不同灸材和艾材燃烧辐射的光谱特性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0740

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (14): 2233-2238.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0740

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不同灸材和艾材燃烧辐射的光谱特性

郭媛，许雪梅，尹林子，丁一鹏

中南大学物理与电子学院，湖南省长沙市 410083

收稿日期:2017-12-24 出版日期:2018-05-18 发布日期:2018-05-18
通讯作者: 许雪梅，副教授，中南大学物理与电子学院，湖南省长沙市 410083
作者简介:郭媛，女，1993年生，湖南省邵阳市人，汉族，中南大学在读硕士，主要从事光谱分析研究。
基金资助:
国家自然科学基金(61502538，61501525)；湖南省自然科学基金(2015JJ3157)；中南大学研究生自主探索创新项目(2017zzts699)

Spectral characteristics of burning moxa sticks

Guo Yuan, Xu Xue-mei, Yin Lin-Zi, Ding Yi-peng

School of Physics and Electronics, Central South University, Changsha 410083, Hunan Province, China

Received:2017-12-24 Online:2018-05-18 Published:2018-05-18
Contact: Xu Xue-mei, Associate professor, School of Physics and Electronics, Central South University, Changsha 410083, Hunan Province, China
About author:Guo Yuan, Master candidate, School of Physics and Electronics, Central South University, Changsha 410083, Hunan Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 61502538, 61501525; the Natural Science Foundation of Hunan Province, No. 2015JJ3157; the Graduate Independent Exploration and Innovation Research Foundation of Central South University, No. 2017zzts699

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

艾灸：是传统中医治疗的一个重要手段，其以艾叶为原料制成艾绒，借助艾叶的药物作用，对人体穴位施以一定的光热刺激，从而引起一系列生理、免疫等变化，促使人体做出相应的调整，以此来治疗或预防疾病。

艾条的功效与原理：艾条是由百草之王艾草的艾绒特而成，艾草本身就是治病的良药，所以艾条同样具有很高的药用价值，应用非常广泛。艾条的可燃性非常好，点燃艾条后找准施灸穴位，利用艾条较好的穿透性，从而调动经络，加速血液循环，提高免疫力，增强体质，达到保健治病的目的。而且艾条的操作也比较简单，适合在家中使用。

背景：临床中对艾灸的药物作用和温热作用研究较广泛，但有关艾灸红外辐射效应的研究却很少。

目的：揭示传统艾灸中艾条燃烧的光谱特性。

方法：选取地丁草、灯芯草、烟草及艾绒为灸材，选取不同年份及艾绒比例的南阳艾条(南阳1年1∶3、南阳3年1∶3、南阳3年1∶5、南阳3年1∶10、南阳5年1∶3、南阳5年1∶5、南阳5年1∶10、南阳10年1∶5)及蕲艾(蕲艾5年1∶5、蕲艾5年1∶10)为艾材，使用光功率计搭建光谱测量平台，分析10种艾条燃烧时的光谱特性。

结果与结论：①地丁草、灯芯草捣碎后的燃烧性能差，未测试其光谱；烟草光谱在红外区辐射强度很小，艾绒光谱从紫外覆盖到远红外，强度大且富含丰富的红外光辐射；②艾条的存储年份、艾绒比例、产地、制作工艺对艾条光辐射强度影响显著，艾条辐射峰均出现在近红外波段，光谱曲线呈现先增大后减小的趋势；③艾绒比例与艾条光谱稳定性呈正比，相对于艾绒比例，存储年份对艾条光谱相对总强度影响更显著。通过实验获得不同灸材及不同艾材的全光谱，全面系统分析了艾条燃烧光谱特性，可为艾灸光辐射效应研究提供坚实的基础。

ORCID: 0000-0003-2848-8776(郭媛)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 灸材与艾材, 生物材料, 艾条燃烧光谱, 光谱稳定性, 光谱相对总强度, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: The drug and thermal effects of moxa-wool moxibustion have been extensively studied in the clinical trials; however, the infrared radiation effects during the moxibustion are rarely reported.

OBJECTIVE: To learn the spectrum characteristics of moxa sticks in the traditional moxibustion.

METHODS: The herba violae, bog rush, tobacco and moxa were chosen as experimental materials. Furthermore, the moxa sticks of different storage years (1, 3, 10 years), proportions (1: 3, 1:5, 1:10), and places of production (Nanyang, Qiai) were compared. A spectral measurement platform was built by using an optical power meter to analyze the spectral characteristics of the ten kinds of materials above.

RESULTS AND CONCLUSION: For the different materials, the herba violae and bog rush could not burn after crushed and the infrared radiation intensity of tobacco was too low, but a strong infrared emission was from the moxa with a wide range of spectrum from ultraviolet to far infrared ray. It was also found that the year of storage, proportion, place of production as well as production process had significant effects on the radiation intensity of the moxa stick. The spectrum ascended at visible-light spectrum region, reached its peak at near-infrared region, and then descended at mid-infrared and far-infrared regions. We analyzed the stability characteristics and relative total intensity of moxa stick based on statistics and mathematics. The results showed that the stability characteristics were proportional to the proportion of moxa wool, and the year of storage had stronger effect on the relative total intensity compared with the proportion of moxa wool. Herein, we systematically analyzed the spectral characteristics of different moxa sticks, thereby providing the scientific basic data for the study on the optical radiation of moxa-wool moxibustion.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Drugs, Chinese Herbal, Radiation, Spectrum Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

郭媛，许雪梅，尹林子，丁一鹏. 不同灸材和艾材燃烧辐射的光谱特性[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(14): 2233-2238.

Guo Yuan, Xu Xue-mei, Yin Lin-Zi, Ding Yi-peng. Spectral characteristics of burning moxa sticks[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(14): 2233-2238.

图/表（结果） 7

2.1 不同灸材和艾材的光谱特性捣碎的地丁草和灯芯草很难燃烧，需加艾绒助燃才能保持燃烧状态，因此无法测试两者的光谱；实验测得艾绒和烟草的光谱曲线如图2所示，烟草光谱曲线波动剧烈，峰值变化迅速，整个光谱曲线十分不稳定；艾绒的光谱曲线具有明显的变化趋势，峰值明显，且艾绒的光强度远远大于烟草。

表2为10种艾材的光强度和单位光强度，不同艾条的辐射光强度差异明显。对南阳3年陈艾(比例分别为1∶3、1∶5、1∶10)分析发现，艾条产地和年份相同时，其光强度不因艾绒比例的改变呈相应变化；艾条产地和比例相同时，存储年份为3年的艾条光强度最大，这也与艾灸疗法中3年艾为上品的说法相符合。为排除艾条制作工艺(长度、质量和松紧程度等)对其光强度的影响，采用艾条的单位光强度进行分析，结果显示无论是南阳艾条还是蕲艾，5年 1∶10陈艾的单位光强度最大。

图3为10种艾条的光谱曲线，艾条辐射峰均出现在近红外波段，范围为1 620-2 500 nm，艾条在可见、近红外和中红外发射光强比较强，远红外光强最弱；就光谱曲线而言，不同艾条光谱变化相对稳定，总体趋势为先增大后减小，且光谱的上升和下降的变化过程中伴随着数个小波峰。

2.2 艾条燃烧光谱的稳定性和总强度施灸是一个比较耗时的过程，稳定的燃烧光谱能在较长时间内保持艾灸的治疗效果。采用标准差定量描述艾条燃烧光谱的稳定特性，为排除艾条物理参数对光谱的影响，利用公式(1)，对光谱进行归一化处理，然后将归一化后的光谱数据点带入公式(2)，计算艾条归一化光谱的标准差。

其中是样本值，μ是集合的平均值，N表示样本的大小。

图4A为10种艾条在全光谱区和红外光区的平均值，可知10种艾条的平均值几乎没有差异，因此将平均值视为1；图4B为10种艾条的标准差，无论在全光谱区还是红外区，最大标准差(0.063/0.064)是最小标准差(0.038/0.039)的1.6倍以上，艾条在红外区的标准差都略高于全光谱区。

分别对全光谱区和红外区10种艾条的标准差进行大小排序，由图5A可知：全光谱区内，当艾条产地年份一致时，比例为1∶10的艾条光谱稳定性要优于1∶5，而1∶5优于1∶3，由图5B可知红外区亦是如此。上述结果表明艾条燃烧稳定性与艾绒比例呈正比，艾绒比例越高则艾条燃烧光谱越稳定。

燃烧的艾条是热辐射源，热辐射源的光谱是连续的，且总光强( )和光谱密度( )之间的函数关系如下：

其中λ是波长。利用公式(3)对艾条归一化光谱曲线的面积进行积分，求得艾条的相对总光强。通过origin8计算归一化光谱曲线的面积，分别得到艾条在全光谱区、红外

区和近红外区的相对总光强，结果见表3。

结果显示，全光谱区内，最小值(10 219.10)与最大值(10 221.07)之比为99.98%，两者大小基本无差异，作者推断，10种艾条具有相同的相对总光强，且其不受艾条存储年份、比例和产地的影响，初步分析这种现象可能与艾叶本身的燃烧光谱性质有关，但具体原因还有待进一步探索。红外区和近红外区内，对10种艾条的相对总光强进行排序(图6)。结果表明，无论在红外光谱区还是近红外光谱区，艾条的比例和产地对艾条的相对总光强没有明显影响，而存储年份对艾条相对总光强影响显著，红外区域的影响程度顺序为5年>1年>3年>10年，近红外区域为1年>10年>3年>5年。表明红外区和近红外区内，并不是艾绒存储年份越久，艾条的相对总光强就越大。

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引言

艾灸是传统中医治疗的一个重要手段，其以艾叶为原料制成艾绒，借助艾叶的药物作用，对人体穴位施以一定的光热刺激，从而引起一系列生理、免疫等变化，促使人体做出相应的调整，以此来治疗或预防疾病^[1-4]。随着现代医学的发展，学者运用现代科学技术与仪器对艾灸的生物、物理特性进行了研究，并对其产生的各种效应分别进行了实验观察和分析。以现代生物医学的观点来分析艾灸，发现艾灸的作用机制并不仅仅只是古法提到的药物效应^[5-6]、温度效应^[7-11]，还有艾绒燃烧后产生的红外光辐射效应^[12-16]。研究表明，红外线照射会引起体内蛋白质分子中酰胺键的振动^[17-20]，可使生物能量顺利地从一处传递到另一处，让生命体处于健康状态^[21]，这种生物效应就是红外光的非热效应。由此可见艾灸的光辐射可能是其发挥疗效的重要因素。

传统艾灸中多使用艾条，根据存储年份、艾绒比例、产地的不同，艾条所含有的化学成分会发生较大变化。在研究艾灸光谱辐射的过程中，不同学者通过各自的实验证明了艾灸不仅有远红外辐射，同时具有近红外辐射。但由于实验环境和仪器的差异，检测出的光谱波长也存在一定差异，目前存在2.4，2.8，3.5 µm等不同的结论，而艾绒的远红外辐射波长则在7.5，10 µm左右^[22-25]。

艾灸疗效是毋庸置疑的，但迄今为止，关于艾灸光辐射作用机制研究中有以下两个问题没有详细的解释：灸材为何选择艾叶，而非其他草药，如地丁草、灯芯草为何不用作灸疗材料？艾灸光谱测量涉及可见光、近红外及远红外，到目前为止，还没有采用仪器完整测试艾条燃烧过程中所发射的全光谱，并且对其光谱特性的描述都不一致，有些甚至互相矛盾。针对以上问题，实验搭建了高精度的光谱测量平台，检测了不同灸材和艾材的辐射光谱，设计并建立了影响艾条燃烧光谱特性的研究模型。

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材料方法

1.1 设计不同灸材和艾材的光谱测试实验。

1.2 时间及地点实验于2016年9月在中南大学物理楼644进行。

1.3 材料选取质量均为20 g的地丁草(产地四川成都)、灯芯草(产地四川泸州)、烟草(产地长沙卷烟厂)及艾绒(产地河南南阳)进行不同灸材的光谱测试实验，且将4种样本卷制成直径16 mm、长20 mm的柱状；选取南阳艾条(南阳汉医艾绒有限责任公司生产)及蕲艾(蕲春药圣草本科技有限公司生产)进行不同艾材的光谱测试实验。艾条样本物理参数见表1。

实验装置：光谱测量平台如图1所示，由自动灸架仪、光功率计和PC机组成。自动灸架仪将实验样本固定，样本燃烧辐射的光信号入射到光功率计探头上，探头则将光源辐射能量转换成电信号进行测量和分析，并通过数字式表头显示某一波长的辐射能量，利用PC机进行数据记录和处理。由于样本燃烧时，产生的灰和燃烧端与光功率计探头距离的改变，会使实验测量数据的精度下降。利用具有自动前进与后退功能的自动灸架仪，以保持实验过程中样本燃烧端与光功率计探头的距离始终不变，并设定固定的时间来控制打灰，进而提高实验测量数据的准确性。自动灸架仪由实验室自主研制，该装置主要包括直流电机、步进电机及主控芯片。步进电机推动艾条前进，主控芯片用来控制直流电机启动打灰装置，及时清除样本燃烧产生的灰。光功率计(NEWPORT，1917-R型)，能够针对不同波长测量相对应的光辐射照度，且光功率计探头具有校正能力，能去除其自身探测器本底噪声。

实验环境：实验在不透光的暗室进行，周围环境无强噪声和电磁源，且门窗紧闭。测量期间，环境气温为22- 26 ℃，每次测试室内气温波动不超过1 ℃，室内空气相对湿度35%-60%。

1.4 实验方法光谱测量过程中为获得实验样本最大的光信号强度，将光功率计探头中心对准样本燃烧端，且两者保持3 cm的距离。以20 nm为一个步长，测量380-9 000 nm对应波长的光功率，然后将检测的光功率进行数据处理得到对应波长的光谱辐照度，绘制光谱曲线。每个样品的燃烧时间约为45 min，不同灸材的光谱测试实验测试了4种灸材，每种灸材测试3个样本，共测量12个样本数目；不同艾材的光谱测试实验测试了10种艾条，其中同一产地同一年限同一比例的艾条均测试了3个样本，总测试样本数目30个。取同种实验样本的3组光谱平均值为该样本的光谱。

1.5 主要观察指标 10种艾条燃烧时的光谱特性。

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讨论

艾条燃烧红外光谱特性分析是研究艾灸光效应的基础，此次实验揭示了传统艾条燃烧辐射的光谱特性，并且建立了系统的艾条光谱分析模型，为后续进一步研究艾灸光效应疗效提供了必要的科学基础。

从不同灸材实验结果看，捣碎的地丁草和灯心草无法正常燃烧，烟草可正常燃烧但其燃烧光谱辐射强度过小、不稳定，而艾绒燃烧具有明显的辐射峰、光谱稳定且红外光辐射强度大。由物理学原理知，远红外辐射只能穿透 1 mm厚的组织，作用于人体的较浅部位，而近红外辐射的穿透深度是远红外辐射的10倍，可穿透深层组织且穿透机体深度达10 mm左右，通过毛细血管网传到人体更广泛的部位进而被吸收^[23]。此分析表明，烟草过低的近红外辐射无法满足人体穴位组织对近红外光的吸收，从而影响药灸的治疗效果；艾绒燃烧光谱变化稳定且在近红外波段达到辐射峰值，稳定的光谱变化能保证艾灸的舒适度。此外，艾绒光谱覆盖范围广泛，由紫外光到远红外光，红外光辐射占整个波段辐射的95%，丰富的红外光辐射能引起一系列的光热生物效应^[24-25]，这也是艾灸治疗发挥效果的重要因素。从不同艾材实验结果看，艾条燃烧的光强度不仅与年份、艾绒比例和产地相关，还与制作艾材的工艺参数有关。由于不同产地的艾叶在化学成分上存在一定差异，产地相同时，艾绒化学成分基本相同，但艾绒比例和存储年份的改变，使得艾条中有效化学成分含量发生变化^[26-27]，便造成不同种艾条燃烧辐射的光强度具有明显差异。可见艾条制作工艺是决定其光强度的又一重要因素，艾叶的粉碎细度、艾绒的均匀度、艾绒中的杂质等均会影响燃烧部位的氧气含量，直接影响艾条燃烧辐射的光强度。

此外，艾条光谱稳定特性和相对总光强的分析结果表明，艾条燃烧稳定性与艾条比例呈正比，而艾条年份对艾条相对总光强影响显著。这是因为艾叶的挥发油及其他成分为艾条的物质基础，如刺柏脑、石竹素、石竹烯等，这些难挥发物质是艾灸的有效成分^[28-30]。并且通过前面分析已知，当艾叶的产地相同时，化学成分组成基本相同，只是艾绒比例和存储年份的改变，导致艾条中有效化学成分含量发生变化，从而影响艾条归一化光谱的稳定特性，而艾绒比例越高，艾条中易挥发成分的相对含量越低，难挥发成分含量越高，因此艾条燃烧光谱就越稳定。在红外区和近红外区内，并不是艾绒存储年份越久，艾条的相对总光强就越大。由于艾条储存过久，导致部分有效化学成分挥发，造成艾条相对总光强变小，因此艾绒储存超过一定年限将导致艾条的相对总光强的下降；而储存年份过短，导致某些芳香烃或者精油等化学成分还未充分合成或含量较低，便造成艾条相对总光强比较弱。

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