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近紅外光譜對(duì)中藥材道地性的分析

[2011/10/14]

　　中藥材的道地性是指中藥材的生物活性與其相應(yīng)的區(qū)域性相聯(lián)系的性質(zhì)。固然不同產(chǎn)地的相同種類的中藥材樣本的生物活性可能有明顯的不同，但從外貌和某些物理化學(xué)特性(包括分子光譜和化學(xué)組成)來觀察，它們可能幾乎沒有什么區(qū)別，使用通常的手段和方法對(duì)中藥材的道地性進(jìn)行判別是十分困難的。在化學(xué)分析中，近紅外光譜(NIR)分析技術(shù)具有很多上風(fēng)，特別是它能夠以非破壞方式從樣本獲取分析信息。待測(cè)樣本不需要任何預(yù)處理，直接放置在NIR反射光譜儀上進(jìn)行光譜測(cè)定。利用這個(gè)特性能夠有效地避免因樣品預(yù)處理所造成的微量(或次要)組分的損失及組分存在形態(tài)的變化，保證了最大限度地保存不同產(chǎn)地的中藥材樣本之間的微小差異。因此，我們?cè)噲D利用近紅外分析技術(shù)研究中藥材的道地性。

　　樣本光譜差異性的信息發(fā)掘平滑是濾除高頻噪聲對(duì)信號(hào)干擾的有效方法，最常用的是Savisky-Golay卷積平滑法。它的基本思想是假設(shè)疊加的噪聲是零均隨機(jī)噪聲，取多次丈量值的均勻值，能夠減少噪聲的影響。它是對(duì)光譜窗口內(nèi)的各波長(zhǎng)點(diǎn)的吸光度按一定權(quán)重進(jìn)行線性組合從而確定其平滑光譜，相應(yīng)的權(quán)重通過多項(xiàng)式對(duì)移動(dòng)窗口內(nèi)的波譜點(diǎn)進(jìn)行最小二乘擬合確定。研究發(fā)現(xiàn)，用光譜窗口的中心點(diǎn)來評(píng)估平滑光譜較為簡(jiǎn)潔且有效。

　　光譜微分有助于抑制背景干擾，顯現(xiàn)化信號(hào)，特別是弱信號(hào)。單個(gè)或復(fù)合的高斯函數(shù)一般能夠較好地?cái)M合實(shí)際光譜。

　　顯然，奇數(shù)階導(dǎo)數(shù)值在峰位處均為零;偶數(shù)階導(dǎo)數(shù)值則交替地形成谷與峰，呈正負(fù)倒翻趨勢(shì)。當(dāng)求導(dǎo)階次n為偶數(shù)時(shí)，導(dǎo)數(shù)值說明求導(dǎo)有利于夸大窄帶。在限定的波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)，僅容納一個(gè)峰的原譜，經(jīng)n階求導(dǎo)轉(zhuǎn)換后，變化成容納n1個(gè)峰和谷的圖形。故主峰被窄化，譜帶變銳，這就是應(yīng)用導(dǎo)數(shù)技術(shù)進(jìn)步分辨率的依據(jù)。

　　微分可以通過Savisky與Golay提出的卷積方法實(shí)現(xiàn)，與平滑不同的是查一階或二階微分相對(duì)應(yīng)卷積整數(shù)。

　　驗(yàn)采用了產(chǎn)于遼寧和吉林的人參樣本，利用近紅外光譜技術(shù)研究了中藥材的道地性差異。為了使樣本具有代表性，從大量的片狀人參樣本中隨機(jī)選樣。其中，吉林生產(chǎn)57個(gè)，遼寧生產(chǎn)60個(gè)。所使用的實(shí)驗(yàn)儀器是NicoletFT-IRNEXUS光譜儀，所用的程序用MATLAB語言編寫。

　　將人參的片狀樣本直接放在NIR反射光譜儀上測(cè)定，不經(jīng)過任何預(yù)處理，其儀器測(cè)定參數(shù)為：波長(zhǎng)1000-2500nm，樣本掃描次數(shù)256次，分辨率4cm-1，背景采集使用聚四氟乙烯(PTFE)片。反射光譜讀數(shù)以吸收光譜單位表示。

　　3結(jié)果與討論

　　從光譜圖我們可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)于吉林和遼寧的兩類人參樣本的近紅外光譜幾乎沒有差別，從原始光譜不能確定它們的道地性差異。在1000～1136nm的光譜區(qū)域表現(xiàn)為無信息區(qū)域，僅僅發(fā)生了基線漂移；谠搮^(qū)域進(jìn)行基線校正，可以消除其光譜的漂移影響。從基線校正后的光譜，可以觀察到該方法有效地扣除了1000～1136nm處的基線漂移，從而可以推斷全譜區(qū)間的基線漂移也被有效扣除。若采用基線校正后的全譜對(duì)中藥材道地性差異進(jìn)行評(píng)判，不僅計(jì)算工作量很大，而且無信息或很弱信息區(qū)域?qū)?huì)對(duì)強(qiáng)信息區(qū)和分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響。實(shí)際上，在有些光譜區(qū)域，樣本的信息很弱，與樣本的組成或性質(zhì)間缺乏相關(guān)關(guān)系，而方差變化最明顯區(qū)域的光譜其信息是最豐富的；诖耍緦(shí)驗(yàn)對(duì)基線校正后的光譜進(jìn)行了方差處理。標(biāo)準(zhǔn)偏差≥0.O1對(duì)應(yīng)的1165～2500nm區(qū)域可以作為富信息區(qū)域進(jìn)行光譜差異性研究。

　　在光譜的富信息區(qū)域，用Savisky-Golay卷積平滑法能濾除高頻噪聲，使藥物的光譜信息顯現(xiàn)化，而平滑窗口大小將直接影響平滑效果。用優(yōu)化的窗口尺寸對(duì)人參譜圖進(jìn)行卷積平滑，發(fā)現(xiàn)濾除高頻噪聲后的平滑譜圖仍不能使兩個(gè)產(chǎn)地的人參的道地性差異在光譜圖中顯現(xiàn)出來，說明該兩類樣本的光譜差異極小。當(dāng)然這也是由于卷積平滑法仍然是一種加權(quán)均勻法，只是更夸大中心點(diǎn)的中心作用。

　　微分譜有助于抑制背景干擾，一方面可以突出微弱的高頻待測(cè)組分，另一方面又能夠抑制低頻不必要的干擾譜，經(jīng)過幾次求導(dǎo)，能達(dá)到使其忽略的程度，且隨求導(dǎo)次數(shù)的增加，主峰將被窄化，譜帶變銳，從而進(jìn)步分辨率。而奇數(shù)階導(dǎo)數(shù)在峰位處均為零;偶數(shù)階導(dǎo)數(shù)則交替地形成谷與峰。因此本實(shí)驗(yàn)利用一階微分譜與零線相交處即為原始譜峰的特性確定峰位，而利用二階微分譜顯現(xiàn)中藥材人參的道地性差異。

　　圖4與圖1和圖2作比較，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在圖1和圖2中很難確定坦峰的峰值波長(zhǎng)，而在圖4中則易于實(shí)現(xiàn)。圖5與圖2比較，從圖5中可以得到更豐富的化學(xué)信息。在圖5中可以觀察到在1400nm四周出現(xiàn)C=O的三級(jí)倍頻峰、N-H的一級(jí)倍頻峰、O-H伸縮振動(dòng)的一級(jí)倍頻峰、甲基CH的對(duì)稱和不對(duì)稱伸縮振動(dòng)的二級(jí)倍頻峰。在1800nm四周出現(xiàn)了甲基C-H的對(duì)稱和不對(duì)稱伸縮振動(dòng)的一級(jí)倍頻峰、亞甲基C-H的對(duì)稱和不對(duì)稱伸縮振動(dòng)的一級(jí)倍頻峰、不飽和碳上的C-H的伸縮振動(dòng)的一級(jí)倍頻峰、芳烴C-H的伸縮振動(dòng)的一級(jí)倍頻峰。

　　從圖5可見，吉林人參(圖5b)的光譜信號(hào)強(qiáng)于遼寧人參(圖5a)，說明吉林人參中NIR活性組分含量較高。將其NIR圖譜(圖5)放大，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)于遼寧的人參(圖6a)的二階微分圖的分散度大，漂移嚴(yán)重，產(chǎn)于吉林的人參(圖6b)的二階微分圖則不然，其分散度和漂移現(xiàn)象均小于遼寧人參，說明其質(zhì)地均勻，質(zhì)量穩(wěn)定。且在2350nm四周，產(chǎn)于遼寧的人參出現(xiàn)了強(qiáng)度與2310nm四周的峰接近的一個(gè)峰，而產(chǎn)于吉林的人參則沒有此現(xiàn)象。以上事實(shí)可以說明，應(yīng)用NIR二階微分譜圖可以鑒別道地性中藥材人參。

　　由于近紅外光譜分析一般不需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，不同產(chǎn)地的中藥材樣本之間的微小差異能夠最大限度地保存下來，不會(huì)被人為干擾。通過上述實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用平滑、微分等基本的光譜預(yù)處理方法不但可以消除干擾，而且可以挖掘更為豐富的化學(xué)信息。人參樣本的近紅外光譜的一階微分譜圖能夠正確地確定譜峰的位置，特別是坦峰的位置，而二階微分譜圖包含了更豐富的微小差異的化學(xué)信息，它使道地性中藥材人參的光譜差異明顯地顯示出來。說明應(yīng)用NIR譜圖的微分方法可以鑒別道地性中藥材人參。