基于加权模糊识别的中药材质量评估及产地分析模型

【摘要】  研究通过采集药材HPLC指纹图谱数据，运用加权模糊模式识别方法评估中药材的质量及其产地分布情况，得到了很好的分辨率。最后通过一个实例说明了此模型实际应用的可行性与优越性。

【关键词】  指纹图谱； 模糊模式识别； 加权； 阀值

　　Abstract  As the quality of the medicines on the market varies greatly, based on the weighted fuzzy pattern recognition of quality assessment and origin analysis model of Chinese herbal medicines, a method using HPLC fingerprint of the medicines is presented to assess the quality and origin in this paper . The numerical experiments show that the method has good resolution .By an example, it is verified that this model is more feasible and effective than the previous model in practice.

    Key words   fingerprint;  fuzzy pattern recognition;  weighted;  threshold   

    我国是中草药资源丰富的国家，对中药材的药性、成分等方面的研究也有着优良的传统。中药指纹图谱［1，2］就是在对中药系统的不断深入研究中起来的，是表征中药所含成分与其质量关系的有效手段。目前，在应用中药指纹图谱研究药材成分的过程中，得到了许多不错的结果［3，4］。特别是与交叉学科的相互渗透方面［5，6］，其研究水平和应用范围也在不断扩大。由于气候及产地等因素的影响，中药材的成分和质量等级也有着差异性。鉴于此，我们有必要探询一种有效的药材质量评估方式，来识别其等级及产地分布情况。

　　1  仪器及分析条件［7］

　　1.1  仪器与试剂

    岛津LC-10ATVP高效液相色谱仪；岛津SPD10AVP紫外检测器；TB328B型电光分析天平（上海天平仪器厂）；HH-2型恒温水浴锅（金坛市新航仪器厂）；RE-52AA型旋转蒸发仪（上海亚荣生化仪器厂）。甲醇为色谱纯，水为重蒸水，其余试剂为分析纯。

　　1.2  色谱条件

    色谱柱：岛津ULTRONVX-ODS(4.6mm250mm,5μl)柱；流动相：甲醇-水-冰乙酸（60：40：1）；流速：0.8ml/min；检测波长：254nm；柱温：室温；进样量：20μl。

　　2  模型的建立

    Step1. 设所考虑的对象为A药材，取m种已知质量等级并有代表性的该药材A1（产地1），A2（产地2），…，Am（产地m），它们相应的等级评价为“一等、二等、…、m等”。测定不同产地此药材的HPLC指纹图谱，采集各等级药材在实验中的指纹图谱的保留时间和峰面积。

    Step2. 选择t个共有色谱峰作为指纹图谱的特征峰，其中药材Aj观测到的第i个特征峰的保留时间为aji，峰面积为bji，i=1,2,…，t, j=1,2,…,m。建立表征指纹图谱中保留时间及峰面积的信息矩阵Hj=aj1   aj2   …   ajtbj1   bj2   …   bjt，并对矩阵Hj每行分别应用公式rji=aji   ∑t   i=1aji，Rji=bji   ∑t   i=1bji归一化得：hj=rj1   rj2   …   rjt
Rj1   Rj2   …   Rjt。

    Step3. 将药材Aj归一化后的信息矩阵hj转化成信息向量：Yj=(rj1  rj2  …  rjt  Rj1  Rj2  …  Rjt）, j=1，2,…,m。

    Step4.  在同样实验条件下，对一未知质量等级的待测A药材Aα进行观测，得到t个共有色谱峰的保留时间aαi和峰面积bαi，i=1,2,…,t。建立表征指纹图谱中保留时间及峰面积的信息矩阵Hα=aα1   aα2   …   aαtbα1   bα2   …   bαt,对矩阵Hα的每一行分别应用公式rαi=aαi   ∑t   i=1aαi，Rαi=bαi   ∑t   i=1bαi归一化得：hα=rα1   rα2   …   rαt
Rα1   Rα2   …   Rαt。

    Step5. 将药材Aα归一化后的信息矩阵hα转化成信息向量：Xα=(rα1  rα2  …  rαt  Rα1  Rα2  …  Rαt）。

    Step6. 根据药材中各成分所对应色谱峰面积的大小，以及该成分对药效的重要程度，综合考虑给出1～t号峰所对应的一个权重向量w=(w1,w2,…,wt)。并根据实验中保留时间的稳定性优于峰面积的稳定性这一事实，考察两者稳定性的相对程度，给出指纹图谱中保留时间和峰面积的权重指标ω=(ω1,ω2)。

    Step7. 利用综合加权最小平均贴近度公式
    N(Xα,Yj)=ω1∑t   i=1wi(rαi∧rji)+ω2∑t   i=1wi(Rαi∧Rji)   1   2［ω1∑t   i=1wi(rαi+rji)+ω2∑t   i=1wi(Rαi+Rji)］
N(Xα，Y1)，N(Xα，Y2)，…,N(Xα，Ym)的值，其中“∧”为取小算子。

    Step8. 计算N(Xα，Yj0)=max{N(Xα，Y1)，N(Xα，Y2)，…，N(Xα，Ym)}，考察实验中不同产地该药材的差异性程度，设置阀值λ。当N(Xα，Yj0)≥λ时，则认为Xα与Yj0最贴近。由择近原则［8］，最后判断Xα与Yj0为一类。当N(Xα，Yj0)<λ时，则判断Xα的质量不合格。

　　3  实例分析

    白芷在我国生长区域分布十分广泛，其主要产于浙江A1（一等品）、河南A2（二等品）、四川绵阳A3（三等品）、湖北A4（四等品）、湖南A5（五等品），建立HPLC法测定上述各产地何首乌的HPLC指纹图谱，如图1所示，并采集各等级白芷在实验中指纹图谱的保留时间和峰面积［7］。

　　3.1  选择10个共有色谱峰作为指纹图谱的特征峰，其中药材Aj观测到的第i个特征峰的保留时间为aji，峰面积为bji，i=1,2,…,10，j=1,2,…5。

　　3.2  建立表征指纹图谱中保留时间及峰面积的信息矩阵，并对该矩阵每行分别归一化并转化成信息向量：Yj=(rj1  rj2  …  rj10  Rj1  Rj2  …  Rj10)，rj1 、Rj1具体数值分别如表1、表2所示，i=1,2,…10，j=1,2,…5。表1  1～10号峰保留时间归一化后数值（略）表2  1～10号峰峰面积归一化后数值（略）

　　3.3  现有一个等待定级的白芷样本Aα，在同样实验条件下，得到10个共有色谱峰的保留时间aαi和峰面积bαi，i=1,2,…,10。建立表征指纹图谱中保留时间及峰面积的信息矩阵并对每行分别归一化得：
hα=0.0177   0.0303   0.0429   0.0591   0.0735   0.0857   0.0998   0.1372   0.1776   0.2762
0.1936   0.0235   0.1168   0.0286   0.0029   0.0325   0.0449   0.3183   0.1225   0.1165

　　按上述公式转化成信息向量Xα=(rα  Rα)，其中：

    rα=(0.0177  0.0303  0.0429  0.0591  0.0735  0.0857  0.0998  0.1372  0.1776  0.2762 )

    Rα=( 0.1936  0.0235  0.1168  0.0286  0.0029  0.0325  0.0449  0.3183  0.1225  0.1165)

　　3.4  根据白芷各成分所对应色谱峰面积的大小，以及该成分对药效的重要程度，综合考虑给出1～10号峰所对应的一个权重向量w=(0.16,0.04,0.12,0.04,0.04,0.08,0.08,0.20,0.12,0.12)。并根据实验中保留时间的稳定性优于峰面积的稳定性这一事实，考察两者稳定性的相对程度，给出白芷指纹图谱中保留时间和峰面积的权重指标ω=(0.6,0.4)。
3.5  利用综合加权最小平均贴近度公式得：N(Xα，Y1)=96.782%，N(Xα，Y2)=94.804%，N(Xα，Y3)=97.645%，N(Xα，Y4)=91.634%，N(Xα，Y5)=96.790%。

    根据白芷的成分组成以及评估人员对药材质量的要求，给出阀值λ=0.85。

    最后有：N(Xα，Y3)=max{N(Xα，Y1)，N(Xα，Y2)，…，N(Xα，Y5)}=0.97645>0.85

    综上可知该待测白芷样品为三等品，其产于四川一带。

　　4  结束语

    本研究通过采集中药材HPLC指纹图谱数据，建立符合药材特征的数学模型，分析待测药材的质量等级及产地分布，得到了很好的辨别效果，该模型可以广泛应用于各种中药材的分析和评估。

【】
  　　1 王瑾,胡璟华. 中药指纹图谱的研究概述. 解放军药学学报 ,2004,3 : 214～216.

　　2 杨桂芳,王鹏. 中药指纹图谱的建立方法和作用. 时珍国医国药, 2004,1 :21.

　　3 郑云枫,彭国平. 栀子药材HPLC指纹图谱的研究. 南京中医药大学学报(版) ,2005,1: 45～47.

　　4 易中宏,胥秀英,郑一敏,王龙. 茯苓药材指纹图谱模糊模式识别研究. 中药研究与实践 ,2004,4:62.

　　5 袁鹏,张铭光,袁敏等. 模糊聚类分析法在郁金裂解色谱测定指纹图谱中的应用研究. 计算机与应用化学 ,2005,3: 201～205.

　　6 聂磊,罗国安,曹进,王义明. 中药二维信息指纹图谱模式识别. 药学学报 ,2004,2: 136～139.

　　7 邓捷圆,高广慧,孙晓军,赵春杰. 不同产地白芷药材HPLC指纹图谱的研究. 药学服务与研究 ,2004,4: 335～339.

　　8 胡宝清.模糊理论基础. 武汉大学出版社,2004,10: 179～181.