稳定同位素技术在道地药材产地溯源研究中的应用
稳定同位素技术是道地药材产地溯源的有效技术手段之一 ，具有实验前处理过程简单，干扰少、准确度高、灵敏度高等优势，是一个较新的研究领域。本文简要阐述利用稳定同位素技术溯源道地药材的基本原理及常用的同位素指标，同时总结相关的数据处理分析方法。旨在维护我国中药材市场秩序、保证药材质量和临床安全合理用药。
道地药材是特定自然条件、生态环境的地域内所产的名优正品药材，是中医临床长期、反复实践中产生和公认的优质中药材。近年来随着中药需求的提高，道地药材的异地种植现象普遍，造成中药质量下降明显。道地药材的产地溯源对维护我国中药材市场秩序、保证药材质量和临床安全合理用药具有重要意义。
用于道地药材的产地鉴别的技术和方法
准确高效的药材产地溯方法是实现中药产地溯源的保障，目前已有多种现代技术和方法应用于道地药材的产地鉴别，如基于分子生物学的DNA鉴别技术，基于中药化学成分组成分析的各种光谱、色谱指纹图谱(如高效液相色谱指纹图谱、红外光谱指纹图谱等)，无线射频识别(RFID)溯源技术，条形码溯源技术等。由于中药材的同位素组成受气候、环境和生物代谢类型等因素的影响，导致不同种类及不同地域来源的中药材的碳、氮、氢、氧、硫等元素的同位素组成效存差异，利用这些差异并结合数据挖掘手段(如主成分分析、判别分析、决策树分析、神经网络分析)，从而实现中药材的产地溯源。
测定轻质同位素(C、N、H、O、S)比率的仪器叫做气体稳定同位素比质谱仪，其结构和工作原理见图1。
稳定同位素溯源的基本原理
稳定碳同位素溯源的原理
光合作用是引起全球碳循环中最重要的碳同位素分馏，造成了很大的碳同位素分馏。植物的碳同位素组成明显不同，与光合作用路径有关。全球大气中二氧化碳的δ13C值约为-6.4‰，碳-3植物的光合作用造成碳同位素分馏大，产生的δ13C值约为-23‰到-34‰，平均值为-26‰，大部分中药材均属于碳-3植物;碳-4植物的分馏程度比碳-3植物小，δ13C值范围约在-7‰--23‰之间，平均值为 -13‰。另外，有研究表明，环境因子(温度、降水、光照及大气压)是影响植物体的碳同化过程的碳同位素分馏的重要因素，如相关学者对我国不同产区的五味子稳定碳同位素进行了研究，研究发现东北三省种植的五味子和南方地区(湖南、湖北、广西)的五味子稳定碳同位素组成存在明显差异，而东北产区和南方产区内部各省的五味子的δ13C差异不显著。
稳定氮同位素溯源的原理
氮有两种稳定同位素(14N、15N)。不同来源的含氮物质中具有不同的氮同位素组成。大气沉降的硝酸盐其δ15N值的范围为2‰-8‰，来自人类和动物排泄物的有机肥明显富集15N，其δ15N值的范围为10‰-20‰，而由人工合成的化学肥料其氮同位素分馏不明显，其δ15N值的范围为-3‰-3‰，植物中的氮同位素组成与其固氮方式有关，同时受地域环境、农业施肥及土地利用方式的影响。相关研究者利用稳定碳、氮同位素对我国青海、四川、云南以及尼泊尔的12个产区的冬虫夏草进行了产地鉴别，发现不同地区的样品之间的δ13C差异不大，而δ15N波动较大，可以利用其对大部分的样品的产地来源进行有效区分。
稳定氢、氧同位素溯源的原理
氧有三种稳定同位素：16O、17O、18O，氢有两种稳定同位素1H和2H。由于氢的质量较小，更易被许多物理和生物过程所分馏。大气降水中的氧、氢同位素具有明显的纬度效应、高程效应以及大陆效应，且两种同位素的分馏效应基本协同一致。从全球大气降水循环来看，水汽从赤道向南北两极输送不断形成降雨的过程中，剩余水汽中的18O、2H不断贫化，造成大气降水中的δ18O、δ2H从赤道向两极整体上不断贫化，即是纬度效应;同理，随着离海距离的增加，大气降水中的δ18O、δ2H不断贫化(大陆效应);随着海拔的增加，大气降水中的δ18O、δ2H不断贫化(高程效应)。由于氢、氧同位素上述的各种效应，氢、氧同位素组合是溯源中药材产地的理想示踪剂。值得注意的是，由于植物的蒸腾作用会导致植物组织中的2H，18O的富集，进而造成植物组织中的δ2H，δ18O明显大于当地降水中的δ2H，δ18O。在实际应用中，韩国学者通过测定人参样品的δ13C、δ15N以及δ2H对中国东北人参和韩国人参进行了区别，发现中国东北人参和韩国人参的δ2H存在明显差异，进而可利用人参的δ2H有效区分两国人参。
多元素同位素比分析产地溯源的数据处理方法
通过测定不同产区的中药材的碳、氮、氢、氧及硫同位素组成，借助统计学工具建立中药材产地区分模型。常用的建立产地区分模型的统计学手段有主成分分析(PCA)，线性判别分析(FLDA)，决策树分析以及神经网络方法建模等。PCA 是一种数据降维方法，其特点是将分担在一组变量中的信息集中于几个综合指标，利用综合指标提取数据集。FLDA是将多维空间中的点投影到一维直线 y 上， 使得由总体 1 和 2 产生的 y 尽可能分开, 然后再利用距离判别法建立判别准则, 进而达到判别个体所属群体的一种统计方法。决策树的基本原理是采用自上而下的单向递归，在决策树的内部分支点进行属性值的比较并判断需要向下进入的分支，在决策树的末端节点得到结论，最终从一组无规则的事例推理出决策树表示形式。神经网络是由大量简单的基本元件--神经元相互连接，通过模拟人的大脑神经处理信息的方式，进行信息并行处理和非线性转换的复杂网络系统，常用的为 BP 网络(反向传播算法)，它包括输入层、中间层和输出层，上下层之间实现全连接，而同一层的神经元之间无连接。
稳定同位素技术的未来发展
目前，稳定同位素技术已经较广泛地应用于中药材的产地溯源研究中，但是由于轻质同位素(C、N、H、O、S)与植物生长的环境关系密切，应用过程中还在不稳定性问题，若结合中药材中的矿质元素种类及含量，综合利用各种统计学手段，能大幅度地提高整体判别的准确率,相信在不久的将来稳定同位素技术一定会更加完善。
