魏永恒，鄭志全，羅菊元，金國(guó)航，陳功森，李燕呢，李鑫潔，石晉麗＊

（北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院北京100102）

利用TGA-DTA熱分析法快速鑒別中藥乳香及質(zhì)量分析研究＊

魏永恒＊＊，鄭志全＊＊，羅菊元，金國(guó)航，陳功森，李燕呢，李鑫潔，石晉麗＊＊＊

（北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院北京100102）

目的：利用TGA-DTA熱分析法快速鑒別中藥乳香，并進(jìn)行質(zhì)量分析。方法：收集市場(chǎng)上乳香藥材共計(jì)25份，通過考察升溫范圍、升溫速率、粉末粒度三個(gè)重要因素對(duì)TGA-DTA熱分析實(shí)驗(yàn)的影響，利用TGADTA特征圖譜快速鑒別藥材真?zhèn)?；分別采用一階中點(diǎn)法和連線法進(jìn)行熱重分析與熱焓計(jì)算，對(duì)乳香藥材進(jìn)行定量分析。結(jié)果：確定了乳香TGA-DTA實(shí)驗(yàn)的最佳條件：升溫范圍選擇50-750℃；升溫速率選擇20℃·min-1；粉末過100目篩；在該條件下，通過特征峰位（T1=447±5℃、T2=549±5℃、T3=350±5℃）、熱重分析（TV-max、ΔW2+ΔW3）、熱焓分析（ΔH）可以很好的區(qū)分正品乳香、偽品乳香以及乳香的摻偽品。結(jié)論：TGA-DTA技術(shù)操作簡(jiǎn)單，是一種快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單的乳香鑒別與質(zhì)量分析新方法。

乳香熱分析快速鑒別質(zhì)量分析

乳香為橄欖科植物乳香樹Boswellia carterii Bird.及同屬植物Boswellia bhaw-dajiana Birdw.樹皮滲出的樹脂[1]。乳香性辛、苦，溫，具有活血行氣止痛、消腫生肌的功效神奇，現(xiàn)代藥理研究表明，乳香有抗炎、抗腫瘤、誘導(dǎo)分化凋亡、抗?jié)?、降糖、改善學(xué)習(xí)記憶等藥理活性[2，3]。由于乳香藥材的需求量大，目前市場(chǎng)上頻繁出現(xiàn)以假亂真、以次充好的偽劣藥材，嚴(yán)重影響到乳香臨床使用[4]。目前，對(duì)乳香藥材的常規(guī)鑒別方法有性狀鑒別、顯微鑒別法、薄層色譜鑒別、HPLC指紋圖譜鑒別等[5-7]。

熱重-差熱聯(lián)用分析技術(shù)（Thermogravimetry Differential Thermal Analysis，TGA-DTA）[8，9]作為一種成熟的熱分析技術(shù)，已被歐洲藥典、美國(guó)藥典收載。任何兩種物質(zhì)的所有物理、化學(xué)性質(zhì)是不會(huì)完全相同的。因此，TGA曲線和DTA曲線均具有物質(zhì)“指紋圖”的性質(zhì)。它可以在很寬廣的溫度范圍內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行研究，可以試用各種溫度程序（即不同的升降溫速率），對(duì)樣品的物理狀態(tài)沒有特殊的要求，對(duì)于樣品用量要求非常少，而且?guī)缀醪恍枰M(jìn)行預(yù)處理，儀器的靈敏度高，還可與傅里葉變換紅外、質(zhì)譜、XRD等技術(shù)聯(lián)用進(jìn)行分析[10-12]，以獲取物質(zhì)內(nèi)部多種信息。目前為止TGADTA熱分析技術(shù)已經(jīng)用于貝母[13]、大黃[14]、昆布[15]、雷公藤[16]等中藥的鑒別與分析研究。本研究利用TGADTA熱分析技術(shù)對(duì)中藥乳香的真?zhèn)芜M(jìn)行快速鑒別，并通過熱重與熱焓的定量分析進(jìn)行初步的質(zhì)量評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)材料

收集乳香藥材樣本共25批次，1批為從中國(guó)食品藥品鑒定研究院購買的乳香對(duì)照藥材，12批生乳香以及12批制乳香藥材分別購于北京、山東、甘肅、貴州、廣西、安徽及河北等地的藥店或藥市（表1）。所有藥材均經(jīng)北京中醫(yī)藥大學(xué)石晉麗教授鑒定，25個(gè)批次中22個(gè)批次的藥材為正品乳香。所有樣品制成粉末，減壓干燥處理，備用。

表1 乳香實(shí)驗(yàn)樣品來源信息

2 主要儀器與方法

2.1 儀器

HCR-2微機(jī)差熱儀（測(cè)量范圍：±10μV至± 1 000μV，北京恒久科學(xué)儀器廠）；ARTORIUS-BS124S型電子分析天平（精度為0.01 mg，德國(guó)塞多利斯股份有限公司）；FW200高速萬能粉碎機(jī)（北京科偉永興儀器有限公司）。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 TGA-DTA熱分析操作方法

將乳香藥材粉末過100目篩，取細(xì)粉適量，按2015年版《中國(guó)藥典》四部通則“水分測(cè)定法”第三法項(xiàng)下，干燥24 h，即得供試品。分別取供試品10.00 mg，置差熱儀爐中分析。實(shí)驗(yàn)條件：空氣氣氛，升溫速率20.00℃·min-1，參比為α-Al2O3坩堝。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析方法

實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)用HJ Thermal Analysis（ATAT2020）軟件進(jìn)行預(yù)處理。右側(cè)坩堝不放置樣品作為空白對(duì)照，在同一條件進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，得到5條空白曲線，取5組數(shù)據(jù)的平均值作為基線，之后每組樣品的數(shù)據(jù)處理均利用軟件自動(dòng)扣除基線，減少誤差。去除基線后，通過HJ Thermal Analysis（ATAT2020）軟件的“平滑濾波”去除由于儀器電流噪音而采集到的數(shù)據(jù)。最終得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin 9.0軟件獲取TGA-DTA分析圖譜。熱重分析利用HJ Thermal Analysis（ATAT2020）軟件的微積分功能，采用一階中點(diǎn)法，獲取DTG曲線，并分析各階段失重情況。熱焓分析同樣利用該軟件，采用連線法，分別計(jì)算吸熱峰區(qū)、放熱峰區(qū)的熱焓數(shù)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 TGA-DTA熱分析條件優(yōu)化

熱分析實(shí)驗(yàn)的升溫都可以達(dá)到1 000℃以上，但是持續(xù)高溫會(huì)減少儀器壽命，往往選擇合適的升溫范圍。對(duì)于有氣體產(chǎn)生的反應(yīng)來說，試樣粒度適當(dāng)特別重要，乳香中含有大量的揮發(fā)油，因此制樣粉末的粒度對(duì)于峰形、峰頂?shù)挠绊懞艽?。此外，升溫速率往往也?huì)影響差熱峰的形狀、位置和相鄰峰的分辨率。本實(shí)驗(yàn)主要考察升溫范圍、樣品粒度、升溫速率對(duì)TGA-DTA實(shí)驗(yàn)的影響。

3.1.1 升溫范圍對(duì)乳香TGA-DTA分析實(shí)驗(yàn)的影響研究

取樣品粉末R-2，過100目篩，干燥24h后即為供試品。精密稱取供試品約10.00 mg于Al2O3坩堝內(nèi)，放置于差熱儀爐體中。在室溫條件下通入空氣，以20℃· min-1的升溫速率開始測(cè)試，升溫到1 000℃后結(jié)束采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，溫度達(dá)到750℃以后，熱重曲線（Weight/%）和DTA曲線（Heat Flow/μV）均趨于平滑，即樣品發(fā)生的各類反應(yīng)結(jié)束。因此，升溫范圍選擇在50-750℃。

3.1.2 不同樣品粒度對(duì)乳香TGA-DTA分析實(shí)驗(yàn)的影響研究

取樣品粉末R-2，分別制成60目、80目、100目、120目、160目、200目粒度大小的樣品，干燥24 h后即為供試品。依次精密稱取各種粒度的供試品10 mg于Al2O3坩堝內(nèi)，放置于差熱儀爐體中。在室溫條件下通入空氣，升溫范圍為50-750℃，以20℃·min-1的升溫速率開始測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，乳香藥材的TGA曲線受樣品粒度影響不大，然而對(duì)于DTA曲線，形成的兩個(gè)特征峰（吸熱峰e(cuò)ndo、放熱峰e(cuò)xo）峰形和峰位的影響較大。如圖2C所示，100目大小的樣品吸熱峰e(cuò)ndo和放熱峰e(cuò)xo均峰形對(duì)稱無裂縫，峰位明確。因此，樣品粒度選擇過100目篩的粉末。

3.1.3 不同升溫速率對(duì)乳香TGA-DTA分析實(shí)驗(yàn)的影響研究

取樣品粉末R-2，制成100目粒度大小的樣品，干燥24 h后即為供試品。依次精密稱取上述供試品10 mg于Al2O3坩堝內(nèi)，放置于差熱儀爐體中。在室溫條件下通入空氣，升溫范圍為50-750℃，分別以10、15、20、25、30℃·min-1的升溫速率開始測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，對(duì)于DTA曲線，形成的兩個(gè)特征峰（吸熱峰e(cuò)ndo、放熱峰e(cuò)xo）峰形和峰位的影響較大。如圖3A（5℃·min-1）所示，太慢的升溫速率容易出現(xiàn)肩峰，而圖3B（15℃·min-1）、3D（25℃·min-1）、3E（30℃·min-1）中吸熱峰e(cuò)ndo的峰形均較差。圖3C（20℃·min-1）所示，吸熱峰e(cuò)ndo和放熱峰e(cuò)xo峰形對(duì)稱、峰頂單一、峰位明確。因此，升溫速率選擇20℃·min-1。

3.2 利用TGA-DTA圖譜快速鑒別乳香真?zhèn)纹?/p>

圖1 升溫范圍對(duì)乳香TGA-DTA分析實(shí)驗(yàn)的影響研究

本研究分別取25個(gè)批次的乳香樣品粉末，按照優(yōu)化的TGA-DTA實(shí)驗(yàn)條件（升溫范圍50-750℃；粒度大小100目；升溫速率20℃·min-1），通過空氣氣氛，氧化鋁坩堝為參比進(jìn)行測(cè)試分析。利用HJ Thermal Analysis（ATAT2020）和Origin 9.0軟件處理數(shù)據(jù)后，結(jié)果如圖4所示。圖4A為乳香對(duì)照藥材（R-1）的TGADTA圖譜，DTA曲線出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的特征峰：吸熱峰（T1=477℃）和放熱峰（T2=549℃）；圖4B為制乳香樣本（R-14）的TGA-DTA圖譜，DTA曲線中出現(xiàn)了與對(duì)照藥材的共有特征峰T1=478℃、T2=549℃，還出現(xiàn)了一個(gè)明顯的吸熱峰T3=351℃，T3可以作為生乳香與制乳香的鑒別峰；圖4C為偽品乳香（R-15），其DTA曲線無生乳香、制乳香樣品曲線中的特征峰（T1、T2、T3），而TG曲線在550℃趨近不變，因此認(rèn)為R-15為偽品；圖4D中，DTA曲線出現(xiàn)了制乳香的3個(gè)特征峰（T1、T2、T3），然而在375-475℃溫度范圍內(nèi)有一系列小峰，認(rèn)為是該樣品中一些雜質(zhì)產(chǎn)生的，因此判斷R-19樣品為制乳香的摻偽品；其余批次樣品特征峰峰位與鑒別結(jié)果見表格2。

圖2 不同樣品粒度對(duì)乳香TGA-DTA分析實(shí)驗(yàn)的影響研究

圖3 不同升溫速率對(duì)乳香TGA-DTA分析實(shí)驗(yàn)的影響研究

圖4 利用TGA-DTA圖譜快速鑒別乳香真?zhèn)纹?/p>

3.3 TGA-DTA熱分析法對(duì)乳香樣本的定量分析研究

本研究基于熱力學(xué)原理，對(duì)乳香樣本進(jìn)行分別進(jìn)行TGA分析和DTA分析。下面以乳香對(duì)照藥材（R-1）為例說明。如圖5所示，TGA分析首先通過一階中點(diǎn)法對(duì)TGA曲線求導(dǎo)獲得DTG曲線，DTG曲線所反應(yīng)的是物質(zhì)重量變化的快慢情況，通過DTG曲線將熱重分為4個(gè)階段，求取各階段熱重?cái)?shù)據(jù)（ΔW1=2.12%；ΔW2= 49.41%；ΔW3=25.48%；ΔW4=0.11%；）。其中第一階段為水分和低沸點(diǎn)小分子烯類氣體失去階段，第四階段熱重開始趨近于不變，而第二階段和第三階段為揮發(fā)油失去和物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)、分解反應(yīng)的主要階段，ΔW2+ΔW3數(shù)據(jù)具有重要分析意義，本實(shí)驗(yàn)中用以表征藥材中揮發(fā)油的相對(duì)含量。此外當(dāng)DTG曲線達(dá)到峰值時(shí)，意味著反應(yīng)速度達(dá)到最快，對(duì)每種物質(zhì)而言，最大反應(yīng)速率溫度TV-max基本恒定，具有明顯的鑒別特點(diǎn)。25個(gè)批次樣本的ΔW2+ΔW3和TV-max數(shù)據(jù)總結(jié)于表格2。DTA分析主要為特征峰熱焓的計(jì)算，如圖5所示，熱焓大小為基線與峰圍成的面積ΔH，放熱峰e(cuò)xo的兩條內(nèi)切線與基線相交于兩點(diǎn)分別為外推起點(diǎn)溫度Te、外推終點(diǎn)溫度Tc，利用軟件HJ Thermal Analysis（ATAT2020）計(jì)算切線與基線圍成的面積ΔH，即為熱焓值。25個(gè)批次樣本的ΔH數(shù)據(jù)總結(jié)于表格2。

表2 25個(gè)批次乳香藥材的TGA-DTA熱分析法定量分析結(jié)果

表格2中總結(jié)的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)樣品R-15、R-20的ΔW2+ΔW3和TV-max明顯不同于乳香對(duì)照藥材，且DTA曲線沒有出現(xiàn)鑒別特征峰，而放熱峰的熱焓值較對(duì)照藥材明顯偏大，分析認(rèn)為二者是偽品。樣品R-19，DTA曲線出現(xiàn)制乳香的特征峰（T1、T2、T3），然而ΔW2+ΔW3明顯偏小，放熱峰熱焓明顯偏大，認(rèn)為該樣本藥材質(zhì)量較差，可能存在摻偽。

4 討論

圖5 TGA-DTA熱分析法對(duì)乳香樣本的定量分析研究

乳香具有特殊的生物學(xué)基礎(chǔ)，其化學(xué)成分復(fù)雜，利用常規(guī)方法進(jìn)行鑒別具有一定鑒定難度。為找到快速、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的鑒別樹脂類藥材乳香的方法，本研究從“樹脂受熱變軟”經(jīng)驗(yàn)鑒別中著手尋找答案，該藥材熱特征明顯，便采用基于不同物質(zhì)不同理化性質(zhì)理論的TGA-DTA熱分析技術(shù)開展研究。與常規(guī)鑒別方法比較，TGA-DTA熱分析法具有樣品用量少、預(yù)處理簡(jiǎn)易、分析速度快等優(yōu)勢(shì)，適合大批量乳香樣品的鑒別。

通過對(duì)照藥材TGA-DTA圖譜比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)生品乳香的DTA曲線鑒別特征峰為T1=477±5℃、T2=549± 5℃；制品乳香的DTA曲線鑒別特征峰為T1=477±5℃、T2=549±5℃、T3=350±5℃；TGA定量分析表明，正品乳香的TV-max應(yīng)為300-320℃，ΔW2+ΔW3應(yīng)為70%-80%；由DTA計(jì)算熱焓值，發(fā)現(xiàn)偽品乳香的ΔH-exo值遠(yuǎn)大于正品乳香。據(jù)此能夠快速區(qū)分出真?zhèn)稳橄阋约吧橄愫椭迫橄?，但不能區(qū)分出不同產(chǎn)地、不同基原的乳香藥材。

不同產(chǎn)地的乳香來源可能為同屬不同種植物，但是兩者親緣關(guān)系較近，根據(jù)植物親緣關(guān)系越近其化學(xué)成分越相似的原理，來源于Boswellia carterii Bird.植物與來源于Boswellia bhaw-dajiana Birdw.植物的藥材成分相似。研究結(jié)果表明，熱分析技術(shù)有利于鑒別化學(xué)成分差別較大的屬種來源的樹脂類中藥材，而對(duì)于化學(xué)成分相似的同屬種區(qū)別可能存在困難和局限性，對(duì)于這種情況，應(yīng)該結(jié)合其他傳統(tǒng)的方法——薄層色譜和高效液相色譜等技術(shù)進(jìn)一步鑒別。

5 小結(jié)

本研究收集市場(chǎng)上乳香藥材共計(jì)25份，通過優(yōu)化TGA-DTA熱分析實(shí)驗(yàn)條件，利用TGA-DTA特征圖譜快速鑒別藥材真?zhèn)?，并分別采用一階中點(diǎn)法和連線法進(jìn)行熱重分析與熱焓計(jì)算，對(duì)乳香藥材新型定量分析。該方法可以很好的區(qū)分正品乳香、偽品乳香以及乳香的摻偽品。針對(duì)難以鑒別的樹脂類中藥乳香，認(rèn)為TGA-DTA技術(shù)操作簡(jiǎn)單，是一種快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單的鑒別與質(zhì)量分析新方法，本研究可以為樹脂類中藥材的鑒別與質(zhì)量評(píng)價(jià)研究提供新思路。

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Rapid Identification and QualityAnalysis of Olibanum by TGA-DTAThermalAnalysis

Wei Yongheng,Zheng Zhiquan,Luo Juyuan,Jin Guohang,Chen Gongsen,Li Yanni,Li Xinjie,Shi Jinli (School of Chinese Materia Medica,Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100102,China)

This study was aimed to quickly identify Chinese medicine Olibanum.Thermal analysis method was used on the quality analysis of Chinese materia medica(CMM).A total of 25 batches of Olibanum on the market were collected. This study examined three important factors of temperature range,heating rate,powder mesh on the TGA and DTA thermal analysis experiments.And a method of rapid authentication of medicinal materials using TGA and DTA feature maps was built.Methods of the first-order points,connection on thermogravimetric analysis and heat enthalpy calculation were adopted in the quantitative analysis of Olibanum.The results showed that the best condition of TGA and DTA experiment on Olibanum was confirmed.The temperature range is 50-750℃.The heating rate is 20℃·min-1.The powder mesh is 100 mesh.Under these conditions,good quality goods of Olibanum,counterfeit Olibanum and adulterants of Olibanum could be distinguished through the characteristic peak(T1=447±5℃,T2=549±5℃,T3=350±5℃), thermogravimetric analysis(TV-max,ΔW2+ΔW3)and thermal enthalpy analysis(ΔH).It was concluded that the TGA-DTA technology was simple.It was thought to be a rapid,accurate and simple new method for Olibanum identification and quality analysis.

Olibanum,thermal analysis,rapid identification,quality analysis

10.11842/wst.2017.04.014

R286.0

A

（責(zé)任編輯：馬雅靜，責(zé)任譯審：王晶）

2017-03-16

修回日期：2017-04-20

＊北京市共建項(xiàng)目（BJGJ1634）：基于DSC熱分析技術(shù)結(jié)合快速元素分析技術(shù)對(duì)樹脂類中藥乳香真?zhèn)?、等?jí)、產(chǎn)地區(qū)分效果影響研究，負(fù)責(zé)人：羅菊元。

＊＊魏永恒、鄭志全為共同第一作者。

＊＊＊通訊作者：石晉麗，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：中藥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究。