不同類型電子鼻在中藥質量評價研究中的應用△

溫英麗，羅茵，許淑清，任曉亮，竇志英，劉亞男

天津中醫藥大學 中藥學院，天津 301636

我國具有龐大的中藥資源寶庫，中藥的發現與應用對人類文明的發展產生深遠影響。中藥質量是保障其臨床療效的基礎，嚴格把控中藥質量是中藥現代化進程的首要任務[1]。中藥質量受地理環境、基原品種、采收加工、運輸貯藏、造假摻偽等多重因素的影響[2]。隨著現代儀器分析的不斷發展，中藥質量的評價方法也由經驗鑒別發展到儀器分析，考察指標也由單一成分發展到指紋信息。而氣味作為中藥的重要特征屬性之一，也是判定其質量的重要指標。依據氣味等性狀評價中藥質量的方法已有悠久歷史，但以人工評價為主，需要有豐富的經驗并存在主觀誤差[3]。電子鼻技術的產生將主觀感受數字化、模式化、可視化[4]。電子鼻技術包括傳感器型電子鼻（electronic nose）[5]和超快速氣相電子鼻（flash gas chromatography E-nose）[6]兩類，其廣泛應用于食品[7-9]、醫藥[10-11]、化工[12]、環境[13]等領域，是一種高效、綠色、無損的檢測技術，對氣味敏感性、選擇性普遍較高。本文首先從電子鼻的發展史、系統組成、應用3個角度著手，比較2種電子鼻的特點，分析不同類型電子鼻的優勢；其次總結近年來電子鼻技術在中藥質量評價中的應用，為中藥的現代化研究提供參考。

1 2種類型電子鼻的比較

1.1 電子鼻技術的發展

早在20 世紀60 年代，氣味檢測機械裝置[14]的出現打開了傳感器型電子鼻技術發展的大門。在隨后的發展中，又將模式識別方法與電子鼻技術相結合[15]，逐步形成如今應用廣泛的電子鼻技術體系。超快速氣相電子鼻技術的原理是基于氣相色譜-嗅聞技術（GC/O），始于20 世紀60 年代。隨著嗅聞技術不斷更新，出現GC 與氣味傳感器（MOS、SAW）、氫火焰離子化檢測器（FID）聯用的多種應用形式。直到2007年，法國Alpha MOS公司在BCEIA分析儀器應用技術報告會上提出創新型電子鼻——Heracles超快速氣相電子鼻[16]。

1.2 電子鼻系統的組成

在進樣系統方面，2 種電子鼻進樣方式原理相似，均為頂空氣體進樣[17]；在分離系統方面，傳感器型電子鼻無分離系統，而超快速氣相電子鼻分離系統是在氣相色譜的基礎上，使用更短的色譜柱、更薄的填充材料，極大縮短了揮發性成分分離時間，提高樣品分析速度；在信號采集系統方面，傳感器型電子鼻的氣味信號采集裝置為傳感器陣列，超快速氣相電子鼻的信號采集裝置則為FID；在數據處理系統方面，模式識別是2 種類型電子鼻通用的數據處理方式，超快速氣相電子鼻系統除了有將樣品進行分類的模式識別外，還配有Arochembase 數據庫，實現揮發性成分的初步定性。

1.3 電子鼻的應用

國外文獻通過Web of Science 核心合集數據庫獲得，國內文獻通過中國知網（CNKI）、萬方、維普數據庫獲得。分別以“Electronic nose”“E-nose”“flash gas chromatography E-nose”“FGC E-nose”和“電子鼻”“電子鼻技術”“快速氣相電子鼻”“ 超快速氣相電子鼻”為檢索關鍵詞，檢索得到2015年1 月1日—2020年7月8日共3905篇相關文獻。統計分析發現，傳感器型電子鼻相關文獻占比高達96.77%，應用更為普遍，這與其儀器成本低廉、傳感器種類繁多密不可分。2 種類型電子鼻的應用范圍大致相同，涉及食品、醫療、化工、環境、材料、農業以及中藥領域，主要應用于食品氣味的快速檢測（圖1）。而在食品行業傳感器型電子鼻多用于果蔬[18-19]、水產[20]、肉類[21]質量的快速檢測，超快速氣相電子鼻用于檢測調味品[22]、肉制品[23]質量的相關文獻較多（圖2）。2 種電子鼻雖在原理上存在差異，但對樣品氣味均有較強的識別能力，均是高效、靈敏的氣味分析技術。

圖1 電子鼻應用領域分布雷達圖

圖2 電子鼻在食品領域應用分布雷達圖

2 2種類型電子鼻在中藥質量評價中的應用

2.1 基于傳感器型電子鼻技術的中藥質量評價

2.1.1 傳感器型電子鼻單一技術的中藥質量評價 中藥質量受其生長、采收、運輸、加工、貯藏各個環節的影響，針對中藥質量評價的研究也層出不窮，電子鼻技術以揮發性成分為考察對象評價中藥質量。Liu 等[24]通過改變電子鼻響應特征的提取方法有效地區分了甘肅、云南、山東產區共21 批當歸，其中甘肅和云南2 個產區當歸電子鼻信號負響應特征存在明顯差異。說明電子鼻可以用來鑒別中藥產地，該方法快速、便捷。電子鼻中最常用的模式識別方法有主成分分析（PCA）[25]、判別因子分析（DFA）[25]、偏最小二乘分析（PLS）[26]、軟獨立建模的類類比（SIMCA）[27]等，由于電子鼻信號易受環境干擾，因此優性能的數學算法在提取復雜數據的差異信息方面至關重要。徐珍珍等[28]借助PEN3電子鼻獲得8 個產地48 批木香的氣味信息，采用基于Fisher 鑒別準則的線性判別分析（LDA）和非線性降維的局部線性嵌入算法+移動平均（LLE+SMA）進行數據處理，結果顯示，LLE+SMA 算法可以區分不同產地木香。藍振威等[29]比較反向傳播（BP）神經網絡與決策樹、樸素貝葉斯、支持向量機[32]、K 最臨近、集成分類在電子鼻分析生、醋廣西莪術中的識別能力，結果顯示，電子鼻結合BP神經網絡能夠精準地識別生、醋莪術。徐東等[30]將機器學習方法、XGBoost 算法[31]、支持向量機等引入到電子鼻分析中，發揮出電子鼻數據分類的最優效果。單一傳感器型電子鼻在中藥質量評價研究中的應用見表1。

表1 單一傳感器型電子鼻在中藥質量評價研究中的應用

傳感器型電子鼻可以實現對中藥由產地采收、基原品種、炮制加工、存儲全過程的質量評價，但難以確定影響中藥質量變化的物質基礎，不能將中藥質量與成分變化相關聯。中藥氣味成分復雜多樣，電子鼻獲得樣品整體氣味的輪廓信息，傳統的模式識別方法識別精確度不高，因此，僅用電子鼻評價中藥質量時還需要開發更為適合的數學算法。隨著研究的不斷深入，單一電子鼻技術難以滿足中藥質量評價要求，因此，電子鼻結合其他技術評價中藥質量的研究模式應勢而生。

2.1.2 傳感器型電子鼻與其他技術結合的中藥質量評價 傳感器型電子鼻與頂空-氣相色譜質譜法（HS-GC-MS）聯用，劉夢楚等[44]利用I-nose 獲得22批不同產地砂仁的氣味信息，PCA 結果顯示，傳感器S14、S8、S6、S3 響應敏感的物質是區分其產地的主要成分，結合氣相色譜-質譜法（GC-MS）得到電子鼻響應的物質基礎，進一步印證了電子鼻分析結果。傳感器型電子鼻與紅外聯用，Chen 等[45]建立電子鼻、近紅外光譜、中紅外光譜快速鑒別羌活和寬葉羌活方法，電子鼻支持向量機（SVM）模型識別準確率92.9%，紅外光譜SVM 模型識別準確率為100%。表明電子鼻與紅外光譜可以快速、準確評價中藥質量，是有廣闊應用前景的中藥快速檢測技術。傳感器型電子鼻與超高效液相色譜法（UPLC）聯用，Wei等[46]開發了電子鼻結合液相鑒定黃芪產區的方法，通過液相驗證電子鼻鑒定的準確性，證明電子鼻可以快速、可靠地鑒別中藥產地。電子鼻與其他仿生技術結合，從嗅、味、色出發分析中藥整體感官信息[21,47-48]。傳感器型電子鼻結合其他技術在中藥質量評價研究中的應用見表2。

表2 傳感器型電子鼻結合其他技術在中藥質量評價研究中的應用

傳感器型電子鼻多與色譜技術（GC-MS、HPLC）聯用，將中藥外部的性狀特征與內部的成分變化相關聯，確定影響中藥質量的物質基礎。電子鼻與其他儀器聯合使用進一步佐證電子鼻用于中藥質量評價的準確性。隨著研究方法的迭代更新，也出現電子鼻與圖像分析[60]、DNA 測序[61]、代謝組學[61]等技術結合評價中藥質量的報道。

2.2 基于超快速氣相電子鼻技術的中藥質量評價

2.2.1 超快速氣相電子鼻單一技術的中藥質量評價 中藥自古以來就有“道地藥材”的說法，氣候環境不同藥材質量自然參差不齊，影響臨床療效。宋亮[62]以揮發性成分為研究對象，建立了基于超快速氣相電子鼻鑒別黑果枸杞產地（甘肅、新疆和青海）的方法。發現甘肅產的黑果枸杞揮發性成分種類最少，但氣味濃郁。乙偶姻和3-己酮分別為新疆和青海黑果枸杞的特有氣味成分，說明超快速氣相電子鼻技術可以快速鑒別中藥材產地，推測不同產地藥材成分差異。炮制是中藥特有的處理方式，通過炮制工藝與輔料的合理作用，為中藥性-效-毒變化提供動能[63]。田連起等[64]基于電子鼻技術分析蘄蛇藥材及其飲片的氣味成分差別，通過AroChemBase 數據庫定性出12 種成分，發現炮制后其中的二硫化碳、己醛有所下降，而新增了香味成分3-甲基-1-丁醇、異戊酸乙酯、香茅醛、乙酸苯乙酯、L-香芹酮，解釋蘄蛇炮制矯味的物質基礎，為中藥炮制研究提供了借鑒。中藥摻假嚴重影響臨床用藥療效，常見的摻偽造假形式有以偽充真、真假混雜、以次充好、優劣相摻、新舊互拌等[65]。金銀花開花后有效成分會發生變化，從而導致其質量下降。武文奇等[10]利用Heracles Ⅱ超快速氣相電子鼻建立快速評價金銀花等級的方法，通過分析摻雜不同比例開花金銀花的藥材粉末的氣味變化，結合模式識別將其質量分為一等、二等、三等3 個等級，結果表明，電子鼻技術對外觀難以區分的摻偽中藥有很好的預測能力。

超快速氣相電子鼻在中藥質量評價中的應用涉及生產，加工及銷售全流程，是一種高效、便捷、綠色的分析方法。超快速氣相電子鼻將GC 分離技術與電子鼻的模式識別分析相結合，初步分離、定性中藥的揮發性成分，實現中藥質量的快速評價。但由于中藥成分復雜多樣，超快速氣相電子鼻在提高分析速率的同時難以將復雜成分完全分離、準確定性，因此單一儀器用于中藥質量研究時，具有局限性，研究較片面，層次較淺顯。

2.2.2 超快速氣相電子鼻結合其他技術的中藥質量評價 超快速氣相電子鼻與HS-GC-MS 聯用，劉曉梅等[66]通過超快速氣相電子鼻獲得生地龍、炒地龍、甘草泡地龍、醋地龍和酒地龍的整體氣味輪廓，化學計量學結果表明，地龍及其炮制品氣味成分具有顯著差異。為了進一步揭示炮制前后氣味成分變化，該課題組借助HS-GC-MS對生地龍及其炮制品定性、定量分析，發現炮制前后醛類和胺類成分種類含量均有所下降。該種研究模式從成分層面進一步詳細解釋了中藥炮制原理。

超快速氣相電子鼻兼具傳感器型電子鼻的判別分析能力與GC-MS 的成分定性能力，因此在現有報道中多為單獨使用。但與傳感器型電子鼻相比，儀器成本大大增加；與GC-MS 相比其分析速率大幅度提升，準確性也成比例下降。種種特性造成了超快速氣相電子鼻應用的局限性，超快速氣相電子鼻的最佳應用領域仍有待發掘。

3 電子鼻技術在中藥領域應用的挑戰與展望

3.1 電子鼻技術在中藥領域應用的挑戰

傳感器型電子鼻在食品檢測、醫療診斷、環境監測等方面應用廣泛，相應的傳感器材料研究更為成熟。而電子鼻在中藥領域的應用發展較慢，這與中藥氣味復雜，電子鼻傳感器靈敏度高、選擇性差有關，需進一步開發適合中藥分析的傳感器材料。電子鼻易受環境因素影響，數據噪音大，常規的化學計量學分析方法難以提取樣品間的差異信息，為提高其識別精度，需要結合高效的數學算法進行分析。

經查閱文獻發現，在超快速氣相電子鼻評價中藥質量的研究中，缺少方法準確性的驗證，可行性研究較為局限，還需提高超快速氣相電子鼻評價中藥質量方法的普適性。超快速氣相電子鼻雖能定性揮發性成分，但在分離過程中存在樣品分離不完全的問題，以至于定性結果存在較大誤差。

3.2 電子鼻技術在中藥領域應用的展望

中藥質量參差不齊，目前的研究方法存在樣品處理復雜、分析時間長、損壞樣品等弊端，電子鼻作為一種綠色高效且無損的檢測方法，為名貴藥材的檢測提供一個可靠的選擇。電子鼻技術實現了中藥質量的快速鑒定，為中藥一體化生產過程中在線檢測提供了技術支持。隨著研究的不斷深入，構建不同中藥電子鼻分析數據庫，建立中藥質量評價氣味標準，使電子鼻能更準確且有依據地劃分中藥質量，充分發揮電子鼻在中藥質量評價中的優勢。

4 結語

中藥質量是臨床藥效的基礎保障，因此質量評價一直是中藥研究的重中之重。隨著科技的不斷發展，質量評價的技術方法愈加成熟，指標成分愈加全面。電子鼻技術的發展無疑為質量評價提供一種更為快速、可靠、綠色、無損的分析方法，避免了氣味檢測中產生的主觀偏差，實現氣味的數字化轉變。文中2 種電子鼻各具優勢，傳感器型電子鼻由于種類繁多、儀器低廉，其應用普遍性更高，而超快速氣相電子鼻除了具有識別分類樣品功能，還可以定性、定量分析樣品氣味成分。2 種技術在中藥研究領域均具有較好的分析能力，形成了以中醫藥基礎理論為指導，以中藥的揮發性成分為對象，結合先進的分析技術評價中藥質量的模式，為中藥質量評價開拓思路。