中藥材品種品質高通量無損檢測技術方案的應用

易科泰公司生態(tài)健康研究中心依托Ecolab光譜成像實驗室，在近20年的儀器技術服務與研發(fā)集成經驗基礎上，對中藥材品種品質鑒定進行了系列研究探索，推出基于光譜成像技術的中藥材品種品質鑒定、質量控制全面解決方案，并提供SpectrAPP光譜成像技術創(chuàng)新應用項目合作與技術服務。
 

1.實驗室SpectraScan-TCM客戶定制化光譜成像技術方案

SpectraScan-TCM實驗室光譜成像為客戶定制化解決方案，采用全球知名Specim高光譜成像技術，結合高分辨率RGB彩色成像分析技術，客戶定制自動掃描成像分析平臺（主機系統(tǒng)），其主要技術特點如下：
 

ü國際著名Specim高光譜成像技術，可選配VISIR（400-1000nm）可見光近紅外波段、SWIR（900-1700nm或1000-2500nm）短波紅外波段、MWIR中波紅外波段、LWIR長波紅外波段高光譜成像
 

ü自主設計研發(fā)3D掃描平臺，集多鏡頭成像、高精度移動掃描、光源控制、遠程無線控制于一體，可根據不同需求定制規(guī)格大小
 

ü專為科研及商業(yè)應用領域設計，滿足實驗室檢測鑒定和工業(yè)應用的需求，可根據客戶需求定制中成藥自動化品質檢測系統(tǒng)，自動傳送藥品（飲片）、自動采集高光譜成像數據、在線檢測（需客戶定制）
 

ü可選配多光譜熒光成像分析，高通量非損傷定量化分析莖葉及根生中藥材葉綠素、花青素、胡蘿卜素、阿維酸、酚類、芪類、類黃酮、槲皮素等總量（下圖為銀杏葉化學成分做圖，SpectrAPP項目）
 

ü自動化數據采集分析系統(tǒng)，可選配軟件及數據分析服務器

ü模塊化設計，友好的PC端GUI軟件界面，用戶可實現遠程操控

ü可選配SisuCHEMA高光譜化學成像分析平臺，樣品最大可達200x300x45mm，最大分辨率可達30微米，10毫米或更小的樣品（下圖2為黃芪-甘草光譜特征曲線，SpectrAPP項目；圖4為泡罩（膠囊）質量檢查：紅色為空泡，綠色為正常泡，藍色為假冒產品）

案例1、兩種“防己”中藥的鑒別

漢防己（Stephania tetrandra）與廣防己（Aristolochia fangchi）在形態(tài)上有許多相似之處，因而經常被錯誤地取代。廣防己屬于馬兜鈴屬植物，在中藥中通常用其木質根干燥炮制后入藥，具有利水消腫，祛風止痛之功用。但因其含有致癌物質馬兜鈴酸，可導致尿路上皮癌和馬兜鈴酸腎病(AAN)。

茨瓦內科技大學中藥研究中心的研究人員利用SisuCHEMA高光譜化學成像工作站，無損獲取900-2500nm波段范圍內的高光譜影像，通過選擇識別信息范圍（964-1774nm）對數據進行去噪降維處理，結合偏最小二乘判別分析(PLS-DA)，建立了判別系數R2=0.9，預測均方根誤差(RMSEP=0.23的判別模型。成功識別了作為外部驗證集插入模型的廣防己和漢防己樣品。

圖1.1 兩種“防己”中藥的根物質：a）廣防己；b）漢防己

圖1.2 主成分分析得分圖：a）PC得分散點圖；b）指示兩種粒子分布的得分影像

此外，通過制備增量摻假混合物，對摻入廣防己(10-90%)的防己混合物樣品進行了檢測研究。分析結果顯示，高光譜成像可準確檢測低至10%的摻假量。由此可見，高光譜成像對中藥材品質檢測及質量控制方面具有巨大的應用潛力，可有效預防馬兜鈴酸腎病的發(fā)生。

圖1.3（左）：a）PLS-DA得分散點圖；

b）根據分類（紅色=廣防己，綠色=漢防己）著色的得分圖像

圖1.4（右）：不同增量摻假樣品的得分影像：a）6.5%廣防己；b）15%廣防己；c）24%廣防己；d）30%廣防己；e）49%廣防己；f）58%廣防己；g）76%廣防己；h）85%廣防己；i）93%廣防己

案例2、花草茶混合檢測

在南非，當地的花草茶因其獨特的味道和香氣而備受歡迎�；ú莶鑿V受贊譽的健康益處包括對高血壓和糖尿病等慢性疾病的治療。由于不同品牌、不同質量的茶以及混合茶的生產，草藥茶的質量控制變得非常重要。

Majolie Djokam等人利用SisuCHEMA對由路易波士茶(Aspalathus linearis)、蜜樹茶(Cyclopia intermedia)、合香葉((Agathosma Betulina)和癌藤(Sutherlandia frutescens)混合而成的花草茶進行了研究。通過獲取900-2500nm波段范圍的原料和完整茶包的高光譜圖像，使用主成分分析(PCA)和偏最小二乘判別分析(PLS-DA)模型，顯示出花草茶原材料的明顯區(qū)別，準確預測了各混合料的原料組成和相對比例。

圖2.1（左）：a）rooibos和buchu原材料的高光譜(RGB)圖像；b）t2的主成分分析(PCA)分數圖像；

c）兩種粒子的得分散點圖(t2 vs. t3)，根據兩種茶對應的分數值進行著色

圖2.2（右）：a）偏最小二乘-判別分析y -圖像，顯示校準數據集中原材料的分類；

b）預測數據集，顯示根據預測類著色的原材料成分比例

該結果被超高效液相色譜聯用質譜(UHPLC-MS)方法驗證，證明了高光譜成像結合化學計量學建模的應用可用于準確鑒定花草茶混合物和確定茶包中各成分相對比例，是一種可靠、快速和無損的中藥材及保健品質量控制方法。

2.野外便攜式光譜成像技術方案

野外便攜式光譜成像技術方案可以選配IQ智能高光譜成像儀或PhenoPlot輕便型光譜成像技術方案，用于野外中草藥性狀檢測、品質識別鑒定等。

üIQ一體式智能高光譜儀：集數據采集、處理分析、結果顯示于一體，可實現延時采集，遠程無線操控，現場快速檢測，應用分析

ü適用性強：整機小巧輕便，結構緊湊，防護級別高，全自動采集

ü應用多樣：可根據客戶的應用需求，創(chuàng)建App，直接調用

ü地理定位：內置GPS，可記錄采集位置

ü模塊式結構：輕便、可擴展，單人即可拿到野外對Plot樣地中藥材進行表型性狀成像測量分析

ü可定制單軸樣帶式掃描成像或XYZ三維掃描成像臺架，以適應不同需求

ü可選配側面（垂直）光譜成像分析，還可選配旋轉式高光譜掃描成像平臺

ü可選配RGB、多光譜、高光譜、紅外熱成像、Thermo-RGB融合成像等不同成像單元

ü廣泛的應用領域：農作物表型研究、植被病害研究、遺傳育種、食品藥品檢測、藝術品鑒定、考古文博應用、健康醫(yī)學、動物行為研究

蟲草識別：左為蟲草菌體部RGB圖，右下圖中紅色為蟲草（蟲體部和菌體部）

易科泰生態(tài)技術公司致力于生態(tài)-農業(yè)-健康研究發(fā)展與創(chuàng)新應用，為中藥材研究檢測及品質品種檢測鑒定應用提供高光譜成像技術全面解決方案。Ecolab實驗室擁有便攜式高光譜成像儀、SpectraScan實驗室臺式高光譜成像系統(tǒng)及野外用高通量掃描式高光譜成像設備，結合RGB成像分析、科研級紅外熱成像技術、多光譜熒光成像技術，可提供中藥材性狀表型分析與種質資源檢測、食品檢測、中藥產品及保健品有效成分檢測等技術服務和實驗合作。