李繼睿 禹練英 丁 峰

(湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲 412004)

長期以來，化學(xué)反應(yīng)就被認(rèn)為是從熱力學(xué)不平衡到平衡的一個(gè)單項(xiàng)過程，即反應(yīng)物濃度由高到低，如果條件不發(fā)生改變，不會(huì)自發(fā)地使反應(yīng)物濃度升高。這在熱力學(xué)中，有“熵增原理”作為有力依據(jù)。

20世紀(jì)初，各種有趣的現(xiàn)象被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，其中之一就是化學(xué)振蕩現(xiàn)象。在化學(xué)振蕩中，反應(yīng)體系中某些狀態(tài)量(如物質(zhì)濃度、反應(yīng)溫度、體積等)隨時(shí)間、空間的變化而發(fā)生周期性變化。其中最著名的是20世紀(jì)50年代，俄國化學(xué)家貝洛索夫(B.P.Belousov，1893～1970)發(fā)現(xiàn)的振蕩體系。他用檸檬酸、溴酸鉀、硫酸作配劑，用鈰鹽作催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)檸檬酸在稀釋的硫酸中被溴氧化，鈰離子在3價(jià)4價(jià)間振蕩，溶液在無色透明至淡黃色間周期變化。這是一種周期性振蕩的化學(xué)反應(yīng)，又稱化學(xué)鐘反應(yīng)[1-3]。

化學(xué)振蕩自出現(xiàn)之日起就在化學(xué)界引起軒然大波，首當(dāng)其沖是它違背了化學(xué)家們的經(jīng)典認(rèn)識(shí)。當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為熱力學(xué)第二定律確言：任何化學(xué)反應(yīng)只能走向退化的平衡態(tài)，在兩種顏色之間的化學(xué)振蕩當(dāng)然是不可能的。然而，對(duì)這個(gè)反應(yīng)的奇特行為化學(xué)家和生物學(xué)家們均無法相信，以致他的論文屢遭拒絕，最后收錄在一個(gè)輻射醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)的論文集中。幾年后，更多的化學(xué)家投身于此，更多更明顯的振蕩體系被發(fā)現(xiàn)，這促使人們正視它、認(rèn)識(shí)它、從理論的角度分析它。但直到目前，還不存在能對(duì)化學(xué)振蕩體系做出完全準(zhǔn)確預(yù)測的理論。

1 電化學(xué)振蕩理論研究現(xiàn)狀

首先是前蘇聯(lián)化學(xué)家貝洛索夫于1953年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)復(fù)雜化學(xué)振蕩體系，但宏觀振蕩特征不明顯，并不被化學(xué)家認(rèn)同。1952年，英國數(shù)學(xué)家圖靈(Turing，Alan)在一篇論文中，提出了像化學(xué)振蕩一類現(xiàn)象的可能性，并試圖尋找生命中的證據(jù)。1963年，從莫斯科大學(xué)生物化學(xué)系畢業(yè)的扎鮑廷斯基(A.M.Zhabotinsky)對(duì)別洛索夫的配方做了一些修改，使化學(xué)混合物在一薄層內(nèi)擴(kuò)散，形成圓形波和螺旋波紋，使化學(xué)振蕩確確實(shí)實(shí)呈現(xiàn)在人們眼前。

20世紀(jì)60年代，普利高津(I.Prigogine，1917-)研究了遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，指出這樣系統(tǒng)在非線性相互作用的條件下(如漲落)將會(huì)從無序進(jìn)入有序而不違背熱力學(xué)第二定律，并把這樣的過程稱之為自組織，他認(rèn)為化學(xué)振蕩是一類自組織現(xiàn)象(一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部由無序自發(fā)地變?yōu)橛行?，使其中大量分子或單元按一定的?guī)律運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為自組織現(xiàn)象)，也可以叫做非平衡非線性現(xiàn)象。當(dāng)振蕩體系處于非平衡非線性區(qū)時(shí)，無序的均勻定態(tài)并不總是穩(wěn)定的，在特定的動(dòng)力學(xué)條件下，一個(gè)無序的均勻定態(tài)可以失去穩(wěn)定性，從而自發(fā)產(chǎn)生某種新的、可能是時(shí)空有序的狀態(tài)——耗散結(jié)構(gòu)，化學(xué)振蕩就是處于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的耗散結(jié)構(gòu)[4-9]。

2 國內(nèi)外電化學(xué)振蕩的應(yīng)用現(xiàn)狀

化學(xué)振蕩現(xiàn)象在分析化學(xué)中的應(yīng)用出現(xiàn)在近二十幾年，1978年Tikhonova及其合作者發(fā)表了第一篇分析應(yīng)用文章，報(bào)道了微量硫酸釕可以縮短B-Z反應(yīng)(Belousov-Zhabotinsky reactions)的振蕩周期，其變化與硫酸釕的質(zhì)量濃度(7～330 mg/L)線性相關(guān)，利用這一關(guān)系可以測定釕。

1995年Dolores Perez Bendito等[10]報(bào)道了利用被測物質(zhì)對(duì)化學(xué)振蕩體系的脈沖擾動(dòng)進(jìn)行分析測定(Analyte Pulse Perturbation Technique，簡稱APP)。

利用化學(xué)振蕩技術(shù)可以檢測生物活性物質(zhì)，如測定尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)。

B-Z反應(yīng)在分析方面的應(yīng)用主要是測定金屬離子和無機(jī)陰離子，已報(bào)道測定的金屬陽離子有鐵、錳、銀、鉈、釕、汞等；陰離子有氟、氯、碘、硫代硫酸根及金屬絡(luò)合陰離子等；以及氣體物質(zhì)NO、CO、Cl2等[11]。

相對(duì)而言，該方法在有機(jī)物測定中比較成功，報(bào)道也較多，例如苯酚、二苯胺磺酸鈉、間苯二酚和沒食子酸、纈氨酸、咖啡因、利福平、維生素B1、維生素B2、維生素B6、維生素C及香子蘭醛、氫醌、谷胱甘肽[12]。

在研究化學(xué)振蕩時(shí)常采用連續(xù)流動(dòng)攪拌反應(yīng)器CSTR(continuous-flow stirred ank reactor)。

上述被測有機(jī)物大多為藥物，說明分析化學(xué)家已經(jīng)把注意力聚焦在生命科學(xué)上，試圖將生命體內(nèi)的振蕩現(xiàn)象移植于實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行研究，因此，化學(xué)振蕩分析法更具有生命力。

有報(bào)道用化學(xué)振蕩分析方法測定人血清和患者尿液，獲得了很有參考價(jià)值的結(jié)果[13,14]。金利通等[15]人利用模擬生物膜振蕩器研究了味覺物質(zhì)，使該方法更逼近生物振蕩實(shí)際情況。

最近有報(bào)道利用吉爾(Gear)法和龍格-庫塔(Runge-Kutta)法等數(shù)學(xué)模型，3種研究化學(xué)振蕩反應(yīng)機(jī)理模型的數(shù)學(xué)分析方法——穩(wěn)定性分析、靈敏度分析和主成分分析，2種符號(hào)型數(shù)學(xué)運(yùn)算軟件——Mathematica和Maple來求解振蕩反應(yīng)數(shù)學(xué)模型的方法；用來模擬化學(xué)振蕩機(jī)理的遺傳算法和蒙特卡洛(Monte Carlo)算法以及MECHEM和Chemical Kinetic Simulator(CKS)軟件[16-18]。

3 中藥質(zhì)量控制現(xiàn)狀

中藥作為一種天然產(chǎn)物，成分復(fù)雜，藥效部分不明確，尤其是復(fù)方藥，更以一種“膏、湯、丸、散，神仙難辨”的面目進(jìn)入市場。加之中藥同名異種，同種異名現(xiàn)象較多，對(duì)于中藥質(zhì)量的鑒別，一直沒有很好的方法。因此，只有對(duì)中藥進(jìn)行現(xiàn)代意義下科學(xué)的質(zhì)量控制，才能更好地保證中藥的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)中藥的安全、有效、穩(wěn)定、可控，為中藥走向世界奠定良好基礎(chǔ)。故中藥真?zhèn)舞b別和質(zhì)量評(píng)價(jià)科學(xué)方法的研究已成為對(duì)分析化學(xué)家富有挑戰(zhàn)性的課題，用于中藥這一黑色或灰色復(fù)雜體系化學(xué)成分群集表征的中藥指紋圖譜一詞也應(yīng)運(yùn)而生，而且指紋圖譜在中藥真?zhèn)舞b別和質(zhì)量評(píng)價(jià)與監(jiān)控方面的重要作用已成為人們的共識(shí)。

目前這方面的研究報(bào)道有高效液相色譜指紋圖譜、氣相色譜指紋圖譜、薄層色譜指紋圖譜、高速逆流色譜指紋圖譜、毛細(xì)管電泳指紋圖譜和紅外光譜指紋圖譜等。其中中藥色譜指紋圖譜的研究和應(yīng)用最為普遍和深入，已成為目前國際公認(rèn)的評(píng)價(jià)和控制中藥或天然藥物質(zhì)量最有效的方法和手段，但色譜指紋圖譜也有不可忽視的局限性。如液相色譜僅適用于真溶液體系；氣相色譜僅適用于中藥揮發(fā)性成分分析；色譜指紋圖譜因其定性和定量參數(shù)一般只有保留值和峰強(qiáng)度，色譜峰形也很少變化，因而其特征直觀性不強(qiáng)，在多數(shù)情況下需根據(jù)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法處理后的結(jié)果來鑒別和評(píng)價(jià)中藥，因而費(fèi)時(shí)，一般只有掌握一定相關(guān)專業(yè)技術(shù)知識(shí)的分析人員才能接受；色譜技術(shù)不能直接用于占絕大多數(shù)中藥中“膏、湯、丸、散”成藥和固體原藥材指紋圖譜的測定，測定前必須對(duì)其成分進(jìn)行提取、分離等預(yù)處理，因而煩瑣、費(fèi)事、操作流程長，試劑消耗量大，分析費(fèi)用高，不僅會(huì)引入雜質(zhì)，而且提取的部分已不能代表中藥的全部成分，其指紋圖譜實(shí)際上只是中藥部分化學(xué)成分的信息集合等。故嚴(yán)格說來，色譜指紋圖譜能作為中藥復(fù)雜體系所有成分的群集表征，僅適用于中藥注射液和口服真溶液。

因此，無需分離提純等預(yù)處理技術(shù)，能適用于各種物相和劑型的中藥中所有化學(xué)成分群集表征的指紋圖譜直接制作方法的研究，已作為首要任務(wù)之一擺在分析化學(xué)家的面前。電化學(xué)振蕩指紋圖譜應(yīng)運(yùn)而生，它具有無需繁瑣的預(yù)處理，適應(yīng)所有中藥體系，圖譜信息含量大，特征值明顯，重現(xiàn)性好，檢測費(fèi)用低廉等特點(diǎn)[19-22]。

4 化學(xué)振蕩在中藥檢測中的應(yīng)用

4.1 電化學(xué)指紋圖譜特征參數(shù)

電化學(xué)指紋圖譜特征參數(shù)有誘導(dǎo)時(shí)間、最高電位、最低電位、振蕩周期、振蕩時(shí)間、最大振幅等，如圖1所示。

圖1 電化學(xué)振蕩指紋圖譜基本參數(shù)

筆者對(duì)不同產(chǎn)地不同種類的中藥進(jìn)行了測定，從測定結(jié)果中可以看出，不同的中藥特征參數(shù)不同，不同產(chǎn)地的同一種中藥特征參數(shù)相似。因此，根據(jù)電化學(xué)振蕩指紋圖譜特征參數(shù)可以對(duì)中藥進(jìn)行鑒別和檢測。

原春蘭等[24]應(yīng)用振蕩技術(shù)，采用KBrO3-MnSO4-H2SO4丙酮振蕩器，得到解表藥柴胡、葛根、連翹，祛風(fēng)濕藥木瓜、獨(dú)活、五加皮和理血藥雞血藤、丹參、虎杖的振蕩指紋圖譜。結(jié)果表明，這些化學(xué)振蕩指紋圖譜可用于辨識(shí)中藥。

4.2 定量分析應(yīng)用

李守君等[23]應(yīng)用電化學(xué)振蕩技術(shù)獲取大黃不同提取工藝的電化學(xué)指紋圖譜,根據(jù)電化學(xué)指紋圖譜特征參數(shù)誘導(dǎo)時(shí)間來考察大黃提取液中總成分含量的高低。以誘導(dǎo)時(shí)間和總蒽醌含量為指標(biāo),通過正交試驗(yàn)優(yōu)化大黃提取工藝。結(jié)果:大黃提取液濃度和誘導(dǎo)時(shí)間(tin)呈良好的線性關(guān)系[25-27]。

利用電化學(xué)振蕩指紋圖譜來研究中草藥在國外尚無報(bào)道，國內(nèi)有少數(shù)報(bào)道，也局限于對(duì)單味中藥進(jìn)行測定；測量標(biāo)準(zhǔn)局限于振蕩反應(yīng)的一小部分即均勻振蕩時(shí)期，大部分有用信息如誘導(dǎo)期、振蕩后期被忽視；沒有確定定性和定量依據(jù)，僅靠目測區(qū)分；分析檢測手段簡單，單一；數(shù)據(jù)用X-Y型記錄儀記錄，僅能獲得振蕩整體波形圖，難以獲取每一點(diǎn)確切數(shù)據(jù)，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)深挖掘從而獲得完全信息并探討內(nèi)部機(jī)理[28,29]。

4.3 電化學(xué)指紋圖譜有待完善

中藥指紋圖譜是以系統(tǒng)的化學(xué)成分研究和藥理學(xué)研究為基礎(chǔ)，采用一定的分析手段將中藥的特征和有效成分以圖譜的形式描繪出來，以全面反映中藥所含化學(xué)成分的種類和數(shù)量進(jìn)而識(shí)別真?zhèn)惟p辨認(rèn)優(yōu)劣﹑確定其質(zhì)量和療效。但在實(shí)際應(yīng)用中中藥指紋圖譜還面臨許多問題：

(1)藥材生產(chǎn)供應(yīng)﹑流通領(lǐng)域的混亂對(duì)指紋圖譜的研究是不利的，用多種來源的藥材很難制訂穩(wěn)定的指紋圖譜。若維C銀翹片要制訂指紋圖譜，其所用的藥材均應(yīng)固定品種﹑藥用部位﹑產(chǎn)地﹑采收期﹑產(chǎn)地加工和炮制方法等，照目前的情況是難以達(dá)到要求的。

(2)是從藥材提取分離到分析檢測全過程的標(biāo)準(zhǔn)化﹑規(guī)范化程度不夠，影響實(shí)驗(yàn)室之間的重現(xiàn)性。除中藥注射劑外，大部分的中藥制劑生產(chǎn)工藝簡單粗糙，雜質(zhì)較多，既難以保證產(chǎn)品的穩(wěn)定，更無法提供高的質(zhì)量。同時(shí)，同一產(chǎn)品不同生產(chǎn)廠家的工藝不同，指紋圖譜亦有差別，故難免有突出某個(gè)廠家的產(chǎn)品特征之嫌。

(3)對(duì)于制訂中藥制劑的指紋圖譜來說，要求研究技術(shù)人員不但需要豐富的分析技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，而且須熟悉掌握產(chǎn)品的提取，制劑等工藝。

5 結(jié)語

運(yùn)用多元指紋圖譜分析技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中成藥材產(chǎn)地和栽培、采收的監(jiān)控，以保證藥材的穩(wěn)定，并通過對(duì)中成藥成分的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對(duì)制藥過程的分析和控制，確保中成藥的藥效。我國指紋圖譜應(yīng)用示范研究提出了化學(xué)指紋圖譜相似度概念，在國際上率先建立了指紋圖譜相似度測量方法科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)。它在指紋圖譜整體相似度計(jì)算、相似性比較鑒別、基于信息融合的多元指紋圖譜相似性計(jì)算等指紋圖譜計(jì)算分析技術(shù)方面取得了突破。

中藥以其毒副作用小，臨床療效好，治標(biāo)治本，綠色環(huán)保的特點(diǎn)深受重視，在世界范圍內(nèi)也越來越多地得到應(yīng)用。中藥市場潛力巨大，國際市場不可限量，質(zhì)量控制體系是重中之重，為中藥建立新型的準(zhǔn)確、快速、方便的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，必然推動(dòng)中藥在國際市場的發(fā)展，帶來巨大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

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