中药提取过程动态趋势在线紫外分析方法

技术领域

本发明涉及中药的提取生产过程在线质量控制和监管，尤其涉及一种中药提取过程动态 趋势在线紫外分析方法。

背景技术

在我国中药制药工业多年的快速发展中，中药现代化发挥了关键的作用，当前中药生产 加工工艺过程包括提取、浓缩、分离、干燥、药物成型等操作单元。其中有效成分的提取是 中药生产的关键环节之一，目前中药的提取生产过程基本上没有客观化的条件控制以及质量 检测，基本依靠人工经验控制和离线检测分析方法，存在着分析结果滞后的缺陷，生产自动 化程度低，缺乏对生产过程质量的控制，不同批次、不同厂家的同一产品在质量上经常存在 差异，缺乏统一的科学的质量控制标准，导致疗效的不稳定和重现性差。因此，需要提升提 取过程的在线质量控制水平，以达到可以快速、非破坏性、实时获取提取过程中质量信息， 及时发现与纠正异常操作，保证中药产品安全、稳定、有效。

常用的中药检测方法主要包括高效液相色谱法(HPLC)和光谱法。尽管HPLC分析准确， 但样品预处理复杂、分析时间长(约30min)，分析人员工作量大，难以实现在线分析。而光 谱分析法以其速度快且无损的特点被广泛用于实时在线分析。另外，由于水和乙醇对紫外波 段没有吸收，因此紫外光谱可以有效反应提取液中紫外活性成分的含量，同时，根据朗伯比 尔定律可以判断提取液中紫外活性成分的含量变化。

现有的国内发明专利(申请号：200710063804.6，2010年12月08日授权)提出了一种 制药过程中药物成分的在线紫外光谱检测系统。该系统主要用于紫外定量分析，需要配备参 比液、清洗液、标准液、稀释液等，以蠕动泵组的方式对待测样品进行稀释与混合。然而， 该发明专利并未涉及中药提取过程的进程分析。

国内发明专利(申请号：201310350212.8)针对中药提取过程，提出了在线紫外光谱检 测方法与系统，并实现了对中药提取液的自动取样、自动配比稀释、自动获取光谱、自动清 洗等功能。本发明在该专利的基础上，收集实时测量得到的药液紫外吸光度曲线，计算吸光 度特征值的变化率，从而实现对药液提取过程的动态趋势分析。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种中药提取过程动态趋势在线紫外分析 方法。

本发明的目的是提出一种中药提取过程动态趋势在线紫外分析方法，该方法在中药提取 过程动态趋势在线紫外分析系统上实现，所述系统包括：提取罐循环管路、旁通手动阀、冷 却器入口温度传感器、进样手动阀、水冷却器、冷却器出口温度传感器、进样电磁阀、放样 电磁阀、样品定量管、放空电磁阀、回样电磁阀、回样手动阀、水入口管路、进水电磁阀、 水定量杯、排水电磁阀、混合采样池、搅拌电机、搅拌桨、视窗、紫外光纤、排污电磁阀、 排污管道、光源、紫外光纤、视窗、紫外光谱仪、PLC主机、温度测量模块和电磁阀组及电 机驱动模块、数字通讯模块、双绞线、监控计算机。

所述提取罐循环管路主管路中安装手动阀，旁路依次与冷却器入口温度传感器、进样手 动阀、水冷却器、冷却器出口温度传感器、进样电磁阀、样品定量管、回样电磁阀、回样手 动阀相连形成循环管路，其中，样品定量管上下端另外分别与放空电磁阀和排样电磁阀相连； 水入口管路依次与进水电磁阀、水定量杯、排水电磁阀、混合池与采样池、排污电磁阀相连； 混合采样池顶部与放样电磁阀相连，底部两侧有视窗，搅拌电机与搅拌桨相连并伸入混合采 样池内部；排污管道分别与排污电磁阀和水定量杯的溢流管相连；

所述光源直接受紫外光谱仪的控制；光源依次与紫外光纤、视窗、紫外光纤、紫外光谱 仪相连；

所述PLC主机分别与温度测量模块和电磁阀组及电机驱动模块相连；温度测量模块与冷 却器入口温度传感器、冷却器出口温度传感器相连；电磁阀组及电机驱动模块与进样电磁阀、 放样电磁阀、回样电磁阀、放空电磁阀、进水电磁阀、排水电磁阀、排污电磁阀和搅拌电机 相连；监控计算机通过双绞线与数字通讯模块相连；数字通讯模块分别与紫外光谱仪和PLC 主机相连。

在线紫外分析方法包括以下步骤：

(1)关闭光源，利用紫外光谱仪进行紫外光谱快速检测，记录得到的暗光谱S_dark；利用 冷却器入口温度传感器检测工艺管路温度，令有效采样次数k＝0，并记录初始温度值T₁(0)； 设定滤波窗口宽度、光谱仪积分时间及采样测量周期T_s；

(2)对管路温度进行实时采样，令利用冷却器入口温度传感器得到当前工艺 管路温度T₁(k)，结合前一次采样值T₁(k-1)，若T₁(k)>T₁(k-1)且T_1th<T₁(k)<T_2th，或 T₁(k)≥T_2th，则工艺运行满足在线分析仪工作要求，说明工艺已进入提取状态且循环正常，执 行步骤3，对提取液进行采样；反之，则工艺运行不满足工作要求，令k＝0，记录当前温度 值为T₁(0)，并重新执行步骤2；其中，T_1th为判断工艺处于提取状态的阈值、T_2th为判断工艺 处于保持沸腾状态的阈值；

(3)进行提取液采样测量，自动配比及积分时间调节，设备排污与清洗，具体包括以 下子步骤：

(3.1)参考光谱测量：打开进水电磁阀，向水定量杯充水；待水定量杯充满后，溢流水 流入排污管道，此时关闭进水电磁阀、排污电磁阀，并打开排水电磁阀，待定量水进入混合 采样池后，测量参考光谱，并记录所得到的参考光谱S_ref；

(3.2)自动配比稀释与混合：关闭进样电磁阀与回样电磁阀，打开放样电磁阀与放空电 磁阀，使样品定量管中的样品全部流入混合采样池；同时打开搅拌电机，启动搅拌桨使提取 液与溶剂混合均匀，并完成稀释；之后再关闭放样电磁阀与放空电磁阀；重复此步骤直到加 入规定罐数的提取液；

(3.3)提取液光谱检测：打开光源，利用紫外光谱仪测量提取液光谱S_tcm；

(3.4)混合液排污与清洗：打开排污电磁阀，将混合液全部流入排污管道后，再关闭排 污电磁阀；再打开进水电磁阀、排水电磁阀使水直接进入混合采样池，并打开搅拌电机帮助 清洗；清洗完毕后关闭进水电磁阀、排水电磁阀，再打开排污电磁阀将污水排走，完成后关 闭搅拌电机；

(3.5)吸光度曲线求取及光谱预处理：由光谱S_tcm和S_ref及S_dark按下式求取吸光度A，

$A=-\log \left(\frac{S_{\mathrm{tcm}}-S_{\mathrm{dark}}}{S_{\mathrm{ref}}-S_{\mathrm{dark}}}\right)$

根据紫外光谱仪提供的转换参数将像素点转换为对应波长，对上述吸光度A序列进行紫外波 段提取、线性插值及滤波处理，得到预处理后的有效吸光度序列：{A(i)},i＝n₁,...,n₂，其中， n₁为有效光谱波段的最小波长，n₂为有效光谱波段的最大波长，i的单位为纳米；

经过以上步骤，完成当前时刻的光谱采样及预处理；

(4)计算吸光度变化率

(4.1)计算吸光度特征值：根据步骤3得到的有效吸光度序列，选取吸光度特征峰区域， 求取该区域吸光度均值，作为当前吸光度序列特征值C(k)：

$C\left(k\right)=\frac{{\Sigma }_{i={n_1}^{\prime }}^{{n_2}^{\prime }}A\left(i\right)}{{n_2}^{\prime }-{n_1}^{\prime }+1}$

其中，n₁'n₂'分别为特征峰区域两端首尾波长，A(i)为i波长下的吸光度值；

(4.2)得到特征值序列并计算吸光度变化率：基于每次测量得到的吸光度特征值组成 吸光度特征值序列{C(t)|t＝1,…,k}，如果上述序列元素个数k小于滤波窗口宽度，则返回步 骤2，继续收集下一时刻吸光度；若序列元素个数k大于或等于滤波窗口宽度，则首先采取 左侧窗口多项式滤波方法进行滤波，得到滤波后的特征值序列{C_f(t)|t＝1,…,k}，根据下式计 算当前吸光度特征值的变化率I(k)：

$I\left(k\right)=\left|\frac{C_f\left(k\right)-C_f(k-1)}{C_f(k-1)}\right|\times 100\%$

根据变化率I(k)确定吸光度的变化情况，以判断药液的提取情况；

(4.3)数据保存与显示：将测量得到的参考光谱、提取液光谱、暗光谱、提取时间、吸 光度保存到后台数据库，实时显示系统当前测量得到的参考光谱、提取液光谱、吸光度以及 吸光度变化率；

(5)根据步骤4.2得到的当前吸光度变化率I(k)，并结合之前时刻所得到的变化率数据， 对中药提取过程进行动态趋势分析：如果连续n个变化率保持在阈值T之内，则判断提取过 程已进入稳定阶段，其中，T值选取5％～10％，n的设定原则为：满足n次采样时间nT_s占 据该种类药物平均提取时间的此时系统提醒用户提取达到停点要求，同时转到步骤2， 进入下一周期的测量；若变化率未满足稳定条件，直接转到步骤2，进入下一周期测量。

本发明的有益效果是：本发明提供一种中药提取过程动态趋势在线紫外分析方法，包括 实时采样、紫外光谱检测、吸光度求取、光谱预处理以及吸光度变化率计算等步骤，通过分 析吸光度变化情况来进行中药提取过程的动态趋势分析。该方法能够快速、非破坏性、实时 获取提取过程中的质量信息，可以准确地反映药物提取过程的进展情况，提高过程在线质量 控制水平，及时发现操作异常，并进行纠正，以保证中药产品安全、稳定、有效。

附图说明

图1为本发明中药提取过程动态趋势在线紫外分析系统的结构框图；

图2为本发明中药提取过程动态趋势在线紫外分析方法流程图；

图3为测量得到的暗光谱曲线；

图4为测量得到的参考光谱曲线；

图5为测量得到的提取液光谱曲线；

图6为预处理后得到的吸光度曲线；

图7为中药提取过程吸光度特征值变化曲线；

图8为中药提取过程吸光度变化率变化及稳定性判定曲线；

图中，提取罐循环管路1、旁通手动阀2、冷却器入口温度传感器3、进样手动阀4、水 冷却器5、冷却器出口温度传感器6、进样电磁阀7、放样电磁阀8、样品定量管9、放空电 磁阀10、回样电磁阀11、回样手动阀12、水入口管路13、进水电磁阀14、水定量杯15、排 水电磁阀16、混合采样池17、搅拌电机18、搅拌桨19、视窗20、紫外光纤21、排污电磁阀 22、排污管道23、光源24、光谱仪25、温度测量模块26、电磁阀组及电机驱动模块27、PLC 主机28、数字通讯模块29、双绞线30、监控计算机31。

具体实施方案

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种中药提取过程动态趋势在线紫外分析方法，该方法在中药提取 过程动态趋势在线紫外分析系统上实现，所述系统包括：中药提取过程紫外光谱在线检测系 统，包括：提取罐循环管路1、旁通手动阀2、冷却器入口温度传感器3、进样手动阀4、水 冷却器5、冷却器出口温度传感器6、进样电磁阀7、放样电磁阀8、样品定量管9、放空电 磁阀10、回样电磁阀11、回样手动阀12、水入口管路13、进水电磁阀14、水定量杯15、排 水电磁阀16、混合采样池17、搅拌电机18、搅拌桨19、视窗20、紫外光纤21、排污电磁阀 22、排污管道23、光源24、紫外光纤21、视窗20、紫外光谱仪25、PLC主机28、温度测量 模块26和电磁阀组及电机驱动模块27、数字通讯模块29、双绞线30、监控计算机31。

提取罐循环管路1主管路中安装手动阀2，旁路依次与冷却器入口温度传感器3、进样手 动阀4、水冷却器5、冷却器出口温度传感器6、进样电磁阀7、样品定量管9、回样电磁阀 11、回样手动阀12相连形成循环管路，其中，样品定量管9上下端另外分别与放空电磁阀 10和排样电磁阀8相连；水入口管路13依次与进水电磁阀14、水定量杯15、排水电磁阀 16、混合池与采样池17、排污电磁阀22相连；混合采样池17顶部与放样电磁阀8相连，底 部两侧有视窗20，搅拌电机18与搅拌桨19相连并伸入混合采样池17内部；排污管道23分 别与排污电磁阀22和水定量杯15的溢流管相连。

所述光源24直接受紫外光谱仪25的控制；光源24依次与紫外光纤21、视窗20、紫外 光纤21、紫外光谱仪25相连；

PLC主机28分别与温度测量模块26和电磁阀组及电机驱动模块27相连；温度测量模块 26与冷却器入口温度传感器3、冷却器出口温度传感器6相连；电磁阀组及电机驱动模块27 与进样电磁阀7、放样电磁阀8、回样电磁阀11、放空电磁阀10、进水电磁阀14、排水电磁 阀16、排污电磁阀22和搅拌电机18相连；监控计算机31通过双绞线30与数字通讯模块29 相连；数字通讯模块29分别与紫外光谱仪25和PLC主机28相连。

以醋延胡索提取过程监测结果为例，来源为实际制药公司提取工艺现场，本发明方法具 体包括以下步骤：

(1)关闭光源24，利用紫外光谱仪25进行紫外光谱快速检测，记录得到的暗光谱S_dark, 如附图3所示；利用冷却器入口温度传感器3检测工艺管路温度，令有效采样次数k＝0，并 记录初始温度值T₁(0)；设定滤波窗口宽度为5、光谱仪积分时间为200ms，采样测量周期 T_s＝4min；

(2)对管路温度进行实时采样，令利用冷却器入口温度传感器3得到当前工 艺管路温度T₁(k)，结合前一次采样值T₁(k-1)，若T₁(k)>T₁(k-1)且T_1th<T₁(k)<T_2th，或 T₁(k)≥T_2th，则工艺运行满足在线分析仪工作要求，说明工艺已进入提取状态且循环正常，执 行步骤3，对提取液进行采样；反之，则工艺运行不满足工作要求，令k＝0，记录当前温度 值为T₁(0)，并重新执行步骤2；其中，T_1th为判断工艺处于提取状态的阈值、T_2th为判断工艺 处于保持沸腾状态的阈值；设定T_1th＝40℃、T_2th＝90℃；

(3)进行提取液采样测量，自动配比及积分时间调节，设备排污与清洗，具体包括以 下子步骤：

(3.1)参考光谱测量：打开进水电磁阀14，向水定量杯15充水；待水定量杯15充满后， 溢流水流入排污管道23，此时关闭进水电磁阀14、排污电磁阀22，并打开排水电磁阀16， 待定量水进入混合采样池17后，测量参考光谱，并记录所得到的参考光谱S_ref，参考光谱如 附图4所示；

(3.2)自动配比稀释与混合：关闭进样电磁阀7与回样电磁阀11，打开放样电磁阀8与 放空电磁阀10，使样品定量管9中的样品全部流入混合采样池17；同时打开搅拌电机18， 启动搅拌桨19使提取液与溶剂混合均匀，并完成稀释；之后再关闭放样电磁阀8与放空电磁 阀10；重复此步骤直到加入规定罐数的提取液；

(3.3)提取液光谱检测：打开光源24，利用紫外光谱仪25测量提取液光谱S_tcm，如附 图5所示；

(3.4)混合液排污与清洗：打开排污电磁阀22，将混合液全部流入排污管道23后，再 关闭排污电磁阀22。再打开进水电磁阀14、排水电磁阀16使水直接进入混合采样池17，并 打开搅拌电机18帮助清洗。清洗完毕后关闭进水电磁阀14、排水电磁阀16，再打开排污电 磁阀22将污水排走，完成后关闭搅拌电机18；

(3.5)吸光度曲线求取及光谱预处理：由光谱S_tcm和S_ref及S_dark按下式求取吸光度A：

$A=-\log \left(\frac{S_{\mathrm{tcm}}-S_{\mathrm{dark}}}{S_{\mathrm{ref}}-S_{\mathrm{dark}}}\right)$

根据紫外光谱仪25提供的转换参数将像素点转换为对应波长，对得到的吸光度A的序列进 行紫外波段提取、线性插值、坏点去除及滤波处理，得到预处理后的有效吸光度序列： {A(i)},i＝n₁,...,n₂，其中，n₁为有效光谱波段的最小波长，n₂为有效光谱波段的最大波长， 设定n₁＝220、n₂＝400，i的单位为纳米，如附图6所示；

经过以上步骤，完成当前时刻的光谱采样及预处理；

(4)计算吸光度变化率

(4.1)计算吸光度特征值：根据步骤3得到的有效吸光度序列，选取吸光度特征峰区域， 求取该区域吸光度均值，作为当前吸光度序列特征值C(k)：

$C\left(k\right)=\frac{{\Sigma }_{i={n_1}^{\prime }}^{{n_2}^{\prime }}A\left(i\right)}{{n_2}^{\prime }-{n_1}^{\prime }+1}$

其中，n₁'n₂'分别为特征峰区域两端首尾波长，设定n₁'＝250nm n₂'＝360nm，A(i)为i波 长下的吸光度值；

(4.2)得到特征值序列并计算吸光度变化率：将基于每次测量得到的吸光度特征值组 成吸光度特征值序列{C(t)|t＝1,…,k}，如果上述序列元素个数k小于滤波窗口宽度，则返回 步骤2，继续收集下一时刻吸光度；若序列元素个数k大于或等于滤波窗口宽度，则首先采 取左侧窗口多项式滤波方法进行滤波，得到滤波后的特征值序列{C_f(t)|t＝1,…,k}，如附图7 所示。并根据下式计算当前吸光度特征值的变化率I(k)：

$I\left(k\right)=\left|\frac{C_f\left(k\right)-C_f(k-1)}{C_f(k-1)}\right|\times 100\%$

变化率曲线如附图8所示，根据变化率I(k)确定吸光度的变化情况，以判断药液的提取情况；

(4.3)数据保存与显示：将测量得到的参考光谱、提取液光谱、暗光谱、提取时间、吸 光度保存到后台数据库，实时显示系统当前测量得到的参考光谱、提取液光谱、吸光度以及 吸光度变化率；

(5)根据步骤4.2得到的当前吸光度变化率I(k)，并结合之前时刻所得到的变化率数 据，对中药提取过程进行动态趋势分析：如果连续n个变化率保持在阈值T之内，则判断提 取过程已进入稳定阶段，设定n＝5,T＝5％，此时系统提醒用户提取达到停点要求；同时转到 步骤2，进入下一周期的测量；若变化率未满足稳定条件，直接转到步骤2，进入下一周期测 量。