近红外光谱技术在医药领域中的应用

近红外光谱技术在医药领域中的应用

0近红外光谱技术的特点近红外光（nir）是一种用于将光材料（tis）和中红外（mir）之间的辐射波。美国材料测试协会（astr）将近红外光谱范围定义为780226nm。这是在吸收光谱光谱中发现的第一个非可见区域。近红外光谱区域对应于有机分子中氢铬（h、nh、ch）振动的总频率和各级倍频吸收频率。扫描样品的近红外光谱，我们可以获得样品中有机分子氢甲基的特征信息。此外，利用近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确、成本低、样品不破坏、消耗化学试剂、不污染环境等优点。因此，该技术越来越受到重视。近红外光谱技术的数字测量和分析过程的绿色化使其具有典型的时代特征。近红外光谱技术是先进的、最受重视的光谱分析技术。在许多领域（农业和食品等）的检测中，它被用作官方认证的检测技术，同时也被广泛应用于纺织、聚合物、药物、石油、生化和环境保护等领域。除了早期应用外，近年来还使用该技术来检测物质的纯度，解释物质结构，预测和评估生物的生理现象和变化以及监控身体形状的变化。本文主要介绍了近红外光谱技术的特点。近年来，该技术在制药分析中的应用已经开发。本文在医疗应用研究中的局限性和未来发展方向上提出了一些建议。以及，在医药领域应用的前景。1药物的定量分析和质量控制随着制药工业的发展和壮大,迫切需要建立药物分析与质量评估的科学体系,这需借助于先进的仪器和科学的分析技术相互印证、相互补充和完善,因此需要建立一种快速、高效、准确的新型检测技术.用近红外光谱法进行药物的非破坏分析,目前在国际上正成为热门课题.计算机软件的开发,多变量统计分类及光纤技术的发展,信噪比已达106的先进近红外光谱仪的出现,都促进了药品非破坏性、快速分析.近几年来,近光谱分析技术已被应用于原料药、药品包装材料、药物中光学异构体的测定以及药物的定性鉴别和定量分析等方面.近红外光谱技术应用于药物的鉴别和定性、定量的分析不仅具有快速、方便、准确、非侵入式分析、易于实现生产过程的在线控制等优点而且可以鉴定某些药物(如光学异构体、具有光学活性物质)的纯度,因此在药物的定性鉴定、定量分析、质量控制及在线检测等方面显示了巨大的作用.利用近红外光谱和多变量统计分类技术(系统聚类分析、逐步聚类分析、主成分分析和逐步判别等)可很好地对药材和成药进行定性判别和分类.刘国林等,利用了近红外光谱技术对不同产地和类别的42种中药蛇床子进行了类别分析,取得了满意的效果.汤彦丰等将近红外光谱和人工神经网络相结合对52种正品和非正品大黄进行了鉴别,正确率达96.15%.钟蕾等利用近红外光谱结合聚类分析方法对不同产地的血竭类中药进行了研究,近红外光谱法(NIRS)聚类分析的结果与经典的分类结果基本吻合.任瑞雪等研究了近红外一阶导数光谱进行芦丁粉末药品质量控制的可能性,用多变量统计分类技术从芦丁的近红外一阶导数光谱成功地鉴别出真药、劣药和假药,该技术为药物的质量控制提供了新的检测方法.近红外光谱在药物的定量分析及在线检测等方面也取得了一定的成果.人们根据近红外光谱同计算机科学和化学计量学相结合可对药物进行非破坏分析这一可能性,非侵入地测量了银杏叶片、黄连浸膏粉、青霉素钠等药品中活性成分的含量和分布.在对药物的定量分析方面,人们除了将近红外光谱与偏最小二乘法(PLS)、主成分分析(PCA)相结合对一些药如卡拉霉素胶囊、甲璜酸加替沙星、头孢氨苄胶囊等分析外,近几年又将近红外光谱技术与处理非线性体系的人工神经网络方法相结合,对许多固体药品如:扑热息痛片剂、美的康、甲氧苄胺嘧啶、阿斯匹林、璜胺甲基异唑等进行了定量分析,均取得了满意的预测结果.由于近红外光在固体中穿透较深以及容易采取漫反射技术等特点,使近红外光谱在线检测技术成功地应用于固体药剂各种物理化学性质(湿度、均一性、颗粒大小、硬度等)的定量表征和不同生产阶段的检测.目前大约有40多个国家和地区开展了NIR的研究和应用工作,特别是一些发达国家,他们早已将近红外光谱技术应用于农产品的检测中.近几年随着近红外漫反射技术的发展,该技术在药物的无损分析中已得到了广泛的应用.国外许多文献都证明了这一点.该技术己被广泛地应用于药物生产过程的在线检测如形成颗粒过程中水分的含量,药物的组成和硬度,药物粉末的混合程度等方面;同样利用该技术非破坏地测定了药品中某一种或几种活性成分及有效成分的含量;且利用近红外光谱结合化学计量学方法对不同产地不同种类的药材进行了鉴别,对药品的真假进行了认证,均取得了满意的结果.2近红外光谱法检测生物组织中的异物和图像近10年来,随着光导纤维及传感技术的发展,近红外光谱检测技术和计算机网络技术相结合的进一步深入,近红外光谱技术的非侵入式定性和定量分析成为可能.同时,由于生物体中不同的透明组织对近红外光具有不同的吸收和散射特性,因此近红外光对不同的软组织和变化的组织具有较强的区分能力.根据这种特性,可以利用近红外光谱法测量生物组织的某些光学参数从而得到组织的某些生理参数,或者建立某些生理参数和光谱数据的关系,从而可以检测出组织中的异物或生成二维的图像;也可监测皮肤组织受外界环境影响的变化;还可用于临床分析和血液某种成分的测定.近红外光谱法可以直接对活体组织进行无创检测,使过去无法开展的研究工作成为可能,极大地提高了分析检测效率,因此近几年近红外光谱技术在医学领域的许多方面得到了广泛的应用.2.1近红外光谱技术的应用随着近红外光谱技术在新应用领域的拓展,该技术在疾病预测和诊断等方面也引起了人们极大的兴趣.由于在近红外光谱中生物组织的血氧、血流量、血氧饱和度、血容量及脑氧合等参数会因组织的变化而发生相应的变化,因此人们通过近红外光谱对其进行无损、连续、实时地监测得到组织的变化情况,进而可以根据组织的变化来预测、诊断疾病.田丰华等通过近红外光谱法检测的皮肤血氧的变化来监测皮肤血氧的运输情况,因此近红外光谱技术为监测移植手术后的皮瓣成活状况提供了一种新的方法.韩素敏等根据Fich原理导出了监测组织血流的数学模型,建立了检测前臂缺血时血流变化的实验系统,结果表明用近红外光谱方法来监测缺血时血流的变化是可行的.黄海娟等利用近红外光谱对早产婴儿脑血流量及平均动脉压的变化水平进行了监测,了解了早产婴儿脑血流量自主调节功能,探讨了受损的脑血流量自主调节与脑损伤的关系.谢欲晓等应用了近红外光谱技术研究了中风后非流畅型失语症患者语言激活时左前额皮层血氧及血流动力学的变化,探讨了近红外光谱法检测认知激活状态大脑功能性变化的临床应用价值.黄继红等在不同的体外循环模式下,探讨了近红外光谱仪在脑氧合功能监测方面的价值,找出了在深低温停循环模式下,氧合血红蛋白最低点持续时间(HbO2-NT)与反映脑损伤的其他指标显著相关,结果表明HbO2-NT是预测深低温停循环安全时限的有效指标.崔惠英等利用近红外光谱仪对围产期缺氧的新生婴儿的脑氧合进行了监测,研究了围产窒息缺氧后心脏损害对脑氧合的影响,取得了满意的效果.陈卫国等研究了利用近红外光谱法来定位诊断脑梗塞的可能性,结果表明利用近红外光谱技术与核磁成像技术得到的结果是一致的.国外在这方面也有许多报道.Asgari等应用了近红外光谱技术研究了神经胶质瘤患者在手术中的一些特征,且解释了这些特征与神经胶质瘤的发展及病人存活时间的关系,这为肿瘤将来情况的预测提供了新的额外信息.Fan等利用近红外光谱技术测定了脑死亡授体中肝的氧合作用和细胞内部代谢状况,并用此来评价肝移植时脑死亡的授体中肝的生长发育情况,从而可以利用该技术预测肝移植的成功率.Michael等利用近红外光谱法非侵入地测定了烧伤早期一段时间内患者血液循环的变化,并证明了近红外光谱数据与烧伤程度存在很好的相关性,因此可以利用该技术非侵入式确诊烧伤早期的烧伤程度.Stingele等利用近红外光谱技术测定了由于附属组织血液的供给失败而导致的局部氧的不足,因此该技术在预测附属部位病变方面具有一定的临床意义.Mclntosh等利用近红外光谱技术结合光纤维探针、线性判别分析(LDA)研究了皮肤的一些特征,建立了模型,并以此模型对皮肤恶化程度进行了预测,取得了较好的结果.Nagdyman等利用近红外光谱研究了血液循环受阻及心脏肺部疾病患者恢复时期脑部氧基血红素的变化,为他们的进一步治疗提供了有力的参考.Lin等利用近红外光谱研究了双侧颈动脉末端的特异性阻塞(moyamoya)患者脑部血液循环的特征,从而为诊断和治疗该疾病提供了了很好的依据.Fortune等利用近红外光谱技术测定了婴儿脑部及内脏的氧化指标(TOI),利用他们的TOI值建立正常的内脏细胞灌注模型,以此来检测内脏肌肉萎缩是否形成,结果表明近红外光谱技术在预测婴儿内脏肌肉萎缩方面有很广阔的应用前景.2.2检测脏器里氧合血红蛋白与乳酸检测的展望由于生物组织对近红外光有较低的吸收率,含氧血红蛋白、还原血红蛋白及其它的一些成分在近红外光区具有不同的吸收光谱,人们可以利用它们在近红外区的这种差别,直接对生物组织的某种成分进行在体、无损、实时地检测,进而为临床中对组织进一步评价提供了好的参数.李明菊等利用近红外傅立叶变换光谱仪结合偏最小二乘法分析了全血中葡萄糖的含量取得了较好的结果.徐国栋等利用近红外光谱技术对8名运动员在功率自行车上作五级递增负荷运动时的血氧含量进行了在体、实时、连续地监测,同时测定了受试者即刻的乳酸浓度,结果表明氧合血红蛋白与乳酸浓度之间有较高的相关性,这将有望为无损监测和评定运动员的生理机能、掌握训练程度、评价训练效果引入新的测试指标和评价系统.刘伟玲等采用光谱法对尿液样品的主成分进行了近红外分析,且对实验中的最佳光程长做了选择与计算,结果证实近红外光谱法用于尿液的临床分析不仅可行而且具有优越性.王强等利用了一种新的近红外光谱信号分析方法区分出动脉血和静脉血的相对变化,实现了脑组织血管动态调节的无损测量.人体组织信息的光谱检测法具有可实现无创、连续、实时监测等特点一直是人们感兴趣的课题之一,国外关于这方面的报道也比较多.Pilotto等利用近红外光谱非破坏地测定了运动员血液中乳酸的含量,这为从医学的角度评价运动员提供了新的方法.Lafrance等利用近红外光谱结合一些化学计量学方法,测定了人体血液中泌乳的含量,并将其与临床中用的方法进行了比较,结果表明近红外光谱技术在科研和临床中评价生理级物质含量方面是一种很有价值的方法.Nakayama等利用近红外光谱技术监测了病人进行腹部大动脉手术中骨骼肌中氧基血红素的含量,为临床中手术的顺利进行提供了好的参数.Rendell等根据血红蛋白的近红外光谱数据与其浓度之间的相关性,测定了血红蛋白的含量水平,因此该技术为将来快速、非侵入式地测量血红蛋白浓度提供了一种较好的方法.Kusaka等利用近红外技术结合靛青绿测定了婴儿脑局部血流量的变化,为诊断紧急情况下婴儿脑部血流量提供了一种快速、方便的方法.2.3脑血流环特性变化除此之外,近红外光谱技术在临床分析的其他方面也得到了一定的应用.Nagashima等利用近红外光谱测定了影响皮肤代谢和颜色的一些因素如局部皮肤氧的饱和浓度、总的血红蛋白的体积等,并建立了它们之间的关系,因此该技术在评价皮肤状况方面有一定的应用前景.Tanossaki等利用近红外光谱技术研究了由中枢神经电刺激引起的脑血液循环的变化特征,取得了较好的结果.Terborg等利用近红外光谱和多普勒扫描技术研究了吸烟对大脑氧基血红素的影响,结果表明吸烟对脑动脉及细动脉的综合影响会增加对吸烟者的危害.Quaresima等利用近红外光谱非侵入式地多点测量方法,研究了人们翻译和语言转变时舌前表层氧基血红素的变化,表明该技术在研究语言翻译过程中舌前表层氧基血红素的空间和瞬时特征方面有一定的应用前景.Koike等利用近红外光谱法测定了人们执行任务时前额表皮氧基血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化,从而反映了与人们执行任务有密切关系的前额表皮的本质活动情况.Suto等利用近红外多通道光谱仪测定了脑部运动神经和体觉表层的血容量,从而表明了脑中不同部位的血液变化特征.Makotolto等利用了多通道近红外光谱仪研究了脑血流量的活动模式和某些生理特性之间的关系,结果表明大脑皮层血液循环的特征与人们某些生理特性(创新、乐观等)有一定的关系,这为评价人们的某些生理特性提供了新的方法.3近红外光谱技术在医药领域的应用应注意的几个问题(1)近红外光谱技术存在分析浓度的下限.因谱带吸收较弱,分析组分的灵敏度相对较低,所分析的组分含量一般应大于0.1%.这就限制了该技术在药物中有效化学成分及生物组织某些有效成分测量中的应用.今后应该进一步的提高光电技术,以提高光谱信号强度,来扩大近红外光谱的检出范围.(2)近红外光谱分析技术在医药领域中应用的基础研究还比较薄弱.近红外光谱分析技术是一种间接的分析技术,需要事先以标准方法测定一定范围的大批样品的质量参数,再以样品的光谱和质量参数进行关联,建立一定的数学模型,然后利用该模型预测样品的组成和性质.目前,对于大多数药物和生物组织,由于其研究基础还比较薄弱,尚无法找到能够表征它们质量的一些参数,所以也就失去了近红外光谱法分析研究的对象.因此推进近红外光谱技术在医药领域的应用,首先必须加强相应的医药基础研究工作.(3)特征信息提取和处理技术的限制.近红外光谱图中蕴含了非常丰富的信息,对分析体系而言目标成分的含量淹没在大量的无效信息中,因此只有发展近红外光谱的特征信息提取和处理技术,才能进一步拓展近红外光谱在医药领域中的应用.(4)近红外光谱技术无创式地对生物组织的一些参数如脑血氧饱和度的监测不能得到其绝对值,只能