f e i ta n ds h o d d yp r o d u c t so ft h e p r e c i o u s r a r em e d i c i n a lh e r b s ，e v e ns o m ec o m m o n l yu s e dc h i n e s eh e r b a lm e d i c i n e ( c h m ) ，a p p e a ri nt h em a r k e t t h e r e f o r e ，t h eq u a l i t yc o n t r o lo fc h m i nm e d i c a lr e s e a r c h h a sb e e nah o tt o p i c b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ed e v e l o p m e n tt r e n df o rt h e i d e n t i f y , c l a s s i f i c a t i o na n dq u a l i t yc o n t r o lr e s e a r c ho fc h m a th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e r p r o p o s e dam a c h i n eo l f a c t o r yb a s e da p p r o a c ht oi d e n t i f ya n da s s e s st h eq u a l i t yo fc h m u s i n gt h ec o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o no ft h eh e r b a lv o l a t i l ec o m p o n e n t s w es e l e c ts e v e r a lt y p i c a lc h m sa st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n du s et h ee l e c t r o n i cn o s e ( e - n o s e ) t e c h n o l o g yt od r a wt h eo d o rf m g e r p r i n t sa n dt h es t e a d y - s t a l er e s p o n s ep o l a r m a p so ft h eh e r b a lv o l a t i l ec o m p o n e n t so ft h ec h m sw i t hd i f f e r e n tv a r i e t i e s ，g r o w i n g a r e a s ，o rp r o d u c t i o nd a t e s t h e nw eu s ep o l y n o m i a lc u r v ef i t t i n gm e t h o dt of i t t h e r e s p o n s es i g n a lo fs e n s o r s t h ep o l y n o m i a lc o e f f i c i e n t sa n ds e v e r a ls t a t i s t i c a lp a r a m e t e r s o fr e s p o n s es i g n a la r ec h o s et oc o m p o s et h eo r i g i n a lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r st oc o m p l e t e f e a t u r e sg e n e r a t i o n t h ep r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) i st h e nu s e dt of i n do u tt h e b e s tc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s t o r e p r e s e n t t h ew h o l ei n f o r m a t i o n ，s ot h ed a t a d i m e n s i o n a l i t yc a r lb er e d u c e da n df e a t u r e se x t r a c t i o ni sc o m p l e t e d f i n a ll y , t h el i n e a r d i s c r i m i n a n ta n a l y s i s ( l d a ) m e t h o di sa p p l i e dt oi m p l e m e n tt h ec l a s s i f i c a t i o no fl i n g n a n h e r b a lm e d i c i n e a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ht a r g e t ，w es e l e c ts i xt y p i c a lc h m s i nl i n g n a na r e aa st h e r e s e a r c ho b j e c t t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yh a st h r e ep h a s e sa sf o l l o w s ： ( 1 ) f i r s t l y , w eu s et h ev a r i a n c ea n a l y s i sm e t h o dt os t u d yt h ei n f l u e n c ef a c t o r so f e l e c t r o n i cn o s er e s p o n s e s ，w h i c ha r et h eh e a d s p a c ev o l u m e ，t h eh e a d s p a c eg e n e r a t i o nt i m e a n dt h ei n l e tf l o wr a t e t h r o u g ha n a l y z i n gt h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o no ft h er e s p o n s e s i g n a l ，w ed e t e r m i n et h eo p t i m a lt e s tc o n d i t i o n sa n dp a r a m e t e r s s u p p o s et h ew e i g h t so f 广东工业大学工学硕士学位论文 a l lc h m s a m p l e sa r et h es a m e ( 15 9 ) ，t h es a m p l i n gt i m ei ss e tt o6 0 s ，r e s e a r c hr e s u l t ss h o w t h a tl a r g eh e a d s p a c ev o l u m e ( 5 0 0 m 1 ) h e l p sm a i n t a i nt h es t a b i l i t yo ft h es i g n a l ，ap e r i o do f 3 0 - 6 0 m i ni se n o u g ht og e n e r a t es t a b l ec o n c e n t r a t i o nh e a d s p a c eo d o r , l o wi n t a k ea i rf l o w s p e e d ( 2 0 0 m l m i n ) c a ng u a r a n t e et h es t a b i l i t yo fs a m p l i n gs i g n a l ，a n da s s u r et h es a m p l e g a sf u l l yc o n t a c ta n dr e a c tw i t ht h es e n s o ra r r a y ( 2 ) s e c o n d l y , w ed r a wt w ok i n d so fs p e c t r u m sf o rt h ec h ms a m p l e so fd i f f e r e n t v a r i e t i e s ，p r o d u c t i o nd a t e ，a n dg r o w i n ga r e a i n t u i t i v e l y , w ea n a l y z et h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h eo d o rf i n g e r p r i n t sa n dt h ev a r i e t y , g r o w i n ga r e aa n dp r o d u c t i o nd a t eo ft h e c h ms a m p l e s a c c o r d i n gt ot h et r e n da n dt h ec h a n g e so fe a c hs e n s o r sr e s p o n s ed a t a ，w e c h o o s e3s t a t i s t i c a lp a r a m e t e r s ( m a x i m u mr e s p o n s e ，m e a n ，s t a n d a r dd e v i a t i o n ) ，a n dt h e5 c o e f f i c i e n t so ft h ef o u ro r d e rp o l y n o m i a le q u a t i o nw h i c hf i t st h es e n s o rr e s p o n s ed a t a ，t o r e p r e s e n te a c hs e n s o r h e n c ew eg e t8s u b s e t so ff e a t u r e st oc o n s t r u c tt h eo r i g i n a lf e a t u r e v e c t o ro ft h es a m p l e u s i n gt h ep c am e t h o d ，w ec h o o s et h ef i r s t5m a i nc o m p o n e n ts c o r e s a st h en e wc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，s ot h a tt h ed i m e n s i o no ft h ef e a t u r ev e c t o rc a nb e r e d u c e df r o m8 0t o5 m e a n w h i l e ，m o s to ft h ei n f o r m a t i o no ft h eo r i g i n a lf e a t u r ev e c t o r a r er e s e r v e d ( 3 ) u s i n gt h en e wc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sf r o mp c am e t h o d ，w ei m p l e m e n t e dt h e c l a s s i f i c a t i o no fa l lc h m s a m p l e sb yu t i l i z i n gd i s t a n c ed i s c r i m i n a t i o n ，c o r r e l a t i o na n a l y s i s a n dl i n e a rd i s c r i m i n a n ta n a l y s i sm e t h o d ，r e s p e c t i v e l y p c am e t h o dc a nf i n dt h em a i na x i s o ft h ed a t ai nah i g h e r - d i m e n s i o n a ls p a c e ，b u ti ft h ep r i n c i p a lc o m p o n e n tw h i c hp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h ec l a s s i f i c a t i o nh a v el o w e rv a r i a n c ec o n t r i b u t i o n ，i tm a yb ei g n o r e da n d t h ec l a s s i f i c a t i o nr e s u l ti sb a d l d am e t h o du s u a l l yc a n n o tb ea p p l i e dt ot h e s m a l l s a m p l e s ，h i g hd i m e n s i o n a l i t y c l a s s i f i c a t i o np r o b l e m h o w e v e r , r e c u r r i n gt op c a m e t h o d t or e d u c ed i m e n s i o n a l i t y , w ec a nr e a l i z ea c c u r a t ed a t ac l a s s i f i c a t i o nb yl d a k e y w o r d s ：q u a l i t yo fc h i n e s eh e r b a lm e d i c i n e ，m a c h i n eo l f a c t o r y , e l e c t r o n i cn o s e ， a n a l y s i so fv a r i a n c e ，p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ，l i n e a rd i s c r i m i n a n ta n a l y s i s i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签 力罕n 字 年 ，：pl li， 印砷 字签 者作文 论 第+ 章绪论 1 1 研究目的与意义 第一章绪论 岭南地处五岭以南，始名于唐贞观时，其所辖范围约当今之广东、海南及广 西大部和越南北部。由于岭南地兼山海，南部临海，海洋气候和内陆气候交汇， 气候炎热，属湿润地区；珠江水系河道纵横，水量丰富，适合多种动植物生长繁 育，因而中草药资源品种多，分布广，产量大，有不少质量上乘的道地药材及中 成药，素有“广药”之称。本地区药用植物资源有3 0 0 0 种以上，高良姜、益智、胡 椒、樟脑、广藿香、降香、芦荟、两面针、巴戟天、血竭、红豆蔻、广防己等为 本区有特色的野生药材，巴豆、骨碎补、崖姜、光亮密网蕨、大叶骨碎补等是本 区大宗的野生品种，本区种药材有6 0 种左右，种植面积几十万亩，年产量占华南 区的8 5 ，主要品种有砂仁、肉桂、广藿香，化橘红、山柰、佛手、葛根、何首 乌、郁金、草果、泽泻等。砂仁为本大宗地道药材，栽培历史悠久，年产量占全 国的8 0 ，特别是阳春砂仁，量大质优，行销全国，广藿香年产量占全国的9 0 以上，尤以石牌藿香，主茎矮，叶大而柔软，气清香，质量最佳。但由于药材种 类繁多，来源复杂，不但贵重稀有药材的伪劣品屡屡发现，一些常用普通中草药 都会有混淆品出现。因此，中草药质量的可控性研究是岭南中医药界关注的热门 课题。 在我国中医的理论实践过程中，大多医师将中草药的气味当作产地、品种和 质量鉴别的重要依据之一。药材的气味与所含成分、性质有关，每一种中草药都 有其自身特殊的气味，有的甚至还具有很浓的刺激味。如鱼腥草具鱼腥气，白鲜 皮具羊膻气，香加皮与地骨皮外形相似，香加皮具有浓厚的香气可与地骨皮区别。 在国内，有学者对1 6 个科4 0 多种辛温类药材的特异性成分进行系统分析，而得知 该类中药的药性及其临床作用与其所含芳香性气味成分有关，且各种化学成分的 气味主要决定于其结构和碳链长度【l 】。传统上使用眼看、手摸、鼻闻、口尝、水 试、火试等简便易行的方法，观察中草药的形状、大小、气味、质地、颜色变化 等以判断中草药的真伪优劣【2 】。感官检验可以为药材鉴别提供直接、可靠、便利 广东工业大学工学硕士学位论文 的信息，与理化检验具有相同甚至更高的重要性。就药材质量而言，任何理化分 析结果目前仍要感官分析结果来支持和认可。然而，基于人体感官的经验鉴别法 不可避免地要受到生理、经验、情绪、环境等因素影响，其主观性强，重复性差， 准确度低，难以形成标准。况且，任何气味对人的健康的影响都是相对的，长期 嗅闻某种看似无害的物品仍有可能对健康产生不良影响。更何况对事先无法确定 是否有毒有害的物品是绝对不能贸然用感官来评定的。正因为如此，使用仪器来 代替人对草药的香气、味道、类型与强弱等特征进行客观公正的评价和量化描述， 有着迫切的现实需求和重要的应用价值。 长期以来，人们一直期望通过测量化学组成来确定气味物质的质量，气相色 谱、色质联用等分析方法因而得到了较为广泛的应用。但是，气味物质化学组成 繁多，影响感官感受的成分大多属于微量、痕量乃至超痕量级；某些化合物不稳 定、瞬息即变，难以有效地提取、浓缩和分离；有些化合物的结构类似而产生的 香气差异却很大；有些成分单独存在时有气味，与其他成分共同存在时又无气味； 有些成分单独存在时无气味，与其他成分共同存在时又有气味；有些成分浓缩时 气味并不强，冲淡后明显变强；有些成分浓缩时气味似乎很强，冲淡后明显减弱， 等等。凡此种种现象说明，尽管随着分析仪器的日趋灵敏，人们从气味中发现了 愈来愈多的化学成分，但从定性角度出发，那些对气味产生特殊影响的因子还很 少被人们理解和掌握，因此，成分分析方法的作用是很有限的，是典型的“分离的 巨人、定性的矮子”。 近年来，嗅觉传导机理的研究成为人们的研究热点并取得重大进展，发现了 气味受体和嗅觉系统的结构组成，阐明了嗅觉系统的工作原理。随着材料科学和 电子信息技术的发展，国际上机器嗅觉系统( 俗称“电子鼻”) 的开发研制获得快 速发展并进入实用阶段。机器嗅觉技术的长处在于能快速准确地对气味进行定性 分析。该技术模拟了哺乳动物的嗅觉机理，并克服了单个传感器的缺点，具有如 下优点： ( 1 ) 既能检测特定的气体，又能评价混合气体或挥发性化学成分； ( 2 ) 在线检测速度快、灵敏度高、不会发生嗅觉疲劳、可以给出客观的检 测结果； ( 3 ) 简便、快捷，待测样品无需经过繁琐的分离提取过程就可以直接测试， 费用少； 2 第一章绪论 ( 4 ) 对待测样品的状态无特殊要求，在大多数情况下，对样品的测定可以 做到不失原本性，无损性，获取的是样品挥发性成分的整体信息。 凭借上述优势，机器嗅觉技术逐渐发展成为食品、饮料以及农产品加工领域 中实现过程控制和产品检测的一项高新技术。随着对新的敏感材料和敏感机理的 不断深入研究，电子鼻技术日趋完善，也让我们看到了一种通过气味综合信息来 鉴别、评价中草药类别和品质等级的新方法。而且通过与计算机联用，可以提供 强大的分析识别能力，能在几分钟内客观地扫描中草药样本，对中草药挥发性组 分的整体信息特征进行分析判别。 因此，我们拟从中草药综合效应出发，选择气味特性显著的岭南地区中草药 作为切入点，通过电子鼻技术来获取不同品种、产地和生产日期的岭南中草药挥 发性组分的“气味指纹图谱”，并通过不同的方法来进行特征提取，从中找出最能 代表整体信息的特征参数，结合统计模式识别方法，实现对岭南中草药品种、产 地和生产日期的分类鉴别。 1 2 中草药分类鉴别的研究现状 我国中药材的基础研究起步较晚，从上世纪5 0 年代到8 0 年代初期，我国的 生药研究大多集中于中药的本草考证及药材的鉴定研究，以原状植物的性状、显 微结构和理化分析方法作为各类中草药鉴别的主要手段【2 】。 中药的药性，大多不是某一种或几种化学成份所体现的，而是由多种化学成 份综合起作用的效果。因此，中药指纹图谱的研究就应运而生。以日本为主的发 达国家，在植物药指纹图谱方面进行了较深入的研究。我国在中药指纹图谱的研 究起步于上世纪六十年代，与发达国家相比。其研究速度和成效还有一定的差距 f 3 l 。 1 2 1 传统中草药分类识别及品质评定的研究 中药传统经验鉴别法，是利用人们的视觉、嗅觉、触觉等感觉器官以及通过 使用水火等简便易得的工具进行鉴别。其鉴定方法主要有传统的眼看、手摸、鼻 闻、口尝、水试和火试等。最早的神农本草经至清朝的植物名实图考长编， 每一部本草均有大量关于中药鉴别的记载。这种鉴别技术研究特点是以人的经验 广东工业大学工学硕士学位论文 为主，即以药材的形状、大小、颜色、气味、表面特征、质地、断面等判断药材 的真伪，对部分药材还辅以简单的理化试验如火烧试验、沉水试验、荧光鉴别等 多种方法【4 1 显微镜的发明和生药解剖图谱的获得使中药的显微鉴定逐步成为中药鉴别的 重要手段。瑞典博物学家林奈( c a r ll i n n a e n u s ) 的植物科学命名法( u p 林奈双名法) 的完成及在此基础上促进的一系列药用植物专著的出版，使得中药的基原鉴别和 性状鉴别有了长足的进步。1 8 0 6 年德国学者s e r t u n e r 从阿片中提出了吗啡碱，揭 开了生药有效成分研究的序幕，利用生药中所含化学成份的某些理化性质进行鉴 别也是在这个时期发展起来的1 5 】。至本世纪5 0 年代，中药鉴别研究中较为全面的 “四大鉴别法”已确立起来 6 】，并为1 9 5 5 年药典所采用。 ( 1 ) 基原鉴定即中药的原植( 动) 物鉴定，是应用生物分类学鉴定中药的生 物学来源，确定其正确的学名，这是中药鉴定工作的基础。如中药百部的植物来 源有3 种【_ 7 】：直立百部( s t e m o n as e s s i l i f o l i a ) 、蔓生百部( s j a p o n i c a ) 及对叶百部 ( s t u b e r o s e ) ，三者的根加工后都可作为生药百部应用，但某些地区有以百合科植 物石刁柏( a s p a r a g u so f f i c i n a l i sl v a r a l t i l i s l ) 的根( 外形相似) 误作百部入药，这就 难免在临床应用上发生差误。 ( 2 ) 性状鉴定性状鉴定就是应用看、摸、闻、尝等方法。对中药的性状， 包括形状、大小、色泽、表面、质地、断面、气味等特征进行观察，作为鉴别的 依据，它是我国中医药工作者长期的丰富经验的总结，具有简单、快速、直观的 特点，性状鉴别主要是观察完整的药材及饮片。 ( 3 ) 显微鉴定生药的显微鉴定主要是利用显微观察植( 动) 物生药内部的细 胞、组织结构及细胞内含物，描述显微特征，制定显微鉴别的依据以鉴定真品、 类似品或代用品的一种方法。通常应用于单凭性状不易识别的生药，性状相似不 易区别的多来源生药、破碎生药、粉末生药，以及用粉末生药制成的丸散片丹等 中药成分制剂的鉴定。显微鉴定是一种专门技术，需要有植物解剖、植物显微化 学的基本知识和显微切片的制作技术，显微鉴定也是鉴定中成药丸散片丹和制定 品质标准的科学方法之一，对保证中成药的质量，有一定的科学意义和应用价值。 ( 4 ) 理化鉴定即利用中药所含化学成分的某些物理性质或化学反应对中药 进行定性和定量分析，一般应用于含不同化学成分、性状相似而又无明显显微鉴 定特征的药材。 4 第一章绪论 1 2 2 新技术、新方法在中草药分类鉴别中的应用研究 为了确保中药质量，2 0 世纪末，我国政府提出了中药现代化这一号召。国家 药品监督管理局为定量、全面地描述和控制中药质量，提出用建立于对中药成分 的系统测试、分析结果上的标准指纹图谱来评价中药材、中成药的质量标准。目 前，中药指纹图谱已经应用到药材和中成药的质量控制与评价体系中，反映到多 个药典和文件中。上世纪8 0 年代，日本汉方药主要生产企业已在企业内部采用 h p l c 指纹图谱来控制与评价产品质量。在德国，著名的银杏叶提取物制剂生产 厂s c h w a b e 在生产银杏叶标准提取物e g b 7 6 1 时，采用指纹图谱整体控制技术【s j 。 中国药典1 9 9 0 版开始，中药材及中成药的鉴别增加了对照药材的薄层色谱指纹图 谱，以补充或取代过去依靠单一化学对照品鉴别的方法，可以准确地鉴别药材的 真伪。世界卫生组织( w h o ) 在1 9 9 6 年草药评价指导原则中也有规定，“如果 不能鉴别有效成分，则鉴别一种或几种特征成分( 如色谱指纹图谱) 以保证制剂 和产品质量的一致”。欧共体在中药材质量指南中指出，“草药的质量稳定性单凭 测定已知有效成分是不够的，因为中草药及其制剂是以其整体作为有效物质的。 因此，应该通过色谱指纹图谱显示其所含各种成分在草药及制剂中是稳定的”【9 】。 英国草药典、印度草药典以及加拿大药用及芳香植物学会、德国药用植物学会也 把指纹图谱作为质量控制标准内容之一。 目前，国内外研究中药材指纹图谱的主要技术包括薄层色谱( t l c ) 指纹图 谱、高效液相色谱( h p l c ) 指纹图谱、气相色谱( g c ) 指纹图谱、电泳法( c e ) 指 纹图谱、高效毛细管电泳色谱( h p c e ) 指纹图谱、红外光谱( i r ) 指纹图谱、紫外分 光光度( u v ) 指纹图谱、核磁共振( n m r ) 指纹图谱、质谱( m s ) 指纹图谱等，联用 技术最常用的是液质联用( l c m s ) 和气质联用( g c m s ) i l o 朋】。 薄层色谱法( t l c ) 具有快速、经济、可靠、操作简单、适应范围广、重现 性较好等优点，为国内外学者广泛接受和使用。但薄层色谱法( t l c ) 受外界影 响因素较多，带来误差较大，使得实验难度大，分离能力不高，提供信息有限， 难以反应中草药药材综合化学成分效应。 高效液相色谱法( h p l c ) 具有分离效能高、分析速度快等优点，已广为普 及并用于中药材的鉴别与定量分析。 气相色谱法( g c ) 以气体为流动相，具有分离效能高、灵敏度高、用量少、 广东工业大学工学硕士学位论文 分析速度快等优点，对于一些具有挥发性成分的中药材的鉴别，g c 能发挥独特 的作用，但气相色谱法分析成本过高。 高效毛细管电泳色谱法( h p c e ) 在样品分析中具有灵敏度高、柱效高、分 析速度快，进样量少等优点，可对动、植物类药中多类成分进行分离分析，但具 有重现性差问题；另外，所有的色谱法都具有一个共同的缺点，即需要较长的样 品前处理时间f 1 2 2 h 】。 质谱法( m s ) 以灵敏、精确为特征，根据不同的质荷比来选择不同的离子或 分子，但其操作过于专业且设备价格比较贵，难以在中医师中推广。 红外光谱法( i r ) 是对整个化合物分子的鉴别，比单纯的发能团的化学定性 鉴别专一性更强。中药材的红外光谱是混合物中各组分红外光谱的叠加，中药材 中各种化学成分只要在质和量的方面相对稳定，并且样品处理方法按统一要求进 行，则其红外光谱也应该是相对稳定的。 紫外分光光度( u v ) 法是利用不同中草药中所含成分的分子或离子对紫外和 可见光谱区辐射的选择性吸收，导致其紫外吸收曲线的不同而达到鉴别的目的。 它具有灵敏、简便、准确的优点，通过分析指纹图谱的峰值、峰形及强度，可得 到样品的化学信息，因此既可作定性分析，又可作定量检测。但是，u v 指纹图 谱专属性较差，只适合于成分简单的中草药的分析，要全面评价中草药的内在质 量，还必须结合i r 、h p l c 、m s 等其他指纹技术。 核磁共振法( n m r ) 图谱专属性较强，具有单一性、全面性、定量性、易辨性 的特点1 1 0 , 1 5 】。在n m r 波谱仪上测定中药材的n m r 指纹图，对特征总提取物进一 步分离，得到单体化合物后，通过结构鉴定和n m r 研究，可以对指纹图中的各 特征谱线进行归属。结果表明，所研究的各种植物药的n m r 指纹图均具有高度 的特征性和重现性。但是，波谱法不但仪器造价昂贵，而且数据挖掘工作有待发 展，目前难以推广应用，研究较少1 6 】。 由上可知，上述技术虽已在中药材指纹图谱研究中获得了一定应用。但是， 各种方法不仅具有其本身的局限性，而且更重要的是它们都在不同程度上脱离了 我国中医的理论基础和实践方法。 6 第一章绪论 1 3 机器嗅觉技术的研究进展及其在产品分类鉴别的应用 1 3 1 机器嗅觉技术的研究概况 近年来，嗅觉传导机理的研究成为人们的研究热点并取得重大进展，发现了 气味受体和嗅觉系统的结构组成，阐明了嗅觉系统的工作原理。1 9 8 2 年，英国 w a r w i c k 大学的p e r s a u d 和d o d d 模仿哺乳动物嗅觉系统的结构和机理提出了 s e n s o ra r r a yt e c h n o l o g y ，即阵列传感器技术的概念，在这之后，机器嗅觉系统( 俗 称“电子鼻”) 的研究出现了较快的发展。由于气味的特征与化合物的组合及浓度 有着既复杂又非线性的密切关系，故采用阵列传感器系统来模拟表征人类嗅觉更 为合理，这一概念的提出为机器嗅觉奠定了可实现的技术基础。 随着材料科学和电子信息技术的发展，国际上机器嗅觉系统的开发研制获得 快速发展并进入实用阶段，如英国a r o m a s c a n 公司的数字气味分析系统、英国 n e o t r o n i c ss c i e n t i f i cl t d 公司的n o s e 系统和美国c y r a n os c i e n c e s 公司的 c y r a n o s e3 2 0 便携式电子鼻和法国a l p h am o s 公司的f o x4 0 0 0 系统已相继投 放市场；国内机器嗅觉研究始于上世纪末，目前大多数研究还处于实验室阶段， 并且进行的是不相关的独立研究，主要研究单位有复旦大学、中国科学技术大学、 浙江大学、东南大学、广东工业大学等。 1 3 2 机器嗅觉技术在在产品分类鉴别的应用 机器嗅觉系统是一种化学分析仪器，它由一个具有交叉选择性的气敏传感器 阵列和一个合适的模式识别系统组成，能够识别单一或复合成分的气味、气体并 进行鉴别分析。它既具备常规仪器分析的客观性强、重现性好、不易疲劳的特点， 又能像人类鼻子那样获得样品中气味的整体信息，而且操作简单，鉴别迅速，目 前主要在烟草质量检测【1 9 。、饮料质量评定与品种判另0 2 2 五钔、肉类新鲜度鉴另0 2 5 侧、 乳酪和牛奶质量控制【2 9 3 们、茶叶质量检测与等级分类【，l t 3 2 l 等方面获得较好的应用。 浙江大学的王俊课题组】以机器嗅觉技术作为检测手段，对同类不同等级的 茶叶、茶水和茶底挥发性成分进行检测，并对采集到的数据进行分析。实验表明 这种方法对茶叶品质等级的判别及测试结果相对都比较好。2 0 0 5 年，澳大利亚葡 萄酒研究所( a w r i ) 的d a n i e lc o z z o l i n o 将机器嗅觉系统用于两种不同品牌的澳 广东工业大学工学硕士学位论文 大利亚白葡萄酒的鉴别【，l 。蒙牛公司研发中心的郭奇慧等【3 4 】应用机器嗅觉技术测 定酸奶的货架期，旨在寻求一种快速有效的方法以实现对酸奶的质量控制。将酸 奶在4 。c 条件下储存，分不同的储存时间对其进行测定，结果表明，电子鼻可以 准确地区分不同货架期的酸奶。 1 4 本文的主要研究内容 1 4 1 研究目标 本课题选择典型的岭南中草药材作为研究对象，利用机器嗅觉系统装置，采 集中草药完整的气味信息，然后运用信号处理和统计模式识别技术，分析药材气 味特征数据，探索利用机器嗅觉技术对岭南地区中草药的品种、产地、生产日期 等进行快速分类鉴别的实现方法。 1 4 2 研究内容 围绕上述目标，开展以下几个方面的研究： ( 1 ) 分析利用机器嗅觉系统对中草药检测时的影响因素。分析顶空容积、 顶空生成时间、进气流量等因素对机器嗅觉系统响应信号的影响，确 定较佳的实验、分析条件和方法。 ( 2 ) 中草药的气味指纹图谱构建和信号特征生成。对不同类型的岭南典型 中草药利用机器嗅觉系统进行检测，探讨实现中草药品种、产地和生 产日期分类的最合适的方式。经标准化预处理处理后，得到传感器对 样本的响应值随时间变化的信号数据，对传感器阵列的响应信号完成 特征生成，获取原始的高维特征参数。 ( 3 ) 高维特征参数的降维和优化组合。运用主成分分析和主元载荷分析方 法，对生成的原始特征参数进行数据降维和特征提取，并分析传感器 信号特征值在主成分分析中的作用。 ( 4 ) 基于线性判别技术的中草药模式识别和分类。通过f i s h e r 线性判别的 模式识别方法，对不同品种、产地和生产日期的中草药，进行分类判 别。 ( 5 ) 中草药分类鉴别的机器嗅觉实现方法。分析药材的挥发性组分与品种、 8 第。章绪论 产地和生产日期的关系，建立药材挥发性组分与电子鼻响应的相关模 型。探讨机器嗅觉系统各传感器信号响应值与药材气味特征( 或主要 成分) 的相关性，主要挥发性组分对传感器信号响应值影响的显著性。 提出利用机器嗅觉系统对中草药品质进行评价时的传感器检测参数优 化、特征值提取及模式识别方法，为开发较高精度中草药分类鉴别的 机器嗅觉系统设备提供科学依据，同时为其他如农产品和食品的机器 嗅觉系统检测研究提供借鉴经验。 9 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章中草药的机器嗅觉检测和数据处理方法 本章主要介绍岭南典型中草药种类的选择、测试样品的采样、试验观察测定 内容以及实验安排方案，概述中草药挥发性组分的机器嗅觉检测方法，并阐述样 品数据的特征提取及模式识别方法。 2 1 研究对象与试验方案 2 1 1 研究对象 根据前期预研调查、咨询中医药专家的结果，结合本课题研究目标和研究内 容的需要，确定以下三点作为中草药的选取原则： ( 1 ) 选取岭南地区常见、基本上能代表本科的典型中草药。 ( 2 ) 选取的中草药应该有气味特性显著的、也有气味特性微弱的，以便对 比分析。 ( 3 ) 选取的药材在现代指纹图谱研究中较为常见，便于与所建立的气味指 纹图谱与其进行比较。 按照上述中草药选取原则，筛选出岭南地区中6 种典型的中草药材作为本课题 的研究对象( 如表2 1 所示) ，为了进行产地、生产日期方面的对比分析，把其它 地区、不同生产日期的同类药材也列入研究对象中。这些中草药的气味与其自身 品质有一定的关联性，可通过采集其气味信息以分析测试样品的类别和质量。 在气味信息采集过程中，将按照供试样品的品种来源、产地等因素分类采样， 并且注重样品的代表性和均一性。选取的药材中有道地药材，也有不同产地的同 种药材，这样不仅可以对岭南地区的道地药材进行研究，同时也可以对本区不同 产地同种药材进行研究。供试样品应保证其真实性，应有完整采样原始记录。 2 1 2 试验方案 试验分三个阶段进行： 第一阶段，选取气味特征显著的一种中草药样品( 广东阳春产的砂仁) 进行 1 0 第二章中草药的机器嗅觉检测和数据处理方法 试验，主要探讨各试验条件及参数对传感器响应的影响，以确定机器嗅觉检测的 最优试验条件； 第二阶段，分析机器嗅觉系统对不同种类中草药的检测结果，验证、选择合 适的数据处理方法和模式识别方法。 第三阶段，探讨不同种类、产地和生产日期的中草药样品之间阵列传感器响 应信号的变化，通过提取信号数据的特征值，分析机器嗅觉系统对不同种类、不 同产地和不同生产日期中草药的检测结果，探索利用机器嗅觉技术进行中草药分 类鉴别的实现方法。 利用机器嗅觉系统( 即电子鼻) 进行检测时，对每种样品，均分别采1 5 克， 放入容积为5 0 0m l 的烧杯中，再用双层食品保鲜膜覆盖密封烧杯口，静置一段时 间，直至形成稳定的项空气体后，再进行检测。 表2 16 种典型的中草药材 t a b l e2 - 1s i xk i n d so ft y p i c a lc h m sw i t hs i g n i f i c a n to d o rc h a r a c t e r i s t i c 序号科属药名气味特性产地生产日期 1 姜科砂仁气芳香，味辛凉、微苦广东 2 0 0 9 0 1 2 唇形科广藿香揉之有清淡的特异香气广东 2 0 0 9 一0 5 3 唇形科益母草有青草气，味甘微苦广西 2 0 0 8 0 9 4三白草科鱼腥草 气微香，味微苦 湖南2 0 0 8 1 2 河北