一种用于三种易混淆皮类中药材的联合分析区分方法与流程

1.本发明涉及电子鼻技术领域，特别涉及一种用于三种易混淆皮类中药材的联合分析区分方法。


背景技术：

2.中草药(chms)可以根据其气味被专家识别，然而这些药物的鉴定是主观的，需要长期的经验。市场上的五加皮和香加皮均为干燥根皮，但化学成分和气味不同，由于外观相似经常混淆，目前常用的皮类药材约有19种。这些皮类草本植物包括五加皮和香加皮，均具有重要的药用价值。虽然这些药材数量不多，但由于误认或缺乏药材来源，仍容易混淆。根据市场调研，五加皮常与香加皮、地骨皮混淆，香加皮常作为五加皮的掺假物出现在医药市场和药店中，此外，在2021年中国不合格中药材和中药饮片中，五加皮占据了中药材不合格品种的前10位。
3.皮类药材的鉴定主要采用传统的鉴定方法，如性状鉴定或显微特征观察。然而，这些识别方法在很大程度上依赖于研究人员或用户的高专业水平的技能。用传统鉴定方法鉴定皮类药材存在困难，替代方法的广泛应用可能会影响临床用药效果，自古以来，人们通过感官分析通过形态特征、气味和味道来识别中草药，但这些方法主要依赖于特定人员的专业知识。而且，这个过程是主观的，需要长期的训练，而且很容易受到外部参数的影响。而气相色谱-质谱(gc-ms)等仪器分析方法只能给出香气成分的组成和含量，而不能确定在香气中起关键作用的主要香气化合物；为规范皮类药材贸易，保证皮类药材质量的稳定性和可靠性，保证临床用药的安全性和有效性，必须开发一种简便、准确的皮类药材鉴别方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于三种易混淆皮类中药材的联合分析区分方法，本发明采用电子鼻、pca和opls-da联合分析技术对五加皮、香加皮和地骨皮的挥发性成分进行了鉴别。首次将电子鼻用于快速、客观地鉴别五加皮和香加皮，为气味识别提供了更加科学的依据。
5.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种用于三种易混淆皮类中药材的联合分析区分方法，其特征在于：采用电子鼻结合多元统计分析方法对五加皮、香加皮和地骨皮的挥发性成分进行了鉴别，其中采用多元统计方法对电子鼻中传感器采集的数据进行多元分析，得到了能够区分五加皮、香加皮、地骨皮的特异性化合物。
6.优选地，在所述电子鼻分析中选取各传感器的稳定值作为特征值，对电子鼻反复实验后得到的传感器数据进行均值处理。
7.优选地，所述联合分析包括pca主成分分析技术和opls-da正交偏最小二乘法判别分析。
8.通过采用上述技术方案，pca分析作为一种无监督的分析方法，只能反映数据的原始状态，观察测试样本的自然分布和群体关系，不能忽略组内误差，不能消除与研究目的无
关的随机误差，不能忽略数据的整体特征和变化规律，不利于发现组间差异和差异的代谢物。为了确定五加皮、香加皮和地骨皮之间的化学差异，进一步采用监督opls-da分析数据。opls-da用于评估和最大化组间的差异。
9.优选地，所述opls-da建立模型中的参数为：r2x＝0.992；r2y＝1；q2＝0.924
10.优选地，所述特异性化合物包括甲烷、甲烷、醇、氢、氮氧化合物、芳香族化合物、有机硫化物、苯、芳香族成分氨、芳香族成分短链烷烃。
11.从传感器的特性来看，能够知道甲烷、醇、氢、氮氧化合物、芳香族化合物、有机硫化物、苯、芳香族成分氨、芳香族成分短链烷烃与药材的分类有重要关系。
12.所述联合分析区分方法中还采用了冗余分析对检测结果与传感器和挥发性化合物双向数据的相关性进行可视化比较。
13.冗余分析(rda)是一种有约束的多元统计方法，主要是通过解释变量的线性组合来尽可能多地解释响应变量的可变性。本发明采用冗余分析对检测结果与传感器和挥发性化合物双向数据的相关性进行可视化比较，结果表明，pca主成分的累积贡献为95％，表明它保留了原始数据中的大部分信息。样本间pca判别差异明显，差异主要体现在信息权重为pc2的纵轴上(6.4％)。同时，可以看出传感器w1c/w3c/w5c倾向于地骨皮，w6s/w5s/w2w/w1w倾向于五加皮，而w2s/w1s倾向于香加皮。
14.本发明的有益效果是：
15.1、在电子鼻分析中，选取各传感器的稳定值作为特征值，使用统计软件对电子鼻反复实验后得到的数据进行均值处理。所有导入数据均以均值为中心进行多元分析。pca是一种基于线性投影最大方差将多维数据简化为正交坐标的无监督方法。通过采用主成分分析，将数据转换为二维(2d)或三维(3d)坐标。在2d和3d pca图中，模式相似的样本被定位在一起，组间的差异可以可视化。在本发明中，主成分分析用于从电子鼻数据中推导出前两个主成分，并将数据中存在的信息可视化。主成分分析(pca)用于提供所有组的概况，opls-da用于最大限度地区分和呈现所有组之间挥发性有机化合物的差异。本发明采用双标图分析，直观地比较了检测结果与传感器和挥发性化合物的双向数据之间的相关性。
16.2、本发明为了确定五加皮、香加皮和地骨皮之间的化学差异，进一步采用监督opls-da分析数据。opls-da用于评估和最大化组间的差异，同时，opls-da评分图显示两组间有明显的分离趋势，证明模型建立成功。同时，模型参数r2x＝0.992,r2y＝1,q2＝0.924,表明模型具有较好的拟合性和预测能力。
17.3、本发明首次采用电子鼻和多元统计分析方法鉴别五加皮、香加皮和地骨皮。在不依赖外观特征的情况下，成功地实现了五加皮、香加皮和地骨皮的分化。这些方法为五加皮、香加皮和地骨皮的化学组成关系的可视化提供了有价值的技术。电子鼻提供了一种通过气味来客观区分五加皮和香加皮的方法，具有快速、简便的优点。该方法快速、简便、环保，能成功地通过气味区分五加皮、香加皮和地骨皮。
18.4、本发明将电子鼻技术应用于中药抽检和监督检验中，建立中药气味指纹图谱，利用“气味”的定量表达来补充抽检、完善监管，可以识别出假冒伪劣中药饮片，增强“靶向监督、靶向抽检”。通过电子鼻建立中草药的气味指纹图谱，实现气味的客观数据表达，使气味成为可量化的指标。同时，电子鼻结合模式识别方法，可以用气味作为新的定量指标，完全控制中药的质量，为中药的进一步研究提供新的契机；因此，电子鼻结合多变量统计分
析，便于药品市场监管。气味可以作为控制中草药质量的新的量化指标，为深入研究中草药提供新的契机，从而提高中草药行业的整体水平，促进中草药的现代化。电子鼻技术已成为鉴别中草药真伪的新技术。电子鼻技术能够成为质量监督和改进中草药的技术工具。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明中三种药材气味的主成分分析图的样本的pca评分图
21.图2是本发明中三种药材气味的主成分分析图的变量的pca加载图。
22.图3是本发明中三种药材气味的opls-da分析图的样本的opls-da评分图。
23.图4是本发明中三种药材气味的opls-da分析图的变量的opls-da加载图。
24.图5是本发明中的rda双标图显示样品气味和电子鼻传感器之间的关系图。
具体实施方式
25.下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.实施例
27.一种用于三种易混淆皮类中药材的联合分析区分方法，包括以下步骤：
28.s1：将一定量的五加皮、香加皮、地骨皮分别打粉并过80目筛，得到多个待测样品；
29.s2：将步骤s1中得到的待测样品分别称取3.0g，置于20ml顶空瓶中，用硅胶/聚四氟乙烯隔片和磁帽密封，在25℃保存10分钟；
30.s3：在测量过程中，用一根与聚四氟乙烯管连接的针穿透隔膜，并以300ml/min的恒定速率将顶空气体泵入传感器室。测量阶段持续90s，计算机每秒记录一次电子鼻的响应值；
31.s4：电子鼻分析：选取各传感器的稳定值作为特征值，对电子鼻反复实验后得到的数据进行均值处理；
32.s5：联合分析中所有导入数据均以步骤s4中的得到的均值为中心进行多元分析，得到了能够区分五加皮、香加皮、地骨皮的特异性化合物。
33.材料：随机从药材市场、药店、厂家和医院收集五加皮(16批次)、香加皮(13批次)和地骨皮(12批次)三种共41批次样品。所有样品均经实验室鉴定。样品的详细信息见表s1。样品存放在密闭容器中，置于阴凉(10-20℃)暗室。
34.样品粉碎(过80目筛)，称取3.0g，置于20ml顶空瓶中，用硅胶/聚四氟乙烯隔片和磁帽密封，然后在25℃保存10分钟，直至分析。在测量过程中，用一根与聚四氟乙烯管连接的针穿透隔膜，并以300ml/min的恒定速率将顶空气体泵入传感器室。测量阶段持续90s，计算机每秒记录一次电子鼻的响应值。测量结束后，启动清洗阶段，持续100s。主要目的是清
洗测试箱，并将传感器恢复到基线值。所有分析均重复三次。
35.表s1三种皮类中药材样本信息列表
[0036][0037][0038]
一、电子鼻分析
[0039]
使用便携式电子鼻设备(pen3,airsense analytics gmbh,schwerin,germany)进
行分析。该装置由采样装置、包含10个金属氧化物半导体型化学传感器阵列(即w1c、w5s、w3c、w6s、w5c、w1s、w1w、w2s、w2w和w3s)的传感器室和用于数据记录和分析的模式识别软件组成。热传感器的检测限在1ppm范围内。传感器的选择性由传感材料、掺杂材料、工作温度和传感器的几何形状决定。使用了对硫有机化合物、甲烷、氢、醇和碳氢化合物具有良好选择性的传感器。所使用的传感器及其主要属性如下表s2所示。
[0040]
表s2pen3电子鼻中使用的传感器及其主要应用
[0041][0042][0043]
分析系统集成了一个特殊的采样系统，通过自动控制，防止传感器过载，也导致更好和更快的定性和定量结果。电子鼻能够检测复杂的气体混合物。气味是可以学习和识别的。在这个过程中，电子鼻会立即注意到它已经学会识别的“标准气味”的偏差。电子鼻传感器的响应值表示为电导比(g/g0)，其中g和g0分别是当样品气体和参考空气流过测量室时传感器的电导。在本研究中，每个传感器的稳定响应值用于后续分析；90s时五加皮、香加皮和地骨皮层。采用欧几里德、相关、因子分析(pca)或判别函数分析(dfa)等统计方法确定结果。
[0044]
二、数据分析
[0045]
在电子鼻分析中，选取各传感器的稳定值作为特征值，使用统计软件spss26.0(spssinc.，chicago,il,usa)对电子鼻反复实验后得到的数据进行均值处理。所有导入数据均以均值为中心进行多元分析。pca是一种基于线性投影最大方差将多维数据简化为正交坐标的无监督方法。通过采用主成分分析，将数据转换为二维(2d)或三维(3d)坐标。在2d和3dpca图中，模式相似的样本被定位在一起，组间的差异可以可视化。在本发明中，主成分分析用于从电子鼻数据中推导出前两个主成分，并将数据中存在的信息可视化。主成分分析(pca)用于提供所有组的概况，opls-da用于最大限度地区分和呈现所有组之间挥发性有机化合物的差异。本发明采用双标图分析，直观地比较了检测结果与传感器和挥发性化合物的双向数据之间的相关性。
[0046]
2.1pca分析
[0047]
实验样本采用无监督的主成分分析。采用主成分分析法对各传感器的响应值进行分析，总方差不随数学变换的变化而变化。方差最大的第一个变量称为第一主成分。第二个变量，与第一个变量无关，被称为第二个主体。图1和图2显示了pca评分图和加载图，显示了
变量在不同品种中药材区分中的贡献。
[0048]
如图1所示，前两个主成分导致总方差为92.6％，其中80.9％由pc1解释，11.7％由pc2解释。从pca加载图(图2)可以看出，五加皮和香加皮在双线图的左侧形成聚类，而其余地骨皮样品则聚类在右侧。此外，大多数电子鼻传感器聚集在左侧，包括w2s、w1s、w1w、w6s、w5s和w2w，反映了这些传感器与皮类药材之间的关联，这些样本也聚集在双线图的左侧，其中聚集在双线图左上侧的香加皮与w2s和w1s的相关性更强，聚集在双线图左下侧的五加皮与w6s、w5s、w2w和w1w的相关性更强。相比之下，聚集在双线图右侧的地骨皮与w1c、w3c和w5c的相关性更强。其中w2s和w1s对甲烷、醇较为敏感，w6s、w5s、w2w和w1w对氢、氮氧化合物、芳香族化合物、有机硫化物较为敏感，而w1c、w3c和w5c对苯、芳香族成分氨、芳香族成分短链烷烃较为敏感，由此可以推断：甲烷、醇、氢、氮氧化合物、芳香族化合物、有机硫化物、苯、芳香族成分氨、芳香族成分短链烷烃与药材的分类有重要关系。
[0049]
便携式电子鼻与主成分分析相结合，可有效鉴别三种易混淆皮类药材。测定速度快，只需要少量的样品，且整个过程是环保的，因为在这个过程中不需要溶剂。该设备的便携性也使其有希望进行快速现场分析。
[0050]
2.2opls-da分析
[0051]
为了确定五加皮、香加皮和地骨皮之间的化学差异，进一步采用监督opls-da分析数据。opls-da用于评估和最大化组间的差异。opls-da评分图和加载图如图3、图4所示。
[0052]
opls-da评分图显示两组间有明显的分离趋势(图3)，证明模型建立成功。同时，模型参数r2x＝0.992,r2y＝1,q2＝0.924,表明模型具有较好的拟合性和预测能力。在opls-da加载图(图4)中，聚集在双线图左侧的地骨皮样本与w1c、w3c和w5c的相关性更强。
[0053]
2.3样品气味与电子鼻传感器的关系
[0054]
冗余分析(rda)是一种有约束的多元统计方法，主要是通过解释变量的线性组合来尽可能多地解释响应变量的可变性。本发明采用冗余分析对检测结果与传感器和挥发性化合物双向数据的相关性进行可视化比较，结果如图5所示。结果表明，pca主成分的累积贡献为95％，表明它保留了原始数据中的大部分信息。样本间pca判别差异明显，差异主要体现在信息权重为pc2的纵轴上(6.4％)。同时，可以看出传感器w1c/w3c/w5c倾向于地骨皮，
[0055]
w6s/w5s/w2w/w1w倾向于五加皮，而w2s/w1s倾向于香加皮。
[0056]
在该实验中，编号为x-10、x-11、x-12、x-13的4个样品来源于监督检验样品，样品名称原标注为五加皮。从性状和显微鉴定来看，它们实际上是被误用为五加皮的香加皮样品。我们的研究表明，电子鼻还可以从其他样品中区分出这四个样品，并且能够准确的实现五加皮、香加皮和地骨皮之间的区分。因此，本发明中设置的特异性传感器的电子鼻是一种准确鉴别五加皮和香加皮的好工具。
[0057]
本发明首次采用电子鼻和多元统计分析方法鉴别五加皮、香加皮和地骨皮。在不依赖外观特征的情况下，成功地实现了五加皮、香加皮和地骨皮的区分。为五加皮、香加皮和地骨皮的化学组成关系的可视化提供了有价值的技术。电子鼻提供了一种通过气味来客观区分五加皮和香加皮的方法，具有快速、简便的优点。该方法快速、简便、环保，能成功地通过气味区分五加皮、香加皮和地骨皮。

技术特征：
1.一种用于三种易混淆皮类中药材的联合分析区分方法，其特征在于：采用电子鼻结合多元统计分析方法对五加皮、香加皮和地骨皮的挥发性成分进行了鉴别，其中采用多元统计方法对电子鼻中传感器采集的数据进行多元分析，得到了能够区分五加皮、香加皮、地骨皮的特异性化合物。2.根据权利要求1所述的一种用于三种易混淆皮类中药材的联合分析区分方法，其特征在于：在所述电子鼻分析中选取各传感器的稳定值作为特征值，对电子鼻反复实验后得到的传感器数据进行均值处理。3.根据权利要求1所述的一种用于三种易混淆皮类中药材的联合分析区分方法，其特征在于：所述多元统计方法中包括pca主成分分析技术和opls-da正交偏最小二乘法判别分析。4.根据权利要求2所述的一种用于三种易混淆皮类中药材的联合分析区分方法，其特征在于：所述opls-da建立模型中的参数为：r2x＝0.992；r2y＝1；q2＝0.924。5.根据权利要求1所述的一种用于三种易混淆皮类中药材的联合分析区分方法，其特征在于：所述特异性化合物包括甲烷、醇、氢、氮氧化合物、芳香族化合物、有机硫化物、苯、芳香族成分氨、芳香族成分短链烷烃。6.根据权利要求1所述的一种用于三种易混淆皮类中药材的联合分析区分方法，其特征在于：所述多元统计方法中还采用了冗余分析对检测结果与传感器和挥发性化合物双向数据的相关性进行可视化比较。7.根据权利要求1所述的一种用于三种易混淆皮类中药材的联合分析区分方法，其特征在于：包括以下分析方法：s1：将一定量的五加皮、香加皮、地骨皮分别打粉并过筛，得到多个待测样品；s2：将步骤s1中得到的待测样品用硅胶/聚四氟乙烯隔片和磁帽密封，在25℃保存10分钟；s3：在测量过程中，用一根与聚四氟乙烯管连接的针穿透隔膜，并以300ml/min的恒定速率将顶空气体泵入传感器室。测量阶段持续90s，计算机每秒记录一次电子鼻的响应值；s4：电子鼻分析：选取各传感器的稳定值作为特征值，对电子鼻反复实验后得到的数据进行均值处理；s5：多元统计方法中所有导入数据均以步骤s4中的得到的均值为中心进行多元分析，得到了能够区分五加皮、香加皮、地骨皮的特异性化合物。

技术总结
本发明涉及电子鼻技术领域，公开了一种用于三种易混淆皮类中药材的联合分析区分方法，电子鼻分析：选取各传感器的稳定值作为特征值，对电子鼻反复实验后得到的数据进行均值处理；联合分析中所有导入数据均以步骤S4中的得到的均值为中心进行多元分析，得到了能够区分五加皮、香加皮、地骨皮的特异性化合物。本发明采用电子鼻、PCA和OPLS-DA联合分析技术对五加皮、香加皮和地骨皮的挥发性成分进行了鉴别。首次将电子鼻用于快速、客观地鉴别五加皮、香加皮和地骨皮。加皮和地骨皮。加皮和地骨皮。


技术研发人员：王迪 孙丽 吴竞
受保护的技术使用者：孙丽 吴竞
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/10/15