红外光谱分析技术及其应用

成都医学院学报JournalofChengduMedicalCollege󰀁2009Sep,4(3)doi:10󰀁3969/j.issn.1674󰀂2257󰀁2009󰀁03󰀁018󰀂综󰀁述󰀂红外光谱分析技术及其应用范雪芳,󰀁徐󰀁淼,󰀁侯晓涛,󰀁王󰀁帅,󰀁李洪宇,󰀁张丽华(北华大学药学院,吉林󰀁132013)󰀁󰀁 摘要!󰀁红外光谱(IR)分析技术是一门发展迅猛的高新技术,与传统分析技术相比,红外光谱分析技术具有分析速度快,样品用量少,无破坏无污染等特点。红外光谱测定的是物质中分子的吸收光谱,不同的物质会有其特征指纹的特性,利用红外指纹图谱技术对中成药进行质量鉴定与分析,借助计算机和模式识别等技术,以综合的、宏观的、非线性的分析理念和质量控制模式来评价中药的真伪优劣。 关键词!󰀁红外光谱;󰀁红外指纹图谱技术 中图分类号!󰀁R282󰀁5󰀁󰀁 文献标识码!󰀁A󰀁󰀁 文章编号!󰀁1674󰀂2257(2009)03󰀂0217󰀂03InfraredspectrumtechnologyanditsapplicationsFANXue󰀂fang,XUMiao,HOUXiao󰀂tao,WANGShuai,LIHong󰀂yu,ZHANGLi󰀂hua(SchoolofPharmacy,BeihuaUniversity,Jilin132013,China) Abstract!󰀁Infraredspectrum(IR)isafastdevelopingnewlytechnology.Comparedwithtraditionalanalysistechnology,IRpossessescharactersoffastanalysis,littlesample,nobreachandnopollution.IRmeasurestheab󰀂sorptionspectrumofmolecule,anddifferentsubstanceshavedifferentfingerprintpatterns.Thus,IRtechnologycanbeappliedtodetectandanalyzethequalityoftraditionalChinesedrug.Usingthecomputer,patternrecognitionandsoon,wecanestimateiftraditionalChinesedrugisrealorfake,goodorbadundertheguidanceofcomprehensive,macroscopicandnon󰀂linearanalysisideaaswellasqualitycontrolmodels. Keywords!󰀁infraredspectrum;󰀁technologyofIRfingerprint

收稿日期󰀁2009󰀂06󰀂20󰀁修回日期󰀁2009󰀂07󰀂10基金项目󰀁国家大学生创新性试验项目(081020117)作者简介󰀁范雪芳,女,北华大学2006级本科生,国家大学生创新性试验项目课题组成员。通讯作者󰀁李洪宇,E󰀂mail:lhymmm@hotmail.com;张丽华,E󰀂mail:bhdxzlh@sina.com󰀁󰀁红外光谱分析技术是一门发展迅猛的高新技术,在分析化学领域里被誉为分析∀巨人#,这个∀巨人#的出现掀起了一场分析技术革命。使用传统的分析方法测定一个样品的多种性质或浓度数据需要多种分析仪器,耗费大量人力、物力和时间,因此成本高,工作效率低,远不能适应现代工业的需要;与传统分析技术相比,IR分析技术能在几十秒甚至几秒内,仅通过对样品的一次IR简单测量,就能同时测定一个样品的几种甚至几十种物质或浓度数据,而且被测样品用量很少,无破坏,无污染,无损伤分析,操作简单,分析成本低[1󰀂4]。1󰀁红外光谱分析技术的发展过程红外光谱是研究红外光与物质分子间相互作用的吸收光谱,红外光谱分近红外区(泛频区)波长范围12500~4000/cm,中红外区(基本震动区)波长范围4000~400/cm,远红外区(转动区)波长范围400~25/cm[5]。而近红外区(NIR)最初于1800年被英国物理学家赫谢耳(WilliamFHershel)发现,是人们最早发现的非可见光区域。1835年Ampere利用新发明的热电偶证明了NIR具有同可见光一样的光学性质[5,6]。早期的红外光谱广泛应用棱镜作为单色器,用连续波扫描,分辨率低,但仍在化合物结构表征发挥重要作用。20世纪60年代以后以光栅为单色器,提高了分辨率,曾在传统的农副产品领域中有所应217成都医学院学报2009年9月,4(3)用。而近红外方法作为一种新兴的定量分析方法今年来取得了显著进展,在食品、农产品、烟草等方面尤为突出[7]。20世纪80年代后期曾出现过红外光谱法鉴别中药的某些报道,但由于光谱总体解析知识的贫乏、思路上的保守和缺乏交叉学科的相互渗透,其进展并不显著。20世纪90年代后期以来,出现了将红外光谱法与计算机辅助解析技术有机的结合应用于中药鉴定的若干报道。2󰀁红外光谱技术2󰀁1󰀁红外数据库随着计算机的普及红外光谱分析与薄层色谱法、高效液相色谱法、气相色谱法、高效毛细管电泳法、紫外光谱法、红外光谱法、核磁共振和X󰀂射线衍射法、质谱及分子生物学技术连用[8],为红外光谱的应用开辟了更广阔的领域。随后又有人将红外数据库通过计算机系统运用于红外光谱仪中,即将光谱的数字化形式存放在IBM计算机穿孔卡片上形成红外数据库。目前已建立的红外数据库主要有:(1)ASTM红外光谱;(2)Sadtler谱库;(3)Aldrich/Nicolet凝聚相普图库;(4)Sigma生物化学谱库;(5)Nicolet蒸气相谱库;(6)Georgia州犯罪实验室麻醉剂谱库;(7)多伦多法法庭谱库;(8)Aldrich蒸气相谱库;(9)SadtlerSpec󰀂Finder数据库;(10)PE谱库;(11)固体药物FT󰀂IR谱库;(12)EPA气相FT󰀂IR谱库。2󰀁2󰀁红外光谱仪与其他仪器的连用在实际工作中,红外光谱仪经常通过与其他仪器连用。常见的有GC/FTIR联用技术[8];HPLC󰀂FTIR联用技术[9,10];TLC󰀂FTIR联用技术[11,12];SFC󰀂FTIR联用技术[13];TGA󰀂FTIR联用技术[14󰀂16]等。3󰀁红外指纹图谱技术现状红外光谱测定的是物质中分子的吸收光谱,不同的物质会有其特征指纹的特性,目前红外指纹图谱已成为鉴定和分析不同产地及品种的中药材内在质量的重要手段。但由于中药指纹图谱相当复杂,人工比较难掌握结果的准确性,因此将其用于复方中药的鉴定和分析[17󰀂20]。对于中药的品种和真伪鉴别,除液相和薄层等以色谱为主的指纹图谱方法外,还可以使用光谱测定的指纹图谱方法,即红外指纹图谱鉴别技术,该技术无需对中药进行提取分离等繁杂的化学处理,而直接进行红外光谱分析检测,是目前中药材及其制剂最直接、快速、准确的鉴定鉴别和质量控制方法。目前我国中药指纹图谱的实施,已由实验室研究进入到实际应用和作为法定质量标准的阶段。它不仅从图谱的整体特征来综合地鉴别真伪,还可以以一定的量化参数大致评价中药产品质量的稳定性和一致性。在现阶段,据此判断原料、半成品、成品的质量相关性、一致性和稳定性,应用范围包括1094光谱学与光谱分析原料药材的筛选、生产工艺的优化、成品质量的稳定考察、市场商品的质量监控。实践证明,色谱指纹图谱分析所表达的质量信息远比测试单一成分要丰富得多[21,22]。例如天士力集团已将多元色谱指纹图谱分析定为内控方法。对复方丹参滴丸主要化学成分进行了系统分析,鉴定出10种丹参水溶性成分和20种三七皂苷类成分,基本揭示了复方丹参滴丸化学物质基础;能更完整地反映出复杂药产品的化学组成特征,可用于复中药产品的质量控制[23](各批次的复方丹参滴丸产品中有效成分的含量一致,确保了复方丹参滴丸质量的稳定)。4󰀁红外指纹图谱的应用近两年来红外光谱在中药质控领域取得突破性进展,突破了检测样品有损、存在大量废弃物的问题,形成了一种无损、环保的新型检测体系。常规的制药分析样品前处理繁琐,分析周期较长,使用有毒有害试剂较多,常产生大量废气、废液;相比之下红外光谱分析有如下鲜明的技术特点:分析速度快,多种成分同时分析,无污染分析,样品不需特别的预处理,不使用有毒、有害试剂,无损伤分析,操作简单,分析成本低。红外光谱技术已在中药材鉴定、中药材炮制、中药注射剂各个领域发挥了重要作用,分述如下。4󰀁1󰀁中药材鉴定4󰀁1󰀁1󰀁常用中药材的深入研究󰀁红外光谱对常用中药的研究已经不局限于通过谱图的差异来作出简单辨别;而出现两个新的应用研究方向:一种是在谱图计算机辅助解析方面进行深入研究,采用多种分析方法挖掘谱图数据信息;另一种是为了增大样品差异性对样品进行前处理。例如王凤岭等[24]利用红外三级鉴定法区别栽培和野生丹参,徐海星等[7]使用不同溶剂对原药材进行提取处理,采用红218范雪芳,等.红外光谱分析技术及其应用外光谱图谱鉴别法对提取物进行分析。红外光谱技术应用新进展表现为:一方面通过应用了不同的溶媒进行试验,对药材进行提取处理,增大了样品差异性,提高了谱图差异化,更有利于差异性小的药材辨识;另一方面谱图计算机辅助解析通过量化峰高比、主成分分析、谱图半定量分析、相关二维、神经网络等方面的深入研究,挖掘了更多的谱图数据信息。4󰀁1󰀁2󰀁地方民族药的鉴别󰀁由于地方民族药还停留在外观形状经验鉴别水平,相应色谱含量分析较少。因此红外光谱分析技术已迅速被彝、藏、蒙等少数民族医药所接受,并且在地域性药物鉴别、基原调查、珍稀药材保护等领域进行了有益的尝试。例如杨群等[25]采用傅里叶变换衰减反射红外光谱法对鸡根、大红袍两种彝药药材进行了快速无损的红外光谱测定;关昕璐等[26]采用红外光谱法直接测定藏药翼首草不同产地、不同药用部位的红外光谱,并比较了它们的红外光谱差别;徐良等[27]用红外三种光谱法对四种蒙药材进行了鉴别研究,四种药材粉末的红外光谱有明显区别。红外光谱在地方民族药中的应用,打破了其长期缺乏有效质控方法的局面。与此同时,红外光谱也将成为地方民族医药核心质控技术。4󰀁2󰀁中药材炮制红外指纹图谱用于中药炮制品的鉴别是可行的,特别是二维相关的使用,使炮制过程不再成为不可控的过程;且红外光谱法样品制备简单,仪器设备普及性强,在中药饮片的快速鉴别与过程监控中具有一定的优势。例如鲍红娟等[28]利用红外光谱技术分析研究河南道地药材怀菊花及其炮制品,找出怀菊花、炒菊花和菊花炭的红外光谱和二阶导数谱的∀指纹#特征。4󰀁3󰀁中药注射剂红外光谱在重要注射剂中同样发挥重要作用,例如王晶等[29]将红外光谱技术应用于中药注射剂鉴别;潘艳丽[30]研究黄金菊粉针(金莲花、野菊花、金银花)药效组分的红外指纹表征。5󰀁结语随着红外光谱与色谱指纹图谱在解决中药质量标准与检验方面优势的显现,中药质控领域结合自身实际情况对其在该领域的研究进行了有效的延伸与扩展,基本形成以红外光谱为定性、半定量分析,色谱指纹图谱为定量分析的两大模式;在药物质量控制过程中,红外光谱可以应用于前道质量控制与样品稳定性考察;色谱指纹图谱可以应用于后续重点成份指标含量控制;两者互相渗透、互为补充,为中药现代化铺平了道路。 参考文献![1]󰀁BurnsDA,CiurczakEW.Handbookofnear󰀂infraredanalysis[M].NewYork:MarcelDekkerInc,2001󰀁[2]󰀁孙素琴,秦竹,周群,等.中药药材红外光谱非分离提取多级宏观指纹鉴定方法[P].中国专利:CN147110A,2003󰀁[3]󰀁孙素琴,秦竹,周群,等.中药二维相关红外光谱鉴定图集[M].北京:化学工业出版社,2003:9󰀁[4]󰀁中华人民共和国国家药典委员会.中国人民共和国药典[M].北京:化学工业出版社,2000󰀁[5]󰀁HildrumKI,IsakssonT,NaesT,etal.Near󰀂infraredspec󰀂tros󰀂copybridgingthegapbetweendataanalysisandNIRap󰀂plication[M].NewYork:EllisHorwood,1994:153󰀁[6]󰀁聂晶,田颂九,王国荣.中药指纹图谱的研究现状[J].中草药,2000,31(12):881󰀂884󰀁[7]󰀁严衍录,张录达,景茂,等.傅里叶变换近红外漫反射光谱分析应用基础的研究[J].北京农业大学学报(增刊),1990,16:5󰀂17󰀁[8]󰀁GriffithsPR.Optimizedsamplinginthegaschromatography󰀂infraredspectroscopyinterface[J].ApplSpectrosc,1977,31:284󰀂288󰀁[9]󰀁KizerKL,MantzAW,BonarLC.AmLab,1975,5:85󰀁[10]󰀁黄威东,王俊德.在线正相微孔柱高效液相色谱与傅氏变换红外光谱的联用方法[J].光谱学与光谱分析,1991,6:11󰀁[11]󰀁PercivalCJ,GriffithsPR.Directmeasurementoftheinfraredspectraofcompoundsseparatedbythin󰀂layerchromatography[J].AnalChem,1975,47:154󰀁[12]󰀁LloydLB,YeatesRC,EyringEM.Fouriertransforminfraredphotoacousticspectroscopyinthinlayerchromatography[J].AnalChem,1982,54:549󰀁[13]󰀁ShaferKH,GriffithsPR.AnalChem,1983,55:1939󰀁[14]󰀁LowMJD.GasEffluentAnalysis[M].NewYork:MDek󰀂ker,1967󰀁[15]󰀁LephardtJO.ApplSpectroscRev,1982󰀂83,18:265󰀁[16]󰀁CarangeloRM.ThermochimActa,1986,103:221󰀁[17]󰀁黄吴,李静.中药配方颗粒红外指纹图谱研究[J].分析化学研究简报,2003,31(7):828.[18]󰀁梁鑫淼,徐青,肖红斌.中药质量控制的策略与方法[J].中国中西医结合杂志,2002,(9):56󰀁[19]󰀁芦锰,樊克峰,白雁.红外光谱技术在中药整体质量评价中的应用[J].河南中医,2004,11:423󰀁[20]󰀁李湘南,刘小平.白花蛇舌草与其伪品水线草的FTIR谱鉴定[J].中药材,2004,(27):335󰀁[21]󰀁谢培山.色谱指纹图谱分析是中草药质量控制的可行策略[J].中药新药与临床药理,2001,12(3):141󰀁219