易科泰光谱成像技术创新应用快讯(SpectrAPP)——中药材品种品质高通量无损检测技术方案

正文易科泰公司生态健康研究中心依托Ecolab光谱成像实验室,在近20年的仪器技术服务与研发集成经验基础上,对中药材品种品质鉴定进行了系列研究探索,推出基于光谱成像技术的中药材品种品质鉴定、质量控制全面解决方案,并提供SpectrAPP光谱成像技术创新应用项目合作与技术服务。

  1. 实验室SpectraScan-TCM客户定制化光谱成像技术方案

正文SpectraScan-TCM实验室光谱成像为客户定制化解决方案,采用全球知名Specim高光谱成像技术,结合高分辨率RGB彩色成像分析技术,客户定制自动扫描成像分析平台(主机系统),其主要技术特点如下:

  • 国际著名Specim高光谱成像技术,可选配VISIR(400-1000nm)可见光近红外波段、SWIR(900-1700nm或1000-2500nm)短波红外波段、MWIR中波红外波段、LWIR长波红外波段高光谱成像
  • 自主设计研发3D扫描平台,集多镜头成像、高精度移动扫描、光源控制、远程无线控制于一体,可根据不同需求定制规格大小
  • 专为科研及商业应用领域设计,满足实验室检测鉴定和工业应用的需求,可根据客户需求定制中成药自动化品质检测系统,自动传送药品(饮片)、自动采集高光谱成像数据、在线检测(需客户定制)
  • 可选配多光谱荧光成像分析,高通量非损伤定量化分析茎叶及根生中药材叶绿素、花青素、胡萝卜素、阿维酸、酚类、芪类、类黄酮、槲皮素等总量(下图为银杏叶化学成分做图,SpectrAPP项目)

  • 自动化数据采集分析系统,可选配软件及数据分析服务器
  • 模块化设计,友好的PC端GUI软件界面,用户可实现远程操控
  • 可选配SisuCHEMA高光谱化学成像分析平台,样品最大可达200x300x45mm,最大分辨率可达30微米,10毫米或更小的样品(下图2为黄芪-甘草光谱特征曲线,SpectrAPP项目;图4为泡罩(胶囊)质量检查:红色为空泡,绿色为正常泡,蓝色为假冒产品)

 

 案例1、两种“防己”中药的鉴别

正文汉防己(Stephania tetrandra)与广防己(Aristolochia fangchi)在形态上有许多相似之处,因而经常被错误地取代。广防己属于马兜铃属植物,在中药中通常用其木质根干燥炮制后入药,具有利水消肿,祛风止痛之功用。但因其含有致癌物质马兜铃酸,可导致尿路上皮癌和马兜铃酸肾病(AAN)。

正文茨瓦内科技大学中药研究中心的研究人员利用SisuCHEMA高光谱化学成像工作站,无损获取900-2500nm波段范围内的高光谱影像,通过选择识别信息范围(964-1774nm)对数据进行去噪降维处理,结合偏最小二乘判别分析(PLS-DA),建立了判别系数R2=0.9,预测均方根误差(RMSEP=0.23的判别模型。成功识别了作为外部验证集插入模型的广防己和汉防己样品。

图1.1 (左)两种“防己”中药的根物质:a)广防己;b)汉防己

图1.2 (右)主成分分析得分图:a)PC得分散点图;b)指示两种粒子分布的得分影像

正文此外,通过制备增量掺假混合物,对掺入广防己(10-90%)的防己混合物样品进行了检测研究。分析结果显示,高光谱成像可准确检测低至10%的掺假量。由此可见,高光谱成像对中药材品质检测及质量控制方面具有巨大的应用潜力,可有效预防马兜铃酸肾病的发生。

图1.3(左):a)PLS-DA得分散点图;b)根据分类(红色=广防己,绿色=汉防己)着色的得分图像

图1.4(右):不同增量掺假样品的得分影像:a)6.5%广防己;b)15%广防己;c)24%广防己;d)30%广防己;e)49%广防己;f)58%广防己;g)76%广防己;h)85%广防己;i)93%广防己

案例2、花草茶混合检测

正文在南非,当地的花草茶因其独特的味道和香气而备受欢迎。花草茶广受赞誉的健康益处包括对高血压和糖尿病等慢性疾病的治疗。由于不同品牌、不同质量的茶以及混合茶的生产,草药茶的质量控制变得非常重要。

正文Majolie Djokam等人利用SisuCHEMA对由路易波士茶(Aspalathus linearis)、蜜树茶(Cyclopia intermedia)、合香叶((Agathosma Betulina)和癌藤(Sutherlandia frutescens)混合而成的花草茶进行了研究。通过获取900-2500nm波段范围的原料和完整茶包的高光谱图像,使用主成分分析(PCA)和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型,显示出花草茶原材料的明显区别,准确预测了各混合料的原料组成和相对比例。

图2.1(左):a)rooibos和buchu原材料的高光谱(RGB)图像;b)t2的主成分分析(PCA)分数图像;c)两种粒子的得分散点图(t2 vs. t3),根据两种茶对应的分数值进行着色

图2.2(右):a)偏最小二乘-判别分析y -图像,显示校准数据集中原材料的分类;b)预测数据集,显示根据预测类着色的原材料成分比例

正文该结果被超高效液相色谱联用质谱(UHPLC-MS)方法验证,证明了高光谱成像结合化学计量学建模的应用可用于准确鉴定花草茶混合物和确定茶包中各成分相对比例,是一种可靠、快速和无损的中药材及保健品质量控制方法。

  1. 野外便携式光谱成像技术方案

正文野外便携式光谱成像技术方案可以选配IQ智能高光谱成像仪或PhenoPlot轻便型光谱成像技术方案,用于野外中草药性状检测、品质识别鉴定等。

  • IQ一体式智能高光谱仪:集数据采集、处理分析、结果显示于一体,可实现延时采集,远程无线操控,现场快速检测,应用分析
  • 适用性强:整机小巧轻便,结构紧凑,防护级别高,全自动采集
  • 应用多样:可根据客户的应用需求,创建App,直接调用
  • 地理定位:内置GPS,可记录采集位置
  • 模块式结构:轻便、可扩展,单人即可拿到野外对Plot样地中药材进行表型性状成像测量分析
  • 可定制单轴样带式扫描成像或XYZ三维扫描成像台架,以适应不同需求
  • 可选配侧面(垂直)光谱成像分析,还可选配旋转式高光谱扫描成像平台
  • 可选配RGB、多光谱、高光谱、红外热成像、Thermo-RGB融合成像等不同成像单元
  • 广泛的应用领域:农作物表型研究、植被病害研究、遗传育种、食品药品检测、艺术品鉴定、考古文博应用、健康医学、动物行为研究

虫草识别:左为虫草菌体部RGB图,右下图中红色为虫草(虫体部和菌体部)

正文易科泰生态技术公司致力于生态-农业-健康研究发展与创新应用,为中药材研究检测及品质品种检测鉴定应用提供高光谱成像技术全面解决方案。Ecolab实验室拥有便携式高光谱成像仪、SpectraScan实验室台式高光谱成像系统及野外用高通量扫描式高光谱成像设备,结合RGB成像分析、科研级红外热成像技术、多光谱荧光成像技术,可提供中药材性状表型分析与种质资源检测、食品检测、中药产品及保健品有效成分检测等技术服务和实验合作。

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