采用AOTF近紅外技術(shù)在線檢測黃芪的提取與濃縮過程

摘要：本文考察美國 Brimrose 公司的 Luminar 3060 多通路 AOTF 技術(shù)近紅外光譜儀在線測 試中的可行性，輔以 Unscrambler 化學(xué)計(jì)量學(xué)光譜分析軟件，做了兩方面工作，其一：對(duì)黃 芪提取及濃縮溶液中化學(xué)指標(biāo)黃芪甲甙百分含量的定量分析；其二，對(duì)濃縮過程中溶液的物 理指標(biāo)密度進(jìn)行在線測試，在樣品數(shù)量有限的情況下，兩者都達(dá)到了比較理想的效果，說明 完全可以實(shí)現(xiàn) AOTF 近紅外光譜儀在線監(jiān)測和控制黃芪提取過程的目的。

關(guān)鍵詞 聲光可調(diào)；近紅外光譜；黃芪；偏最小二乘法

黃芪具有補(bǔ)氣升陽、益衛(wèi)固表、托毒生肌、利水消腫等功效，近年來對(duì)其藥理作用研究 取得了較大進(jìn)展，在制藥企業(yè)中，對(duì)黃芪的主要質(zhì)量控制指標(biāo)，主要集中在黃芪甲苷和類黃 酮成分和黃芪甲甙為原料的中藥制劑的檢測上，近年來，用 HPLC 法測定黃芪中黃酮類成分 和黃芪甲苷的含量，應(yīng)用 HPLC-ELSD 檢測方法測定黃芪注射液中黃芪甲苷的含量的等等報(bào)道 見諸報(bào)端，本文嘗試 AOTF 近紅外光譜儀在在線監(jiān)測黃芪濃縮液密度和生產(chǎn)中檢測黃芪中黃 芪甲甙含量，以控制提取過程的可行性。

近紅外(NIR)光譜法是近年來發(fā)展迅速的一種綠色分析技術(shù)，并以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)開始應(yīng)用 于中藥分析[1-4], 以往多采用傅立葉變換近紅外光譜儀。20 世紀(jì) 90 年代末出現(xiàn)了第 5 代聲光 可調(diào)（AOTF）近紅外光譜儀，被稱為“90 年代近紅外光譜儀最突出的進(jìn)展”。這種新型的近紅 外光譜儀具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重現(xiàn)性好和儀器環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，將過去必須在室內(nèi)， 且對(duì)溫度、濕度、灰塵、防震均有嚴(yán)格要求的各項(xiàng)檢測轉(zhuǎn)移到了生產(chǎn)在線和現(xiàn)場（室外）。 最近幾年，AOTF-近紅外光譜分析儀引進(jìn)國內(nèi)，已經(jīng)開始應(yīng)用于煙草及化工行業(yè)中 。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1??? 實(shí)驗(yàn)儀器和樣品
儀器：美國 BRIMROSE 公司產(chǎn)的 AOTF-NIR 自由空間近紅外光譜儀，主要部件包括： 光學(xué)部分、控制部分、電源適配器。軟件包括 SNAP!光譜處理軟件和 CAMO 化學(xué)計(jì)量學(xué)軟 件。

樣品：濃縮實(shí)驗(yàn)時(shí)間為兩天，共收集了 55 個(gè)光譜數(shù)據(jù)，對(duì)濃縮液密度進(jìn)行定量檢測，收集 35 個(gè)樣品用來對(duì)黃芪中黃芪甲甙含量進(jìn)行定量檢測。

1．2???? 實(shí)驗(yàn)方法

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本方案采用旁路在線檢測的方式，從主管道引出一旁路，在旁路上接上十字型流體測 樣器，在測樣器的下游安裝一個(gè)支管，管上安裝閥門通過開關(guān)閥門 3 使流體從管中流出。

在實(shí)驗(yàn)的過程中，正常狀態(tài)時(shí)閥門 3 關(guān)閉，流體在旁路中流通并返回到主管道中去；

當(dāng)光譜掃描完畢，馬上關(guān)閉閥門 1 和閥門 2，將閥門 3 打開，使流體從短管中流出，用塑料樣品瓶盛接，接滿后蓋上瓶蓋，取樣完畢。然后，關(guān)閉閥門 3，打開閥門 1 和閥門 2，使流 體在旁路中正常流動(dòng)。因短時(shí)間內(nèi)，溶液的狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為掃描的光譜即 為樣品瓶中的溶液樣品的光譜。

將樣品瓶用薄膜封口并進(jìn)行編號(hào)，一天的樣品收集完成后，統(tǒng)一放到冰箱中保存。然 后去分析室用高效液相色譜儀分析各指標(biāo)的含量數(shù)據(jù)（分析的數(shù)據(jù)盡可能準(zhǔn)確），將指標(biāo)的 含量數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，當(dāng)樣品達(dá)到一定的數(shù)量時(shí)，用挪威 CAMO 公司的 Unscrambler 化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件計(jì)算，得到模型。

本次實(shí)驗(yàn)分為黃芪提取與濃縮兩個(gè)過程，提取時(shí)溶液的溫度為 95℃左右，濃縮時(shí)溶液 的溫度為 80℃左右。提取分兩步：一煎和二煎，每個(gè)步驟約 90 分鐘的時(shí)間。每個(gè)步驟的取 樣方式為：開始每隔 5 分鐘取一個(gè)樣品，取約 6 個(gè)樣品后，剩余時(shí)間每隔 10 分鐘取一個(gè)樣品。每個(gè)步驟約取 12 個(gè)樣品。濃縮分兩次，每次約 4 個(gè)小時(shí)。取樣方式為：每次開始的時(shí) 候每隔 20 分鐘取一個(gè)樣品，2 小時(shí)后每隔 10 分鐘取一個(gè)樣品，并液后連續(xù)取樣，整個(gè)濃縮 過程能夠取到 35 個(gè)樣品。

將光纖接到 1 號(hào)通路，利用光纖通過透射的方式采集樣品的光譜數(shù)據(jù)。

1．3?? 數(shù)據(jù)處理

提取過程每一張光譜都是 100 次掃描的平均結(jié)果，濃縮過程每一張光譜都是 200 次掃 描的平均結(jié)果。波長范圍 1100nm 至 2300nm，1nm 的波長間隔。光譜數(shù)據(jù)以透過方式采集并 處理為吸收光譜的一階微分。然后利用每個(gè)樣品主成分含量數(shù)據(jù)(或密度數(shù)據(jù))和該樣品的光 譜數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，創(chuàng)建校正模型，利用建好的校正模型對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)測，并計(jì)算出各組分的 預(yù)測偏差。

2．結(jié)果與分析

2．1. 光譜

2．2????? 回歸和模型化

利用偏最小二乘回歸法對(duì)濃縮溶液密度和黃芪甲甙兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行回歸、建模。

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圖 14：溶液密度的 PLS 1 模型 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 圖 15：濃縮溶液黃芪甲甙百分含量 PLS 1 模型

從 PLS1 回歸模型上看，濃縮溶液密度和黃芪甲甙百分含量的模型非常好，相關(guān)系數(shù)分別為 0.9773 和 0.9849。

2．3????? 預(yù)測

本次濃縮實(shí)驗(yàn)時(shí)間為兩天，共取得了 70 個(gè)光譜數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)編號(hào)為 2701-2735；2801-2835，即 7 月 27 日取得 35 個(gè)樣品，7 月 28 日取得 35 個(gè)樣品，共 70 個(gè)樣品。

濃縮過程密度的建模說明：

樣品數(shù)量共 70 個(gè)，沒有記錄密度數(shù)據(jù)的樣品有 4 個(gè)（2713、2714、2725、2735），密度數(shù)據(jù)明顯異常的樣品有 2 個(gè)（2822、2823 其密度值皆為 0.5）。剩下有數(shù)據(jù)的樣品數(shù)量為64 個(gè)。通過分析有明顯異常或數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確的樣品有 9 個(gè)：2701、2702、2704、2705、2801、2815、2816、2817、2835。這樣總共有 55 個(gè)合格的樣品，將這些樣品按編號(hào)進(jìn)行排序，每隔 5 個(gè)樣品取一個(gè)樣品（即順序號(hào)為 5、10、15、20、25、30、35、40、45、50）共 10 個(gè)樣品做為驗(yàn)證集樣品，不參與建模；另外的 45 個(gè)樣品用于建立模型。用建立好的密度模型來預(yù)測 10 個(gè)驗(yàn)證集樣品，結(jié)果見表一：

表一：AOTF 在線近紅外光譜儀對(duì)密度的預(yù)測結(jié)果

濃縮過程黃芪甲甙百分含量的建模說明

由于只提供了 27 日的 35 個(gè)樣品的黃芪甲甙百分含量化學(xué)值數(shù)據(jù)，因此，只能用 35個(gè)樣品來建立黃芪甲甙模型。其中 2712 號(hào)樣品的數(shù)據(jù)（0.2570）明顯異常，去掉該樣品， 剩余 34 個(gè)樣品按樣品編號(hào)排序，由 2702 號(hào)樣品開始，每隔 5 個(gè)樣品取一個(gè)做為驗(yàn)證集樣品， 編號(hào)為 2702、2707、2727、2722、2727、2732，共 6 個(gè)用來驗(yàn)證模型。其余的 28 個(gè)樣品為 校正集樣品用來建立模型。模型的驗(yàn)證結(jié)果見表二：

表二：AOTF 在線近紅外光譜儀對(duì)黃芪甲甙的預(yù)測結(jié)果

3． 結(jié) 論

從以上的結(jié)果可以看出：在整個(gè)黃芪的提取過程中，用 AOTF 近紅外光譜儀在線檢測的 密度的平均絕對(duì)偏差為 0.012、黃芪甲甙百分含量的平均絕對(duì)偏差為 0.004,完全可以實(shí)現(xiàn) AOTF 近紅外光譜儀在線監(jiān)測和控制黃芪提取過程的目的。如果能夠?qū)⒚芏鹊幕瘜W(xué)值數(shù)據(jù)測 量的更為準(zhǔn)確和提供更多的建立模型的樣品數(shù)據(jù)，相信可以得到更為準(zhǔn)確完善的模型。

另外,我們推斷,如果在線監(jiān)測水分的指標(biāo),可以得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),而且不論何種藥物 的濃縮,均可以根據(jù)水分的指標(biāo)來判斷濃縮的程度,能夠更有效地對(duì)整個(gè)濃縮過程進(jìn)行監(jiān)控, 實(shí)現(xiàn)濃縮過程的全自動(dòng)控制。

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