基于热分析的炉甘石煅制研究

[摘要]采用热重（TG）技术、热质联用（TG-MS）技术、红外光谱技术（FTIR）和扫描电镜（SEM）-能谱仪（EDS）联用技术探讨炉甘石热解特性，对炉甘石热解前后相关元素含量、整体形态、官能团及挥发分等变化进行定性、定量研究，发现200～360，580～750 ℃为炉甘石煅制过程中药效成分变化的2个敏感温度区间，200～360 ℃为ZnCO3，Zn（OH）2，ZnCO3-2Zn（OH）2-H2O热失重，580～750 ℃为CaCO3热失重。化学反应动力学研究结果表明，具有良好的线性关系。该试验融汇物理化学及中药炮制学的相关方法及理论，阐释炉甘石煅制炮制工艺及机制，为其他中药炮制的现代研究提供一个很好的范例。

[关键词]中药炮制；炉甘石；热重技术；红外光谱技术；扫描电镜-能谱联用技术

[收稿日期]2013-05-29

[通信作者]张朔生，教授，硕士生导师，主要从事中药饮片炮制工艺及质量标准研究，Tel：（0351）2272652，E-mail：炉甘石（calamine）[1]为碳酸盐类矿物方解石族菱锌矿，主含碳酸锌，且富含Ca， Mg等微量元素；本品气微，味微涩，具有解毒明目退翳、收湿止痒敛疮的功效。本品采挖后，洗净，晒干，除去杂石，为块状集合体，呈不规则的块状，灰白色或淡红色，表面无粉性，无光泽，凹凸不平，多孔，似蜂窝状，体轻，易碎。炉甘石一般不生用，相关典籍记载本品有火煅、煅淬（黄连水淬、三黄汤淬、童尿淬、醋淬等）和煅淬后水飞等炮制方法[4]；现在主要采用火煅、水淬、水飞后干燥与黄连汤、三黄汤等多种药物煎汤淬制或拌制的炮制方法[5]；究其原理为通过煅制等炮制工艺使其所含结晶水失去的同时，碳酸锌进一步分解成氧化锌，提高锌的含量从而提升功效。现在对本品的研究，在生炉甘石方面较侧重于纳米炉甘石的研究[7]；在炮制品方面较侧重于煅制前后相关物质的变化迁移研究[8]，且少见关于本品煅制过程机制及相关成分变化研究。

热分析技术是指在程序温度下，测量物质的物理性质与温度或时间关系的一类技术。近年来，相关学者借鉴该技术，并逐步展开在中药研究领域的应用，主要包括中药化学成分热分析[10]、热分解[11]、不同产地中药的鉴别[12]、近缘类中药的鉴别[13]等方面，个别学者开始尝试将此技术应用于中药炮制的研究[14]。

本试验利用热分析技术模拟炉甘石煅制过程，在程序升温的动态环境中对比炉甘石及其主要成分的热解特性，确定本品煅制过程中药效成分变化的敏感温度区间，并进行动力学求解；同时定性及定量的比较本品热解前后相关元素含量、整体形态及官能团及挥发分等发生变化。

1材料

STA-409C型热重-差热综合分析仪（德国NETZSCH）；MB104型傅里叶变换红外光谱仪（美国BOMEM）；JSM-76360LV型扫描电镜（SEM，JEOL）- ZNCAX-Sight-7582型能谱仪（EDS，Oxford）。

炉甘石购买于山西中医学院附属第二医院中药房，经张朔生教授鉴定为正品；ZnCO3，Zn（OH）2，ZnCO3-2Zn（OH）2-H2O，CaCO3均购买于上海化学药品厂且均为分析纯。取以上试样适量，研碎，研磨，过40目筛，标记为C，备用。

2方法

2.1热重试验模拟空气（N2-O2 4∶1）为载气，流量60 mL・min-1，分别取生炉甘石，ZnCO3，Zn（OH）2，ZnCO3-2Zn（OH）2-H2O，CaCO3等样品（30±5） mg置于坩埚中，以10 ℃・min-1（20，30 ℃・min-1）的升温速率从室温升至1 000 ℃。

2.2热质联用试验氩气为载气，MID监测m/z 18，44的质子碎片，其余条件同热重试验。

2.3红外光谱试验采用溴化钾压片法，光谱分辨率4 cm-1，测量范围4 000～500 cm-1，扫描信号累加32次，所得数据经OMNIC进行自动基线校正、平滑及纵坐标归一化。

2.4扫描电镜-能谱联用试验取生炉甘石、炉甘石煅制热解品少许，用导电胶黏于试样台上，于离子溅射膜机上镀金，SEM工作电压为20 kV，放大1万倍；EDS放大1 024×768倍，2万X高压，15.0 kV。

3结果

3.1炉甘石煅制机制研究炉甘石热失重曲线TG呈三段式热失重，分别为200～360 ℃热失重11.6%，360～580 ℃热失重3.9%，580～750 ℃热失重5.0%；DTG曲线上也出现相对应的3个热失重速率峰值，分别为281.6 ℃处强度为3.34%・min-1的热失重速率峰，424 ℃处强度为1.27%・min-1的热失重速率峰和712 ℃处强度为0.77%・min-1的热失重速率峰。炉甘石热质TG-MS曲线显示，由于2个试验所选气氛的不同热解特性略存差异，如热质TG-MS曲线，氩气于400 ℃附近处的的热失重速率峰远小于模拟空气下于424 ℃处的的热失重速率峰，且对其归属尚需进一步试验。于200～360 ℃炉甘石的热失重速率峰主要为CO2及H2O的叠加，580～750 ℃炉甘石的热失重速率峰主要为CO2，见图1。

图1炉甘石热解（A）及热质联用（B）曲线图

Fig.1TG-DTG（A） and TG-MS（B） curves of calamine

炉甘石于200～360 ℃在281.6 ℃处的热失重速率峰可归结为ZnCO3，Zn（OH）2和ZnCO3-2Zn（OH）2-H2O的热失重速率峰叠加；炉甘石于580～750 ℃在712 ℃处的热失重速率峰为CaCO3热失重速率峰，见图2，参考热质试验，可推得其反应方程式见下。

ZnCO3=ZnO+CO2（1）

Zn（OH）2=ZnO+H2O（2）

ZnCO3-2Zn（OH）2-H2O= 3ZnO+CO2+3H2O（3）

CaCO3=CaO+CO2（4）

综上得出，炉甘石煅制热解过程中关乎药效成分变化的2个敏感温度区间为200～360，580～750 ℃，炉甘石及其有效成分热解参数见表1。

3.2炉甘石热解反应动力学研究

炉甘石的热解特性随升温速率由10 ℃・min-1

图2炉甘石及其有效成分的TG（A）和DTG（B）比较曲线

Fig.2TG（A）and DTG（B） curves of Calamine and its main components

升至20，30 ℃・min-1显现出特异性，随着升温速率的增加，其相应的特征值有增大趋势[15]，见图3，如炉甘石热解的起始温度、挥发分释放温度区间、热失重速率峰极值时所对应的温度等，其相关热解特性参数见表2。

图3不同升温速率炉甘石热解TG-DTG曲线

Fig.3TG-DTG curves of calamine at different heating rate

本研究选取Coats&Redfern（CR）方程进行计算，其优点在于可求得指前因子，反应级数并且可用一个升温速率求得以上各值，其方程见下。

ln[-ln（1-α）T2]=ln[ARβE（1-2RTE）]-ERT（n=1）（4）

ln[（1-α）1-n-1（n-1）T2]=ln[ARβE（1-2RTE）]-ERT（n≠1）（5）

式中，n表示反应级数，无明确的物理意义。ln[-ln（1-α）T2]或ln[（1-α）1-n-1（n-1）T2]对T-1作图为一直线，斜率为E/R，截距ln[ARβE（1-2RTE）]，从而可求得E，A。CR方法的优点主要是可由一个升温速率直接求得A和E [16]。

针对炉甘石煅制热解特性，于整体温度、低温段（约250～330 ℃）及高温段（约650～760 ℃），分别对不同升温速率下的热解过程进行化学反应动力学计算，由于生物质热解过程大多数为一级反应，并且当n=1时，试验结果与模型计算值可信度高，采用CR方法，ln[-ln（1-α）T2]对T-1作图为一直线线性关系，动力学拟合曲线见图4，化学反应动力学参

数见表3。对于炉甘石的整体热解阶段运用CR方程求解化学反应动力学，r较小，仅为0.215～0.447，然低温段及高温段的化学反应动力学r较高，为0.942～0.979，且低温段活化能为64.52～73.62 kJ・mol-1，远大于高温段6.63～9.37 kJ・mol-1的活化能。

A.低温段；B.高温段。

图4不同升温速率炉甘石动力学拟合曲线

Fig.4Dynamics fitting curves of calamine pyrolysis at different heating rate以上结果说明，对于中药等复杂体系应用CR法进行的化学反应动力学应按热解特性分阶段进行求解，且炉甘石煅制热解低温段需要吸收较高能量而完成热解。

3.3炉甘石热解前后相关表征比较研究炉甘石热解前后相关表征参数变化较大，炉甘石热解前后整体形态发生较大改变，炉甘石生品为质实聚集态的大颗粒，偶见表面的小针晶及菱形晶，而炉甘石煅制热解品则以不规则晶型小颗粒为主，无质实大颗粒晶型，见图5。炉甘石煅制热解后Zn元素的相对含量略有增加，由95.64%增至96.05%；炉甘石生品C，O，Ca和S的相对含量大于炉甘石煅制热解品，同时K，Cl和Cd等相对含量较小的3种元素仅出现于炉甘石生品中；炉甘石煅制热解品中P，Ba，Si及Al的相对含量大于炉甘石生品，见图6，证明本品煅制过程中相关化合物存在重构现象。炉甘石生品FTIR光谱图与ZnCO3，ZnCO3-2Zn（OH）2-H2O相似性较高，其主要于1 420，2 519，869，660 cm-1处出现与CO32-有关的吸收峰[17]，而炉甘石煅制热解品相关CO32-有关的透光率增大，证明CO32-相关物质含量减少，见图7。

4结论

综合分析，200～60， 580～750 ℃为关乎炉甘石煅制过程中药效成分变化的2个敏感温度区间；对化学反应动力学研究结果表明，具有良好的线性关系；本品煅制温度应超过750 ℃。

炉甘石煅制后长于消炎、抗菌及防腐、生肌，这主要是因为ZnCO3无抑菌活性，煅制后ZnCO3分解为ZnO而起到抑菌作用[18-19]，且抑菌作用也与煅制后本品粒径变小有关[20]，本实验得出炉甘石煅制后ZnCO3含量减小，Zn元素容易释放，整体形态变为不规则晶型小颗粒，与相关文献报道相一致。

图5炉甘石热解前后SEM-EDS图

Fig.5SEM images and EDS spectrum of calamine before and after pyrolysis process

图6炉甘石热解前后元素含量相对变化图

Fig.6Content of relevant elements of calamine before and after pyrolysis process

图7炉甘石热解前后FTIR图

Fig.7FTIR curves of calamine before and after pyrolysis process本实验可阐释关乎本品药效成分变化的热解敏感温度区间的变化机制，同时得出炉甘石生品及热解品在整体表征上的差异；本试验融汇物理化学及中药炮制学的相关方法及理论，阐释炉甘石煅制炮制工艺及机制，可为中药炮制的现代研究提供一个很好的范例。

[参考文献]

[1]中国药典. 一部[S]. 2010： 211.

[2]张楠， 刘建利. 市售炉甘石质量的X射线衍射分析[J]. 中药材， 2007， 30（ 12 ） ： 1519 .

[3]冉懋雄， 郭建民. 现代中药炮制手册[M]. 北京：中国中医药出版社，2002.

[4]金传山， 吴德林， 曹斌. 炉甘石炮制历史沿革现代研究[J]. 时珍国医国药，2000，11（4）： 383.

[5]龚千峰. 中药炮制学[M]. 北京：中国中药出版社，2007： 266.

[6]刘慧， 孙志强， 王徽. 炉甘石临床应用研究进展[J]. 齐鲁药事， 2010， 29（8）： 489.

[7]柳娜. 纳米炉甘石研究[D]. 武汉： 华中科技大学，2005.

[8]张杰红， 施学骄， 韦正， 等. 炉甘石炮制前后成分分析及热稳定性[J]. 中国实验方剂学杂志， 2011， 17（24）： 16.

[9]刘振海， 陆立明， 唐远旺. 热分析简明教程[M]. 北京： 科学出版社， 1912： 9.

[10]俞励平， 梁晓亮， 曾永长， 等. 麻黄“上沫”成分的热分析TG-DTG-DSC及热解-GC-MS研究[J]. 中山大学学报： 自然科学版， 2011， 50（3）： 94.

[11]马俊楠， 孟祥龙， 张朔生. 没食子酸的热解与燃烧动力学特征性研究[J]. 世界中西医结合杂志， 2013， 8（5）： 468.

[12]宋爱新， 张经纬， 李明静， 等. 热分析方法对几种不同产地山药的鉴别[J]. 中草药， 2003， 34（2）： 169.

[13]王书军， 高文远， 陈海霞， 等. 热分析（TG，DTA）方法在鉴别贝母类中药材中的应用[J]. 中国中药杂志， 2007， 32（4）： 296.

[14]孟祥龙， 郭晓慧， 张朔生. 基于TG-DTG的祖师麻甘草制的炮制机制研究[J]. 中国中药杂志， 2012， 37（23）： 3558.

[15]廖艳芬， 王树荣， 骆仲泱， 等. 纤维素热裂解过程动力学的试验分析研究[J]. 浙江大学学报： 工学版， 2002， 36（2）： 172.

[16]Whitea J E， Catallob W J， Legendrea B L. Biomass pyrolysis kinetics： a comparative critical review with relevant agricultural residue case studies[J]. J Anal Appl Pyrol， 2011， 91： 1.

[17]杨连菊， 张志杰， 李娆娆， 等. 基于物相与成分分析的中药炉甘石基源研究[J]. 光谱学与光谱分析， 2011， 31（11）： 3092.

[18]郭义明， 于开锋， 刘艳华， 等. 炉甘石炮制机理分析[J]. 中国中药杂志， 2005， 30（8）： 596.

[19]周灵君， 徐春蕾， 张丽， 等. 炉甘石炮制机制研究[J]. 中国中药杂志，2010， 35（12）： 1556.

[20]张杰红， 银玲， 王晓宇， 等. 不同粒径炉甘石体外抑菌作用的研究[J]. 中药与临床， 2011， 2（6）：19.