专利名称：：对中药提取过程进行在线检测控制的装置与方法
技术领域：
：本发明属产品质量在线检测
技术领域：
，特别是涉及一种对中药提取过程进行在线检测控制的装置与方法。
背景技术：
：随着现代科学技术的发展，中药生产也面临着如何实现可控化的任务。传统中药的生产方式基本上靠经验和工艺条件的稳定来控制产品的质量，控制随意性较大，使得最终产品中的成分组成和含量相差较大，影响药效，急需通过现代科技的手段来提高中药生产过程的质量控制水平。由于中药本身是一个复杂的多元混合物，所含的化学物质种类繁多却数量很少，而有效物质又不明确，使得普通的离线分析控制都十分困难，在线检测更是不易。因此，在中药生产过程中，一般只能采用类似古人的"如法炮制"，也就是通过经验地控制生产过程的外部参数来试图保证产品质量的稳定性。例如药材的投料量，提取溶媒的组成、用量，提取的温度、压力、流速等等。现在，大多数企业都对重要产品的中间产品设置了分析控制步骤。但这些工作基本上还是离线的抽样分析，分析结果或者因分析周期过长而无法控制调整生产参数，生产企业迫切希望能在生产装置上设置在线式的检测控制仪表，利用其获得的信息，直接反馈控制生产过程，从而从本质上确保生产产品质量的均一性。紫外分光光度法在药品分析中有着悠久的应用历史，技术成熟可靠，仪器价格便宜，操作方便。特别的，光谱法分析具有分析速度快的显著优点，十分适合于发展为在线检测系统。但是，传统的紫外分光光度法在应用于中药提取的在线检测过程中还有一些问题。首先是在线检测对样品的预处理要求尽可能少，而大量杂质的存在也使得传统的紫外分光光度法几乎无法不受干扰地获得目标成分的吸光度数据；其次对于高浓度的样品溶液，如果使用传统的紫外分光光度法来测量，会由于样品中吸光度过大而超出其线性范围，限制了传统的紫外分光光度法的应用，此外，传统的光谱仪器对于震动也比较敏感，不适合在生产现场安装使用。
发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种针对中药提取过程中的在线检测任务，应用紫外吸收光谱和统计预测模型来实现对中药提取过程的在线检测。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种对中药提取过程进行在线检测控制的装置，包括通过传导光纤依次串联的紫外光源，光纤探头，光谱仪以及控制计算机组成，所述的光谱仪为全固态CCD光谱仪；所述的光纤探头为光纤传导的吸收光谱测量探头。一种对中药提取过程进行在线检测控制的方法，其特征在于包括下列步骤(1)利用高效液相色谱或薄层扫描色谱分析手段获得样本的目标成分或组分的含量数据，该数据构成一个目标成分含量矢量；(2)用光纤光谱仪测量样本的紫外吸收光谱，按不同的光谱测量分辨率得到不同波长处每个样本的吸光度数据，经小波滤噪处理后形成一个样本集数据矩阵，此样本集数据和前述的目标成分含量矢量合并称为训练集；(3)对上述样本集矩阵进行主成分分析，得到按对样本集差别排序的一系列主成分，这些主成分都是原始样本集中各个测量波长处吸光度数据的线性组合，他们之间互相正交，即互相线性无关；选其中排名靠前的主成分作为回归参变量，与目标成分含量矢量一起进行多元回归，获得以多个主成分为参变量的预测模型；(4)针对待分析的测试样品，用光纤光谱仪获得其紫外吸收光谱的数据，经小波滤噪处理后，根据上述分析预测模型，先将各测量波长处的吸光度数值进行不同的线性组合得到作为参变量的各主成分，然后根据回归方程计算获得目标成分的预测值。所述的紫外光谱分析测量时，用空白的提取溶剂作为参比溶液，或采用固定的样品作为参比对象。所述的中药提取过程包括中药的水提取，醇提取以及用于中药制药过程的溶剂提取或浸取工艺。所述的全固态CCD光谱仪根据紫外光谱测量间隔进行设定调整，最短间隔可以达到10毫秒。有益效果1.本发明充分发挥了紫外光谱测量的快速便捷，同时利用基于统计的分析预测模型避免了传统紫外分光光度法对样品适应性的限制，实现了用紫外光谱在线检测中药提取过程中成分或组分含量的变化。2.本发明采用了基于统计的分析预测模型，因此对于不同的分析对象，可以利用不同的分析模型从同一套紫外光谱数据中获得不同对象的信息。3.本发明由于采用了小波滤噪的技术，大大抑制了噪声对分析结果的干扰，为仪器在恶劣的现场环境下的正常工作创造了条件，也降低了对样品的预处理要求4.本发明由于采用了全固态的光谱仪和光纤传导的光纤测量探头，现场安装方便容易，维护保养简便，非常适合现场使用。综上所述，采用本发明所属的中药在线紫外检测系统，成本低廉，操作简便，将对改善中药生产过程中重要的中间产品质量控制，提高最终产品质量的可控性和稳定性有较大的作用。图1是在线紫外光谱分析检测系统组成示意图。图2是光纤光谱仪在实验室获得的部分样品的紫外光谱图。图3是小波滤噪的效果图。具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明主要应用于中药提取过程中。其主要构成包括紫外光源、传导光纤、光纤探头、全固态CCD光谱仪以及控制计算机。其中从紫外光源发出的入射光经光纤传导到远处的光纤探头上，然后穿过待测溶液再经反射镜反射进入另一传导光纤中，由它把测量光信号传导到远处的光谱仪上，光谱仪由运行在计算机上的采谱软件控制按设定的参数采集光谱信号，并把它转变为电信号传输给计算机，由计算机根据分析预测模型计算得到分析结果。如附图1所示。下面是一些具体实施例实施例一1实验仪器与药品95%乙醇，丹参及丹参提取物，每克干粉相当于3.626克生药，紫外光谱仪、紫外光源、采谱软件，光程2mm光纤探头，计算机等。实验室样品成分分析采用LC6A高效液相色谱系统。2分析方法样品以去离子水为参比，测定从200mn到400nm内的全波长吸收数据，测量的分辨率为0.23nm，光程2mm。液相色谱法采用C18，Di謹snsil，250X4.6nm柱，流动相为甲醇-水-甲酸(45:55:0.5)，流量为0.8ml/min。检测器为紫外检测器，检测波长为286nm。样品经稀释后进样，进样量为20ul。外标法定量。3实验步骤取丹参提取物若干克，加入到模拟提取溶剂中，搅拌到完全溶解为止。直接用紫外光纤光谱仪获取其全谱数据。4实验结果所得样品的部分紫外图谱如图2所示。5主成分回归根据实验得到的紫外段样品吸收谱图，可以得到一个测量数据矩阵，称为样本集，该矩阵的每一行都代表一个测量，每一列都代表一个测量波长，可称为特征变量。我们测定了总共14组数据，每组数据从191.7nm到400.Olnm共有910个测量波长，因此样本集大小为14x910。对此样本集x进行主成分分析变化，可以得到主成分矩阵PCS，这也是一个14*910的矩阵，但其中每一列都与其它各列正交，或者说线性无关，因此可以排除各列之间的互相干扰。在得到原始特征向量的线性组合主成分特征向量后，根据液相色谱测定的丹酚酸b的含量，进行多元线性回归，得到回归方程，即可通过测量上述提取液的紫外吸收谱图来分析得到其中丹酚酸B的含量数据。表1是采用不同数量主成分进行多元回归的结果。从中可以发现，采用11或12元主成分回归的效果很好，小于ll元的回归方程偏差较大。表l采用不同数量主成分回归的偏差<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>从上述测量结果可以证实，采用主成分回归的方法可以处理这类样品未经任何前处理而直接测量的紫外光谱数据，可以将它的全紫外谱长的测量数据与其他实验室分析的样品组成数据进行关联，因此可以从中获得样品的组成信息。十分适合对同类样品的多次重复分析。这类基于统计的方法的特点在于样本集越大数据越准确，因此随着生产数据的积累，它所预测的样品组分信息就越来越准确。实施例二本实施例显示了小波滤噪技术的效果。在工业装置上用本发明发明的在线紫外光谱测试装置获得了样品的紫外吸收光谱。由于现场条件较差，干扰大，获得的紫外吸收光谱中噪声信号很大，如果直接用于回归方程，将带来很大的麻烦，影响准确度。为此在采得原始的谱图后利用小波分解对所获得的样品光谱进行了滤噪处理。小波分析是近年来发展起来的一种新的时频分析方法。其中正交小波如Daubechies小波和SymletsA小波尤其适用于信号的降噪处理。小波分析用于信号降噪一般有以下几个过程首先选定一种小波函数对信号进行N层小波分解，得到尺度系数和各层的小波系数。然后，对各层的小波系数选择一个阈值，并对尺度系数用软阈值处理，最后利用上述处理过的小波系数通过小波重建旧可以得到滤噪后的光滑信号。小波分解能够滤噪的基本原理是因为携带有用信息的信号在频域或小波域的能量相对集中，表现为能量密集区域的信号分解系数的绝对值较大，而噪声信号的能量谱相对分散，所以其系数的绝对值较小。这样我们就可以通过采用选择合适阈值的方法过滤掉绝对值小于一定阈值的小波系数，从而达到滤噪的效果。显然在这个过程中，阈值的选取十分重要。本发明采用的是启发式无偏似然估计法。它是根据对信号做无偏似然估计，然后根据最坏情况下滤噪信号与原信号方差最小的原则来确定合理的阈值的。同时为了使信号尽可能光滑，在阈值的作用机制上采用的是软阈值方法。图3是对测量的原始光谱信号用sym8小波进行5层分解后进行小波滤噪处理的结果。实施例三是本方法实际应用于工业生产上的一个实例。应用于丹参的水提取过程中，测量的位置在循环提取器的循环管中。具体步骤如下生产装置投料前先打开光谱仪，设定分辨率为0.35nm，然后保存暗电流，打开测量管路参比开关，将探头置于清水中，打开光源获得参比信号并保存到计算机中。装置投料生产后，光纤探头即处于提取循环液中。需要测量时，从控制计算机上发出采谱命令，获得样品的吸收光谱，并可以保存在计算机中。同时，利用装置原有的取样系统，获取分析样品，送分析室岗位按常规手段分析获得样品的控制组分丹酚酸B的含量数据。利用这两套数据即可利用主成分分析等手段进行训练建模或者考察模型。在工业装置上测试了26个样本，以前面21个样本作为样本集，建立了分析模型，以后面5个样本作为校验集了解其预测精度，验证预测模型的可靠性。表2是利用上述样本集获得的分析预测模型用来预报提取液中丹酚酸B的含量与用高效液相色谱分析后所得到结果的比对结果。表2校验结果<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>以上实例只是用于说明本发明，并非限制本发明。本发明也可用于各种中药提取工艺。在线检测的质量指标可以为某个具体化合物的含量，也可以是某一类化合物的含量。权利要求1.一种对中药提取过程进行在线检测控制的装置，包括通过传导光纤依次串联的紫外光源，光纤探头，光谱仪以及控制计算机组成，其特征在于所述的光谱仪为全固态CCD光谱仪；所述的光纤探头为光纤传导的吸收光谱测量探头。2.根据权利要求1所述的一种对中药提取过程进行在线检测控制的方法，其特征在于包括下列步骤(1)利用高效液相色谱或薄层扫描色谱分析手段获得样本的目标成分或组分的含量数据，该数据构成一个目标成分含量矢量；(2)用光纤光谱仪测量样本的紫外吸收光谱，按不同的光谱测量分辨率得到不同波长处每个样本的吸光度数据，经小波滤噪处理后形成一个样本集数据矩阵，此样本集数据和前述的目标成分含量矢量合并称为训练集；(3)对上述样本集矩阵进行主成分分析，得到按对样本集差别排序的一系列主成分，这些主成分都是原始样本集中各个测量波长处吸光度数据的线性组合，他们之间互相正交，即互相线性无关；选其中排名靠前的主成分作为回归参变量，与目标成分含量矢量一起进行多元回归，获得以多个主成分为参变量的预测模型；(4)针对待分析的测试样品，用光纤光谱仪获得其紫外吸收光谱的数据，经小波滤噪处理后，根据上述分析预测模型，先将各测量波长处的吸光度数值进行不同的线性组合得到作为参变量的各主成分，然后根据回归方程计算获得目标成分的预测值。3.根据权利要求2所述的一种对中药提取过程进行在线检测控制的方法，其特征在于所述的紫外光谱分析测量时，用空白的提取溶剂作为参比溶液，或采用固定的样品作为参比对象。4.根据权利要求2所述的一种对中药提取过程进行在线检测控制的方法，其特征在于所述的中药提取过程包括中药的水提取，醇提取以及用于中药制药过程的溶剂提取或浸取工艺。5.根据权利要求2所述的一种对中药提取过程进行在线检测控制的方法，其特征在于-所述的全固态CCD光谱仪根据紫外光谱测量间隔进行设定调整，最短间隔可以达到10毫秒。全文摘要本发明涉及一种对中药提取过程进行在线检测控制的装置和方法，所述的装置包括通过传导光纤依次串联的紫外光源，光纤探头，光谱仪以及控制计算机组成，所述的光谱仪为全固态CCD光谱仪；所述的光纤探头为光纤传导的吸收光谱测量探头。本发明应用了所测定的全部可测量的紫外波长处样品的吸光度信息来构建出一个能反映样品大量信息的数据集，并利用高效液相色谱、薄层扫描色谱等高分辨率的实验室分析手段所获得的样品的目标成分的含量信息，通过主成分回归计量学手段实现两者的关联，从而从原理上避免了传统紫外分光光度法的局限，使得紫外光谱法分析方法可以顺利地应用于生产过程的在线检测系统中。文档编号G01N21/33GK101614659SQ20091005535公开日2009年12月30日申请日期2009年7月24日优先权日2009年7月24日发明者霞刘,刘英梅,锋张,李庆喆,涂驭斌,修邓,陈鸿雁申请人:上海现代中医药技术发展有限公司;华东理工大学