一種對中藥提取過程進行近紅外在線檢測方法
2023-07-25 11:36:01 1
專利名稱：一種對中藥提取過程進行近紅外在線檢測方法
技術領域：
本發明屬於近紅外在線檢測技術領域，特別是採用近紅外透射光譜法來監測中藥提取過程中各技術指標的實時、準確信息。背景知識提取工藝是中藥生產的關鍵環節，也是大多數中藥製藥過程的起點，直接關係到藥材的利用率。目前，提取工藝的質量控制主要依靠經驗和傳統質量分析方法，缺乏有效的指標性成分含量實時監測手段。實際生產中提取時間往往是固定的，基本不考慮原料藥材質量差異和工況波動導致的提取終點提前或滯後，易造成不同批次提取液質量的不穩定， 導致中藥藥品批次間的質量差異，以及能源、時間的浪費，藥材利用率的降低等。故研究發展中藥提取過程中活性成分含量的快速無損測定方法，有助於解決提取過程中關鍵工藝環節的質量控制問題，從產品的源頭上解決中藥產品工藝和成分的穩定性、可靠性問題，對於中藥工業技術進步和產品質量升級具有重大現實意義。近紅外(NIR)光譜技術作為一種快速的過程分析技術，已經被成功應用於不同的分析領域，如食品、藥物、石油等。近紅外技術的廣泛使用主要得益於其具有快速分析、樣品處理簡單、無需消耗試劑等特點，是一種快速無損的綠色分析技術。近年來，近紅外技術已經越來越多的被應用於中藥研究，包括藥材產地鑑別、有效組分含量測定和製藥過程的在線檢測和監控。從近年來研究進展情況看來，近紅外光譜分析技術是最有希望在中藥生產過程實現在線檢測及質量控制的過程分析技術之一。在中藥質量控制及生產應用領域，近紅外光譜作為一種在線檢測技術應用於指標成分的測定已有相關專利文獻，如專禾IJ (CN02137234. 9，CN200710022408. 9, CN200810050095. 2和CN200410090617. 3)等。但是這些專利均為離線採集近紅外光譜，也
並沒有將所建模型真正應用於在線檢測。本發明將近紅外光譜分析技術引入中藥生產的提取過程，實現對各指標成分和含固量的實時監測以及提取過程終點的快速判斷，有利於提高中藥提取過程的質量控制水平，充分保證產品質量穩定、可靠。
發明內容
本發明提供一種近紅外光譜檢測系統，以及利用該系統對中藥提取過程進行實時監測，以便獲得即時動態的中藥提取過程中技術指標的信息，用以監控中藥提取過程中生成的產品的質量。同時，本發明還提供一種中藥提取過程近紅外光譜在線檢測方法，該方法的檢測目標包括提取液中含固量以及提取過程終點，為中藥質量控制提供一種新方法。本發明是通過以下技術方案實現的本發明提供一種近紅外光譜檢測系統，該系統包括提取罐1、泵2、在線過濾器3、 緩衝罐4、外循環管路5、流量計6、近紅外光譜儀7、光纖探頭8、流通池9、取樣口 12以及用於控制流通池中提取液流量的閥門10、11，閥門用於控制流通池中提取物流速，流速控制在0-60ml/min;在線過濾器用於濾除固體雜質顆粒，過濾精度範圍10-100微米，具體結構見附圖1。本發明還包括用本發明的近紅外光譜檢測系統檢測中藥提取過程中的中間產物和最終產物的技術指標的方法，該方法包括以下步驟步驟1，安裝近紅外在線檢測系統步驟2，採集中藥提取液並進行近紅外光譜的測定步驟3，採用已知分析方法對提取液樣本各種技術指標進行測定步驟4，將步驟2得到的光譜數據和步驟3測定到的各種技術指標之間建立一種對應關係，使從光譜數據可以知道提取液各種技術指標，並將這種對應關係用數學模型表示， 輸入本發明的系統中。步驟5，用以經錄入了步驟4數學模型的本發明的近紅外光譜檢測系統對實際生產中的中藥提取過程進行監測。其中，步驟1中，近紅外在線檢測系統由以下部分組成提取罐1、泵2、在線過濾器 3、緩衝罐4、外循環管路5、流量計6、近紅外光譜儀7、光纖探頭8、流通池9、取樣口 12以及用於控制流通池中提取液流量的閥門，具體結構見附圖1。步驟2中，所述中藥是任何一種或多種可以用於提取的中藥，所述提取使用的是中藥領域的常規提取方法，如水提，醇提，中藥提取得到提取液，用本發明的系統進行提取液的採集，並用近紅外光譜儀對採集的提取液進行光譜測定，測定樣本時以空氣為背景，波段範圍為4000 lOOOOcm—1，掃描次數為32次，解析度為8cm—1，光纖透射式探頭光程2mm， 光纖IOmX 2，近紅外光譜的測定時間間隔為1或2分鐘；提取液樣本的採集時間間隔為5或 10分鐘，採集提取液樣本的同時採集近紅外光譜。步驟3中所述採用已知分析方法對提取液樣本各種技術指標進行測定，其中已知方法包括但不限於高效液相色譜法、紫外-可見分光光度法、氣相色譜法，這些方法可以測定提取液中藥物成分的濃度。提取液中含固量的測定精則可採用烘乾法。用上述方法可以得到提取液的各種技術指標，如藥物成分的濃度以及提取液中含固態物質的量。步驟4中所述將步驟2得到的光譜數據和步驟3測定到的各種技術指標之間建立一種對應關係，從光譜數據可以知道各種技術指標。其中對應關係的建立採用數學模型並應用計算機計算。如在建立步驟4的對應關係時，用偏最小二乘回歸(PLSR)法建立各指標成分和含固量模型，並採用各模型評價指標考察模型性能模型評價指標包括相關係數(R)、交互驗證誤差均方根(RMSECV)、最佳主因子數O^ctor)、校正集和驗證集預測誤差均方根(RMSEC、RMSEP)、校正集和驗證集相對偏差 (RSEC和RSEP)和相對分析誤差(RPD)。當R值接近於1，RMSECV、RMSEC和RMSEP值相互接近且較小，RSEC和RSEP相互接近且小於10%，RPD值大於3時說明所見模型具有較好的穩定性和預測精度，可以用於中藥提取過程的在線檢測。模型使用一段時間後繼續按建模方法採集新的近紅外光譜和樣本數據，用於更新原有模型。以上步驟特別是步驟2和3可以重複多次，以便得到一種平均的準確的測定數據。 在實際中藥生產過程中由於原料批次、環境變化、人為差異等多種因素的變化影響，導致原模型建模樣品的代表性不足引起「模型失效」。因此，在模型使用一段時間之後需要通過模
5型更新方法，將新的樣品加入到原模型中去，擴充模型所包含的變異範圍，從而擴展模型的適用性。其中，新樣品的近紅外光譜採集條件以及各指標成分和含固量的測定方法與原模型相同。採用移動窗標準偏差(MBSD)和(或)一致性檢驗(CT)方法判斷提取過程終點。MBSD計算方法獲取第⑤步中用於建模的光譜數據。首先確定用於計算標準偏差的連續光譜條數n，即確定移動塊窗口寬度，接著按(1)式計算終點判斷開始時測得的η條光譜之間的標準偏差Si，，然後按( 式計算Si的平均值S。按時間順序剔除原η條光譜中最早的那條光譜，並加入最後那條光譜的下一條的光譜，重新計算Si、S。依次重複剔除、 加入和計算操作，最後對偏差平均值S作圖，當S值接近於0且趨於穩定時判斷達到提取過程終點。
& = - (1)
I n-l m
y ^^ 1
S = ^-(2)
m其中為第j條光譜在波數i處的吸光度值，無為窗口內η條光譜在波數i處的吸光度值的平均值，m為選取的波數總數。CT計算方法獲取第⑤步中用於建模的光譜數據，挑選其中在提取過程最後5或 10分鐘採集到的光譜數據作為參考光譜集。計算參考光譜在每個波長點λ處吸收度的平均值和標準偏差(S. D.)，然後將每個波長點的平均值加減多少倍的S. D.作為該波長點的可信區間(confidence band)，待測光譜在該波長點處的吸收度與平均值的差值除以S. D.， 得到的就是一致性指數(conformity index, Cl) 0 一致性檢驗就是將待測光譜的CI與之前設定的CI限度(Cl limit)進行比較，從而快速簡單地判斷待測光譜與參考光譜是否具有一致性。當CI值進入所設定的限度範圍內且趨於穩定時表示已通過一致性檢驗，此時提取過程達到提取終點。步驟5中所述對實際生產中的中藥提取過程進行監測，是通過在線採集中藥提取液並進行近紅外光譜的測定，通過步驟4的對應關係得到中藥提取液的各種技術指標。步驟5所述的實際生產中的中藥提取過程為任何一種已經錄入了本發明系統的實際生產過程，可以直接使用本發明的系統對生產過程中的提取液進行近紅外檢測。另外，在選擇近紅外光譜時需要保證光譜的靈敏性和準確性，需要對建模波段進行預處理預處理方法包括導數法、平滑法，導數法可用於消除因流速、溫度波動等引起的基線漂移，減少峰與峰之間的重疊並使有效信息顯現出來，平滑法則可以降低高頻隨機噪聲。導數法包括一階導數和二階導數，平滑法包括Karl Norris導數平滑濾波和 Savitzky-Golay 平滑濾波。在選擇建模波段時需排除以下波段4500 M50CHT1波段，即「水峰」，由於提取溶劑大部分為水或醇，兩者均含有OH基，極性強，在近紅外譜區的1940^1(5155(3!^1)附近有很強的合頻與倍頻吸收譜帶，而其它各種物質分子的倍頻與合頻吸收相對較弱；4000 4600cm-1波段，主要為光纖吸收；吸收度大於1. 5的波段，屬飽和吸收波段。排除以上波段後，根據模型性能評價參數確定最佳建模波段。
附圖1是提取過程近紅外在線檢測系統簡圖1-多功能提取罐2-泵3-在線過濾器4-緩衝罐5-外循環管路6-流量計7-近紅外光譜儀8-光纖探頭9-流通池10、11-閥門12-取樣口13-冷凝器附圖2是在線採集到的赤芍提取液原始近紅外光譜圖附圖3是近紅外預測值與實際值的相關圖附圖4是赤芍提取過程模型預測與實際測定趨勢對照3、4中A圖為含固量；B圖為芍藥苷；C圖為苯甲酸。附圖5是模型更新前後含固量預測結果比較圖5中A為模型擴充前相關圖；B為模型擴充前預測值和實際測定值趨勢對照；C為模型擴充後相關圖；D為模型擴充後預測值和實際測定值趨勢對照)。附圖6是提取過程偏差平均值S隨提取時間變化圖附圖7是提取過程CI值隨提取時間變化圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施實例做進一步說明，但本發明並不限於此。實施例赤芍藥材提取過程1.近紅外光譜和提取液樣本在線採集赤芍藥材MOkg，加10倍量純化水浸泡Ih後開始升溫。升溫十分鐘後開始採集提取液樣品，樣品採集的時間間隔為lOmin，同時，每隔2. 5min在線採集提取液的近紅外光譜。近紅外在線檢測系統見附圖1，流通池中提取液流速為30mL/min。升溫過程開始時記為零點，到達設定的提取溫度(100°C )後開始保溫。保溫時間為池，前60min內，每隔5min 從取樣口採集一份提取液樣品；後60min內，每隔IOmin從取樣口採集一份提取液樣品。所取樣品分別用於芍藥苷、苯甲酸和含固量的測定。重複5批川丹當藥材的提取實驗，記為 Batch A、B、C、D和E，每批次的實驗都以相同方式進行取樣和採集光譜，所得數據用於建立定量模型。2.各指標成分濃度和含固量的測定
①指標成分芍藥苷和苯甲酸HPLC 色譜條件Agilent Zorbax SB-C18 柱 Q50mmX 4. 6mm，5 μ m)；流動相為甲醇 0.5%醋酸溶液(v/v，30 70)；流速lmL/min ；檢測波長230nm;柱溫40°C ；進樣量 10 μ L0精密稱取芍藥苷對照品19. 27mg,用甲醇溶解，定容至50mL量瓶，得0. 3854mg/mL 的芍藥苷對照品儲備溶液。精密稱取苯甲酸對照品37.20mg，用甲醇溶解，定容至50mL量瓶，精密吸取ImL該溶液至IOmL容量瓶，加甲醇至刻度，得0. 0744mg/mL的苯甲酸對照品儲備溶液。精密吸取芍藥苷和苯甲酸的混合對照品G 1)溶液2、4、6、8、10、12yL，按上述色譜條件測定峰面積積分值，以色譜峰面積對進樣濃度進行線性回歸，標準曲線分別在0. 77 4. 62 μ g和0. 15 0. 89 μ g範圍內線性良好，相關係數R值分別為0. 9996和 0.9999。②含固量烘乾至恆重的扁形瓶(兩次烘乾後重量差小於5mg)稱重X0，取樣品約IOmL至扁形瓶，稱重XI，水浴蒸乾，105°c烘5h，取出置乾燥器內冷卻30min，迅速稱重X2。含固量按
下式計算
權利要求
1.一種近紅外光譜檢測系統，該系統包括提取罐1、泵2、在線過濾器3、緩衝罐4、外循環管路5、流量計6、近紅外光譜儀7、光纖探頭8、流通池9、取樣口 12、以及用於控制流通池中提取液流量的閥門IOUl0
2.—種中藥提取過程近紅外光譜在線檢測方法，其特徵在於該方法包括以下步驟步驟1，安裝權力要求1的近紅外光譜檢測系統步驟2，採集中藥提取液並進行近紅外光譜的測定步驟3，採用已知分析方法對提取液樣本各種技術指標進行測定步驟4，將步驟2得到的光譜數據和步驟3測定到的各種技術指標之間建立一種對應關係，使從光譜數據可以知道提取液各種技術指標步驟5，對實際生產中的中藥提取過程進行監測。
3.根據權利要求2的檢測方法，其特徵在於步驟2中，所述中藥是任何一種或多種可以用於提取的中藥，所述提取使用的是中藥領域的常規提取方法，如水提，醇提，中藥提取得到提取液，用本發明的系統進行提取液的採集，並用近紅外光譜儀對採集的提取液進行光譜測定，測定樣本時以空氣為背景，波段範圍為4000 lOOOOcnT1，掃描次數為32次，解析度為ScnT1，光纖透射式探頭光程2mm，光纖IOmX2，近紅外光譜的測定時間間隔為1或2 分鐘；提取液樣本的採集時間間隔為5或10分鐘，採集提取液樣本的同時採集近紅外光譜。
4.根據權利要求2的檢測方法，其特徵在於步驟3中所述採用已知分析方法對提取液樣本各種技術指標進行測定，其中已知方法包括但不限於高效液相色譜法、紫外-可見分光光度法、氣相色譜法，這些方法可以測定提取液中藥物成分的濃度，提取液中含固量的測定精則可採用烘乾法，用上述方法可以得到提取液的各種技術指標，如藥物成分的濃度以及提取液中含固態物質的量。
5.根據權利要求2的檢測方法，其特徵在於步驟4中所述將步驟2得到的光譜數據和步驟3測定到的各種技術指標之間建立一種對應關係，從光譜數據可以知道各種技術指標，其中對應關係的建立採用數學模型並應用計算機計算，如在建立步驟4的對應關係時， 用偏最小二乘回歸(PLSR)法建立各指標成分和含固量模型，並採用各模型評價指標考察模型性能。
6.根據權利要求5的檢測方法，其特徵在於模型評價指標包括相關係數(R)、交互驗證誤差均方根(RMSECV)、最佳主因子數 O^ctor)、校正集和驗證集預測誤差均方根(RMSEC、RMSEP)、校正集和驗證集相對偏差 (RSEC和RSEP)和相對分析誤差(RPD)，當R值接近於1，RMSECV, RMSEC和RMSEP值相互接近且較小，RSEC和RSEP相互接近且小於10%，RPD值大於3時說明所見模型具有較好的穩定性和預測精度，可以用於中藥提取過程的在線檢測。
7.根據權利要求2的檢測方法，其特徵在於步驟2和3可以重複多次，以便得到一種平均的準確的測定數據。
8.根據權利要求2的檢測方法，其特徵在於採用移動窗標準偏差法或一致性檢驗法判斷提取過程終點。
9.根據權利要求8的檢測方法，其特徵在於所述移動窗標準偏差法，獲取用於建模的光譜數據，首先確定用於計算標準偏差的連續光譜條數n，即確定移動塊窗口寬度，接著按(1)式計算終點判斷開始時測得的η條光譜之間的標準偏差Si，，然後按( 式計算Si的平均值S，按時間順序剔除原η條光譜中最早的那條光譜，並加入最後那條光譜的下一條的光譜，重新計算Si、S，依次重複剔除、加入和計算操作，最後對偏差平均值S作圖，當S值接近於0且趨於穩定時判斷達到提取過程終點，
10.根據權利要求8的檢測方法，其特徵在於所述一致性檢驗法獲取用於建模的光譜數據，挑選其中在提取過程最後5或10分鐘採集到的光譜數據作為參考光譜集，計算參考光譜在每個波長點λ處吸收度的平均值和標準偏差，然後將每個波長點的平均值加減多少倍的S. D.作為該波長點的可信區間，待測光譜在該波長點處的吸收度與平均值的差值除以S. D.，得到的就是一致性指數，一致性檢驗就是將待測光譜的CI與之前設定的CI限度進行比較，從而快速簡單地判斷待測光譜與參考光譜是否具有一致性，當CI值進入所設定的限度範圍內且趨於穩定時表示已通過一致性檢驗，此時提取過程達到提取終點。
全文摘要
本發明涉及一種對中藥提取過程進行近紅外在線檢測方法，該方法包括以下步驟步驟1，安裝近紅外在線檢測系統；步驟2，採集中藥提取液並進行近紅外光譜的測定；步驟3，採用已知分析方法對提取液樣本各種技術指標進行測定；步驟4，將步驟2得到的光譜數據和步驟3測定到的各種技術指標之間建立一種對應關係，使從光譜數據可以知道提取液各種技術指標；步驟5，對實際生產中的中藥提取過程進行監測。
文檔編號G01N21/35GK102252992SQ20111010918
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月28日 優先權日2011年4月28日
發明者劉雪松, 吳永江, 姚小青, 孫長海, 王龍虎, 金葉, 陳勇 申請人:天津紅日藥業股份有限公司