中藥材真?zhèn)蝺?yōu)劣的判別對于保障安全、提升療效意義重大。近日，天津中醫(yī)藥大學(xué)李文龍研究員聯(lián)合華儀寧創(chuàng)智能科技有限公司聞路紅教授，在中藥質(zhì)量溯源與摻偽識別領(lǐng)域取得了系列突破性進(jìn)展。團(tuán)隊成員天津中醫(yī)藥大學(xué)碩士研究生張怡婧同學(xué)開展了便攜式質(zhì)譜儀（Portable Mass Spectrometer, PMS）的創(chuàng)新應(yīng)用，成功解決了當(dāng)歸藥材的道地性溯源和摻偽檢測的兩大難題。相關(guān)研究成果相繼發(fā)表于《Microchemical Journal》和《Journal of Food Composition and Analysis》，為中藥材質(zhì)量控制提供了新思路與技術(shù)支撐。

便攜式質(zhì)譜儀——推動當(dāng)歸道地性溯源精準(zhǔn)化

當(dāng)歸作為傳統(tǒng)中藥中極具藥理價值的代表品種，不僅用于調(diào)和氣血、活血止痛，也被廣泛用于功能性食品和膳食補(bǔ)充劑。然而，不同產(chǎn)區(qū)的當(dāng)歸在化學(xué)成分上存在顯著差異，其產(chǎn)地信息與質(zhì)量效果也密切相關(guān)。傳統(tǒng)基于便攜式近紅外光譜（NIR）的方法雖具快速無損優(yōu)勢，但因其光譜信息維度有限，且易受環(huán)境和樣本基線干擾，導(dǎo)致模型性能不穩(wěn)定、準(zhǔn)確率有限。為解決上述瓶頸問題，研究團(tuán)隊首次引入便攜式質(zhì)譜儀進(jìn)行當(dāng)歸道地性溯源研究（圖1）。該設(shè)備小巧輕便（約41.5×28.5×37 cm，重量<20 kg），內(nèi)置脈沖直流電噴霧離子源，具備真正的現(xiàn)場快速檢測能力。團(tuán)隊采用多層次數(shù)據(jù)融合策略，將PMS與NIR兩種互補(bǔ)性技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建穩(wěn)健的融合模型，顯著提升了判別精度與模型泛化能力。研究結(jié)果表明，該高級融合模型（圖2）在多產(chǎn)區(qū)當(dāng)歸樣品中的識別準(zhǔn)確率達(dá)到96%以上，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)單一近紅外光譜模型，具備極強(qiáng)的現(xiàn)場應(yīng)用潛力和推廣價值。

圖1 當(dāng)歸道地性溯源研究技術(shù)路線圖

圖2 數(shù)據(jù)融合策略流程圖

SHAP解釋分析，揭示模型“黑盒”背后的關(guān)鍵特征

為增強(qiáng)融合模型的可解釋性，團(tuán)隊引入了基于博弈論的SHAP（Shapley additive explanations）方法，解析模型中各離子峰對分類結(jié)果的貢獻(xiàn)度（圖3）。結(jié)果表明，來自PMS的特征變量在區(qū)分不同產(chǎn)地樣品中占據(jù)主導(dǎo)作用，為模型提供關(guān)鍵判別依據(jù)。該方法有效揭示了質(zhì)譜數(shù)據(jù)中對產(chǎn)地溯源最具判別力的m/z特征，為道地藥材的成分研究與可解釋性算法提供理論支撐。

圖3 基于PMS最優(yōu)分類模型中關(guān)鍵m/z變量的SHAP貢獻(xiàn)圖

便攜式質(zhì)譜儀摻偽識別的普適性：從刺五加到當(dāng)歸的跨品種驗證

此前，研究團(tuán)隊已在刺五加（Acanthopanax senticosus）摻偽檢測研究中取得重要成果，相關(guān)成果發(fā)表于《Food Chemistry》。該研究基于PMS采集非靶向質(zhì)譜數(shù)據(jù)，并結(jié)合CNN-LSTM-Attention等深度學(xué)習(xí)算法，實現(xiàn)對刺五加及其形態(tài)相似摻偽品的高效識別，為中藥材現(xiàn)場摻偽篩查提供了成功示范。

為進(jìn)一步提升便攜式質(zhì)譜儀在中藥材摻偽檢測中的普適性和應(yīng)用范圍，該研究團(tuán)隊將研究重點(diǎn)拓展至當(dāng)歸。由于考慮到當(dāng)歸在市場上存在多種形態(tài)相似、質(zhì)量低劣的摻假藥材，因此該團(tuán)隊模擬了4種摻假手段，通過構(gòu)建SO-SVM與LASSO優(yōu)化算法對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，成功識別出多種摻偽標(biāo)志離子，實現(xiàn)對當(dāng)歸及摻假樣品的準(zhǔn)確分類。該模型準(zhǔn)確率高達(dá)99%，大幅提升了摻偽檢測的靈敏度和實用性，有效支持中藥材市場的質(zhì)量監(jiān)管與安全保障。實驗流程如圖4所示。

圖4 便攜式質(zhì)譜儀檢測當(dāng)歸摻偽流程圖

未來，研究團(tuán)隊將進(jìn)一步擴(kuò)展便攜式質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫與算法系統(tǒng)，融合更多維度的物理化學(xué)信息，推動便攜式智能檢測設(shè)備在中藥、食品、農(nóng)業(yè)等行業(yè)的廣泛落地應(yīng)用，為中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

相關(guān)論文題錄信息

1.         ADDIN ZOTERO_BIBL {"uncited":[],"omitted":[],"custom":[]} CSL_BIBLIOGRAPHY Yijing Zhang, Shamukaer Alimujiang, Changhao Jia, Zixuan Yan, Yuanjian Zhang, Wenlong Li^*. Improving accuracy and interpretability of portable near-infrared spectroscopy via portable mass spectrometry fusion: A case study on the geographical traceability of Angelica sinensis. Microchemical Journal, 2025 216, 114564. https://doi.org/10.1016/j.microc.2025.114564

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研究通訊人：李文龍  研究員
單位：天津中醫(yī)藥大學(xué)中藥制藥工程學(xué)院

華儀寧創(chuàng)便攜式質(zhì)譜儀 CRAIV-110