文/馬忠強(qiáng)

穩(wěn)定同位素技術(shù)是道地藥材產(chǎn)地溯源的有效技術(shù)手段之一 // 具有實(shí)驗(yàn)前處理過程簡(jiǎn)單，干擾少、準(zhǔn)確度高、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，是一個(gè)較新的研究領(lǐng)域。本文簡(jiǎn)要闡述利用穩(wěn)定同位素技術(shù)溯源道地藥材的基本原理及常用的同位素指標(biāo)，同時(shí)總結(jié)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理分析方法。旨在維護(hù)我國中藥材市場(chǎng)秩序、保證藥材質(zhì)量和臨床安全合理用藥。

道地藥材是特定自然條件、生態(tài)環(huán)境的地域內(nèi)所產(chǎn)的名優(yōu)正品藥材，是中醫(yī)臨床長(zhǎng)期、反復(fù)實(shí)踐中產(chǎn)生和公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)中藥材。近年來隨著中藥需求的提高，道地藥材的異地種植現(xiàn)象普遍，造成中藥質(zhì)量下降明顯。道地藥材的產(chǎn)地溯源對(duì)維護(hù)我國中藥材市場(chǎng)秩序、保證藥材質(zhì)量和臨床安全合理用藥具有重要意義。

圖1 氣體穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀示意圖

用于道地藥材的產(chǎn)地鑒別的技術(shù)和方法

準(zhǔn)確高效的藥材產(chǎn)地溯方法是實(shí)現(xiàn)中藥產(chǎn)地溯源的保障，目前已有多種現(xiàn)代技術(shù)和方法應(yīng)用于道地藥材的產(chǎn)地鑒別，如基于分子生物學(xué)的DNA鑒別技術(shù)，基于中藥化學(xué)成分組成分析的各種光譜、色譜指紋圖譜（如高效液相色譜指紋圖譜、紅外光譜指紋圖譜等），無線射頻識(shí)別（RFID）溯源技術(shù)，條形碼溯源技術(shù)等。由于中藥材的同位素組成受氣候、環(huán)境和生物代謝類型等因素的影響，導(dǎo)致不同種類及不同地域來源的中藥材的碳、氮、氫、氧、硫等元素的同位素組成效存差異，利用這些差異并結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘手段（如主成分分析、判別分析、決策樹分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析），從而實(shí)現(xiàn)中藥材的產(chǎn)地溯源。

測(cè)定輕質(zhì)同位素(C、N、H、O、S)比率的儀器叫做氣體穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀，其結(jié)構(gòu)和工作原理見圖1。

穩(wěn)定同位素溯源的基本原理

穩(wěn)定碳同位素溯源的原理

光合作用是引起全球碳循環(huán)中最重要的碳同位素分餾，造成了很大的碳同位素分餾。植物的碳同位素組成明顯不同，與光合作用路徑有關(guān)。全球大氣中二氧化碳的δ13C值約為-6.4‰，碳-3植物的光合作用造成碳同位素分餾大，產(chǎn)生的δ13C值約為-23‰到-34‰，平均值為-26‰，大部分中藥材均屬于碳-3植物；碳-4植物的分餾程度比碳-3植物小，δ13C值范圍約在-7‰--23‰之間，平均值為-13‰。另外，有研究表明，環(huán)境因子（溫度、降水、光照及大氣壓）是影響植物體的碳同化過程的碳同位素分餾的重要因素，如相關(guān)學(xué)者對(duì)我國不同產(chǎn)區(qū)的五味子穩(wěn)定碳同位素進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)東北三省種植的五味子和南方地區(qū)（湖南、湖北、廣西）的五味子穩(wěn)定碳同位素組成存在明顯差異，而東北產(chǎn)區(qū)和南方產(chǎn)區(qū)內(nèi)部各省的五味子的δ13C差異不顯著。

穩(wěn)定氮同位素溯源的原理

氮有兩種穩(wěn)定同位素（14N、15N）。不同來源的含氮物質(zhì)中具有不同的氮同位素組成。大氣沉降的硝酸鹽其δ15N值的范圍為2‰-8‰，來自人類和動(dòng)物排泄物的有機(jī)肥明顯富集15N，其δ15N值的范圍為10‰-20‰，而由人工合成的化學(xué)肥料其氮同位素分餾不明顯，其δ15N值的范圍為-3‰-3‰，植物中的氮同位素組成與其固氮方式有關(guān)，同時(shí)受地域環(huán)境、農(nóng)業(yè)施肥及土地利用方式的影響。相關(guān)研究者利用穩(wěn)定碳、氮同位素對(duì)我國青海、四川、云南以及尼泊爾的12個(gè)產(chǎn)區(qū)的冬蟲夏草進(jìn)行了產(chǎn)地鑒別，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的樣品之間的δ13C差異不大，而δ15N波動(dòng)較大，可以利用其對(duì)大部分的樣品的產(chǎn)地來源進(jìn)行有效區(qū)分。

穩(wěn)定氫、氧同位素溯源的原理

氧有三種穩(wěn)定同位素：16O、17O、18O，氫有兩種穩(wěn)定同位素1H和2H。由于氫的質(zhì)量較小，更易被許多物理和生物過程所分餾。大氣降水中的氧、氫同位素具有明顯的緯度效應(yīng)、高程效應(yīng)以及大陸效應(yīng)，且兩種同位素的分餾效應(yīng)基本協(xié)同一致。從全球大氣降水循環(huán)來看，水汽從赤道向南北兩極輸送不斷形成降雨的過程中，剩余水汽中的18O、2H不斷貧化，造成大氣降水中的δ18O、δ2H從赤道向兩極整體上不斷貧化，即是緯度效應(yīng)；同理，隨著離海距離的增加，大氣降水中的δ18O、δ2H不斷貧化（大陸效應(yīng)）；隨著海拔的增加，大氣降水中的δ18O、δ2H不斷貧化（高程效應(yīng)）。由于氫、氧同位素上述的各種效應(yīng)，氫、氧同位素組合是溯源中藥材產(chǎn)地的理想示蹤劑。值得注意的是，由于植物的蒸騰作用會(huì)導(dǎo)致植物組織中的2H，18O的富集，進(jìn)而造成植物組織中的δ2H，δ18O明顯大于當(dāng)?shù)亟邓械摩?H，δ18O。在實(shí)際應(yīng)用中，韓國學(xué)者通過測(cè)定人參樣品的δ13C、δ15N以及δ2H對(duì)中國東北人參和韓國人參進(jìn)行了區(qū)別，發(fā)現(xiàn)中國東北人參和韓國人參的δ2H存在明顯差異，進(jìn)而可利用人參的δ2H有效區(qū)分兩國人參。

多元素同位素比分析產(chǎn)地溯源的數(shù)據(jù)處理方法

通過測(cè)定不同產(chǎn)區(qū)的中藥材的碳、氮、氫、氧及硫同位素組成，借助統(tǒng)計(jì)學(xué)工具建立中藥材產(chǎn)地區(qū)分模型。常用的建立產(chǎn)地區(qū)分模型的統(tǒng)計(jì)學(xué)手段有主成分分析（PCA），線性判別分析（FLDA），決策樹分析以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建模等。PCA 是一種數(shù)據(jù)降維方法，其特點(diǎn)是將分擔(dān)在一組變量中的信息集中于幾個(gè)綜合指標(biāo)，利用綜合指標(biāo)提取數(shù)據(jù)集。FLDA是將多維空間中的點(diǎn)投影到一維直線 y 上， 使得由總體 1 和 2 產(chǎn)生的 y 盡可能分開, 然后再利用距離判別法建立判別準(zhǔn)則, 進(jìn)而達(dá)到判別個(gè)體所屬群體的一種統(tǒng)計(jì)方法。決策樹的基本原理是采用自上而下的單向遞歸，在決策樹的內(nèi)部分支點(diǎn)進(jìn)行屬性值的比較并判斷需要向下進(jìn)入的分支，在決策樹的末端節(jié)點(diǎn)得到結(jié)論，最終從一組無規(guī)則的事例推理出決策樹表示形式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量簡(jiǎn)單的基本元件--神經(jīng)元相互連接，通過模擬人的大腦神經(jīng)處理信息的方式，進(jìn)行信息并行處理和非線性轉(zhuǎn)換的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，常用的為 BP 網(wǎng)絡(luò)（反向傳播算法），它包括輸入層、中間層和輸出層，上下層之間實(shí)現(xiàn)全連接，而同一層的神經(jīng)元之間無連接。

穩(wěn)定同位素技術(shù)的未來發(fā)展

目前，穩(wěn)定同位素技術(shù)已經(jīng)較廣泛地應(yīng)用于中藥材的產(chǎn)地溯源研究中，但是由于輕質(zhì)同位素(C、N、H、O、S)與植物生長(zhǎng)的環(huán)境關(guān)系密切，應(yīng)用過程中還在不穩(wěn)定性問題，若結(jié)合中藥材中的礦質(zhì)元素種類及含量，綜合利用各種統(tǒng)計(jì)學(xué)手段，能大幅度地提高整體判別的準(zhǔn)確率,相信在不久的將來穩(wěn)定同位素技術(shù)一定會(huì)更加完善。