黃必勝，袁明洋，陳科力

(湖北中醫(yī)藥大學藥學院&教育部中藥資源和中藥復方重點實驗室，湖北 武漢 430065)

專 稿

X射線衍射技術在礦物類中藥鑒定中的研究進展△

黃必勝，袁明洋，陳科力*

(湖北中醫(yī)藥大學藥學院&教育部中藥資源和中藥復方重點實驗室，湖北 武漢 430065)

礦物類中藥在中藥鑒定研究中是較為薄弱的類型，傳統(tǒng)的性狀鑒別方法難以滿足礦物類中藥鑒別的需要，因此，需要用有效的現(xiàn)代技術手段對礦物藥進行系統(tǒng)的鑒別研究。本文對X射線衍射技術在礦物類中藥鑒定中的應用進行了綜述，并對該技術在礦物類中藥中的應用前景進行了展望。

X射線衍射技術；礦物類中藥；鑒定

礦物藥在我國起源甚早，有著悠久的藥用歷史，遠在春秋戰(zhàn)國時代的《山海經(jīng)》中就有記載，明代李時珍的《本草綱目》把礦物藥分別記述在土部、金石部，分為金、玉、石、鹵四類，共161種。礦物類中藥的數(shù)量雖遠較植物、動物類中藥要少，但在臨床應用中不可缺少。與植物類和動物類中藥相比，礦物藥是中藥鑒定研究中最為薄弱的類型。在2010年版《中國藥典》收載的24種礦物類中藥中大部分只有性狀和非特異的理化鑒別，如金礞石和青礞石等除了性狀鑒別外，沒有任何其它鑒別方法。各種礦物類中藥，由于其外部形態(tài)特征相似性高、市場上的混淆品也比較多，僅用性狀鑒別手段很難準確將其區(qū)分開來；而部分收錄理化鑒別方法的礦物藥品種，專屬性也不高，一些礦物類中藥及其混淆品由于都含有大量相同的金屬離子，區(qū)分度并不高。因此，特別需要借助先進分析方法深入對礦物類中藥進行系統(tǒng)的鑒定研究。X射線衍射技術是20世紀發(fā)展并逐步完善的新技術，在化學、物理學、生物學、材料學、冶金學、礦物學、醫(yī)藥學方面發(fā)揮了重要的作用[1-2]。它可以精確地測定物質(zhì)的晶體結構，點陣常數(shù)，完成定性分析和定量分析。在《無機非金屬材料圖譜手冊》一書中，楊南如等[3]對177種通用礦物及原料的X射線衍射圖譜、熱分析、紅外光譜、拉曼光譜等進行了匯編，預示著X射線衍射技術和這些技術可以很好的應用于礦物藥的鑒別。本文對X射線衍射技術的原理、特點及在礦物類中藥鑒定中的應用進行了綜述，并對該技術在礦物類中藥的應用前景進行了展望。

1 X射線衍射技術分析礦物類中藥的原理

X射線衍射分析法作為結構和成分分析的一種現(xiàn)代科學方法，具有分析簡便，快捷，樣品用量少，所得圖譜信息量大等特點；可分為單晶X衍射法與多晶X射線衍射分析法。

單晶X衍射法主要用于晶體結構測定。晶體結構測定的最后結果是獲取晶胞的空間群、晶胞常數(shù)和一套晶胞中每個原子位置的參數(shù)，并用結構模型圖顯示。從結構分析結果看，可以很容易得到鍵長、鍵角、配位數(shù)等晶體化學數(shù)據(jù)。利用單晶衍射分析獲得的高分辨電子密度分辨圖還可進一步研究結構中價電子的分布、原子或離子的大小、鍵型等等。

多晶X射線衍射分析法又稱粉末X射線衍射分析法，它是研究結晶物質(zhì)的物相和晶體結構的主要方法。當某物質(zhì)(晶體)進行衍射分析時，該物質(zhì)被X射線照射產(chǎn)生不同程度的衍射現(xiàn)象，物質(zhì)組成、晶型、分子內(nèi)成鍵方式、分子的構型、構象等決定該物質(zhì)產(chǎn)生的特有衍射圖譜，如該物質(zhì)是混合物則所得衍射圖是各組分衍射效應的疊加，只要混合物組成恒定，該衍射圖譜就可作為該混合物的特征圖譜，這是粉末X射線衍射法用于中藥鑒定的理論基礎[4]。

不同礦物藥的成分各不相同，其X射線衍射圖譜也不同，據(jù)此可實現(xiàn)對礦物藥的鑒別。但由于礦物藥來源復雜，即使是同一種礦物，其化學成分因生態(tài)環(huán)境、采集時間、儲存方法等不同而有差異；不同產(chǎn)地的礦物藥，因其共存元素和伴生礦物等不盡相同，其物理性狀會有一定的變化范圍。因此，同一種礦物藥的物理性狀和X衍射圖譜可能會有一定的變化，在用X衍射譜鑒定礦物類中藥時，有時需首先采集大量不同樣品，確定其X衍射譜合理變化的范圍和變化的幅度，再依據(jù)變化的幅度才能確定礦物藥的品種或其混淆品。

2 X衍射技術在礦物類中藥鑒定中的應用

2.1 X衍射技術在礦物類中藥品種鑒定中的應用

溫海成等[5]采用X衍射技術法(XRD)對不同產(chǎn)地的7份礦物藥爐甘石樣品進行成分分析，得到各樣品爐甘石的主要成分及其伴生礦物圖譜。測試結果表明：不同產(chǎn)地爐甘石的組成成分各有差異，其XRD圖譜也各不相同，利用XRD法鑒定爐甘石礦物藥，是對其真?zhèn)舞b別和質(zhì)量控制的有效方法。田金改等[6]對湖南雄黃晶、湖南雄黃、貴州思南燒黃、雌黃的燒結石和雌黃礦石進行了粉末X衍射分析，結果表明：湖南雄黃晶與湖南雄黃的主要成分為α雄黃(AsS)和β雄黃(As4S4)；貴州思南燒黃的主要成分為二硫化二砷(As2S2)；雌黃燒結石屬于雌黃無定形粉末并含有少量結晶；雌黃礦石主要由雌黃和花崗巖組成。呂芳等[7]采用粉末X射線衍射Fourier譜鑒定法，對7批收集于全國不同地區(qū)的玄精石樣品進行掃描分析，獲得了玄精石的標準X射線衍射Fourier圖譜以及特征標記峰值，結果表明：以標準的X射線衍射Fourier圖譜的幾何拓撲圖形以及衍射特征標記峰值可實現(xiàn)對礦物藥玄精石的鑒定。張漢民等[8]利用X射線衍射儀對四種易混淆礦物藥白礬、石膏、滑石與信石進行粉末衍射分析，依據(jù)衍射特征譜可以準確鑒別這四種易混品。

2010版《中國藥典》收載礦物類中藥有24種，未被藥典收載的礦物類中藥有幾十種，礦物藥的來源眾多，X衍射技術能否對礦物藥的不同來源進行準確的區(qū)別，還需要進一步研究。礦物類中藥按陰離子分類可以分為碳酸鹽類、硅酸鹽類、硫酸鹽類、磷酸鹽類、硫化物類以及氧化物類等；按陽離子分類又可以分為鐵化合物、鎂化合物、鈣化合物、鋁化合物和鉛化合物等。通過X衍射譜圖對同一類型礦物類中藥不同品種之間以及同一種礦物類中藥不同變化之間的鑒別能否實現(xiàn)，需要科研人員深入探索。

2.2 X衍射技術在礦物類中藥炮制品鑒定中的應用

中藥炮制是中國醫(yī)藥遺產(chǎn)的組成部分，用以保證中醫(yī)臨床用藥的安全性和有效性。通過對原藥材的炮制加工，從而達到增效減毒、轉(zhuǎn)變或緩和藥性、產(chǎn)生新的藥效等目的。中藥經(jīng)炮制處理后，會對中藥藥性和療效產(chǎn)生不同程度的影響，所以對中藥炮制品的鑒定和質(zhì)量控制非常重要。

陳廣云等[9]建立了龍骨與龍齒的X-射線衍射圖譜。運用Origin8.0數(shù)據(jù)分析和繪圖軟件處理X-射線圖譜，將龍骨、龍齒生品與煅制品X-射線衍射圖譜疊加后可以很直觀地鑒別龍齒、龍骨生品與煅制品。通過實驗驗證，使用X-射線衍射圖譜鑒定龍骨與龍齒及其炮制品是一種非常簡便、準確的方法。傅興圣等[10]采用XRD技術鑒別磁石及其炮制品，通過對磁石炮制前后的XRD圖譜進行分析比較，其XRD圖譜在衍射角度2θ為10°～25°的區(qū)域內(nèi)發(fā)生了強烈的變化，XRD圖譜的幾何拓撲圖形差異明顯，2θ在25°～60°間，磁石煅制品XRD圖譜的幾何拓撲圖形與生品XRD圖譜的幾何拓撲圖形相似，但峰數(shù)、峰強有一定的區(qū)別。結果表明：磁石炮制前后的XRD圖譜變化明顯，顯示可根據(jù)其炮制前后圖譜的差異鑒定生品和其炮制品。劉圣金等[11]通過實驗發(fā)現(xiàn)青礞石炮制前后的XRD Fourier圖譜變化明顯，這可能與青礞石炮制后物相變化有關。李曉明等[12]對生石膏和煅石膏進行粉晶X-衍射分析，X-衍射指紋圖譜研究顯示生石膏之間的相似度在95%以上，煅石膏之間的相似度在99%以上；生煅石膏的相似度不超過10%，很好的鑒別了石膏及其炮制品。張強等[13]對含鈣礦物藥石膏，花蕊石，玄精石，寒水石，紫石英及其煅品等進行了X-衍射分析。結果表明：石膏生、煅品的X-射線衍射圖譜均具有很好的專屬性，與其它含鈣礦物藥生、煅品區(qū)別明顯。

X衍射技術在鑒別礦物藥炮制品上具有明顯優(yōu)勢，有些礦物藥通過觀察礦物藥生品與其炮制品的XRD圖譜，就可以很清晰的區(qū)別其生品與煅品[12]。礦物藥經(jīng)過炮制加工后，較礦物類生藥其化學成分、晶體結構可能會發(fā)生變化，這是有些礦物類生藥與其炮制品差異較大，而一些炮制后的炮制品卻十分相似的原因。

2.3 X衍射技術在確定礦物藥成分中的應用

學術界對雄黃的主成分硫化砷的晶體結構爭議頗多，其主要成分一直被認為是As2S2，2010年版《中國藥典》也將此成分規(guī)定為雄黃的主要成分。但有文獻報道[14]，雄黃有α雄黃(AsS)和β雄黃(As4S4)之分，另可能含有微量元素砒霜(As2O3)，間或夾雜有雌黃(As2S3)。梁國剛[15]等分析其收集的雄黃樣品，結合As4S4能在室溫下以固體形式存在、其在550～800 ℃下才分解為As2S2等性質(zhì)認為，雄黃的主要成分是As4S4。曹帥等[16]對八批不同產(chǎn)地批次的雄黃藥材進行X衍射分析，從衍射峰的比較結果來看，藥材及飲片均為α雄黃(AsS)和β雄黃(As4S4)的混合體，特征峰均較明顯。在該檢測條件下，雄黃藥材和雄黃飲片中均未檢出砒霜(As2O3)，但能檢出雌黃。實驗結果表明：雄黃主成分是四硫化四砷(As4S4)和硫化砷(AsS)，而不是二硫化二砷(As2S2)。從實驗的衍射結果來看，二硫化二砷(As2S2)的特征峰在雄黃藥材及飲片中均未檢出，藥材及飲片均為α雄黃(AsS)和β雄黃(As4S4)的混合體，特征峰均較明顯，其中含β雄黃量較大，建議在2010年版《中國藥典》增補本中對雄黃的主成分構成進行修改。

作為物相分析的重要手段，X射線衍射具有獨到之處，但是，部分樣品的X射線衍射分析中可能存在著特征峰強度差異大，角度位置有偏移，個別樣品信號弱等，影響實驗結果的判斷。為了準確的確證樣品組分結構，可以通過其他現(xiàn)代分析技術(如：拉曼光譜、中紅外光譜法)得出相關特征信息，驗證實驗結論。

3 X衍射技術在礦物類中藥其它方面的應用

3.1 X衍射技術在定量分析中應用

X衍射定量分析就是用X射線衍射方法來測定樣品中各種物相的相對含量，依據(jù)在于每種物相的衍射線強度隨其相的含量增加而提高，準確測定樣品中各相的衍射強度，由強度值計算出可確定物相的含量。

劉安一等[17]用X 射線分析法對中藥礦物藥紫石英成分定性，對主要成分氟化鈣定量，測定方法為：樣品中摻入20% α-Al2O3，測得α-Al2O3的衍射強度為Is=367；CaF2的衍射強度為Ii=4287。將以上數(shù)據(jù)帶入定量公式：Xi=1/Ki·Ii/Is·Xs/[1-Xs]·100%，計算樣品中的CaF2的含量。結果顯示：該方法簡便快速，結果準確，樣品預處理簡單，值得推廣應用。

X射線衍射分析進行物相分析方法很多，如：內(nèi)標法、絕熱法、增量法、外標法和全譜擬合法等。每一種方法在定量分析中各有不足，有些方法需要在樣品中加入?yún)⒖紭讼?，如果樣品含有物相較多、譜線復雜，再加入?yún)⒖紭讼鄷r會進一步增加譜線的重疊機會，從而給定量分析帶來困難；有些方法需要有純的物質(zhì)作為標樣，而有的時候純的物質(zhì)難以得到，從而使得定量分析難以進行；全譜擬合法等分析方法不需要配制一系列內(nèi)標標準物質(zhì)和繪制標準工作曲線，但需要復雜的數(shù)學計算，對研究人員數(shù)學功底要求較高?？傊?，X衍射技術對礦物類中藥的定量分析要依據(jù)不同礦物藥的性質(zhì)選擇合適的物相分析方法，達到定量準確的目的。

3.2 X衍射指紋圖譜的應用

指紋圖譜是目前用于控制中藥材的一個有效手段，它反映了中藥材整體的特征，能夠提供藥材完整的特征圖像，從而準確而形象地鑒別藥材的真?zhèn)蝺?yōu)劣。X 射線分析方法是分析和研究結晶物質(zhì)的重要手段之一，礦物藥的衍射圖譜即藥材所含全部組分的圖譜疊加，其圖譜與數(shù)據(jù)是中藥材整體結構特征的圖像，并且能用微觀圖譜與數(shù)值再現(xiàn)中藥材的宏觀結構特征[18]。在X 射線中衍射晶面間距與相對強度是物質(zhì)的固有值，從而使物質(zhì)的結構特征具有指紋性[18]。何立魏等[19]建立了花蕊石的X射線衍射指紋圖譜，具有很好的專屬性，為花蕊石和其他含鈣類礦物的區(qū)分提供了較為可靠的鑒定依據(jù)。李俊松等[20]建立了赭石炮制品的X射線衍射指紋圖譜，該圖譜可作為其與氧化鐵類礦物藥及其他礦物藥的鑒別的標準。

目前礦物類中藥XRD指紋圖譜的研究仍處于初始階段。研究也局限于中藥材的定性識別，沿用了材料科學中的“物相分析”方法，通過識別衍射圖譜中衍射峰的歸屬來鑒別中藥。

所謂的X衍射Fourier譜分析法實際上只是一個普通的XRD譜圖測量，并沒有對XRD譜圖進行分峰計算以得到真正的衍射峰和結晶度等參數(shù)。

3.3 X-衍射技術與計算機技術的結合應用

溫海成[21]首次采用X射線粉晶衍射對收集到的34種礦物藥的142個樣品進行了半定量分析，并測定礦物藥中主要礦物、次生礦物及其他成分的含量，得出礦物藥的網(wǎng)面間距d、相對強度I/I1等數(shù)據(jù)，通過計算機圖形處理系統(tǒng)與已知的圖譜庫相應物相的譜圖進行比對，快速、準確地判定出礦物藥的真?zhèn)?、質(zhì)量優(yōu)劣及各組分含量。實驗結果表明X射線粉晶衍射法應用于分析礦物藥組分和監(jiān)控礦物藥質(zhì)量具有用樣量少、方法方便快捷、圖譜信息量大等優(yōu)點，是鑒定礦物藥很好的方法。

X-衍射技術與計算機技術的結合目的在于建立一個礦物類中藥的X衍射特征數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對所有礦物類中藥品種的快速鑒別。雖然粉末X射線衍射法可根據(jù)國際粉末衍射中心衍射數(shù)據(jù)庫(PDF)對結晶狀的無機物、金屬、高分子等物質(zhì)進行快速的定性和定量相分析。但是，由于中藥的特有屬性，目前發(fā)布的以純物相為基礎的約16萬張PDF標準卡中無一中藥數(shù)據(jù)[22-23]，建立一個以X衍射技術為基礎的礦物類中藥的X衍射特征數(shù)據(jù)庫具有重要意義。

4 結語

礦物藥的鑒定一般利用礦物的外形、顏色、比重以及物理、化學方法來鑒別其真?zhèn)闻c優(yōu)劣。但是對于不同產(chǎn)地、不同來源的同種礦物以及形態(tài)比較相似的不同品種礦物，僅僅依靠性狀與理化很難鑒別藥材的真?zhèn)巍?/p>

礦物藥在臨床上的應用多以炮制品入藥，藥物經(jīng)過炮制后其內(nèi)部的化學成分，元素組成和結構會有所變化，從而引起礦物藥的藥理特點的變化和毒性的變化。另外炮制方法的不同可能影響礦物藥中某元素的存在形式，因此有必要對炮制前后進行全元素分析、以及各元素的價態(tài)(物相)和比例進行分析比較，說明炮制前后元素組成，物相組成的變化，并分別對原藥材及炮制品制訂質(zhì)量標準，以增加其可控性。

X射線衍射技術可以準確測定出物質(zhì)的組成、晶型、分子的構型構象，這從分子結構層面上可以準確反映出礦物藥的真?zhèn)蝺?yōu)劣。該方法圖譜信息量大、指紋性強、結果穩(wěn)定可靠，結合計算機技術，還可以對大量成分進行定量或半定量。

目前利用X衍射技術對礦物類中藥的研究取得了一定的成果，同時也存在需要完善的地方。X衍射技術對部分礦物藥的來源，礦物物種之間進行了準確鑒別，能否擴展到全部礦物藥的鑒別還需要深入研究；在判斷礦物藥化學組成及分子結構信息時，可能有部分樣品的X衍射特征峰強度差異大，角度位置有偏移，個別樣品信號弱等情況，選擇其他現(xiàn)代分析技術對實驗結果進行驗證，可以更加準確的確定相關信息；X衍射技術對礦物藥的定量分析方法很多，各有優(yōu)勢，選擇合適的方法能提高結果的準確率；礦物藥XRD指紋圖譜研究基礎薄弱，但是能有效的反映樣品特征信息，與計算機技術結合建立相應的數(shù)據(jù)庫能更加方便快捷準確的鑒別礦物品種，具有十分重要的意義。綜上所述，X衍射技術，已經(jīng)成為礦物類中藥及其混淆品最可靠最權威的鑒定手段，在礦物藥的鑒定分析中有廣闊的應用前景。

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ProgressintheResearchonX-rayDiffractionTechniquefortheIdentificationofTraditionalChineseMineralMedicine

HUANG Bi-sheng，YUAN Ming-yang，CHEN Ke-li*

(PharmacyFaculty，HubeiUniversityofChineseMedicine，KeyLaboratoryofMinistryofEducationonTraditionalChineseMedicineResourceandCompoundPrescription，Wuhan430065，China)

Traditional Chinese Mineral Medicine is one group in Traditional Chinese Medicine(TCM)，their identification research is much weaker than the other group of TCM.It’s hard to meet the identification demand by only traditional description method，so modern effective technology is necessary for systematic research in identification of Traditional Chinese Mineral Medicine.The paper reviewed the literatures about the application of X -ray diffraction technique in Traditional Chinese Mineral Medicine and forecasted its prospects in identification of Traditional Chinese Mineral Medicine.

X-Ray diffraction technique；Traditional Chinese Mineral Medicine；Identification

2013-03-22)

武漢市2012年高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃生物技術與新醫(yī)藥專項(201260523193)

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陳科力，男，教授，研究方向：中藥資源及其品質(zhì)研究，Email：Kelichen@126.com