全 文 :第3 6卷,第5期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.36,No.5,pp1369-1373
2 0 1 6年5月 Spectroscopy and Spectral Analysis May,2016
滇龙胆不同炮制品的傅里叶红外光谱鉴别
申云霞1,2,赵艳丽2,张 霁2,王元忠2*,张庆芝1*
1.云南中医学院中药学院,云南 昆明 650500
2.云南省农业科学院药用植物研究所,云南 昆明 650200
摘 要 中药炮制是中医临床用药的关键,炮制具增效、减毒、缓和药性等作用,为了临床安全、合理、有
效地使用中药,开展中药炮制品的鉴别研究具有重要意义。采用傅里叶变换红外光谱,对五种不同炮制样品
(包括龙胆、生龙胆、酒龙胆、醋龙胆、盐龙胆)60份滇龙胆进行鉴别分析。采集样品的中红外光谱图,用基
线校正和归一化法对原始光谱进行预处理,去除光谱噪音明显部分,选择3 400~600cm-1范围内的光谱,
利用多元散射校正(MSC)和标准正态变量(SNV)法进行处理,样品按3∶1分为校正集和预测集,并建立主
成分分析(principal component analysis,PCA)和判别分析(discriminant analysis,DA)模型。结果显示,滇龙
胆不同炮制品的红外图谱具有差异,主要吸收峰有3 378,2 922,1 732,1 610,1 417,1 366,1 316,1 271,
1 068,1 048cm-1。1 738,1 643,1 613,1 420,1 051cm-1附近为龙胆苦苷的特征吸收峰,1 068,1 048,
935cm-1处为糖类物质的吸收峰;主成分分析表明,前三个主成分方差累积贡献率为94.05%,能够反映原
始数据的大部分信息,酒龙胆和醋龙胆与其他样品之间存在明显的差异,龙胆与盐龙胆所含化学成分差异
较小;经基线校正和归一化法处理后的光谱结合多元散射校正法,在主成分数为10的条件下,判别分析模
型可对所有样品进行正确识别,具有良好的预测性能。结果表明,傅里叶红外光谱法是一种快速、无损、有
效的方法,可用于滇龙胆炮制品的鉴别,为中药炮制品的鉴别研究提供了借鉴。
关键词 滇龙胆;炮制方法;傅里叶变换红外光谱;主成分分析;判别分析
中图分类号:O657.3 文献标识码:A DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1369-05
收稿日期:2014-08-05,修订日期:2014-12-20
基金项目:国家自然科学基金项目(81260608)和云南省自然科学基金项目(2013FD066,2013FZ150,2013FD050,2014FD068)资助
作者简介:申云霞,1991年生,云南中医学院中药学院研究生 e-mail:shenyunxia1991@163.com
*通讯联系人 e-mail:yzwang1981@126.com;ynkzqz@126.com
引 言
中药炮制是我国特有的一门传统制药技术,是中医临床
用药的一大特色。大多数中药都要经过专门的加工炮制,使
之成为饮片后方可应用于临床。炮制可提高中药疗效,消除
或降低药物的毒副作用,改变药物的性味、功效和临床疗
效[1]。研究发现,马钱子经炮制后总生物碱含量下降甚微,
半数致死量降了48.5%~52.2%[2],炮制后减少内部成分损
失的同时起到了降低毒性的作用;醋制延胡索中活性成分延
胡索乙素的含量高于生品[3],炮制后可提高药物的疗效;大
黄不同炮制品中结合型蒽醌类成分含量的差异,致功效各
异[4];虎耳草盐制品抗炎作用优于生品[5]。开展中药炮制品
的研究,对中药在临床上的合理使用具有重要的意义。
滇龙胆(Gentiana rigescens Franch.)为龙胆科龙胆属植
物,性苦寒,归肝、胆经,具有清热燥湿,泻肝胆火之功,是
中医治疗肝胆疾病常用中药之一[6]。其主要炮制品有生龙
胆、酒龙胆[1]。传统的炮制理论认为,酒制升提,引药上行,
减弱龙胆的苦寒之性,用于肝胆实火所致的头胀头疼、耳聋
耳鸣等症,至今酒制龙胆在临床上广泛应用;醋性味酸苦
温,醋制可引药入肝、理气止痛;盐咸寒入肾,主沉降,可增
加药物入肾之功[1]。徐宏亮等研究发现滇龙胆内部化学成分
的变化导致生品和酒制品中有效成分含量具有差异[7]。因
此,为保证临床上合理使用滇龙胆及其炮制品,对其进行鉴
别分析是必要的。
傅里叶变换红外光谱法具有检测速度快、灵敏度高、分
辨率高、无损、简便、真实宏观等[8-9]优点,在食品[10-11]、中
药[12-14]等质量控制领域发挥着重要作用。利用傅里叶变换红
外光谱法对滇龙胆不同炮制品(龙胆、生龙胆、酒龙胆、醋龙
胆、盐龙胆)进行研究,采用主成分分析法及判别分析法分
别进行定性分析,探讨初加工、炮制一体化和传统炮制滇龙
胆质量的差异,取得满意的结果。
1 实验部分
1.1 材料
样品经云南农业科学院药用植物研究所金航研究员鉴定
为龙胆科植物滇龙胆的干燥根及根茎。
1.2 方法及样品制备
实验用样品的制备方法见表1,样品的炮制方法参照《中
国药典》附录ΠD炮制通则。
表1 样品炮制方法及样品数量
Table 1 Variety names and corresponding numbers of the experimental samples
样品类别 炮制方法 代号 样品量/份
龙胆 取干的滇龙胆,除去杂质,洗净,润透,切断,晾干 A 12
酒龙胆 取滇龙胆药材20g,每100kg用10kg黄酒,拌润至黄酒被吸尽,于150~200℃下炒10min,取出晾凉即得 B 12
生龙胆 取新鲜滇龙胆,除去杂质,洗净,沥去水分,切断,阴干 C 12
醋龙胆 取滇龙胆药材20g,药材及米醋的比例为5∶1,闷润至醋被吸尽,用文火炒干,取出晾凉,备用 D 12
盐龙胆 取滇龙胆药材20g,用盐水拌匀(按每100kg药材用盐2kg),闷至盐水被吸尽,用文火炒干,取出晾凉,备用 E 12
1.3 仪器与试剂
Fronter型傅里叶红外光谱仪(PerkinElmer公司),光谱
范围4 000~400cm-1,光谱分辨率为4cm-1,每个样品累
加扫描16次,扫描时自动扣除水和二氧化碳的干扰。压片机
为YP-2(上海山岳科学仪器仪器公司)。KBr为分析纯,购于
天津市风船化学试剂科技有限公司。
1.4 数据处理
Omnic8.0软件对傅里叶光谱图进行预处理(基线校正和
归一化),TQ8.0(Thermo Nicolet,美国)提取样品光谱的主
成分数,并建立和优化判别分析模型。
1.5 方法
取1mg样品至玛瑙研钵中,加KBr 100mg,研磨均匀,
取适量粉末平铺于红外压片模具中,以20Mpa压力压制1
min,以样品均匀、半透明为佳。再将压片后的样品放入红外
光谱仪中进行测定。
2 结果与讨论
2.1 方法学考察
2.1.1 精密度实验
取同一份滇龙胆样品进行红外光谱采集,连续测定5
次,计算图谱间的相似度分别为1.000 0,0.999 9,0.999 7,
0.999 5,0.998 9,RSD为0.04%。表明仪器的精密度良好。
2.1.2 稳定性实验
取一份滇龙胆样品,每隔1h进行一次光谱采集,测定5
次,计算图谱间的相似度分别为1.000 0,0.996 6,0.994 0,
0.996 7,0.996 6,RSD为0.21%。表明样品的稳定性良好。
2.1.3 重现性实验
取一份滇龙胆样品,平行制备5份样品片,分别测定,
计算图谱间的相似度分别为1.000 0,0.999 0,0.998 6,
0.998 1,0.998 5,RSD为0.07%。表明方法的重现性良好。
2.2 滇龙胆炮制前后红外光谱图
基线校正和归一化处理后的滇龙胆炮制品的平均红外光
谱图如图1所示,不同炮制方法的滇龙胆红外光谱图轮廓和
形状基本相似,其主要吸收峰有3 378,2 922,1 732,1 610,
1 417,1 366,1 316,1 271,1 068,1 048,929,840,774
cm-1。观察龙胆不同炮制品的红外光谱图,其特征归属为:
3 401~3 378cm-1范围为—OH 的伸缩振动吸收峰;2 925
cm-1为—CH2 和—CH的反对称伸缩振动;1 738cm-1附近
为内酯环中 C O 的伸缩振动峰;1 643cm-1左右为烯醚双
键的伸缩振动峰;1 613cm-1附近为C—O伸缩振动峰,该
峰为龙胆中含氧萜类物质如龙胆苦苷的吸收峰;1 420cm-1
附近为 C C 伸缩振动;1 069和1 051cm-1附近为糖类物
质的C—OH伸缩振动峰;935cm-1左右为糖类化合物的端
基碳C—H弯曲振动峰。由图1、表2可知,由于炮制前后滇
龙胆化学成分发生变化,它们对应的红外光谱特征吸收峰强
度具有一定差异。仅通过直观比较谱图,难以区分龙胆不同
炮制品的种类。为了更好的鉴别,需要借助化学计量学等方
法对样品进行分类鉴别。
图1 不同炮制滇龙胆的红外光谱
a:龙胆;b:酒龙胆;c:生龙胆;d:醋龙胆;e:盐龙胆
Fig.1 IR spectra of different processed G.rigescens
a:G.regescens rocessed by soaking;b:Wine-processed;c:Rushing
and washing;d:Vinegar processed;e:Salt water processed
2.3 主成分分析
通过筛选,确定在3 400~600cm-1波段范围内对滇龙
胆不同炮制品的红外光谱数据进行主成分分析,前三个主成
分数三维得分图见图2,PC1,PC2,PC3的方差贡献率分别
为73.13%,15.11%,5.81%,累积贡献率达94.05%,表明
0731 光谱学与光谱分析 第36卷
前三个主成分能够反映原始数据的大部分信息,显示滇龙胆
炮制品成分之间的相关性。根据图2可以看出,滇龙胆不同
炮制品有明显的差异,酒龙胆与醋龙胆相距最近,滇龙胆、
生龙胆和盐龙胆相距较近,相距较近的样品所含化学成分较
相似,说明酒制与醋制后的滇龙胆,其化学成分变化相近,
而生龙胆和盐龙胆与滇龙胆相比,其化学成分变化不明显。
表2 不同炮制滇龙胆的红外光谱峰位
Table 2 Peak-positions of FTIR of G.rigescens
样品
峰位/cm-1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
a 3 401 2 925 1 643 1 613 1 420 1 372 1 322 1 268 1 069 1 051 935 840
b 3 399 2 925 1 738 1 682 1 640 1 613 1 423 1 372 1 322 1 270 1 075 1 051 843
c 3 387 2 925 1 703 1 682 1 642 1 613 1 426 1 372 1 325 1 271 1 072 1 048 935 846
d 3 384 2 925 2 857 1 738 1 682 1 643 1 613 1 426 1 372 1 319 1 268 1 075 1 051
e 3 378 2 925 1 643 1 613 1 426 1 375 1 325 1 271 1 072 1 051 840
图2 前三个主成分得分衅
A:龙胆;B:酒龙胆;C:生龙胆;D:醋龙胆;E:盐龙胆
Fig.2 Sample score plot fos PC1,PC2
and PC3of G.rigescens
A:G.regescens processed by soaking;B:Wine-processed;C:Rus-
hing and washing;D:Vinegar processed;E:Salt water processed
2.4 判别分析
2.4.1 光谱预处理
在3 400~600cm-1范围内,采用标准正态变量校正法
(standard normal variate,SNV)、多元散射校正法(multiplic-
ative scatter correction,MSC)、一阶导数(first derivative)和
二阶导数(second derivative)对滇龙胆不同炮制品60份样品
的红外光谱进行预处理,以预处理后光谱的识别率作为评价
指标,计算正确识别样本占总样本的比例作为识别率,并对
其鉴别结果进行比较,结果见表3。经多元散射校正法处理
的原始光谱图,判错例数为零,能够对所有样品进行正确识
别,表明该方法可以作为建模的条件,用于滇龙胆不同炮制
品的鉴别。
表3 不同预处理对模型的影响
Table 3 Influence of different pretreatment
methods on the model
预处理方法 判错例数 识别率/%
SNV+原始光谱 1 98.3
SNV+一阶导数 4 93.3
SNV+二阶导数 6 90.0
MSC+原始光谱 0 100.0
MSC+一阶导数 4 93.0
MSC+二阶导数 6 90.0
注:SNV为标准正态变量;MSC为多元散射校正
Note:SNV means standard normal variate;MSC means multiplica-
tive scatter correction
2.4.2 主成分数的选择
建立模型时,所选择的主成分个数对预测结果有较大的
影响。所用的主成分数过少,光谱中一些有用的信息尚未包
含在内而导致模型预测能力较差;反之,选择的因子数过
多,会出现过拟合现象从而影响结果[15]。结果见表4,当主
成分数为10时,判错例数为0,累积贡献率值达99.6%,随
着主成分数的增加,误判例数不变,模型已达到最佳结果。
表4 不同主成分得分对分析结果的影响
Table 4 Influence of different principal component scores on results of analysis
主成分数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
判错例数 36 32 21 16 15 5 6 4 4 0 0 0
累积贡献率/% 63.2 84.6 93.7 96.2 97.5 98.3 98.7 99.2 99.4 99.6 99.7 99.8
2.4.3 判别模型的建立
将全部60份样品按3∶1比例分为校正集和验证集。所
有样品的红外光谱数据由多元散射校正预处理后,于3 400
~600cm-1波段范围内,建立判别分析模型。利用所建立的
模型对校正集和验证集进行鉴别,判别分析结果见图3,该
方法对校正集和验证集的识别率为100%。从样品分布散点
图可以看出五类样品可以被准确鉴别,样品间离散程度较
小,该结果与主成分分析结果一致,其中样品A,C,E距离
1731第5期 光谱学与光谱分析
较近,样品B和D之间的距离较近,即所含的化学成分较为
相似。结果表明,炮制方法不同,样品内部所含成分发生变
化的情况不同,在红外光谱上呈现的吸收峰也存在差异,差
异越大,它们的空间距离越大。
3 结 论
采用傅里叶红外光谱法结合主成分分析和判别分析法,
对60份滇龙胆不同炮制品(龙胆、生品、酒制品、醋制品、
盐制品)进行研究。在3 400~600cm-1波段内,样品图谱较
为相似,主要吸收峰有3 378,2 922,1 732,1 610,1 417,
1 366,1 316,1 271,1 068,1 048,929,840,774cm-1。前
三个主成分对光谱矩阵累积贡献率达94.05%,主成分分析
法可对样品进行正确的区分。基于判别分析模型的主成分数
图3 不同炮制滇龙胆的分类图
Fig.3 Distance discrimination plots for G.rigescens samples
为10,原始光谱结合多元散射校正的预处理方法效果最佳,
对样品校正集和验证集均能正确识别。与传统的滇龙胆鉴别
方法相比,该方法具有简便、快速的优点,所包含的样品信
息较丰富,可以作为一种鉴别龙胆不同炮制品的方法,为龙
胆在临床上的合理使用提供参考。
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2731 光谱学与光谱分析 第36卷
Study on the Discrimination of Gentiana Rigescens with Different
Processing Methods by Using FTIR Spectroscopy
SHEN Yun-xia1,2,ZHAO Yan-li 2,ZHANG Ji 2,WANG Yuan-zhong2*,ZHANG Qing-zhi 1*
1.Colege of Chinese Materia Medica,Yunnan University of Traditional Chinese Medicine,Kunming 650500,China
2.Institute of Medicinal Plants,Yunnan Academy of Agricultural Sciences,Kunming 650200,China
Abstract The Processing of traditional Chinese medicine(TCM)is the key to clinical application of TCM,and processing has
functions such as enhancing the efficacy,attenuating the toxicity andmoderating medicine property.In order to the realizing safe,
reasonable and effective use of medicine in clinical,research on identification of TCM processed products is of great significance.
The Gentiana rigescens samples which processed with five different methods were discriminated by Fourier transform infrared
spectroscopy(FTIR).Baseline correction and normalization were used to pretreat al original spectra and the noise was cut off.
The spectra range was from 3 400to 600cm-1.The effect of multiple scattering correction and standard normal variable on the
model were observed and compared.Samples were divided into calibration set and prediction set at the ratio of 3∶1.The princi-
pal component analysis(PCA)was applied to reduce data dimensionality and discriminant analysis model was established.The
result indicated that the main absorption peaks of samples were 3 378,2 922,1 732,1 610,1 417,1 366,1 316,1 271,1 068,
1 048cm-1 which 1 738,1 643,1 613,1 420,1 051cm-1 as to gentiopicrin;1 068,1 048,935cm-1 as to carbohydrate.The
accumulation contribution rate of first three principal components is 94.05%.Most of the information reflected the original data.
There were differences among different samples.The result of discriminant analysis showed that the recognition rate of G.
rigescens samples could achieve to 100%based on baseline correction and normalization treatment combined with MSC with the
precondition of principal component scores being 10.In conclusion,FTIR is a feasible,rapid and non-destructive method to dis-
criminate G.rigescens samples wtih different processing methods.It also provided reference for discrimination of processed prod-
ucts of medicine materials.
Keywords Gentiana rigescens;Processed methods;Fourier transform infrared spectroscopy;Principal component analysis;Dis-
crimination analysis
(Received Aug.5,2014;accepted Dec.20,2014)
*Corresponding authors
3731第5期 光谱学与光谱分析