拉曼光谱仪在中药分析中的主要研究进展应用
发布时间：2023-11-17作者：小编来源：网络点击：次
印度科学家拉曼于1928年发现拉曼效应，且基于这一成就获得1930年的诺贝尔物理学奖[1]。拉曼光谱法就是对拉曼散射进行分析，通过分析散射光的强度随能量(或频率)的变化和散射光偏振相对于入射光偏振的改变等信息形成拉曼光谱，再通过得到分子的震动能级和转动能级的跃迁信息，进而对化合物进行定性和定量分析的方法[2,3]。传统的拉曼光谱信号较弱且容易受到荧光的干扰，所以其应用十分有限。随着光源的强度和稳定性等技术的突破，吸附活性基底技术增强拉曼信号，傅里叶变换信号累计的出现，以及和前处理联用技术、图谱处理联用技术、分析仪器联用技术的结合，拉曼光谱法的应用范围得到了极大的扩展[4]。拉曼光谱法在分析过程中不会对样品造成化学的、机械的、光化学的分解，即可以实现无损检测，且过程无污染，是一种绿色的定性定量分析方法。除上述优点外，这种分析方法还具有检测迅速，结果准确，灵敏度高，所需样品量小，样品处理简单或不需要样品处理、检测成本低且不受水的影响等优势。这些优点使拉曼光谱在中药分析应用中具有明显的优越性[5,6,7,8,9]。欧洲药典、英国药典、《中华人民共和国药典》均已将拉曼光谱技术列为药物晶型研究常用的检测分析方法[10]。本文综述了拉曼光谱法在中药分析中的应用进展，包括其在中药的鉴别、含量测定、成分的谱峰归属、检测农药残留、检测非法添加、道地性研究、炮制过程研究、质量变化研究等。然而，拉曼光谱法在中医药领域的应用仍然不够广泛和深入。本文介绍了近些年来拉曼光谱法在中药分析方面的应用进展，以期为此法在中药分析领域发挥更广泛、更深入的应用提供理论参考。
1 拉曼光谱法在中药分析中的应用
1.1 用于中药材的鉴别
中药因其治疗效果好且不良反应小而闻名于世界。随着中药材应用的不断普及，以次充好甚至售卖伪劣品中药的现象也屡见不鲜，这严重危害了消费者的生命健康，阻碍了中医药事业的发展[11]。拉曼光谱具有良好的专属性，可作为中药材鉴别的方法之一。刘影等[12]利用拉曼光谱仪对三七进行鉴定，采用谱峰识别算法获得拉曼光谱特征峰的波长，并通过中药拉曼光谱数据库进行比对，实现了中药材三七的无损鉴别。黄秀丽等[13]通过对比灵芝孢子油和其他5种植物油的拉曼光谱数据，根据峰强度差异和峰面积比值的差异，实现对灵芝孢子油真伪的快速鉴别。鹿茸中有效成分复杂，难以通过单一成分进行鉴别，拉曼光谱法的优点在于能全面表征中药中多种成分的共同特征，进而达到对成分丰富中药进行鉴别的目的。冯源等[14]运用表面增强拉曼光谱法(SERS法),发现有10个不同波长处正品鹿茸的表面拉曼光谱强度强于伪品鹿茸，并且在2 918 cm-1处伪品鹿茸的表面拉曼光谱强度强于正品，利用这些差异可以用肉眼进行鹿茸的真伪鉴别；该试验进一步建立的Fisher识别函数，对鹿茸的鉴别正确率高达96%。张凡等[15]发现伪品和掺伪品白石英的拉曼图谱的平均数图谱相关系数和余弦值均小于正品，可以通过该特征鉴别白石英的真伪。综上，拉曼光谱分析技术可以实现中药植物药、动物药和矿物药的真伪鉴别。
1.2 用于中药成分的含量测定
拉曼光谱技术作为一种无损分析工具，可在不破坏药物的前提下进行定量分析，特别适用于样品量少或者名贵中药材的含量分析[16]。陈龙等[17]对不同来源的鱼脑石、鹅管石、花蕊石、南寒水石、钟乳石及课题组自制的不同碳酸钙含量的药材配比品的拉曼光谱进行分析，并通过偏最小二乘法确定新的建模谱段，在新谱段上建立碳酸钙定量分析模型，所建定量模型对碳酸钙质量分数的预测结果良好。对比参照组EDTA滴定法测定值，同样表明模型的预测效果良好，建立的模型可实现对碳酸钙的定量分析。Qi等[18]获取了葛根素的拉曼光谱，以葛根素在1 628 cm-1特征波数处的峰强与乙醇在880 cm-1特征波数处的峰强比值与葛根素浓度建立线性关系方程，实现了对葛根中葛根素的快速定量分析。李佳佳等[19]以8份不同浓度的青蒿素对照品溶液在724 cm-1处和1 736 cm-1处的峰面积比值的均值为横坐标，青蒿素质量百分数为纵坐标，通过线性回归获得了青蒿素溶度与峰面积的关系式；通过该关系式测得的中药复方制剂青蒿素哌喹片中青蒿素的含量与真实值相比，相对误差<10%。
1.3 用于中药材成分谱峰的归属
目前，实验室常用的分析中药谱峰归属的方法主要有红外光谱法和拉曼光谱法。传统的拉曼光谱和红外光谱在大多时候是相互补充的，红外光谱强时拉曼光谱就弱，反之亦然。但是，红外光谱分析法存在着一些局限，如非极性物质的红外吸收很弱或不显示吸收峰，此时就无法用红外光谱法进行谱峰归属[20,21,22,23,24]。但是，世界上大多数的物质都能产生拉曼光谱，这是拉曼光谱得天独厚的优势，拉曼光谱分析法在谱峰归属分析中展现出了勃勃生机。史芳芳等[25]利用Via型激光拉曼光谱仪获得了涪城麦冬样品的拉曼光谱图，通过对特征峰的归属，确定涪城麦冬样品中含有D-葡萄糖、氨基葡萄糖、氘代氨基葡萄糖的CH3C(6)-D和C-OH、C-C=O、C-O-C、=CH2、C-H、R-O-CH3等基团，并依靠这一结果推测涪城麦冬样品中糖类、烯类、蛋白质类、酯类、氨基酸类、酰胺类、皂苷类等成分。
1.4 用于检测中药材的农药残留
中药材中植物药的比例占到60%以上，在植物药种植过程中使用农药在所难免，基于中药的农药残留问题的普遍性和严重性，寻找一种稳定有效的中药农药残留分析方法是十分必要的[26,27]。拉曼光谱散射光强度过低，这一技术难题很大程度上阻碍了拉曼光谱的应用和发展。1977年，发现了表面增强拉曼散射效应，其原理是将待测组分吸附于金属胶粒和粗糙金属(如银、金、铜等)表面，使拉曼散射强度会增加104～106倍。此外，SERS的特异性好，能用于单分子水平检测，可直接测量液态样品，能够猝灭荧光，大大减少了荧光信号对拉曼光谱峰强度的影响，这种技术上的改进使表面增强拉曼光谱得到广泛应用[28,29]。Alakam等[30]在1987年第1次应用SERS技术进行农药残留检测，技术的逐渐成熟伴随着需求的不断增加，以SERS技术为基础的农药残留分析方法不断创新。有机磷类农药是目前使用最多的一类农药。有机磷多含有硫原子，能构成和Ag/Au纳米基底强烈结合的硫醇基，这是SERS能够用于检测有机磷农药的主要原因。甲基对硫磷和毒死蜱是用SERS检测最多的有机磷农药。甲基对硫磷的分子结构能够和高度共轭的石墨烯产生π-π共轭，基于这种情形制造出银纳米板修饰的石墨烯片基底能够高度敏感检测其浓度。在原位检测中，利用金纳米颗粒修饰的胶带，制成一种快速提取和检测目标分子的SERS活性基底，胶带通过“粘贴和剥离”直接提取水果和蔬菜中的农药残留，并进行分析检测，利用此活性基底可以检测果皮上的甲基对硫磷和毒死蜱。
1.5 用于中药材的道地性研究
中药的道地性直接影响到药物的疗效，药材来源不合格将导致饮片质量不合格，进而导致治疗效果降低。目前市场上存在着药材以次充好的现象，因此加强药材道地性的检验是十分重要的。林佳等[31]采用主成分分析法处理3个不同产地黄芩的表面增强拉曼光谱数据，通过对比主成分对光谱信息的贡献值和化学成分的累积量的差异，准确区分3个不同产区黄芪。俞允等[32]的试验结果表明，4个产地黄芪饮片的拉曼谱峰强度有显著差异，这反映了不同产地的黄芪饮片中含有的化学成分存在明显差异。Edwards等[33]对比3种不同产地的人参饮片的拉曼光谱图，发现中国人参仅在1 003 cm-1处出现拉曼峰，高丽参仅在1 600 cm-1处出现拉曼峰，而西洋参在1 600 cm-1和1 003 cm-1均出现拉曼峰。可以通过拉曼峰位置的差异对这3种不同产地的人参进行区分。
1.6 在中药材炮制过程中的应用
炮制方法不当，存在引入有害杂质的可能性。熊平等[34]采用FT-Raman检测并定性分析生、熟草乌的组成，结果发现熟草乌和草乌的拉曼光谱差异明显。雷咪等[35]应用拉曼光谱法对6种含硫酸盐类矿物药及石膏炮制品进行分析，结合OPUS软件对各类矿物药的特征谱线进行了归纳和分析，将6类含硫酸盐类矿物药区分开，同时也把不同炮制程度的炮制品和生品区分开来，证明了拉曼光谱法可以反映硫酸盐类矿物药炮制前后、炮制程度的差异。袁明洋等[36]的研究表明，玄明粉和风化硝的拉曼光谱特征峰一致，现代炮制方法中二者炮制方法相同是合理的。明小芳等[37]应用拉曼光谱法，实现对纳米雄黄生品和纳米化并酸水飞品的鉴定；还发现雄黄经纳米化并酸水飞后晶形结构也发生改变。
1.7 中药材质量变化的研究
在中药的运输、加工和储存过程中，通常伴有组成的变化和真菌毒素的污染等问题。拉曼光谱可用于分析中药材的质量变化过程[38,39]。胡淑荣等[40]以纳米银颗粒作为活性基质，提高了拉曼光谱信号，实现了中药材中赭曲霉毒素A的快速检测。崔晓惠等[41]利用拉曼光谱对受到一定剂量钴-60辐照的硼砂和珍珠进行了分析，得到的拉曼光谱表明其成分无明显变化；本研究确定了钴-60辐照工艺可用于硼砂和珍珠的灭菌，并初步确定了辐照剂量。动态表面增强拉曼光谱技术(D-SERS)是在纳米溶胶从湿态转变到干态过程中实时进行的光谱采集，该方法相较于传统的SERS,拉曼信号能增加了100～1 000倍[42,43]。任菲等[44]通过滤纸擦拭法提取薏苡仁表面的黄曲霉毒素G1,再将滤纸浸入乙腈中获得待测样品溶液，经过前处理后进行D-SERS信号采集，以1 303 cm-1处特征峰峰强度为纵坐标，黄曲霉毒素G1浓度为衡坐标，获得了二者的关系式，实现薏苡仁中黄曲霉毒素G1的定量分析，该方法能够快速检测中药材中黄曲霉毒素G1的含量。杨方等[45]采用表面增强拉曼光谱法对不同年份的陈皮进行检测，发现存放5年以下的陈皮和存放7年以上的陈皮相比，拉曼光谱峰存在明显差异，根据这一结果，可以估计存放7年以上的橙子皮与存放不到5年的陈皮相比可能具有成分变化。陈秋媚等[46]对中药复方S洗剂在常温、室温和不同使用时限下的激光拉曼光谱数据进行分析，结果表明在常温下茶油酸、萜类、茶氨酸等生化成分变化明显，冷藏下植物蛋白的变化明显；使用时间>21 d时，冷藏条件下的整体物质含量更高。
1.8 用于检查中药的非法添加
胡然等[47]建立了分子印迹(MIP)技术与表面增强拉曼光谱联用检测法，利用MIP技术简单分离止咳平喘类中药水溶液样品中的茶碱，然后利用SERS法对茶碱进行检测，观察收集到的拉曼光谱在571 cm-1是否出现茶碱特征峰，判断样品中是否有茶碱添加。该方法可以快速检测中药中非法添加的茶碱。
1.9 在中药分析中的其他应用
拉曼光谱法还被应用在单味药配伍为复方时其中成分变化的研究。林佳等[31]发现玉屏风散煎剂保留了防风、黄芪和白术这3味单味药材的部分成分；3味单味药煎剂的个别成分却没有在玉屏风散煎剂中保留；玉屏风散煎剂中出现了新的化学成分。中药制剂含量均匀度直接影响到它的疗效，甚至会出现无效或中毒的极端现象。拉曼光谱与光导纤维技术联用后能够实现对中药制剂含量均匀度的在线监测[48]。此外，拉曼光谱法不仅能用于血液和尿液中中药成分的含量测定，还能分析中药小分子与机体组织的结合位点及结合后的变化。连文慧等[49]通过共振拉曼散射和分子对接技术，确定了丹参素钠和细胞色素C的氨基酸残基的结合方式，还明确了二者的结合位点。蔡何青等[50]采用显微共聚焦拉曼技术，发现红细胞膜在丹参注射液作用下胞膜磷脂分子脂酰基C-C骨架的反式构象转变为扭曲构象。
2 总结与展望
本文综述了拉曼光谱法在中药分析中的应用进展，包括在中药的鉴别、含量测定、成分的谱峰归属、检测农药残留、检测非法添加、道地性研究、炮制过程研究、质量变化研究等，拉曼光谱法均表现出优秀的分析能力。这主要归因于SERS法具有如下优势：(1)具有高灵敏度和准确性；(2)可以获得中药特有的“指纹信息”;(3)一般情况下不需要对样品进行预处理，并且分析对样品无损；(4)少量样品即可实现快速检测；(5)水的干扰小，便于中药汤剂的研究，可以透过水环境、玻璃和石英等无创地提供中药的内部信息；(6)操作简单，成本低廉。
然而，该技术在未来的发展中仍有许多问题亟待解决，例如：(1)SERS法活性基底的重现性和稳定性较差；(2)SERS法的活性基底具有特异性，导致成本高而又无法进行批量化生产；(3)当待测成分过于复杂时，不同物质的相同基团会出现峰叠加的情况，此时需要依赖复杂、费时的前处理技术如TLC+SERS、UPLC+SERS和MIP+SERS等，才能得到更好的分析效果；(4)目前还没有能够解释所有SERS效应的完整理论。这些问题均会限制拉曼光谱法广泛的应用。因此，研究者在该领域仍需做许多工作，才能充分解决拉曼光谱法在中药分析应用中的诸多瓶颈问题。但是，拉曼光谱法已被广泛认可，越来越多的学者投入到其应用研究中，拉曼光谱法不断推陈出新，已经成为药物研究方面十分有潜力的工具。不难预见，随着拉曼光谱技术的不断发展，应用的不断深入，它与其他分析技术的结合，相信在不久的未来，拉曼光谱技术会在中药的研究方面发挥更加重要且广泛的作用。
