中药三维荧光指纹图谱数据库的构建

    刘海青 黎春红

    

    

    

    摘 要：由于中药种类繁多，成分复杂，目前中药仍然缺乏准确的鉴别和质量控制的手段。本文总结了构建三维荧光指纹图谱方法，在验证国家标准中药材三维荧光光谱的基础上对药材进行筛选，并结合Visual Basic6.0和Microsoft Access2003软件构建中药三维荧光指纹图谱。对数据库操作系统和中药三维荧光光谱数据库的相关分析表明，该操作系统可以为中药的检验、验证和质量控制提供方便的渠道。

    关键词：中药;三维荧光光谱;指纹图谱数据库

    1 介绍

    中药作为中国传承数千年的文化瑰宝，在当今社会仍占有举足轻重的地位，蕴含着丰富的科技和文化，在慢性疾病中发挥着无法被西药替代的作用。然而，即使在如此先进的信息技术背景下，中药的复杂成分和药物特性也无法得到充分和清晰的辨识。张、陶等人建立了三七及其根的固态三维荧光指纹图谱，通过实验获得了相应的固态三维荧光谱图，在检测中选择两个或两个以上荧光峰作为特征荧光峰，以鉴别三七及其根，该方法迅速而有效[1]。

    徐、李等应用统计模式识别方法，设计了中药注射剂三维荧光指纹图谱识别程序，并对五加、红花、三七皂苷、丹参四种注射剂进行了鉴别。研究表明，该程序分辨率高，易于自动化，可用于中药注射剂的真伪鉴别和质量控制[2]。姚、魏等人建立了一种基于三维荧光指纹图谱的厚朴药材鉴别新方法，结果表明，真、假厚朴药材的三维荧光指纹图谱在荧光峰强度、荧光峰位置、红外光谱等方面存在显著差异[3]。王、庞等人利用液晶光谱仪对黄柏、人参的荧光光谱图像进行光谱成像检测，其最终实验结果也表明，该图像检测可以为中药指纹图谱的构建提供有效的采样点[4]。张、阎等学者对不同地区的山茶花的吸收光谱和三维荧光光谱进行了测定，发现不同地区山茶花的吸收光谱有显著差异[5]。

    随着我国国际影响力的不断增强，中药逐渐得到世界各国专家的认可，世界各国了开展了相关研究。然而，中药品种的复杂及其成分的多样性增加了鉴别的难度[6]。以白芨为例，其花和叶可用于分离50多种活性成分，包括二苯乙烯、菲和嘧啶，这些化合物的结构也需要鉴定。与此同时，大多数中草药都具有荧光特性[7]。在这种情况下，荧光效應为中医药的深入研究提供了多种途径。在这方面，中草药的研究一般可以从微观和宏观两个方面进行。从微观角度研究，可以从中药成分分子的角度研究药物性质和药理作用;从宏观上研究，中药可以作为一个整体，通过指纹对中药成分进行准确的鉴别和质量控制[8]。本文以计算机技术为基础，应用三维荧光技术，构建了各种类型的中药及其成分的标准指纹图谱，进一步实现了中药成分的准确比对、检索和验证，为中药鉴定提供了现实的依据。

    2 三维荧光指纹图谱综述

    三维荧光光谱可以反映发射光波长变化时光强的变化，比常规或同步荧光光谱更能清楚地反映完整的光谱信息[9]。具体地说，它的两种形式是等高光谱图和等角三维投影图。一般来说，三维荧光光谱可以更生动地显示相对荧光强度和最大发射或激发强度等信息。目前，三维荧光光谱在中药提取物的研究和测定中起到了特殊的作用。正常情况下，中药吸收紫外线等能量后，中药分子中的电子及其他小分子从激发态返回基态，释放吸收的能量从而发出荧光。三维荧光光谱可以反映物质的荧光信息，由于荧光信息具有广度、深度和高灵敏度等特点，使光谱能够更好地显示丰富的中药数据[10]。

    3 中药三维荧光光谱的获取与绘制

    一般来说，在绘制标准的中药对照图时，应保证光谱的准确性和重现性。荧光法是一种高灵敏度的分析测量方法，但其重复性和准确度较低。因此，本文将国家药品研究所销售的标准中药材用于药品和生物制品的标测，并通过扫描放置在相同仪器参数下的中药图谱得到标准图谱。

    （1）中药的预处理。首先，称取0.04g标准参比药物，并将其置于装有8ml蒸馏水的试管中。然后，将试管放入沸水中加热10分钟，然后放入冷水冷却至室温。重复之前操作，将冷却至室温的药材与液体分离。将上清液部分置于25ml容量瓶中并稀释至刻度。摇匀后，获得0.1mg/ml药品溶液。最后，根据仪器三维荧光图谱的规定参数进行扫描。

    （2）中药数据库检索系统开发工具介绍。本文以Visual Basic 6.0和Microsoft Access 2003软件为开发工具，开发了中医药数据库检索系统。这些软件具有操作简便、功能强大的优点，因其广泛的实用性为数据库的开发提供了一个可行的通道。因此，这些工具的应用可以保证中医药数据库检索系统的普适性。同时，该系统采用Visual Basic 6.0作为链接，与其他工具相比，具有灵活性高、易于保存的优点。

    4 中药三维荧光指纹数据库检索系统的构建

    本文所研究的中药数据库系统主要包括数据库操作系统和中药三维荧光光谱数据库两部分。表1展示了系统的数据库结构。

    根据表1中的数据库结构，操作者可以随时删除和添加光谱数据，在中药数据库中搜索或查找药品名称。下图说明了详细信息。

    中药三维荧光指纹数据库检索系统原理图

    该检索系统的最终功能是检索和搜索中药。本文对复杂的算法进行了简化。我们从F-4500荧光分光光度计直接导出光谱文件，对光谱文件的相关数据进行处理，形成矩阵，便于数据处理，排除了环境对散射光的影响。因此，在Ex：（200nm～400nm）和Em：（250nm～600nm）范围内，会出现一阶、二阶和三阶散射。如表2所示，i和j分别表示水平和垂直坐标;Ex和Em表示中药三维荧光指纹的水平和垂直坐标。

    根据表2，可以推导出以下函数关系：

    Ex=250+5i（0≤j≤70） Em=195+5j（1≤j≤41），

    其中一阶散射条件是Ex=Em，所以250+5i=195+5j，j-i=11。

    排除相同部分：5nm：8

    同样，二阶和三阶散射条件为：

    Em=2Ex，so250+5i=2（195+5j），j-0.5i=-14

    排除相同部分：5nm：-17

    Em=3Ex，so250+5i=3（195+5j），j-0.33i=-22

    排除相同部分：5nm：-19

    根据中药三维荧光指纹数据库的检索系统，可以准确识别出常见的中药。此外，中药由于其天然的、复杂和不同的药用特性，受到自然气候和环境的影响。该操作系统可以通过不同的散射条件对中药进行进一步的检索，提高搜索结果的准确性。

    5 总结

    总的来说，本文构建的中药三维荧光指纹数据库检索系统可以实现对大多数中药成分、类别和质量的严格识别。然而，由于产地、气候环境和自然因素等因素影响，中药的实际应用价值也受到影响。此外，中药中荧光的高度敏感性质也会影响荧光光谱分析的再现性。因此，未来对中药三维荧光指纹数据库的改进，可以采用更加科学合理的统计方法对个体差异造成的误差进行修正。另外，考虑到同一种药材生长环境的差异，在三维荧光研究中，建议尽可能扩大荧光光谱，对不同生产习性的药材进行更全面的实验，以降低不确定性，并提高了光谱的重现性，从而为中药三维荧光指纹图谱数据库提供更大的权威性。

    参考文献：

    [1]Zhang，J.C.，Tao，R.T.（2014）：“Application of solid three dimensional fluorescence fingerprint in 37 quality identification，”Chinese medicinal materials，Vol.37，No.8，pp.1364-1368.

    [2]Xu，Y.Q.，Li，X.W.（2007）：“Design and test of three dimensional fluorescence contour map recognition program for traditional Chinese medicine injection，”Journal of analysis and testing，Vol.26，No.4，pp.484-487.

    [3]Yao，J.，Wei，Y.J.（2013）：“Study on the identification of true and false Magnolia by three dimensional fluorescence fingerprint，”Chinese medicine and clinical，Vol.13，No.12，pp.1521-1522.

    [4]Wang，L.，Pang，Q.C.（2011）：“A method for constructing spectral image of traditional Chinese medicine fluorescence fingerprint，”Photons of photons，Vol.40，No.6，pp.860-864.

    [5]Zhang，J.C.，Yan，H.P.（2012）：“Study on the three-dimensional fluorescence characteristics of Camellia Camellia from different habitats，”Food industry science and technology，Vol.13，No.1，pp.98-99.

    [6]Chen，L.W.，Qin，K.M.（2014）：“Research status and Prospect of fingerprint database of traditional Chinese Medicine，”Chinese herbal medicine，Vol.45，No.21，pp.3041-3047.

    [7]Zhu，C.，Xie，X.（2017）：“Study on the characteristics of three dimensional synchronous fluorescence spectrum of six flavored Rehmannia pills，”Spectroscopy and Spectral Analysis，Vol.37，No.1，pp.141-145.

    [8]Kou，Z.N.，Zhu，J.B.（2010）：“Fluorescence spectrum characteristics of water extract from Salvia miltiorrhiza，”Journal of Dalian Institute of Light Industry，Vol.29，No.2，pp.109-112.

    [9]Tang，X.L.，Wu，X.J.（2009）：“Study on the application of three-dimensional fluorescence spectroscopy and principal component analysis in the quality identification of tea，”Journal of Hebei University of Science and Technology，Vol.30，No.4，pp.305-309.

    [10]Guo，M.，Zhan，M.Z.（2014）：“The interaction mechanism of vanillic acid and polyphenol oxidase and the construction of new fingerprint spectrum，”Chinese Journal of Biochemistry and molecular biology，Vol.30，No.12，pp.1236-1243.

    課题：海南省重点研发项目 忧遁草酵素保健及抗炎产品开发的中试研究（S100007043008）

    作者简介：刘海青（1971—），女，汉族，海南海口人，硕士，高级实验师，研究方向：天然产物化学。

    通讯作者：黎春红（1969—），女，汉族，湖南资兴人，硕士，高级实验师，研究方向：海洋资源开发利用及天然产物活性。