黃必勝，明 晶，陳科力

(湖北中醫(yī)藥大學(xué) 教育部中藥資源和中藥復(fù)方重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430065)

X射線衍射指紋圖譜在礦物藥中的研究進(jìn)展

黃必勝，明 晶，陳科力*

(湖北中醫(yī)藥大學(xué) 教育部中藥資源和中藥復(fù)方重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430065)

通過查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)資料，綜述了X射線衍射(XRD)指紋圖譜在礦物類中藥中的研究及應(yīng)用，總結(jié)了在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題，提出了相應(yīng)的解決辦法，并對其應(yīng)用前景做出了展望.

X射線衍射；指紋圖譜；礦物藥

礦物類中藥是中藥的一個重要組成部分.由于礦物藥的外部形態(tài)特征相似度較高，其伴生的礦物種類多，因此，市場上的混淆品和偽劣品較多，與動、植物類中藥相比，其鑒定難度更大.尤其對于具有不同來源的同種礦物藥，更是難以通過傳統(tǒng)的性狀鑒別、理化鑒別等手段準(zhǔn)確鑒別[1]，如爐甘石、金礞石等.礦物類中藥多炮制后入藥，其炮制前后化學(xué)成分及含量的變化，目前缺少相應(yīng)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn).X射線衍射(XRD)技術(shù)是一種針對固體粉末樣品測試的現(xiàn)代分析方法[2-5]，將礦物藥樣品制成粉末進(jìn)行X射線照射可得到XRD圖譜.XRD圖譜中衍射的晶面間距與相對強(qiáng)度能反映物質(zhì)的固有屬性，從而使XRD圖譜特征具有指紋特性[6]，XRD指紋圖譜具有重現(xiàn)性好、專屬性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7]，因此，在礦物藥的鑒別和質(zhì)量評價中具有獨(dú)特的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景.

1 X射線衍射技術(shù)原理及建立指紋圖譜依據(jù)

當(dāng)某一晶體物質(zhì)被X射線照射時，可產(chǎn)生不同程度的衍射現(xiàn)象，該衍射現(xiàn)象與物質(zhì)的組成、晶型、分子成鍵方式、分子構(gòu)型等密切相關(guān).利用這種衍射現(xiàn)象對物質(zhì)進(jìn)行分析的方法稱為X射線衍射分析法，分為單晶X射線衍射法與多晶X射線衍射法[2].

單晶X射線衍射法常用于解析物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu).該法能獲取晶胞的空間群、晶胞常數(shù)和一套晶胞中每個原子位置的參數(shù).從結(jié)構(gòu)分析結(jié)果看，可以很容易得到鍵長、鍵角、配位數(shù)等晶體化學(xué)數(shù)據(jù).多晶X射線衍射法又稱粉末X射線衍射法，如果某物質(zhì)是一混合物，X射線衍射圖就是混合物各組分衍射效應(yīng)的疊加，只要這一混合物的物質(zhì)組成是恒定的，其衍射圖譜可以作為該混合物的特征圖譜[8].

由于不同礦物藥的組成成分各不相同，其X射線衍射的峰及其相對應(yīng)的峰強(qiáng)度具有明顯差異并較固定，故每種礦物藥都應(yīng)有反映其各自組分特征的XRD圖譜.從每種礦物類中藥不同樣品的圖譜中尋找共有特征峰，提取特征信息(峰位、晶面間距、峰強(qiáng)度等)，并借鑒中藥指紋圖譜技術(shù)[9]，由此可建立礦物藥XRD指紋圖譜分析方法，用于礦物藥的鑒定與質(zhì)量分析.

2 X射線衍射指紋圖譜在礦物藥中的應(yīng)用現(xiàn)狀

利用XRD指紋圖譜分析方法可實(shí)現(xiàn)對礦物藥的真?zhèn)舞b別，且可快速區(qū)分生品、炮制品以及易混淆品.通過對指紋圖譜進(jìn)行物相解析和檢索，還可確定礦物藥主要組成成分.目前已建立XRD指紋圖譜分析方法的礦物藥有十余種，詳細(xì)信息見表1.

李祥等[10]建立了石膏的XRD指紋圖譜，為中藥石膏與類似含鈣礦物藥(寒水石、玄精石、紫石英)、化學(xué)試劑硫酸鈣及非纖維狀石膏的區(qū)分提供了較為可靠的鑒別方法.何立巍等[12]通過建立XRD指紋圖譜，對花蕊石和其它含鈣礦物藥加以區(qū)別.傅興圣等[13]建立了磁石的XRD指紋圖譜，同時對圖譜進(jìn)行了物相解析，得知磁石的主要物相為Fe3O4和SiO2.楊歡等[16]建立了禹余糧的XRD指紋圖譜，并通過物相解析和檢索，得知了禹余糧的主要物相組成為石英、針鐵礦和高嶺石.韓墨等[18]通過建立XRD指紋圖譜對雄黃和雌黃進(jìn)行了鑒別.XRD指紋圖譜還可用來鑒定礦物藥的生品與煅品.雷雨等[22]建立了自然銅炮制前后XRD指紋圖譜，給自然銅生、煅品的區(qū)分提供了較為可靠的鑒別方法.劉圣金等[17]建立了青礞石的XRD指紋圖譜，并發(fā)現(xiàn)炮制前后青礞石的XRD圖譜具有明顯差異，由此推測青礞石炮制前后物相發(fā)生了變化.此外，熊南燕等[21]通過考察三種不同性狀的赭石XRD圖譜，發(fā)現(xiàn)由于不同性狀赭石中三氧化二鐵(Fe2O3)在含量上具有差異，導(dǎo)致礦物藥赭石的XRD圖譜具有特定的起伏，從而建立了三種性狀赭石的XRD指紋圖譜.這表明了XRD指紋圖譜不僅可以用于鑒別不同種礦物藥，還可用來鑒別不同性狀的同種礦物藥.

3 用于礦物藥XRD指紋圖譜分析的化學(xué)計量學(xué)方法

化學(xué)計量學(xué)作為一門新興的化學(xué)分支學(xué)科，它運(yùn)用化學(xué)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、計算機(jī)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)測量過程，通過解析化學(xué)測量數(shù)據(jù)，最大限度地獲取有關(guān)物質(zhì)的化學(xué)信息及其他信息，對于闡明物質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)之間的復(fù)雜關(guān)系有著重要意義[7].在應(yīng)用指紋圖譜對中藥進(jìn)行鑒別和質(zhì)量研究時，必然會遇到指紋圖譜的分析和評價的問題，運(yùn)用化學(xué)計量學(xué)方法能夠很好地解決這類問題.目前用于礦物藥XRD指紋圖譜鑒別的數(shù)字計算方法主要有相似度評價、模糊聚類法，亦有研究者對圖譜做主成分分析.

3.1 相似度評價

相似度作為數(shù)字信號科學(xué)中的一個定量定性參數(shù),已被國家藥典委員會確定為中藥指紋圖譜標(biāo)準(zhǔn)中的一項(xiàng)重要評價指標(biāo),目前被應(yīng)用于中藥注射劑及色譜類指紋圖譜的研究[24].相似度的評價方法主要有峰重疊率法(Nei系數(shù)法)[25]、相關(guān)系數(shù)法、距離系數(shù)法[26]、向量夾角余弦法[27]和峰重疊率與共有峰強(qiáng)度結(jié)合法(改進(jìn)的Nei系數(shù)法)[28]等方法.在實(shí)際應(yīng)用中，針對不同的問題選用合適的計算方法.目前，XRD指紋圖譜相似度評價計算一般使用相關(guān)系數(shù)法或夾角余弦法，二者均可以反映指紋圖譜峰的數(shù)目、位置和面積的微小變化，量化表示指紋圖譜間的相似情況，衡量圖譜之間峰的比例的一致性[29]，相對于其他方法更適用于中藥品種的鑒定[30].初步建立礦物藥指紋圖譜后，通過計算相似度的方法可以評價指紋圖譜的指紋性強(qiáng)弱.一般認(rèn)為，相似度大于95%則可建立該礦物藥的指紋圖譜[10,12,13,17]，相似度越大，則建立的指紋圖譜可靠性越高.另外，相似度的大小還可作為礦物藥質(zhì)量的評價指標(biāo)，通過比較各樣品X射線衍射圖譜與指紋圖譜的相似度，可粗略判斷礦物藥樣品的質(zhì)量.

3.2 聚類分析法

目前，將聚類分析法應(yīng)用在中藥指紋圖譜方面的文獻(xiàn)報導(dǎo)并不多，該方法最開始應(yīng)用于中藥裂解氣相色譜指紋圖譜的研究.周敬泉等[31]為了尋求和評價不同產(chǎn)地中藥裂解氣相色譜圖之間的相似關(guān)系和差異程度，建立指紋圖譜，選取了10個郁金樣品的裂解氣相色譜圖，提取圖譜中反映不同樣本在化學(xué)成分和含量上有差異的信息特征，采用模糊聚類6種不同分析法在16個峰參數(shù)上進(jìn)行分類，得到簡潔明了的模糊聚類圖.實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了圖譜之間的相似關(guān)系，并能快速準(zhǔn)確地選出具有代表性的圖譜.礦物藥XRD指紋圖譜具有復(fù)雜性、整體性和模糊性的特點(diǎn)，且對于圖譜中的各峰并不要求解析所有物相,也不需要對物相組成清楚地定量，故將模糊聚類法應(yīng)用于礦物藥XRD指紋圖譜的分析中合理且可行.傅興圣等[13]首次將模糊聚類法應(yīng)用于礦物藥磁石的XRD指紋圖譜研究中，得到了磁石的XRD指紋圖譜聚類分析圖，但未對分析結(jié)果做出評價或討論.楊歡[16]等在建立禹余糧XRD指紋圖譜時，采用SPSS 16. 0軟件對其做了模糊聚類法分析，得到不同樣品禹余糧的聚類分析圖.研究表明，聚類分析可以有效地將物相組成比例不同的禹余糧樣品區(qū)分開來，相似度評價結(jié)合聚類分析法可用于禹余糧的質(zhì)量控制.

3.3 主成分分析法

除了相似度評價與聚類分析法外，楊歡等[16]還選取了礦物藥禹余糧的XRD圖譜15個共有峰，對其做主成分分析，結(jié)果顯示，石英和堿式氧化鐵的特征峰與禹余糧樣品高度相關(guān)，與物相分析的結(jié)果一致，石英和堿式氧化鐵為禹余糧的主要礦物組成.主成分分析是一種常用的提取光譜特征信息的方法，利用方差最大原則，對原始光譜數(shù)據(jù)所包含的多個自變量進(jìn)行線性擬合，以新的低維變量代替原始高維變量，進(jìn)而達(dá)到數(shù)據(jù)降維的目的[32].運(yùn)用主成分分析法對礦物藥XRD指紋圖譜特征峰進(jìn)行分析，將分析得到的主成分與物相解析結(jié)果對比，可較準(zhǔn)確地得到該藥材的主要礦物組成.

4 礦物藥XRD指紋圖譜應(yīng)用的局限性及解決辦法

XRD指紋圖譜也具有一定的局限性.房方等[20,21]建立鐘乳石和紫石英的XRD指紋圖譜，同時指出，對于鐘乳石、方解石和南寒水石，由于其主要化學(xué)成分均為CaCO3，XRD圖譜相似度極高，故無法簡單利用XRD指紋圖譜將其準(zhǔn)確區(qū)分.該實(shí)驗(yàn)表明，利用XRD指紋圖譜可以很好的區(qū)分含有不同化學(xué)成分的礦物藥，而對于主成分相同的礦物中藥，XRD指紋圖譜有時并不能將它們準(zhǔn)確區(qū)分，即XRD指紋圖譜僅具有相對的專屬性.對于這種情況，可將XRD指紋圖譜與其他現(xiàn)代分析技術(shù)(近紅外光譜[33]、拉曼光譜[34]等)結(jié)合分析，綜合多種光譜信息指導(dǎo)鑒別.

此外，運(yùn)用XRD指紋圖譜分析基源不唯一或尚存爭議的礦物藥時,常常遇到一些問題.對于基源不唯一的礦物藥，如爐甘石[35]，盡管其藥材名相同，但來源不同的同種藥材其礦物組成和含量可能存在較大差異，這便導(dǎo)致XRD圖譜中峰的位置和強(qiáng)度并不一致，故無法建立該礦物藥整體的指紋圖譜.對于這類基源不唯一的礦物藥，可以試圖分別建立來源不同的同種礦物藥的XRD指紋圖譜，這樣既可達(dá)到鑒別這種礦物藥的目的，還可確定其來源.對于基原尚存爭議的礦物藥，如寒水石、金礞石[36]、陰起石及陽起石等，需首先對其進(jìn)行本草考證，并廣泛采集不同產(chǎn)地的樣品，掃描X射線衍射得到圖譜并分析物相，將本草考證結(jié)果與樣品性狀、衍射圖譜結(jié)合對比分析，確定其基源，最后建立該礦物藥XRD指紋圖譜.大部分礦物藥均為無機(jī)物，具有良好的晶型，XRD圖譜有尖銳的峰，然而對于主要成分為有機(jī)物的礦物藥，如琥珀、松香等，由于有機(jī)物的結(jié)晶多為低級晶系，且有機(jī)成分繁多，XRD圖譜峰重疊成一寬峰且彌散嚴(yán)重，這也是研究中草藥XRD指紋圖譜時遇到的主要問題之一，需借助一些新的處理方法來描述圖譜之間的相似程度，發(fā)現(xiàn)圖譜間的微小差異.高夏紅[8]在研究中草藥指紋圖譜方法學(xué)時，采用了數(shù)字分峰技術(shù)以及全譜數(shù)字化擬合技術(shù)鑒別了野生和栽培天麻，解決了某些植物類中藥XRD圖譜彌散寬峰的解析問題.數(shù)字分峰技術(shù)是一種精確的數(shù)學(xué)擬合方法,它可以從整體疊加圖譜中獲得各單因素的特征信息.該技術(shù)為本課題組提供了一種新的思路，嘗試將該技術(shù)運(yùn)用于建立主成分為有機(jī)物的礦物藥XRD指紋圖譜中，從而解決圖譜峰重疊且彌散的問題.

5 總結(jié)與展望

XRD指紋圖譜能夠很好地反映礦物藥的整體內(nèi)在特征，且具有指紋性強(qiáng)、專屬性好、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn).多位研究者建立礦物藥XRD指紋圖譜分析方法，用以區(qū)分礦物藥的真?zhèn)蝺?yōu)劣，取得了良好的效果.通過將礦物藥樣品XRD圖譜與優(yōu)質(zhì)品指紋圖譜比較，進(jìn)行相似度分析，相似度的大小即可代表該樣品的質(zhì)量好壞，由此可實(shí)現(xiàn)對礦物藥的質(zhì)量評價與控制.XRD指紋圖譜分析法在礦物藥鑒別和質(zhì)控方面具有廣闊的應(yīng)用前景.

然而，目前礦物藥XRD指紋圖譜的研究并不成熟，已建立的指紋圖譜分析方法尚存不足之處.對于XRD圖譜效果不好或一致性較差的礦物藥，仍須探索新的化學(xué)計量學(xué)方法對圖譜進(jìn)行處理，得到更好的圖譜效果.此外，尚有多種礦物藥在此方面未見研究報道，有待加強(qiáng).借鑒建立中藥XRD指紋圖譜數(shù)據(jù)庫[8]的思想，將礦物藥XRD指紋圖譜與計算機(jī)技術(shù)結(jié)合，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，這將為今后礦物藥的鑒別提供更加方便快捷、準(zhǔn)確可靠的方法，真正實(shí)現(xiàn)對礦物藥質(zhì)量整體的評價和控制，保證臨床用藥安全有效.

[1] 袁明洋,陳科力,黃必勝.礦物藥鑒別方法研究進(jìn)展[J].中國藥師,2014,17(7):1220-1224.

[2] 李樹棠.晶體X射線衍射學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1990:131-148.

[3] 黃勝濤.固體X射線學(xué)(一) [M].北京：高等教育出版社，1985:197-224.

[4] Harold P Klug,Leory E Alexander.X-ray diffraction procedures for polycrystalline and amorphous materials [M]. Wiley: Interscience Publication, 1974:505-553.

[5] 楊建華.中藥XRD二階指紋圖譜方法學(xué)研究[D].成都:四川大學(xué),2006.

[6] 王麗娟,劉訓(xùn)紅,丁玉華,等.麋鹿角的X射線衍射Fourier指紋圖譜研究[J].中藥材,2009,32(5):667-669.

[7] 王志軍.中藥指紋圖譜建立方法的研究及化學(xué)計量學(xué)的應(yīng)用[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.

[8] 高夏紅.中草藥XRD指紋圖譜方法學(xué)研究及中藥XRD指紋圖譜數(shù)據(jù)庫建立[D].成都:四川大學(xué),2005.

[9] 李 強(qiáng),杜思邈,張忠亮,等.中藥指紋圖譜技術(shù)進(jìn)展及未來發(fā)展方向展望[J].中草藥,2013,44(22):3095-3104.

[10] 李 祥,李 凡,劉元芬,等.中藥石膏X射線衍射分析及指紋圖譜的確定[J].世界中西醫(yī)結(jié)合雜志,2006,1(2):158-162.

[11] 李春來,李俊松,劉 丹,等.赭石炮制品X射線衍射分析及指紋圖譜的建立[J].中草藥,2011,42(4):701-703.

[12] 何立魏,李 祥,高錦飚,等.中藥花蕊石的X-射線指紋圖譜研究[J].現(xiàn)代中藥研究與實(shí)踐,2008,22(6):25-27.

[13] 傅興圣,劉訓(xùn)紅,林瑞超,等.磁石的X射線衍射Fourier指紋圖譜研究[J].中成藥,2011,33(10):1652-1657.

[14] 趙 翠,張 倩,周 平,等.煅硼砂X射線衍射指紋圖譜研究[J].中華中醫(yī)藥雜志,2012,27(1):204-206.

[15] 游 宇,傅超美,陳秋薇,等.建立玄明粉的X-射線衍射指紋圖譜[J].中國實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志,2013,19(16):145-146.

[16] 楊 歡,劉圣金,吳德康,等.礦物藥禹余糧X射線衍射Fourier指紋圖譜研究[J]. 藥物分析雜志,2014,34(12):2171-2180.

[17] 劉圣金,吳德康,林瑞超,等.礦物類中藥青礞石的XRD Fourier指紋圖譜研究[J].中國中藥雜志,2011, 36(18):2498-2502.

[18] 韓 墨,盛振華,鐘曉明.礦石類中藥雄黃和雌黃XRD指紋圖譜分析[J].浙江中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報,2010,34(2):271-272.

[19] 房 方,李 祥,劉圣金,等.礦物中藥鐘乳石的X射線衍射Fourier指紋圖譜[J].光譜實(shí)驗(yàn)室,2013,30(5):2586-2589.

[20] 房 方,李 祥,陳建偉,等.中藥紫石英X-衍射Fourier指紋圖譜鑒別研究[J].藥物分析雜志,2011,31(8):1589-1592.

[21] 熊南燕,姜 燕,王永艷,等.三種性狀礦物藥赭石指紋圖譜研究[J].中藥材,2008,31(1):36-38.

[22] 雷 雨,李偉東,李俊松,等.自然銅炮制前后X射線衍射指紋圖譜研究[J].中國中藥雜志,2010,35(19):2561-2564.

[23] 呂 芳,萬 麗,董 芳,等.礦物藥玄精石的 X 射線衍射鑒定研究[J].中藥與臨床,2010,1(2):27-28.

[24] 李宗孝,原春蘭,聶 菲.中藥指紋圖譜的研究重點(diǎn)與難點(diǎn)[J].現(xiàn)代中藥研究與實(shí)踐,2003,17(4):12-14.

[25] 張 聰,王智華,金德莊.中國紅參與高麗紅參的指紋譜(HPLC-FPS)比較研究[J].中成藥,2001,23(3):160-163.

[26] 倪力軍,李 鵬,鄭 榮,等,丹參提取物紅外指紋圖譜間相似度的定量分析[J].中成藥,2002,24(2):79-82.

[27] 王龍星,肖紅斌,梁鑫淼,等.一種評價中藥色譜指紋譜相似性的新方法:向量夾角法[J].藥學(xué)學(xué)報,2002,37(9):713-717.

[28] 孟慶華,劉永鎖,王健松,等.色譜指紋圖譜相似度的新算法及其應(yīng)用[J].中成藥,2003,25(1):4-8.

[29] 詹雪艷,史新元,段天璇,等.色譜指紋圖譜相似度方法的研究進(jìn)展[J].中國實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志,2011,17(2):248-251.

[30] 聶 磊,曹 進(jìn),劉國安,等.中藥指紋圖譜相似度評價方法的比較[J].中成藥,2005,27(3):249-252.

[31] 周敬泉,顏春蘭,袁 鵬,等.用模糊聚類法研究中藥成分特征譜[J].控制理論與應(yīng)用,2004, 21(4):569-573.

[32] 袁玉峰,陶站華,劉軍賢,等.紅外光譜結(jié)合主成分分析鑒別不同產(chǎn)地黃柏[J].光譜學(xué)與光譜分析,2011,31(5):1258-1260.

[33] 袁明洋,黃必勝,余 馳,等.8種含碳酸鹽的礦物類中藥近紅外定性定量模型的建立[J].中國中藥雜志,2014,29(2):267-272.

[34] 李 寧,莊正飛,郭周義,等.拉曼光譜技術(shù)及其在中醫(yī)藥鑒定中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2012,29(1):3173-3176.

[35] 楊連菊,張志杰,李嬈嬈,等.基于物相與成分分析的中藥爐甘石基源研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2011,31(11):3092-3097.

[36] 王伯濤.金礞石本草考證[J].南京中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報,2011,27(4):312-316.

Research Progress in X-ray Diffraction Fingerprint
on Mineral Medicinal Materials

Huang Bisheng, Ming Jing, Chen Keli

(Key Laboratory of Traditional Chinese Medicine Resourceand Compound Prescription，Hubei University of Traditional Chinese Medicine，Wuhan 430065，China)

This paper deals with the study and application of X-ray diffraction (XRD) fingerprint on mineral medicinal materials by consulting related documents. Then, some practical problems in the application are summarized. In conclusion, solution methods and prospects have been put forward.

XRD；fingerprint；mineral medicinal materials

2015-09-02 * 通訊作者 陳科力(1947-)，男，教授，博導(dǎo)，研究方向：中藥資源及其品質(zhì)研究，E-mail：kelichen@126.com

黃必勝(1963-)，男，教授，博導(dǎo)，研究方向：中藥資源及其品質(zhì)研究，E-mail:hbsh1963@163.com

武漢市2012年高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃生物技術(shù)與新醫(yī)藥專項(xiàng)(20126053193)

R932

A

1672-4321(2015)04-0045-05