中药红外光谱鉴定关键技术研究课件.ppt
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1、中药红外光谱鉴定关键技术研究孙素琴(清华大学分析中心)“第五届中药提取技术(北京)研讨会第五届中药提取技术(北京)研讨会, 2008.4.12-14目 录红外光谱法与中药鉴定需要解决的难题红外光谱技术的发展关键技术 理论基础:“红外宏观指纹法” 判别准则:三级评价标准和三级鉴定 应用举例:举例一 中药材(淫羊藿) 举例二 中药饮片(熟地黄) 举例三 中药配方颗粒(肉豆蔻和乳香) 举例四 油剂(正红花油) .特点和优势 机遇与挑战传统理念的限制 单一组分定性定量分析分辨率低的问题 谱图的重叠现象严重灵敏度低的问题 指标成分含量较低准确度不高的问题 具有一定的模糊性重复性问题 相比较最好一、红外光
2、谱法与中药鉴定一、红外光谱法与中药鉴定 需要解决的难题需要解决的难题常用的红外光谱技术(中红外光谱,MIR)通常被用来作为单一组分的定性和定量分析。在定性分析时,主要依赖于数据库的检索。但由于数据库既庞大,价格又昂贵,难于广泛的推广和普及。大大的限制了红外光谱的广泛应用。4000.03000200015001000400.00.000.20.40.60.81.01.21.41.50cm-1A Berberine HCL34923408334230491634159815681505148114591422138813631331130112721230121311431105106410361
3、001976898825517424传统理念的限制近红外光谱法(NIR)借助于化学计量学进行混合物体系的多组分定性、定量分析是一个现代的分析技术现已逐渐成熟并被广泛地应用在各个学科领域。而将红外光谱法直接应用于中药和食品的整体结构解析,业内业内人士一直以来认为人士一直以来认为这是一个这是一个“禁区禁区”。这是因为像中药这样复杂的混合物体系会严重地造成红外谱图的叠加,样本间谱图极为相似,难于区分和鉴别。4000.0350030002500200015001000400.0cm-1A Saffron(Spain)Saffron(India)cell cultured2930163113851062
4、535292616541375122910735832927164912301074533IR spectra of cell-cultured saffron, Spain and Indian saffron如何解决谱图的重叠现象;如何区分相似谱;如何提高谱图的分辨率;是解决这一问题的关键。4000.020001000400.0cm-1A abcdefgh4000.020001000400.0cm-1A abcdefghlipidStarchIR spectra of different kinds of TCM materials二、红外光谱技术的发展二、红外光谱技术的发展 1800年英
5、国天文学家Hershel发现红外辐射 此后,采用红外辐射观察物质的吸收光谱 1905年,发现了一些吸收谱带和基团间的相互关系 20世纪50年代,收集了大量单一组分的标准红外光谱图光栅分光优点:提高了分辨能力,扩大了测量范围缺点:扫描速度较慢光栅型红外光谱仪的工作原理图分光系统的不断更新光栅分光迈克尔逊干涉仪分光系统优点:扫描速度快、分辨率高、光通量大、测量范围宽FTIR的工作原理图分光系统的不断更新干涉分光傅里叶变换红外光谱仪各种波段联机系统近红外区(10000-4000cm-1)色谱/红外联用GC/FTIR显微/红外联用Micro/FTIR拉曼/红外联用Raman/FTIR热重/红外联用TG
6、A/FTIR各种附件漫反射附件(DR)衰减全反射附件(ATR)光束聚焦附件(BC)光声附件(PAS)中红外区(4000-400cm-1)软件系统时间分辨软件谱图检索软件多组分定量分析软件远红外区(400-10cn-1)聚类分析软件镜面反射附件(SR)偏振附件变温附件二维相关分析软件傅里叶变换红外光谱仪的各种波段、各种附件、各种软件和多种联机系统使它在各个学科领域已发挥了和正在发挥着巨大的作用。正正己己烷烷甲甲苯苯庚庚酸酸常见有机化合物的红外特征吸收分分子子的的振振动动中红外采样系统(4000-400cm-1) 透射法:应用广泛(多学科领域,如石油、化工、材料和环境等) 操作简便仪器价廉常规的压
7、片法、液膜法和糊状法 与此同时,各种附件的开发和研制也为中红外光谱法注入了新的活力。ATR for liquid & solid samplesDiffuse reflectancefor powder 固体样品检测:收集普通红外无法测量的厚度大于0.1mm的塑料、高聚物、橡胶和纸张等样品 液体样品检测:注射剂、汤剂和葡萄酒等Attenuated Total Reflectance, ATR 3800 3400 3000 2600 2200 1800 1400 1000 60801006080100 3800 3400 3000 2600 2200 1800 1400 1000 Poly (e
8、thylene 25% vinyl acetate) for verificationPoly (ethylene 25% vinyl acetate) standard spectrumcm-1%T近红外采样系统(10000-4000cm-1) 应用广泛 操作简便穿透深度深较少受表面 污染同时测定多个指标软件技术中红外光谱法近红外光谱法快速快速无损(样品无需分离)无损(样品无需分离)操作简单操作简单准确准确定性分析和多组分定量分析多组分定量分析透射法(压片)漫反射法(直接检测)指纹特征强指纹特征弱软件技术(必需建模型) 当然,人们并不只满足于仪器本身的发展,为了拓宽红外光谱的应用领域,多种多
9、样的联用技术应运而生。 GC/FTIRTGA/FTIRRaman/FTIRMicro/FTIR软件系统时间分辨软件谱图检索软件多组分定量分析聚类分析软件二维相关分析软件通用型数据库(混合物体系)(差异性大)分类型数据库(混合物体系)(差异性中)比对型数据库(混合物体系)(差异性小)二维相关红外光谱法(Two-dimensional Infrared Correlation Spectroscopy,简称2DIRCOS)是1986年Noda首先提出来的一种建立在对红外光谱信号时间分辨检测的基础上的一种新技术在1993年Noda 又提出了广义的二维相关谱(Generalized Two-Dimen
10、sional Correlation Spectroscopy)的概念进而发展了二维近红外相关谱、二维拉曼相关谱、二维荧光相关谱、二维液相色谱相关谱,甚至酸碱滴定相关分析,以及红外-拉曼杂合谱等。 二维相关谱最大的特点是提高谱图的表观分辨率以及研究物质的相互作用机理,它已在不同的学科领域得到了很多成功的应用。但仅限于一些简单的混合物体系,像中药和食品等相当复杂的混合物体系采用二维相关光谱法进行系统的研究国内外的文献报道还很少。我们课题组从1998年起首次提出并开始采用该二维相关红外光谱技术进行了系统的分析研究。 八年来我们主要采用这种二维相关红外光谱法和二阶导数谱以及模式识别技术,从简单到复杂
11、逐步探讨了若干种难于区别的中药材、中药饮片和中成药的整体结构组成、相关的指纹特征与相对含量的变化规律。针对不同的研究对象, -根据相似度的不同建立了相应的评价系统,提出并制定了“三级评价标准” -根据分辨率的不同建立了相应的鉴定系统,提出并制定了“三级鉴定法”,在学术上突破了原有的“学术理念”,创建了“红外宏观指纹法”。在基础研究上与各大中医院校和中医药研究院所合作,注重于理论依据的可靠性在应用上以典型企业为支撑点,验证方法的可行性在制定方法标准上与权威的检验与检测机构合作,以便于方法标准的可行、实施和推广。于2004起草了国家标准方法,2005年通过专家审定,2006年形成了报批稿。 出版了
12、一本专著 中药二维相关红外光谱鉴定图集,化学工业出版社,2003年 获得了三个发明专利 ZL 03104765.3 中药材 ZL 03122935.2 中药配方颗粒 ZL 03123389.9 中药注射剂 发表了100多篇文章 基本上探索和建立了一套有关中药材、中药饮片和中成药的红外光谱技术鉴定系统。 同时也将该方法扩展到了食品体系的研究 Papers(100) Xu CH, Sun SQ*, Guo CQ, et al.,Multi-steps infrared macro-fingerprint analysis for thermal processing of Fructus viti
13、cis ,VIBRATIONAL SPECTROSCOPY 41 (1): 118-125 MAY 30 2006 Liu HX, Sun SQ*, Lv GH, et al. Discrimination of extracted lipophilic constituents of Angelica with multi-steps infrared macro-fingerprint method ,VIBRATIONAL SPECTROSCOPY 40 (2): 202-208 MAR 17 2006 Zhou Q, Sun SQ*, Zuo L, Study on tradition
14、al Chinese medicine Qing Kai Ling injections from different manufactures by 2D IR correlation spectroscopy, VIBRATIONAL SPECTROSCOPY 36 (2): 207-212 DEC 6 2004 Li YM, Sun SQ*, Zhou Q, Qin Z, Tao JX, Wang J, Fang X Identification of American ginseng from different regions using FT-IR and two-dimensio
15、nal correlation IR spectroscopy, VIBRATIONAL SPECTROSCOPY 36 (2): 227-232 DEC 6 2004 Hua R, Sun SQ*, Zhou Q, Noda I, Wang BQ, Discrimination of Fritillary according to geographical origin with Fourier transform infrared spectroscopy and two-dimensional correlation IR spectroscopy, JOURNAL OF PHARMAC
16、EUTICAL AND BIOMEDICAL ANALYSIS 33 (2): 199-209 SEP 19 2003 Zuo L, Sun SQ*, Zhou Q, Tao JX, Noda I, 2D-IR correlation analysis of deteriorative process of traditional Chinese medicine Qing Kai Ling injection, JOURNAL OF PHARMACEUTICAL AND BIOMEDICAL ANALYSIS 30 (5): 1491-1498 JAN 1 2003, 既然中药材、中药饮片和
17、中药制剂是多种成分的混合物,其红外光谱图谱是中药所含各成分吸收光谱的叠加,中药正品、伪品中的化学物质,不论他们之间存在的不同物质是什么,必定在其红外光谱上有所反映。 只要药材中所含的化学成分不同,各成分含量的比例不同,就会导致红外谱图的差异。 凭借红外光谱的这些差异特征(峰位、峰强度和峰形状),即“宏观指纹性”,并对原红外光谱进行导数计算和二维相关分析等计算机辅助技术可以用来识别中药的真伪优劣。 这种对复杂体系(譬如中药)原红外光谱的指纹特征提取和二阶导数分辨率增强法以及二维相关分析等计算机辅助技术鉴定法定义为“红外宏观指纹法”三、三、理论基础-“红外宏观指纹法” 从中医药的观点看,指标成分的
18、控制,难以真正控制中药功效。中医辩证施治用的是药味而非某个化学成分。所以要控制中药功效,不能只针对某个化学成分,必须对方剂物质群整体予以控制。中药内含物质群是个很复杂的问题,要把质量控制建立在研究清楚每个内含成分的基础上是很困难的。这就需要在尚不清楚全体化学成分的情况下,实现对物质群整体的控制。 不同产地或者同产地不同季节的中药材一些被公认的“有效成分”之间的差别也比较大,有些药材在10-102倍之间波动。而这些在中药里占1%-0.1%的“有效成分”不代表整体的有效成分,中药是多种成分相互协调共同作用的结果。另外因此中药在质控上,不应该也没有必要对中药进行逐个成分的分析鉴定,而应从宏观整体上对
19、其鉴定研究。这样不仅简化了操作难度,而且在不破坏其自然规律的基础上进行宏观“调控”。光谱比对(相似度评价),二阶导数谱和二维相关分析以及模式识别技术(聚类分析)等就属于这种的典型方法。 Perkin-Elmer公司的定性分析软件-比对软件(Compare),是根据数学上的相关系数比较两个红外光谱之间(或一个光谱和一系列光谱之间)的相似程度。比对软件强调的是谱图中与化学组成有关部分的相似度,为了去除(或降低)仪器的噪音、空气中水和二氧化碳所产生的干扰,在比对软件中可以选择一些数学“过滤器”来辅助减少这些外界的影响。-光谱比对的基本原理这些过滤器包括有: 分辨率权重:即加权的导函数,它用于突出峰宽
20、在8-16cm-1之间的特征吸收的影响,可由此区分吸收峰与宽基线和高频噪音的差异。 强度权重:用于降低谱图两端低信噪比处数据的影响。 噪音权重:用于降低透过率较低处数据的影响,因为这些数据往往噪音较大。 CO2空白:删除2390-2280cm-1间的所有数据。 H2O权重:为了降低7450-6950cm-1和5600-5100cm-1(近红外光谱图)、4000-3500cm-1和1900-1300cm-1(中红外光谱图)区域内水的影响,把以上范围内的权重都规定为8 H2O空白:删除7450-6950cm-1和5600-5100cm-1(近红外光谱图)、4000-3500cm-1和1900-13
21、00cm-1(中红外光谱图)区域内的所有数据 2/12/1)()( =iiiiiiiiiBBwAAwBAwl光谱比对是对吸收光谱的定性比较,因此可以忽略由于浓度或光程长度所产生的差异。其相关系数定义为:其中,Ai和Bi是光谱A和光谱B在频率i处的吸光度,而wi是所选过滤器在频率i处的权重,如果在比对过程中选择了不止一个过滤器,则wi为每个权重的加权权重。-导数光谱的基本原理导数光谱也叫微分光谱,是用计算机对原始光谱数据进行微分处理而得到的吸光度对波长(或波数)的变化率曲线实际就是在整个区域内沿原始光谱曲线计算出的每个数据点处的斜率曲线。随导数阶次的递增,依次可得到一阶导数光谱、二阶导数光谱、n
22、阶导数光谱,其吸收带宽依次变窄,峰形变锐,光谱分辨率提高。 在以往的红外光谱分析中,其应用并不受重视,主要原因是由所检测样品特点决定。在传统的红外光谱分析中,首先要求采用各种化学分离手段纯化样品,保证样品纯度达98%以上,因此样品对应的红外光谱图具有吸收谱带窄、吸收峰较多、重叠少、吸收强度大、专属性强等特征,已能提供相当的信息来满足谱图解析的要求。中药和食品等复杂的混合物体系使得红外吸收谱带变宽,吸收峰不明显,特征性差、专属性明显降低。而导数光谱可以提高分辨率,增大信息量,增强信息品质,突出谱图特征性,能很好的分辨谱图中重叠的峰,故其在紫外光谱中应用的特殊作用也同样适应于混合物的红外光谱分析中
23、。尤其是二阶导数谱,它的半峰宽只有原谱图半峰宽的1/3左右,它能够容易地分辨出强峰两侧的小肩峰,在正确测定峰位及确定肩峰位置时很有用,基本上达到了提高谱图分辨率的目的,这对测定峰位及确认肩峰非常有效。尽管四阶导数谱的半峰宽更窄,为原谱图的1/5左右,谱图的分辨率高于二阶导数谱,但它对原谱的质量要求更高,噪音的影响较大,故我们不加以采用。因此二阶导数谱被作为红外光谱技术鉴定中药的手段之一。 由野田勇夫(Isao Noda)等人在80年代后期创立。它的产生受二维核磁共振谱的启迪,二维相关红外图形外观及其解释也与二维核磁共振谱中的同核位移相关谱类似。-二维相关红外光谱的基本原理 人们使用某种微扰以激
24、发被测体系的分子。此微扰是周期性的,被激发的分子的驰豫过程慢于红外光谱的时标,因而可用前述的时间分辨技术,检测动态过程,经处理得到二维红外光谱。外界扰动(机械,电磁,热等受检物系统红外、拉曼检测动力学图谱二维变换二维图谱)(Perturbation) (Electro-magnetic Probe) (Sample System) (Dynamic Spectra) (2D Correlation Spectrum) (2D Correlation Analysis) 经计算有:)( )( )( )( 5 . 0),(212121vAvAvAvAvv=)( )( )( )( 5 . 0),(2
25、12121vAvAvAvAvv= 画出同步、异步相关强度为两个独立波数v1、v2的图就得到二维相关红外谱。(9)(10) 图a 二维同步相关谱 图b 二维异步相关谱外观及其解释处于非主对角线处的峰称为交叉峰交叉峰(Cross peaks)。当两个独立波数处的动态IR信号彼此相关或反相关时,就会出现交叉峰。交叉峰可正可负。交叉峰的出现说明在官能团之间存在着相互作用,这些作用可以限制他们独立的变向运动。当两个不同官能团的振动相应的暂态电偶极矩以同一方向发生变化,就产生一个同相交叉峰;当两个不同官能团的振动相应的暂态电偶极矩发生相反方向的变化,则产生一个异相交叉峰。图a 二维同步相关谱同步相关光谱是
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