靳　然　趙百孝　于密密　郭洪祝　傅欣彤　陳有根

(1 中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院廣安門醫(yī)院南區(qū)，北京，102618； 2 北京中醫(yī)藥大學(xué)，北京,100029； 3 北京市藥品檢驗(yàn)所，北京，102206)

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艾燃燒生成物化學(xué)評(píng)價(jià)與控制模型建立探索性研究

靳然1趙百孝2于密密3郭洪祝3傅欣彤3陳有根3

(1 中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院廣安門醫(yī)院南區(qū)，北京，102618； 2 北京中醫(yī)藥大學(xué)，北京,100029； 3 北京市藥品檢驗(yàn)所，北京，102206)

目的:初步建立艾燃燒生成物化學(xué)評(píng)價(jià)與控制模型。方法:采用SPME-GC聯(lián)用技術(shù)對(duì)艾燃燒生成物進(jìn)行檢測(cè)，建立了艾燃燒生成物的指紋圖譜；運(yùn)用matlab數(shù)學(xué)軟件提取既有樣品艾煙氣相色譜圖的29個(gè)共有峰進(jìn)行聚類，繪制出艾煙特征曲線；運(yùn)用matlab數(shù)學(xué)軟件提取29個(gè)峰的信息進(jìn)行主成分分析。結(jié)果:艾燃燒生成物指紋圖譜和特征曲線2種方法計(jì)算得到的相似度結(jié)果相近，主成分分析中精細(xì)艾絨離聚類中心較遠(yuǎn)。結(jié)論:艾燃燒生成物指紋圖譜、特征曲線的測(cè)定及主成分分析可以將艾煙更全面的加以描述，可以進(jìn)一步綜合利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或遺傳算法將艾燃燒生成物的化學(xué)評(píng)價(jià)和控制模型進(jìn)行優(yōu)化。

艾燃燒生成物；化學(xué)評(píng)價(jià)與控制模型；特征曲線；主成份分析；指紋圖譜

艾灸療法是以艾絨為主要材料，點(diǎn)燃后在體表一定的部位進(jìn)行燒、灼、熏、熨，給人體以溫?zé)帷⑺幬锎碳ぷ饔?，以防治疾病的一種外治法。幾千年的臨床實(shí)踐證明其安全有效，但艾灸作用的效應(yīng)機(jī)制目前不完全清楚，一般認(rèn)為除溫?zé)?、光效?yīng)之外，艾絨燃燒生成的煙氣，可通過呼吸道及施灸部位作用于人體，起到一定的治療作用[1-3]。艾燃燒生成物是艾絨燃燒時(shí)生成的煙氣，文獻(xiàn)報(bào)道中有艾煙、艾灸生成物、艾燃煙、艾葉揮發(fā)性物質(zhì)等多種名稱。

艾燃燒生成物是艾灸療法起效的一個(gè)很重要的因素，所以對(duì)艾燃燒生成物即艾煙進(jìn)行系統(tǒng)研究尤為重要。艾煙的化學(xué)成分組成不但與其燃燒充分程度有關(guān)，還與艾絨質(zhì)量有關(guān)，如產(chǎn)地、存儲(chǔ)時(shí)間、制作比例等等。所以本研究收集大批量不同質(zhì)量的艾絨，采用SPME-GC聯(lián)用技術(shù)對(duì)艾燃燒生成物進(jìn)行檢測(cè)，建立艾燃燒生成物的指紋圖譜，并在此基礎(chǔ)上建立一個(gè)穩(wěn)定真實(shí)可靠的艾燃燒生成物的化學(xué)評(píng)價(jià)和控制模型。以期為艾灸診室空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)，為搭建艾灸臨床、科研的技術(shù)平臺(tái)和操作規(guī)范奠定基礎(chǔ)。

1　艾煙指紋圖譜研究

有關(guān)艾葉及艾煙的定性分析的文獻(xiàn)很多[4-11]，靳然等人[12-13]對(duì)艾葉及艾煙中的某幾個(gè)成分也進(jìn)行了定量測(cè)定，但是并不能反映艾煙的整體特征。中藥指紋圖譜[14]可以全面反映中藥所含內(nèi)在化學(xué)成分的種類與數(shù)量，為了將艾煙更全面的加以描述，進(jìn)行了艾煙指紋圖譜的研究。

1.1儀器與材料氣相色譜(GC，Agilent Technologies,6980N)，安捷倫毛細(xì)管柱(HP-5,30 m×0.32 mm×0.25 μm)。Supelco固相微萃取手柄，萃取頭型號(hào)包括75 μm Carboxen/PDMS。定制密閉玻璃儀器(18.5L)，頂蓋有小孔，配有橡膠塞。

2007年不同比例艾絨(3∶1、5∶1、8∶1、15∶1)、2008年不同比例艾絨(3∶1、5∶1、8∶1、15∶1)、2009年不同比例艾絨(3∶1、5∶1、8∶1、15∶1)，2010年3∶1艾絨、2011年3∶1艾絨，原料均為蘄艾，產(chǎn)于湖北省蘄春縣，采摘于端午前后，由湖北省蘄春縣李時(shí)珍醫(yī)藥工作辦公室提供，河南南陽漢醫(yī)艾絨廠加工。16個(gè)不同產(chǎn)地艾葉(湖北蘄春、湖北襄樊、北京、陜西、江西、山西、安徽、甘肅、河北、遼寧、黑龍江、河南浙川、河南桐柏、河南鄭州、河南固始、河南安陽)，均采摘于2010年端午節(jié)當(dāng)天(2010年6月16日)，由北京市藥品檢驗(yàn)所藥師鑒定為正品，由粉碎機(jī)加工成3∶1艾絨。市售艾絨：市售艾絨1(3∶1)，市售艾絨2(3∶1)，黃金艾絨1，黃金艾絨2，2003年12∶1艾絨，2005年5∶1艾絨，百笑灸艾絨，南陽陳艾條艾絨，蘇州艾條艾絨，同仁堂艾條艾絨，均購于市場(chǎng)。

1.2實(shí)驗(yàn)方法及條件

1.2.1樣品制備稱取樣品0.25 g，放在18.5L的密閉容器中點(diǎn)燃，燃盡后待艾煙充滿玻璃缸，將萃取頭插入密閉容器萃取30 min。把飽和的纖維頭在GC進(jìn)樣口解析3 min,然后進(jìn)行GC檢測(cè)。

1.2.2氣相色譜條件柱溫采取程序升溫，起始溫度為30 ℃，保持3 min；以2 ℃/min升至100 ℃，保持2 min；以4 ℃/min升至150 ℃，保持2 min；以8 ℃/min升至250 ℃，保持5 min。進(jìn)樣口溫度為220 ℃；檢測(cè)器溫度：250 ℃；分流進(jìn)樣,分流比10∶1。

1.2.3實(shí)驗(yàn)條件固相微萃取頭型號(hào)為75 μm Carboxen/PDMS；萃取時(shí)間30 min；解吸附溫度為220 ℃；解吸附時(shí)間定為3 min。

1.2.4方法學(xué)考察萃取頭在進(jìn)樣口解吸附后需再次萃取才可進(jìn)樣，所以精密度考察即重復(fù)性考察。分別取2009年3∶1艾絨0.2517、0.2518、0.2517、0.2519、0.2517、0.2518 g，按1.2.1方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行GC檢測(cè)。測(cè)得艾煙中苯甲醛、苯酚、鄰位甲酚、萘的含量RSD%分別為1.9%、0.8%、1.9%、1.8%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法重復(fù)性和精密度良好。

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果將各艾煙樣品色譜圖輸入中藥色譜指紋圖譜相似度評(píng)價(jià)系統(tǒng)(2004版)，生成共有指紋圖譜，相似度在88.7%～99.7%之間。艾煙指紋圖譜匹配圖見圖1。

中藥色譜指紋圖譜相似度評(píng)價(jià)系統(tǒng)是根據(jù)夾角余弦算法進(jìn)行相似度計(jì)算的[14]，有一定的局限性。在艾煙指紋圖譜基礎(chǔ)上，利用matlab數(shù)學(xué)軟件對(duì)色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，運(yùn)用K-means算法、主成分分析法等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析。

2　艾煙特征曲線研究

運(yùn)用matlab數(shù)學(xué)軟件提取既有樣品艾煙的氣相色譜圖的29個(gè)共有峰進(jìn)行聚類，并將4個(gè)偽品艾絨樣品艾煙和8個(gè)市售艾絨樣品艾煙與繪制的艾煙特征曲線進(jìn)行比較。

29個(gè)成分峰保留時(shí)間分別為：6.5 min，6.8 min，11.4 min(3-糠醛)，13.3 min，15.1 min，17.4 min(2(5H)呋喃酮)，20.7 min(苯甲醛)，21.2 min，22.6 min，23.0 min(苯酚)，23.3 min，25.9 min(D-檸檬烯)，28.3 min(鄰位甲酚)，28.7 min，29.9 min(對(duì)位甲酚)，30.5 min，30.8 min，34.1 min，35.0 min，36.9 min(萘)，37.3 min，37.9 min，40.9 min，43.6 min，46.2 min，47.8 min，48.8 min，51.3 min。

K-means算法是數(shù)據(jù)點(diǎn)到原型的某種距離作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，利用函數(shù)求極值的方法得到迭代運(yùn)算的調(diào)整規(guī)則[15]。K-means算法以歐氏距離作為相似度測(cè)度，采用誤差平方和準(zhǔn)則函數(shù)作為聚類準(zhǔn)則函數(shù)。使用艾煙指紋圖譜中所得色譜結(jié)果，運(yùn)用Matlab軟件利用K-means方法分析計(jì)算，得出艾煙特征曲線。見圖4。

圖1　艾煙指紋圖譜匹配圖

圖2　艾煙生成對(duì)照?qǐng)D譜

圖3　艾煙氣相總離子流圖

圖4　艾煙特征曲線

本實(shí)驗(yàn)通過corrcoef函數(shù)計(jì)算各樣品(包括4個(gè)偽品艾葉制作的艾絨)與艾煙特征曲線的相似度，并與中藥色譜指紋圖譜相似度評(píng)價(jià)系統(tǒng)(2004版)計(jì)算的相似度進(jìn)行比較。見表1。由表1可知，2種方法計(jì)算得到的相似度結(jié)果相近。用K-means方法計(jì)算相似度低于95%的樣品有2007年15∶1艾絨，2009年15∶1艾絨，黃金艾絨1和黃金艾絨2和蘇州艾條艾絨等5個(gè)樣品。其共同特點(diǎn)除了蘇州艾條艾絨外，其他艾絨樣品的加工比例都較高；而蘇州艾條艾絨大部分是葉梗，所含葉肉部分較少；黃金艾絨1為網(wǎng)購產(chǎn)品，其精度較高，肉眼觀察幾乎不含葉肉組織，但其他艾絨樣品均含墨綠色葉肉組織。用中藥色譜指紋圖譜相似度評(píng)價(jià)系統(tǒng)(2004版)計(jì)算所得相似度也是這5種較低，但均大于85%，而K-means方法中黃金艾絨的相似度極低。說明2種方法得到的相似度結(jié)果基本一致，而以歐氏距離計(jì)算相似度的K-means算法和以夾角余弦算法計(jì)算相似度的相似度軟件計(jì)算結(jié)果上略有差異。

3　艾煙主成分分析

主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)是將多個(gè)變量通過線性變換以選出較少個(gè)數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，它對(duì)多變量表示數(shù)據(jù)點(diǎn)集合尋找盡可能少的正交矢量表征數(shù)據(jù)信息特征[15]。將表1中編號(hào)為1～31的樣品的色譜圖輸入matlab軟件提取29個(gè)峰的信息進(jìn)行主成分分析。

樣本相關(guān)矩陣R的特征值及貢獻(xiàn)率如下。

前3個(gè)樣本主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)到92.8%，故只需取前3個(gè)主成分即可，得到樣本3個(gè)主成分為。

y1=0.076810405x1+0.18513043x2-0.012300812x3+0.005326342x4+0.17253542x5

+0.018965455x6+0.12233716x7+0.095492803x8-0.1145388x9

+0.006976188x10-0.034464233x11-0.23349492x12+0.15368579x13

+0.15485451x14+0.082569562x15+0.14994298x16+0.24272339x17

-0.26053417x18+0.16764416x19+0.12858307x20+0.021348821x21

+0.037441444x22+0.51264787x23-0.20130903x24-0.11471906x25

+0.041096926x26+0.27621576x27+0.22647269x28-0.37496969x29

y2=0.066031218x1+0.013347447x2-0.11207993x3-0.047906525x4-0.31919843x5

-0.13414489x6-0.21828088x7+0.053445272x8-0.058235083x9

-0.015083943x10-0.11224782x11+0.02993799x12+0.15648882x13

+0.018708408x14+0.23454219x15-0.2116186x16+0.021527488x17

+0.23053724x18-0.039812017x19+0.29989642x20-0.33023989x21

+0.32480296x22-0.1412456x23-0.12162914x24-0.14695852x25

+0.11241324x26+0.32702026x27-0.30058524x28-0.2061868x29

y3=0.3164807x1+0.60155755x2+0.16723998x3-0.40407914x4+0.1039996x5

-0.096246257x6+0.085433632x7-0.21366894x8+0.034076083x9

-0.3424418x10-0.002548368x11+0.052086554x12-0.20161788x13

-0.014323804x14+0.003088385x15+0.06752903x16-0.17508608x17

+0.10906743x18-0.14640093x19+0.07319825x20+0.031102782x21

-0.023370197x22+0.02634792x23-0.076330401x24-0.045713842x25

-0.086849011x26+0.043849532x27-0.010802703x28+0.13441336x29

圖5　主成分分析法樣本聚為1類

圖6　主成分分析法樣本聚為3類

表1　艾煙相似度

從3個(gè)樣本主成分可以看出，y1的貢獻(xiàn)率高達(dá)63.7%，y1和y2的累計(jì)貢獻(xiàn)率為87.3%，所以僅前2個(gè)主成分足以反映樣本的原始信息。將31個(gè)樣品信息代入y1和y2方程求值，并進(jìn)行聚類分析，分別將其聚為1類、 3類，如圖5、圖6。將表2中編號(hào)為32～43的樣品重新編號(hào)為1～12，將數(shù)據(jù)信息代入方程，在得到結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行檢驗(yàn)。圖5的聚類中心以※1為標(biāo)記，聚類半徑為43.5，參與聚類的31個(gè)樣本在圖中以圓圈標(biāo)記○，待檢驗(yàn)的12個(gè)樣本以星號(hào)☆標(biāo)記。圖6的3個(gè)聚類中心以※數(shù)字為標(biāo)記，其中參加聚類的31個(gè)樣本根據(jù)1、2、3類不同，分別以○、△、◇標(biāo)記，而待檢驗(yàn)的12個(gè)樣本以☆標(biāo)記。

由圖5可知所有的艾煙樣品都聚在※1的四周，進(jìn)行檢驗(yàn)的12個(gè)樣品中百笑灸艾絨、南陽陳艾條艾絨和黃金艾絨1離聚類中心較遠(yuǎn)，其余所有艾煙樣品(包括偽品艾葉制作的艾絨在內(nèi))差別不大，可能與艾絨的精度有關(guān)。由圖6可知，艾煙樣品以※1、2、3聚為3類，在分類上沒有明顯規(guī)律，但百笑灸艾絨、南陽陳艾條艾絨、黃金艾絨1和黃金艾絨2離聚類中心較遠(yuǎn)?？赡芤?yàn)榫?xì)艾絨的樣本量偏少，所以離聚類中心較遠(yuǎn)，推測(cè)收集大量樣本的精細(xì)艾絨通過matlab的主成分分析法可以將不同精細(xì)度的艾絨分別聚類。

表2　特征值及貢獻(xiàn)率

4　艾燃燒生成物化學(xué)評(píng)價(jià)與控制模型的建立

根據(jù)艾煙指紋圖譜、特征曲線和主成分分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立艾燃燒生成物的化學(xué)評(píng)價(jià)與控制模型。

4.1艾燃燒生成物的測(cè)定方法準(zhǔn)確稱量0.25 g艾絨，置于18.5L密閉容器中點(diǎn)燃，待其燃盡煙氣混勻后用75 μm CAR/PDMS型號(hào)固相微萃取頭萃取30 min,在進(jìn)樣口解吸附3 min,然后進(jìn)行GC分析。

色譜條件：安捷倫毛細(xì)管柱(HP-5,30 m×0.32 mm×0.25 μm)；柱溫采取程序升溫，起始溫度為30 ℃，保持3 min，以2 ℃/min升至90 ℃，保持2 min，以4 ℃/min升至105 ℃，以8.0 ℃/min升至250 ℃，保持3 min。進(jìn)樣口溫度為220 ℃；檢測(cè)器溫度：250 ℃；分流進(jìn)樣,分流比10∶1。

4.2艾燃燒生成物指紋圖譜的測(cè)定將所得色譜圖輸入中藥色譜指紋圖譜相似度評(píng)價(jià)軟件與圖2的生成對(duì)照?qǐng)D譜進(jìn)行比較，相似度不得低于85%。

4.3艾燃燒生成物特征曲線的測(cè)定利用matlab軟件提取保留時(shí)間分別為6.5 min，6.8 min，11.4 min(3-糠醛)，13.3 min，15.1 min，17.4 min(2(5H)呋喃酮)，20.7 min(苯甲醛)，21.2 min，22.6 min，23.0 min(苯酚)，23.3 min，25.9 min(D-檸檬烯)，28.3 min(鄰位甲酚)，28.7 min，29.9 min(對(duì)位甲酚)，30.5 min，30.8 min，34.1 min，35.0 min，36.9 min(萘)，37.3 min，37.9 min，40.9 min，43.6 min，46.2 min，47.8 min，48.8 min，51.3 min的29個(gè)成分的信息，繪制艾煙特征曲線，并與圖4中生成的對(duì)照特征曲線進(jìn)行比較，相似度不得低于85%。

4.4艾燃燒生成物主成分分析艾煙3個(gè)主成分特征方程。

y1=0.076810405x1+0.18513043x2-0.012300812x3+0.005326342x4+0.17253542x5

+0.018965455x6+0.12233716x7+0.095492803x8-0.1145388x9

+0.006976188x10-0.034464233x11-0.23349492x12+0.15368579x13

+0.15485451xx14+0.082569562x15+0.14994298x16+0.24272339x17

-0.26053417x18+0.16764416x19+0.12858307x20+0.021348821x21

+0.037441444x22+0.51264787x23-0.20130903x24-0.11471906x25

+0.041096926x26+0.27621576x27+0.22647269x28-0.37496969x29

y2=0.066031218x1+0.013347447x2-0.11207993x3-0.047906525x4-0.31919843x5

-0.13414489x6-0.21828088x7+0.053445272x8-0.058235083x9

-0.015083943x10-0.11224782x11+0.02993799x12+0.15648882x13

+0.018708408xx14+0.23454219x15-0.2116186x16+0.021527488x17

+0.23053724x18-0.039812017x19+0.29989642x20-0.33023989x21

+0.32480296x22-0.1412456x23-0.12162914x24-0.14695852x25

+0.11241324x26+0.32702026x27-0.30058524x28-0.2061868x29

y3=0.3164807x1+0.60155755x2+0.16723998x3-0.40407914x4+0.1039996x5

-0.096246257x6+0.085433632x7-0.21366894x8+0.034076083x9

-0.3424418x10-0.002548368x11+0.052086554x12-0.20161788x13

-0.014323804xx14+0.003088385x15+0.06752903x16-0.17508608x17

+0.10906743x18-0.14640093x19+0.07319825x20+0.031102782x21

-0.023370197x22+0.02634792x23-0.076330401x24-0.045713842x25

-0.086849011x26+0.043849532x27-0.01080270x28+0.13441336x29

利用matlab提取所測(cè)艾煙氣相色譜圖的29個(gè)峰信息，進(jìn)行主成分分析，并將其標(biāo)準(zhǔn)化后的信息代入上述前2個(gè)方程中，聚類后應(yīng)在圖5的范圍內(nèi)，半徑為43.5。

5　討論

用SPME-GC-MS聯(lián)用技術(shù)只能檢測(cè)到艾燃燒生成物中少量的揮發(fā)油成分[6]，可能與本方法測(cè)定艾煙取樣量較小有關(guān)。所以艾燃燒生成物的化學(xué)評(píng)價(jià)與控制模型的建立并沒有涉及到不同艾絨樣品揮發(fā)油成分，這可能是偽品所制艾絨與正品艾絨煙氣差別不大的原因之一。

中藥色譜指紋圖譜相似度評(píng)價(jià)系統(tǒng)是根據(jù)夾角余弦算法進(jìn)行相似度計(jì)算的，主要反映的艾煙的整體特征，有一定的局限性。而艾煙的特征曲線繪制是基于峰面積的檢測(cè)，反映的是艾煙中各成分的相對(duì)含量，所以艾煙特征曲線與指紋圖譜的測(cè)定可以將艾煙更全面的加以描述。

艾煙的主成分分析中，艾絨的樣本量偏少。精細(xì)艾絨離聚類中心較遠(yuǎn)，推測(cè)收集大量樣本的精細(xì)艾絨通過matlab的主成分分析法可以將不同精細(xì)度的艾絨分別聚類。該模型中的主成分分析特征方程中特征向量較多，可以綜合利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或遺傳算法將其進(jìn)一步精簡(jiǎn)，將艾燃燒生成物的化學(xué)評(píng)價(jià)和控制模型進(jìn)行優(yōu)化。

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(2016-06-28收稿責(zé)任編輯：洪志強(qiáng))

Exploratory Study on the Chemical Assessment and Control Model of Moxa Smoke

Jin Ran1, Zhao Baixiao2, Yu Mimi3, Guo Hongzhu3, Fu Xintong3, Chen Yougen3

(1Guang′anmenHospitalofChinaAcademyofChineseMedicalSciences,Beijing102618,China; 2BeijingUniversityofChineseMedicine,Beijing100029,China; 3BeijingInstituteforDrugControl,Beijing102206,China)

Objective:To establish a chemical assessment and control model for moxa smoke. Methods: Using SPME-GC technique to assess moxa smoke and establish a finger-print of that. At the same time, using matlab software to aggregate the 29 common peaks of current moxa smoke prints and draw a feature curve for moxa smoke, then analyze the main content. Results: The results retrieved by fingerprint and feature curve were identical, and the main content analysis showed that fine moxa has a far distance from the cluster center. Conclusion: Moxa smoke can be comprehensively analyzed by finger-print, feature curve and main content analysis. Artificial nerve-net or genetic algorithm can be used in optimizing the chemical assessment and control model.

Combustion Product of Moxa floss; Chemical evaluation and control model; characteristic curve; Principal component analysis; Fingerprint

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：81373730)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：81574068)；國(guó)家青年自然基金項(xiàng)目(編號(hào)：81403449)；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(編號(hào)：2011DFA31370)

靳然(1982—)，女，主治醫(yī)師，中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院廣安門醫(yī)院南區(qū)針灸科

趙百孝(1963.03—)，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，北京中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院院長(zhǎng)，研究方向：艾灸作用與原理，Tel：(010)64286737，E-mail:baixiao100@vip.sina.com

R245.81

A

10.3969/j.issn.1673-7202.2016.08.003