[发明专利]中药提取过程动态趋势在线紫外分析方法

摘要

本发明公开了一种中药提取过程动态趋势在线紫外分析方法，该方法包括实时采样、紫外参考光谱及提取液光谱检测、吸光度求取、光谱预处理以及吸光度变化率计算等步骤，通过分析吸光度变化情况来进行中药提取过程的动态趋势分析。该方法经过后期离线紫外以及固含物含量检测的验证，可以准确的反映药物提取过程的进行程度，提高过程的在线质量控制水平，快速、非破坏性、实时获取提取过程中的质量信息，及时发现与纠正异常操作，保证中药产品安全、稳定、有效。

主权项

一种中药提取过程动态趋势在线紫外分析方法，该方法在中药提取过程动态趋势在线紫外分析系统上实现，所述系统包括：提取罐循环管路(1)、旁通手动阀(2)、冷却器入口温度传感器(3)、进样手动阀(4)、水冷却器(5)、冷却器出口温度传感器(6)、进样电磁阀(7)、放样电磁阀(8)、样品定量管(9)、放空电磁阀(10)、回样电磁阀(11)、回样手动阀(12)、水入口管路(13)、进水电磁阀(14)、水定量杯(15)、排水电磁阀(16)、混合采样池(17)、搅拌电机(18)、搅拌桨(19)、视窗(20)、紫外光纤(21)、排污电磁阀(22)、排污管道(23)、光源(24)、紫外光纤(21)、视窗(20)、紫外光谱仪(25)、PLC主机(28)、温度测量模块(26)和电磁阀组及电机驱动模块(27)、数字通讯模块(29)、双绞线(30)、监控计算机(31)；所述提取罐循环管路(1)主管路中安装手动阀(2)，旁路依次与冷却器入口温度传感器(3)、进样手动阀(4)、水冷却器(5)、冷却器出口温度传感器(6)、进样电磁阀(7)、样品定量管(9)、回样电磁阀(11)、回样手动阀(12)相连形成循环管路，其中，样品定量管(9)上下端另外分别与放空电磁阀(10)和排样电磁阀(8)相连；水入口管路(13)依次与进水电磁阀(14)、水定量杯(15)、排水电磁阀(16)、混合池与采样池(17)、排污电磁阀(22)相连；混合采样池(17)顶部与放样电磁阀(8)相连，底部两侧有视窗(20)，搅拌电机(18)与搅拌桨(19)相连并伸入混合采样池(17)内部；排污管道(23)分别与排污电磁阀(22)和水定量杯(15)的溢流管相连；所述光源(24)直接受紫外光谱仪(25)的控制；光源(24)依次与紫外光纤(21)、视窗(20)、紫外光纤(21)、紫外光谱仪(25)相连；所述PLC主机(28)分别与温度测量模块(26)和电磁阀组及电机驱动模块(27)相连；温度测量模块(26)与冷却器入口温度传感器(3)、冷却器出口温度传感器(6)相连；电磁阀组及电机驱动模块(27)与进样电磁阀(7)、放样电磁阀(8)、回样电磁阀(11)、放空电磁阀(10)、进水电磁阀(14)、排水电磁阀(16)、排污电磁阀(22)和搅拌电机(18)相连；监控计算机(31)通过双绞线(30)与数字通讯模块(29)相连；数字通讯模块(29)分别与紫外光谱仪(25)和PLC主机(28)相连；其特征在于，包括以下步骤：(1)关闭光源(24)，利用紫外光谱仪(25)进行紫外光谱快速检测，记录得到的暗光谱S_dark；利用冷却器入口温度传感器(3)检测工艺管路温度，令有效采样次数k＝0，并记录初始温度值T₁(0)；设定滤波窗口宽度、光谱仪积分时间及采样测量周期T_s；(2)对管路温度进行实时采样，令利用冷却器入口温度传感器(3)得到当前工艺管路温度T₁(k)，结合前一次采样值T₁(k‑1)，若T₁(k)>T₁(k‑1)且T_1th<T₁(k)<T_2th，或T₁(k)≥T_2th，则工艺运行满足在线分析仪工作要求，说明工艺已进入提取状态且循环正常，执行步骤3，对提取液进行采样；反之，则工艺运行不满足工作要求，令k＝0，记录当前温度值为T₁(0)，重新执行步骤2；其中，T_1th为判断工艺处于提取状态的阈值、T_2th为判断工艺处于保持沸腾状态的阈值；(3)进行提取液采样测量，自动配比及积分时间调节，设备排污与清洗，具体包括以下子步骤：(3.1)参考光谱测量：打开进水电磁阀(14)，向水定量杯(15)充水；待水定量杯(15)充满后，溢流水流入排污管道(23)，此时关闭进水电磁阀(14)、排污电磁阀(22)，并打开排水电磁阀(16)，待定量水进入混合采样池(17)后，测量参考光谱，并记录所得到的参考光谱S_ref；(3.2)自动配比稀释与混合：关闭进样电磁阀(7)与回样电磁阀(11)，打开放样电磁阀(8)与放空电磁阀(10)，使样品定量管(9)中的样品全部流入混合采样池(17)；同时打开搅拌电机(18)，启动搅拌桨(19)使提取液与溶剂混合均匀，并完成稀释；之后再关闭放样电磁阀(8)与放空电磁阀(10)；重复此步骤直到加入规定罐数的提取液；(3.3)提取液光谱检测：打开光源(24)，利用紫外光谱仪(25)测量提取液光谱S_tcm；(3.4)混合液排污与清洗：打开排污电磁阀(22)，将混合液全部流入排污管道(23)后，再关闭排污电磁阀(22)；再打开进水电磁阀(14)、排水电磁阀(16)使水直接进入混合采样池(17)，并打开搅拌电机(18)帮助清洗；清洗完毕后关闭进水电磁阀(14)、排水电磁阀(16)，再打开排污电磁阀(22)将污水排走，完成后关闭搅拌电机(18)；(3.5)吸光度曲线求取及光谱预处理：由光谱S_tcm、S_ref及S_dark按下式求取吸光度A，$A=-\log \left(\frac{S_{\mathrm{tcm}}-S_{\mathrm{dark}}}{S_{\mathrm{ref}}-S_{\mathrm{dark}}}\right)$根据紫外光谱仪(25)提供的转换参数将像素点转换为对应波长，对得到的吸光度A的序列进行紫外波段提取、线性插值、坏点去除及滤波处理，得到预处理后的有效吸光度序列：{A(i)},i＝n₁,...,n₂，其中，n₁为有效光谱波段的最小波长，n₂为有效光谱波段的最大波长，i的单位为纳米；经过以上步骤，完成当前时刻的光谱采样及预处理；(4)计算吸光度变化率(4.1)计算吸光度特征值：根据步骤3得到的有效吸光度序列，选取吸光度特征峰区域，求取该区域吸光度均值，作为当前吸光度序列特征值C(k)：$C\left(k\right)=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i={n_1}^{\&prime;}}^{{n_2}^{\&prime;}}A\left(i\right)}{{n_2}^{\&prime;}-{n_1}^{\&prime;}+1}$其中，n₁'n₂'分别为特征峰区域两端首尾波长，A(i)为i波长下的吸光度值；(4.2)得到特征值序列并计算吸光度变化率：基于每次测量得到的吸光度特征值组成吸光度特征值序列{C(t)|t＝1,…,k}，如果上述序列元素个数k小于滤波窗口宽度，则返回步骤2，继续收集下一时刻吸光度；若序列元素个数k大于或等于滤波窗口宽度，则首先采取左侧窗口多项式滤波方法进行滤波，得到滤波后的特征值序列{C_f(t)|t＝1,…,k}，根据下式计算当前吸光度特征值的变化率I(k)：$I\left(k\right)=\left|\frac{C_f\left(k\right)-C_f(k-1)}{C_f(k-1)}\right|\&times;100\%$根据变化率I(k)确定吸光度的变化情况，以判断药液的提取情况；(4.3)数据保存与显示：将测量得到的参考光谱、提取液光谱、暗光谱、提取时间、吸光度保存到后台数据库，实时显示系统当前测量得到的参考光谱、提取液光谱、吸光度以及吸光度变化率；(5)根据步骤4.2得到的当前吸光度变化率I(k)，并结合之前时刻所得到的变化率数据，对中药提取过程进行动态趋势分析：如果连续n个变化率保持在阈值T之内，则判断提取过程已进入稳定阶段，其中，T值选取5％～10％，n的设定原则为：满足n次采样时间nT_s占据该种类药物平均提取时间的此时系统提醒用户提取达到停点要求，同时转到步骤2，进入下一周期的测量；若变化率未满足稳定条件，直接转到步骤2，进入下一周期测量。