陳超，王淑美，梁生旺

廣東藥學(xué)院中藥學(xué)院 (廣州 510006)

本院《中藥分析專論》課程開課對象主要面向中藥學(xué)及相關(guān)專業(yè)的全日制碩士研究生，旨在培養(yǎng)他們通過本課程的學(xué)習(xí)，能掌握中藥分析的特點、基本原理、相關(guān)技術(shù)的進展、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定的方法和程序、中藥質(zhì)量評價方法和手段，以及中藥分析的發(fā)展趨勢，為今后從事中藥質(zhì)量分析和質(zhì)量評價等研究工作打下基礎(chǔ)。該課程教學(xué)主要內(nèi)容包括：中藥分析概論、中藥分析的新技術(shù)和新方法、中藥在線分析、生物中藥分析、中藥質(zhì)量綜合評價、中藥質(zhì)量控制等。

眾所周知，人們的保健意識隨著生活水平的提高日益增強，天然藥物也逐漸大行其道，中藥現(xiàn)代化和國際化正面臨著有史以來最好的機遇與挑戰(zhàn)[1]。目前，中藥普遍存在藥效物質(zhì)不明、作用機理不清、質(zhì)量可控性差等問題，而要打破此現(xiàn)狀，必然離不開先進分析儀器和分析技術(shù)的引入和發(fā)展。此為中藥研究帶來了有利的方法和技術(shù)手段，但同時也造成了海量的數(shù)據(jù)信息需要處理。沿用經(jīng)典的數(shù)據(jù)處理方法完全不能滿足需要，而伴隨計算機軟、硬件的高速發(fā)展，過去許多無法使用的復(fù)雜數(shù)學(xué)方法可以在計算機上輕松實現(xiàn)，因此依賴計算機快速處理的化學(xué)計量學(xué)方法非常適合于中藥復(fù)雜體系研究中大量數(shù)據(jù)信息的有效提取，將化學(xué)計量學(xué)引入中藥復(fù)雜體系研究可以發(fā)揮重要作用，也為中藥的進一步研究提供了新的思路、方法和手段[2]。筆者在給研究生開設(shè)《中藥分析專論》課程中，一方面注重講解中藥分析的新技術(shù)和新方法，另一方面也非常重視化學(xué)計量學(xué)相關(guān)內(nèi)容的講授，對于中藥分析的數(shù)據(jù)處理和信息挖掘具有重要意義。

1 課程開設(shè)的必要性

化學(xué)計量學(xué)(Chemometrics)是運用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、計算機科學(xué)以及其他相關(guān)學(xué)科的理論與方法，優(yōu)化化學(xué)量測過程，并從化學(xué)量測數(shù)據(jù)中最大限度地提取有用的化學(xué)信息。國際化學(xué)計量學(xué)學(xué)會(ICS)對化學(xué)計量學(xué)的學(xué)科內(nèi)涵給出了明確定義：“化學(xué)計量學(xué)是一門通過統(tǒng)計學(xué)或數(shù)學(xué)方法將對化學(xué)體系的測量值與體系的狀態(tài)之間建立聯(lián)系的學(xué)科”。

化學(xué)計量學(xué)為化學(xué)量測提供理論和方法，它涵蓋了化學(xué)測量的全過程，包括采樣理論與方法、試驗設(shè)計與化學(xué)化工過程優(yōu)化控制、化學(xué)信號處理、分析信號的校正與分辨、化學(xué)模式識別、化學(xué)過程和化學(xué)量測過程的計算機模擬、化學(xué)定量構(gòu)效關(guān)系、化學(xué)數(shù)據(jù)庫、人工智能與化學(xué)專家系統(tǒng)等，是一門內(nèi)涵相當(dāng)豐富的化學(xué)學(xué)科分支[3- 4]。

中藥的化學(xué)組成多元化，而又具有多靶點作用機制特征，是一個具有大量非線性、多變量、變量相關(guān)等數(shù)據(jù)特征的復(fù)雜體系，不能用某一種成分或一項指標(biāo)衡量其內(nèi)在質(zhì)量；迫切需要將化學(xué)計量學(xué)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)引入到中藥復(fù)雜體系研究領(lǐng)域，以揭示中藥的物質(zhì)基礎(chǔ)，并制定科學(xué)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

2 化學(xué)計量學(xué)在中藥分析中的應(yīng)用

1980年代以來，我國的化學(xué)計量學(xué)研究得到了飛速發(fā)展，各種新的算法層出不窮，基礎(chǔ)及應(yīng)用研究取得了長足進展，迅速成為化學(xué)與分析化學(xué)發(fā)展的重要前沿領(lǐng)域，與此同時在中藥研究領(lǐng)域也得到了較為廣泛和成功的應(yīng)用。

2.1 試驗設(shè)計

方案設(shè)計是進行實驗前的首要步驟，即先要弄清影響實驗結(jié)果的因素和這些因素的設(shè)定水平，然后在最優(yōu)化的因素和水平下獲得理想的實驗結(jié)果。改變單因素方法是最常用的一種方法，即每次只改變一個實驗因素，其它因素固定不變，以確定此因素的最佳水平。因為該方法簡單、易行，在很多情況下可以得到比較滿意的結(jié)果。但是，應(yīng)用該方法必須滿足一個前提，即各因素之間是彼此不相關(guān)的，否則可能獲得的最佳實驗條件是偏離實際的。另外，應(yīng)用該方法往往需進行很多次實驗才能找到最佳條件。因此，化學(xué)計量學(xué)研究給出了許多種優(yōu)化的試驗設(shè)計方案，如正交設(shè)計、均勻設(shè)計、單純形法和響應(yīng)曲面法，借助它們可以以較少的實驗次數(shù)快速獲得最佳實驗條件，被廣泛應(yīng)用于中藥分析中各種環(huán)節(jié)的條件優(yōu)化，如提取[5]、制劑工藝[6]、配伍研究[7]等。

2.2 信號濾噪

分析測試的信號受到誤差影響。如果是系統(tǒng)誤差，可以用空白校正的方法予以消除；但有些誤差是隨機的，如白噪聲，則不可以通過空白校正消除。中藥所含化學(xué)成分復(fù)雜，數(shù)目達到幾十、上百種，但是對應(yīng)成分的含量，尤其是有效物質(zhì)的含量一般不高，所以產(chǎn)生的有用分析信號較弱，可能會被隨機噪聲淹沒，從而對該物質(zhì)的準(zhǔn)確定量造成干擾?；瘜W(xué)計量學(xué)研究認(rèn)為，噪聲雖然是隨機的，但從概率論的角度來看，它們的分布仍然是有一定規(guī)律的，由此開發(fā)出了一系列消除隨機噪聲、提高信噪比的方法，即通常所說的數(shù)據(jù)平滑方法，如移動窗口平滑法、Savitzky-Golay多項式平滑法等。此外，快速傅立葉變換法，尤其是小波(包)變換法也廣泛地用于信號的平滑濾噪，如中藥指紋圖譜的基線[8]及保留時間[9]校正等。

2.3 多元校正與分辨

校正是分析化學(xué)的最基本手段，經(jīng)典的校正方法是基于單個測量值，如固定波長下的吸光度，與分析體系中某一待測組分含量之間的對應(yīng)關(guān)系，基于瑯勃-比爾的光吸收定律，建立線性的關(guān)系模型，即為一元線性回歸。而在中藥等多組分復(fù)雜體系的分析中，由于組分信號間的重疊致使無法找到單個測量值與某一個組分之間的對應(yīng)關(guān)系。此時，就需要用到多元校正與分辨方法，即同時考慮多個測量值與多個組分含量之間的對應(yīng)關(guān)系，如多元線性回歸、因子分析、主成分回歸、偏最小二乘法等。中南大學(xué)梁逸曾教授課題組采用色譜聯(lián)用技術(shù)，結(jié)合多元校正與分辨方法，對復(fù)雜中藥體系的色譜指紋圖譜進行研究，特別是對氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀所產(chǎn)生的二維數(shù)據(jù)的定性定量分析取得很好結(jié)果。他們發(fā)展了交替移動窗口因子分析法(Alternative Moving Window Factor Analysis，AMWFA)[10]，可方便地對不同樣本的共有化合物進行比較分析，并半自動地獲得相應(yīng)的共有化合物的純質(zhì)譜或純光譜，以便對這些共有組分進行準(zhǔn)確定性與定量。該方法已被成功地用于鐵線蓮、陳皮、杜鵑花等的GC-MS指紋圖譜的比較分析[11-13]。

2.4 模式識別

模式識別方法實質(zhì)上屬于多元分析方法，而且在現(xiàn)實世界中時時處處都在使用，如人們?nèi)庋蹍^(qū)分物體、中醫(yī)舌診和把脈、化學(xué)家解析波譜等。在低維空間研究者很容易識別，但是在高維空間則必須借助數(shù)學(xué)處理才能準(zhǔn)確區(qū)分不同的模式?；瘜W(xué)計量學(xué)研究中的模式識別方法即是借助計算機來處理高維數(shù)據(jù)的多元分析方法，以揭示隱含于數(shù)據(jù)內(nèi)部的規(guī)律。模式識別方法可分為有監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)。有監(jiān)督學(xué)習(xí)需要有一組訓(xùn)練集，包含分屬不同模式的樣本數(shù)據(jù)，然后由計算機訓(xùn)練找出區(qū)分不同模式的規(guī)律，之后就可以據(jù)此預(yù)測未知樣本所屬的模式。有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法包括判別分析、SIMCA方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等；無監(jiān)督學(xué)習(xí)包括最小生成樹、聚類分析、主成分分析等。如張亮等[14]采用RP-HPLC法測定了六味地黃丸缺味藥模擬方的浸出物，采用Bayes判別分析法取得了令人滿意的識別效果；張錄達等[15]測定了中藥大黃樣品的近紅外光譜數(shù)據(jù)，采用支持向量機建立了大黃真?zhèn)螛悠返淖R別模型，識別率高達100%；張銘光等[16]測定了廣藿香的色譜指紋圖譜，采用聚類分析總結(jié)出樣品間相關(guān)系數(shù)與產(chǎn)地的關(guān)系；徐永群等[17]測量了黃芩的紅外光譜數(shù)據(jù)，采用主成分分析對不同產(chǎn)地的黃芩樣品進行了分類；吳偉建等[18]測定了不同來源的海龍樣品乙醇提取物，通過聚類、主成分和判別分析建立了海龍乙醇提取物的紅外光譜指紋圖譜，并實現(xiàn)了不同種類海龍的快速鑒別。

2.5 組效關(guān)系

現(xiàn)代藥理學(xué)研究已初步證明，中藥復(fù)方藥效的發(fā)揮并非是簡單的單味藥效相加或毒性相減，而是方中藥物之間所發(fā)生的協(xié)同、拮抗或改性等整體作用的結(jié)果。中藥組效關(guān)系研究旨在闡明中藥各組分之間的復(fù)雜性和關(guān)聯(lián)性，通過研究中藥各化學(xué)成分和藥效作用變化之間的關(guān)系，解析中藥的物質(zhì)基礎(chǔ)和作用機制，為中藥的質(zhì)量評價和復(fù)方設(shè)計等提供參考。中藥的組分信息可以利用光譜、色譜、質(zhì)譜聯(lián)用等分析技術(shù)獲得，其療效信息可以利用整體動物或細(xì)胞等藥理實驗獲得，而中藥組效關(guān)系研究即是挖掘和表征隱含于以上二維信息之間的函數(shù)關(guān)系，從中發(fā)現(xiàn)影響中藥療效的關(guān)鍵組分，或稱之為有效組分。究其實質(zhì)，中藥組效關(guān)系研究屬于多元回歸分析，因此多元線性回歸、逐步回歸、變量相關(guān)分析等方法被廣泛地用于中藥組效關(guān)系的表征[19]?？紤]到中藥多組分、多靶點、非線性作用等特點，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量回歸機等非線性方法在中藥組效關(guān)系研究中更加受到關(guān)注。如趙筱萍等[20]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立川芎各化學(xué)組分與藥效檢測指標(biāo)間的非線性映射關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在訓(xùn)練誤差、預(yù)測誤差以及相關(guān)系數(shù)等方面均明顯優(yōu)于主成分回歸、偏最小二乘回歸等線性方法；陳超等[21,22]用HPLC法測定了復(fù)方腦得生不同提取部位及組合部位，采用支持向量回歸機和主成分回歸，建立了圖譜峰面積和多源信息與血小板聚集、凝血時間等藥理數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，取得了很好的建模效果。

3 小結(jié)

中藥是十分復(fù)雜的化學(xué)量測體系，隨著先進分析儀器與技術(shù)的應(yīng)用，其“粗、大、黑”的特點有望得到根本改變，有效物質(zhì)和作用機制也正在逐漸闡明。隨著化學(xué)計量學(xué)理論和方法的不斷深入發(fā)展，其在中藥研究中的應(yīng)用必將越來越廣泛。在給中藥學(xué)專業(yè)研究生開設(shè)《中藥分析專論》課程中，新型的分析技術(shù)和方法無疑是課程講授的重點，如色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、近紅外光譜在線分析技術(shù)、代謝組學(xué)分析技術(shù)、藥效指紋圖譜技術(shù)等，但伴隨這些新儀器和新方法產(chǎn)生的海量量測數(shù)據(jù)的信息挖掘技術(shù)，即化學(xué)計量學(xué)研究的主要內(nèi)容和方法也應(yīng)該得到足夠的重視，此對拓寬學(xué)生的知識面、加強培養(yǎng)他們的數(shù)據(jù)解析能力具有重要的理論意義和現(xiàn)實價值。

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