本文關鍵詞： 傳感器陣列 電子鼻 級聯(lián)分類器 模式識別算法 砂仁 中藥　出處：《北京中醫(yī)藥大學》2013年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：[研究背景] 中藥品質評價一直是中藥研究和應用的重點和難點,在長期的醫(yī)療實踐過程中,人們積累了大量評定中藥質量的方法。有傳統(tǒng)的五大鑒定法,隨著科學的現(xiàn)代化發(fā)展,許多新技術新手段滲透其中。但是,也存在著一些問題。例如現(xiàn)有對中藥揮發(fā)性成分的GC-MS分析,所得結果主要是裂解后的小分子產(chǎn)物信息,與其在藥材中的原始形態(tài)、或者說發(fā)揮藥效的化學物質關聯(lián)性較差。近年來,學者們一直在尋找一種綜合的分類方法：在給出具體指標的同時,也能夠解釋這些指標所代表的更深層次的物質內(nèi)涵和藥效作用。傳統(tǒng)性狀鑒定是基于“辨狀論質”理論、采用手摸、眼看、鼻聞、嘴嘗等方法,建立了一整套優(yōu)質藥材的評價標準。這種標準是公認的、可靠的、有效的。同時,在現(xiàn)行的《中國藥典》等標準中,“性狀”標準始終占據(jù)重要地位,具有獨特的優(yōu)越性。其中,氣味特征與中藥所含化學成分直接相關,同時也與其他類成分間接相關,更重要的是與內(nèi)在質量、藥效密切相關,如“砂仁氣香濃,質優(yōu)效佳”。然而,傳統(tǒng)嗅覺識別法主觀經(jīng)驗性較強,不利推廣應用。目前常用的氣味分析技術(如氣相色譜法),前處理繁瑣、溶劑消耗多,且不能反映氣味整體特征。因此,在傳統(tǒng)性狀鑒別原有的優(yōu)勢基礎上,早日引入能數(shù)字化、量化氣味特征的儀器迫在眉睫。 需要特別指出的是,所謂“氣味”一詞的概念有廣義和狹義之別。在本論文中,提及的中藥“氣味”特征性指代在性狀鑒別過程中,人類嗅覺感官系統(tǒng)接收的主觀感受。 仿生嗅覺系統(tǒng)的研究已開展多年,其中以電子鼻技術的為主要代表。電子鼻是近年發(fā)展迅速的高新技術,具有快速、靈敏、準確、無損、無污染等特點。但其檢測系統(tǒng)——傳感器陣列具有廣譜響應性、交叉敏感特性等特點,導致信息重疊冗余、模式識別繁雜耗時等問題。在實際應用中,需尋找模式識別最優(yōu)解,建立適宜的傳感器陣列優(yōu)化方法,從而采用最簡便、準確的識別方法和最小規(guī)模的傳感器陣列實現(xiàn)不同樣品的快速鑒別。 本論文針對以上問題,即如何科學、合理地將仿生嗅覺系統(tǒng)——電子鼻引入到中藥‘氣味”數(shù)字化、進而應用于中藥品質整體評價之研究領域及如何展開相關方法學的研究等科學問題,以臨床常用大宗藥材砂仁等為研究載體,采用目前公認的中藥品質評價方法——傳統(tǒng)性狀鑒定法和理化分析法,旨在對符合中藥特征的氣敏傳感器陣列的優(yōu)化法和系統(tǒng)判別模型的篩選法進行較深入的研究,明確藥材氣味與藥材內(nèi)部物質基礎之間的關系,從而建立中藥質量的氣味判別模型,為藥材質量標準的完善提供依據(jù)。為優(yōu)選適合中藥“氣味”研究的氣敏傳感器陣列,篩選智能的、符合中藥整體特征的系統(tǒng)判別模型提供參考,為電子鼻合理應用于中藥品質整體評價奠定基礎。同時也為中醫(yī)藥理論指導下的中藥研發(fā)提供新思路。 [目的與意義] 1、以性狀鑒定為基礎,建立砂仁藥材質量的初步評價；找出優(yōu)質砂仁性狀特征的物質內(nèi)涵,驗證其科學性。 2、確定電子鼻對砂仁氣味的最佳測量參數(shù),建立優(yōu)良測量方法,為電子鼻在中藥研究領域中的應用提供實驗依據(jù)。 3、建立MOS傳感器陣列優(yōu)化法,篩選模式識別算法,建立最佳判別模型；為科學、合理地將電子鼻應用到中藥品質評價中,提供保障。 4、找到“感官氣味—數(shù)字化氣味—內(nèi)在物質基礎”之間的相關性,證明“電子鼻”代替‘人鼻”的合理性。 5、確立電子鼻分辨中藥優(yōu)劣及預測中藥成分的具體判別指標,為中藥提供一種快捷、靈敏、準確的備選鑒別技術,推動中藥品質評價智能化進展；同時為中藥質量標準的完善提供新思路與新技術支持。 [內(nèi)容與方法] 本論文收集不同品種、不同產(chǎn)地砂仁樣品,從五個方面開展研究： 1、在“辨狀論質”理論指導下,基于傳統(tǒng)性狀鑒別法,盡量準確、詳盡地對不同來源的砂仁進行性狀描述,包括果實的形狀、表面、顏色,種子團的質地、顏色、氣味等,對其質量進行初步評價,建立感官評價表。 另外,選擇易于測量、可數(shù)字化的性狀參數(shù),確定縱徑、橫徑及百果重為砂仁性狀測量指標,分別代表果實的大小及種子團飽滿程度。 2、分別采用氣相色譜法(GC)、高效液相法(HPLC)測定砂仁樣品中乙酸龍腦酯、樟腦以及槲皮苷的含量,從而建立符合現(xiàn)行標準規(guī)定的參考指標。采用典型相關分析法,對砂仁性狀特征和內(nèi)在物質基礎進行相關性分析,為作為優(yōu)質砂仁質量標準的性狀特征的科學性與合理性提供實驗依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。 3、基于α-Fox3000電子鼻對樣品氣味的分析測定,以氣敏傳感器的最大響應為指標,采用單因素考察和正交試驗法,從稱樣量、進樣量、粒徑、孵化溫度、孵化時間等5個因素對電子鼻的測量參數(shù)進行摸索、優(yōu)化,確定最佳測量參數(shù)。 4、為提高方法的普適性與泛化性,以姜科常用10味藥材為研究載體,基于上述優(yōu)選出的最佳實驗條件,采用逐步判別分析法、主成分分析法、BC(BestFirst+CfsSubsetEval)屬性篩選法等進行適用于中藥氣味特征提取的傳感器陣列優(yōu)化方法的摸索與建立,同時采用樸素貝葉斯、徑向基函數(shù)網(wǎng)絡、隨機森林等進行最佳模式識別算法的摸索與建立,結合藥材的傳統(tǒng)鑒別特征及有效成分指標,對所建判別模型進行驗證,為其提供實驗依據(jù)和理論支持,最終尋求判別模型建立法的最優(yōu)解。 5、在已建判別模型的基礎上,利用電子鼻提取的砂仁數(shù)字化氣味數(shù)值對其內(nèi)在物質進行預測,與實測值比對,初步探索了電子鼻基于中藥氣味特征對其“真?zhèn)蝺?yōu)劣”的鑒別、預測潛力。 [結果與結論] 本論文收集砂仁樣品共25批,其中包括：廣東省陽春砂、云南省陽春砂、廣西省陽春砂、東南亞綠殼砂。 建立的GC.HPLC等方法均準確、有效、可靠。所測25批樣品結果為：縱徑0.52～1.75cm、橫徑0.56～1.02cm、百果重20.18～84.03cm;乙酸龍腦酯含量0.48～6.64mg/g.樟腦含量0.33～3.50mg/g.槲皮苷含量0.01～0.18mg/g.不同來源樣品間乙酸龍腦酯含量分布規(guī)律性最強：即廣東陽春砂均在3.5mg/g以上、云南陽春砂大致范圍為1.5～3.5mg/g、廣西陽春砂為1.0～2.0mg/g.東南亞綠殼砂為0.3～1.6mg/g. 從砂仁的感官評價表得出,基于傳統(tǒng)性狀鑒別法對25批砂仁進行初步評價,將其分為兩大類：一類為種子團飽滿、油潤、氣芳香濃烈,二類為種子團稍顯干癟、油潤感差、氣香較淡。結合化學成分指標測定結果,得出以下規(guī)律：一類砂仁乙酸龍腦酯含量較高,在3.5mg/g以上(3.6606～6.6441mg/g)；二類砂仁乙酸龍腦酯含量較低,在1.8mg/g以下(0.4845～1.7449mg/g). 對砂仁性狀、內(nèi)在成分兩組指標的典型相關性分析結果顯示：第一典型相關變量中縱徑、橫徑的權數(shù)較大,分別為1.0234、1.4685,而其在乙酸龍腦酯含量上的相關系數(shù)最大,為2.1374。說明果實較大、種子團較飽滿(縱徑、橫徑數(shù)值大)的砂仁樣品中乙酸龍腦酯含量較高。由此證實,在臨床實踐中將“氣味濃淡、果實大小、種子團飽滿程度”作為砂仁傳統(tǒng)性狀鑒別中的重要依據(jù)之一,是科學合理的。 對稱樣量、進樣量、粒徑、孵化溫度、孵化時間等5個因素的單因素考察及正交試驗結果表明：電子鼻檢測砂仁氣味的最佳測量參數(shù)為：稱樣量0.4g,進樣量500μL,樣品粒徑為過2號篩,孵化溫度為45℃,孵化時間為600s。所確立方法準確、可靠。 采用多種手段進行傳感器優(yōu)化方法的摸索結果顯示：以α-FOX3000的12根原始傳感器陣列(U)為研究對象,基于方差分析、累計相關系數(shù)分析、聚類分析結合典則指標篩選法、逐步判別分析法以及BestFirst+CfsSubsetEval(BC)屬性篩選法,摸索出3種傳感器優(yōu)化法,所得傳感器優(yōu)化陣列分別為：U1:S1、S2、S5、S6、S8、S12;U2: S1、S3、S4、S10、S12;U3:S2、S3、S6、S8、S10、S12。 采用PCA、Fisher LDA以及多種分類器(NBN、RBF、RF)等對優(yōu)化前后的傳感器分類效果進行比較分析,結果顯示：聚類分析結合典則指標篩選法操作過程耗時、繁瑣；逐步判別分析法雖可降維、消除奇異性,但以鑒別信息的損失為代價,無法保證所抽取的特征是最優(yōu)的;BC屬性篩選法通過返回進行貪心式爬山搜索,逐一評估單個屬性的預測能力和屬性之間的冗余度,判別結果與原始陣列一致性最高。最終確立了最佳了MOS傳感器陣列的優(yōu)化方法——BC屬性篩選法。 傳感器陣列優(yōu)化法的確立：優(yōu)化后的傳感器陣列既保證所獲取信息的完整性和可靠性,也剔除了冗余信息、實現(xiàn)數(shù)據(jù)降維,能夠代替原始陣列完成對中藥的鑒別任務；并且優(yōu)化后分類效果有一定程度的提高,例如BC屬性篩選法優(yōu)化后的傳感器陣列,NBN、 RBF、RF3種分類器的正判率均在80%以上。此種優(yōu)化方法有效、可行。 分類器的篩選及確立：針對鑒別難點,以“級聯(lián)分類器”模式摸索、建立最佳判別模型,即建立以徑向基函數(shù)網(wǎng)絡為一級分類器、隨機森林為二級分類器的“二級級聯(lián)分類器”,實現(xiàn)對不同中藥樣品的鑒別。同時,結合傳感器優(yōu)化法,尋找更優(yōu)解：BC屬性篩選方法結合二級級聯(lián)分類器構建判別模型。證實所建模型學習速度快、準確率高、無過擬合現(xiàn)象等優(yōu)點,可望為中藥氣味鑒別提供一種簡便、快速、有效的備選分析方法。為在傳感器數(shù)量有限的前提下,實現(xiàn)電子鼻對中藥的快速鑒別提供實驗依據(jù)和方法參考。 MOS傳感器將中藥“氣味”數(shù)字化的結果：根據(jù)傳感器(LY2/gCT)最大響應值對砂仁內(nèi)在成分(乙酸龍腦酯)含量進行預測：響應值=0.04,質較優(yōu),乙酸龍腦酯的含量大多都在3.5mg/g以上、乙酸龍腦酯/樟腦含量比值大于2.0,基本可接受為道地陽春砂；而響應值=0.03的,則大多在1.8mg/g以下、乙酸龍腦酯/樟腦含量比值小于1.5,基本排除為道地陽春砂的可能。 結合性狀鑒別所建感官評價表,得出：電子鼻所得結果與性狀鑒別結果一致,即可將樣品分為二類：一類為氣味濃、傳感器響應值高、乙酸龍腦酯含量高,可接受為道地陽春砂；二類為氣味稍淡、傳感器響應值低、乙酸龍腦酯含量低,可排除為道地陽春砂。MOS傳感器陣列的電子鼻具有對中藥進行“品——真?zhèn)巍倍ㄐ浴ⅰ百|——優(yōu)劣”定量分析的潛力。 [討論] 1、不同性狀砂仁樣品之間內(nèi)在有效成分存在的顯著性差異,不僅僅體現(xiàn)于單一指標成分含量的高低,還表現(xiàn)在各指標成分比例的變化。從中醫(yī)“君臣佐使”理論思考,某味中藥的藥效發(fā)揮很大程度上與多成分及其相互之間比例關系密切相關。因此,筆者建議將來采用更體現(xiàn)中醫(yī)藥“整體觀”的多指標、多成分的模式,進行砂仁質量評價體系的研究。 2、在對電子鼻提取中藥(砂仁)參數(shù)設置時,本文是在忠于傳統(tǒng)性狀鑒定的前提下進行的,即在選擇孵化溫度、孵化時間等參數(shù)時,首先考慮與性狀鑒定保持一致,例如孵化溫度控制在40℃左右,以保證與傳感器作用的氣體盡量接近于人鼻所聞的化學物質。鑒于第五章已對傳感器陣列優(yōu)化、分類器篩選做了較為深入、系統(tǒng)的研究,再從第六章電子鼻對砂仁判別模型的建立及應用的結果——只能區(qū)分道地陽春砂與非道地陽春砂、而無法區(qū)分不同產(chǎn)地、不同品種的砂仁——來看,電子鼻的靈敏性、準確性未得到充分的發(fā)揮和驗證。筆者思考,人類嗅覺鑒別本身存在生理性盲區(qū)、客觀局限性和歷史選擇性,在將來進一步研究中,建議從傳感器與多成分作用機制出發(fā),充分嘗試更寬泛的儀器參數(shù),例如將孵化溫度調高等,更透徹挖掘其響應廣譜性、研發(fā)其判別專屬性。 3、實際應用中,對于電子鼻傳感器陣列的優(yōu)化法和判別模型的構建法選擇上,建議不必拘泥于一種方法,根據(jù)具體實驗條件、分析對象和研究目的,多法交叉、擇優(yōu)建模。數(shù)學算法更新迅速,例如貝葉斯算法的不斷完善與補充、多種數(shù)學算法交叉融合。未來,分類器的可選擇性和可適用性會日新月異。因此,筆者建議對本文所提出的“級聯(lián)分類器”方法的基礎上,應避免照搬套用。實際中,靈活運用可提高分類器選擇的準確性和判別模型的正判率。 4、電子鼻對道地陽春砂與其他砂仁樣品較易區(qū)分,并且對主要揮發(fā)性成分(乙酸龍腦酯)的含量范圍具有一定預測能力。然而,針對不同品種、不同產(chǎn)地砂仁樣品,基于電子鼻建立的氣味指紋圖譜,所建判別模式無法完成分類任務；同時,在使用傳感器響應值對樣品內(nèi)在成分進行預測時,只能給出大致范圍,驗證結果也出現(xiàn)了偏差。分析其原因可能有三： 第一,樣品量太少且收集時間不同,導致樣品的代表性存在局限性,建議在將來的研究中能收集更多、更具代表性的樣品； 第二,樣品質量的優(yōu)劣、藥效的好壞,還需要以后更進一步的藥理學實驗、臨床藥效的驗證,根據(jù)藥效學結果對樣品進行分類,再與電子鼻分類結果進行比較； 第三,傳感器廣譜響應性太強,專屬性不足,無法完成對砂仁特殊氣味特征的提取與表征,建議在將來的研究中能嘗試數(shù)量更多、種類更豐富的傳感器提取中藥氣味特征,在大量實驗基礎上對更適合分析中藥特異性氣味的傳感器進行篩選,充分挖掘電子鼻對中藥進行定性、定量分析的潛力。 5、受時間和實驗條件的限制,本文設計上整體性不夠完善、存在部分局限性,主要是對方法學進行了摸索與建立,希望在未來的研究中得到補充和完善。例如：對中藥原粉氣味進行與電子鼻氣味測定平行的GC-MS分析,為中藥產(chǎn)生氣味的具體化學物質基礎及其與傳感器作用過程、反應機制提供更進一步的實驗依據(jù),為中藥電子鼻的傳感器陣列特異性、專屬性的研究與開發(fā)奠定基礎。 6、對電子鼻技術在中藥領域的應用,除了對中藥品種、質量的“真?zhèn)巍?yōu)劣”的鑒別和預測之外,筆者考慮其在新藥研發(fā)中的價值。某一類氣味代表著某一類的化學物質、即意味著可能有某一類特定的藥效作用。例如中藥傳統(tǒng)鑒別中常提到的“參味”、“辛香味”等,這兩種特殊的氣味分別代表著補益類藥、化濕類藥所具有的臨床藥效。因此,針對新藥的開發(fā),可基于電子鼻先將其氣味分類,如此“有的放矢”地去尋找、開發(fā)它的藥用價值,具有指導性意義和環(huán)保價值。 [創(chuàng)新點] 3.1首次對傳統(tǒng)性狀鑒別中感官氣味與內(nèi)在物質基礎建立聯(lián)系、揭示了優(yōu)質砂仁性狀特征的物質內(nèi)涵,證實了傳統(tǒng)性狀鑒別經(jīng)驗,如“砂仁氣濃、個大、堅實、仁飽滿為佳”的科學性、合理性。 3.2針對砂仁感官氣味的主觀性、模糊性,首次采用電子鼻技術將其量化、數(shù)字化,建立一套優(yōu)良的砂仁氣味測定法。 3.3創(chuàng)新性地引入BestFirst+CfsSubsetEval屬性篩選法,證實了將其應用于建立電子鼻MOS傳感器陣列優(yōu)化法的優(yōu)越性和可行性,得到適用于中藥氣味特征提取的傳感器陣列優(yōu)化方法。 3.4首次運用“級聯(lián)分類器”模式構建中藥氣味判別模型,所建模式識別算法準確、有效、可行。 3.5在電子鼻對中藥的快速鑒別研究中,首次提出了“拆分任務、剔除冗余、由易到難、分級遞進”創(chuàng)新性原則,成功實現(xiàn)了對判別模型的改進與完善。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：北京中醫(yī)藥大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：R286.0;R314

【參考文獻】

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本文編號：1541486