穩定同位素技術是道地藥材產地溯源的有效技術手段之一?，具有實驗前處理過程簡單，干擾少、準確度高、靈敏度高等優勢，是一個較新的研究領域。本文簡要闡述利用穩定同位素技術溯源道地藥材的基本原理及常用的同位素指標，同時總結相關的數據處理分析方法。旨在維護我國中藥材市場秩序、保證藥材質量和臨床安全合理用藥。
道地藥材是特定自然條件、生態環境的地域內所產的名優正品藥材，是中醫臨床長期、反復實踐中產生和公認的優質中藥材。近年來隨著中藥需求的提高，道地藥材的異地種植現象普遍，造成中藥質量下降明顯。道地藥材的產地溯源對維護我國中藥材市場秩序、保證藥材質量和臨床安全合理用藥具有重要意義。
用于道地藥材的產地鑒別的技術和方法
準確高效的藥材產地溯方法是實現中藥產地溯源的保障，目前已有多種現代技術和方法應用于道地藥材的產地鑒別，如基于分子生物學的DNA鑒別技術，基于中藥化學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)，無線射頻識別(RFID)溯源技術，條形碼溯源技術等。由于中藥材的同位素組成受氣候、環境和生物代謝類型等因素的影響，導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，利用這些差異并結合數據挖掘手段(如主成分分析、判別分析、決策樹分析、神經網絡分析)，從而實現中藥材的產地溯源。
測定輕質同位素(C、N、H、O、S)比率的儀器叫做氣體穩定同位素比質譜儀，其結構和工作原理見圖1。
穩定同位素溯源的基本原理
穩定碳同位素溯源的原理
光合作用是引起全球碳循環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。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，如相關學者對我國不同產區的五味子穩定碳同位素進行了研究，研究發現東北三省種植的五味子和南方地區(湖南、湖北、廣西)的五味子穩定碳同位素組成存在明顯差異，而東北產區和南方產區內部各省的五味子的δ13C差異不顯著。
穩定氮同位素溯源的原理
氮有兩種穩定同位素(14N、15N)。不同來源的含氮物質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‰，來自人類和動物排泄物的有機肥明顯富集15N，其δ15N值的范圍為10‰-20‰，而由人工合成的化學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，同時受地域環境、農業施肥及土地利用方式的影響。相關研究者利用穩定碳、氮同位素對我國青海、四川、云南以及尼泊爾的12個產區的冬蟲夏草進行了產地鑒別，發現不同地區的樣品之間的δ13C差異不大，而δ15N波動較大，可以利用其對大部分的樣品的產地來源進行有效區分。
穩定氫、氧同位素溯源的原理
氧有三種穩定同位素：16O、17O、18O，氫有兩種穩定同位素1H和2H。由于氫的質量較小，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、高程效應以及大陸效應，且兩種同位素的分餾效應基本協同一致。從全球大氣降水循環來看，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;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);隨著海拔的增加，大氣降水中的δ18O、δ2H不斷貧化(高程效應)。由于氫、氧同位素上述的各種效應，氫、氧同位素組合是溯源中藥材產地的理想示蹤劑。值得注意的是，由于植物的蒸騰作用會導致植物組織中的2H，18O的富集，進而造成植物組織中的δ2H，δ18O明顯大于當地降水中的δ2H，δ18O。在實際應用中，韓國學者通過測定人參樣品的δ13C、δ15N以及δ2H對中國東北人參和韓國人參進行了區別，發現中國東北人參和韓國人參的δ2H存在明顯差異，進而可利用人參的δ2H有效區分兩國人參。
多元素同位素比分析產地溯源的數據處理方法
通過測定不同產區的中藥材的碳、氮、氫、氧及硫同位素組成，借助統計學工具建立中藥材產地區分模型。常用的建立產地區分模型的統計學手段有主成分分析(PCA)，線性判別分析(FLDA)，決策樹分析以及神經網絡方法建模等。PCA 是一種數據降維方法，其特點是將分擔在一組變量中的信息集中于幾個綜合指標，利用綜合指標提取數據集。FLDA是將多維空間中的點投影到一維直線 y 上， 使得由總體 1 和 2 產生的 y 盡可能分開, 然后再利用距離判別法建立判別準則, 進而達到判別個體所屬群體的一種統計方法。決策樹的基本原理是采用自上而下的單向遞歸，在決策樹的內部分支點進行屬性值的比較并判斷需要向下進入的分支，在決策樹的末端節點得到結論，最終從一組無規則的事例推理出決策樹表示形式。神經網絡是由大量簡單的基本元件--神經元相互連接，通過模擬人的大腦神經處理信息的方式，進行信息并行處理和非線性轉換的復雜網絡系統，常用的為 BP 網絡(反向傳播算法)，它包括輸入層、中間層和輸出層，上下層之間實現全連接，而同一層的神經元之間無連接。
穩定同位素技術的未來發展
目前，穩定同位素技術已經較廣泛地應用于中藥材的產地溯源研究中，但是由于輕質同位素(C、N、H、O、S)與植物生長的環境關系密切，應用過程中還在不穩定性問題，若結合中藥材中的礦質元素種類及含量，綜合利用各種統計學手段，能大幅度地提高整體判別的準確率,相信在不久的將來穩定同位素技術一定會更加完善。