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给华佗戴上“AR”眼镜 | 太赫兹科技在中药材领域的应用简析


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导语:众所周知,中药之所以能发挥治病功效,是它所含的物质基础 — 化学成分对机体作用的结果。由于中药的化学成分极为复杂(包括有机物和无机物),它的质量优劣评价方法和相应的质控标准长期以来一直是个难题,这也是影响中药现代化的一个主要因素。

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中药的标准化、规范化之路

近些年,中药材种植户为了追求更多的经济利益,农残超标、掺伪和伪品现象较多,不仅严重损害患者健康,而且妨碍市场正常运转。传统的"一看、二闻、三泡"等经验鉴别方法已经越来越难以分辨高仿伪品;而通过化学提取和色谱、质谱等理化检测方法往往步骤繁琐、费时,且对检测环境、人员及设备的要求和依赖度较高,不能适应现场、快速、简便等实际需求,亟需探索新的有效检测方法和鉴别技术。

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2016年,中医药的发展被上升为国家战略。随着中医药事业蓬勃发展,中药的质量控制成为必须解决的难题,中医药企业纷纷投入巨资购买检测仪器,甚至进口各类检验设备。如何提供一种快速有效的检测手段,建立中医药特征谱,成为当下的一个研究热点。只有以客观规范的质量评价标准和实验数据表明中药及原料药材的有效性、稳定性和可控性,才能使中药在国际市场上占据一席之地。

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太赫兹光谱技术在中药材成分分析和鉴定中的应用

传统的药物分析技术(如红外光谱以及一般理化鉴别等)往往需要对药品样本进行一系列的预处理,常常既费时又费力,极大降低了药物从生产到应用的效率。

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▲ 太赫兹技术用于药物检测的研究 

由于光谱技术是依据中草药中有效成分或特征成分进行鉴别的,可以避免一般鉴别方法的主观性和片面性,能够较为客观的反映药材的内在质量而逐渐受到了人们的重视。其中红外光谱的研究进展最为迅猛。而快速简便的太赫兹光谱技术利用其瞬态性、相干性,以及宽带性等特点,可以直接有效地获取被检药物内部分子结构以及分子间复杂的相互作用。将THz辐射用于中药材研究是对其它检测分析技术有效的补充,有益的尝试。

将THz辐射用于中药材研究有一些特殊的优点,主要包括:

1) 中药材的大分子振动或转动谱有一部分在THz波段;

2) 用THz时域光谱技术可以测量中药材的色散,有可能作为中药材鉴别的辅助指标,而红外光谱仪不能测试色散特性;

3) THz辐射具有相干性,有可能得到与位相有关的信息;

4) THz辐射脉冲宽度在皮秒到飞秒量级,可以测量中药材时域谱和中药材瞬态特性。

通过对中药材的太赫兹吸收谱和色散曲线的比较,我们发现,不同种类的中药材由于所含化学成分及其含量的不同,使得相应的太赫兹吸收谱和色散曲线也有着较明显的差异,这种差异主要表现在吸收峰位置的不同、吸收系数的大小以及折射率变化规律的差异中。

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▲ 太赫兹光谱技术探测生物样本 

以中药材黄花蒿的有效成分青蒿素为例,对单一中药成分进行了检测与识别。通过青蒿素的太赫兹时域谱计算获取了0.2-1.6THz波段的吸收光谱,其吸收曲线表现出了显著的特征吸收峰,以此作为识别依据有效地将青蒿素同吡哆素、苯甲酸、肉桂酸等其他几种药物进行了区分。

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利用THz-ABCD(Terahertz Air Breakdown Coherent Detection)系统对同一厂家生产的牛黄上清片(有效期至2019年3月/有效期至2019年12月)分别进行压片测量,对时域信号进行处理分析,得到它们在0.5~7 THz之间的有效特征吸收谱线,分析结果表明:在2.37 THz之后,过期药品和正常药品的吸收幅值差距比较明显。与此同时利用太赫兹时域光谱技术对3种不同产地(川贝母、平贝母、浙贝母)的贝母中药进行测量和分析,得到了3种贝母在0.5~6 THz之间的有效特征吸收谱,不同类型的贝母呈现不同的吸收光谱。结果表明,宽谱太赫兹时域光谱技术在药品控制和检测中有一定的应用前景。

通过以上方法,对各种中药材样本进行太赫兹时域光谱分析检测,建立中药材特征谱,给中药材定性定量;检测样本越多,特征谱数据库就越丰富,就能建立一套标准,哪种药、哪个区域产的好,都能比较查询。

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中医药行业在太赫兹领域的应用实践

2020年8月27日,同仁堂健康“中医药产品智能制造新模式应用”项目通过验收,国内首次使用太赫兹检测装备对医药产品无损检测,保证产品质量。

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2018年11月30日,云南省文山州挂牌成立 “太赫兹技术联合实验室”,利用太赫兹技术解决三七含量检测中时间较长的重大关键技术难题,实现对三七的快速、无损检测。

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太赫兹技术发展的一小步

将成为人类在疾病抗争中迈出的一大步

随着中药材测试样本的不断添加,中药材太赫兹光谱数据库的逐渐完善,利用太赫兹光谱数据库快速识别中药成分,实现对未知样本的定性或定量分析,将成为人类与疾病抗争的一种极为重要的技术手段。

太赫兹成像在分析中药材成分和药物结构上发挥的重要作用,能够作为X射线成像、超声波成像、核磁共振成像、红外成像以及拉曼成像等技术的重要补充。

可以预见,随着技术不断成熟,太赫兹技术领域将产生出更多成果与产品,推动国民经济的发展,为人类的健康事业做出贡献。期待太赫兹技术在中医药领域能有越来越多的商业化应用,期待太赫兹在生物医学上的应用能更广阔,更期待人类迈入“太赫兹时代”后的万物互联!

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