全 文 ：基因组学与应用生物学，2013年，第 32卷，第 6期，第 771-776页
Genomics and Applied Biology, 2013, Vol.32, No.6, 771-776
研究报告
Research Report
基于红外光谱和化学计量学的紫金牛药材质量快速鉴定研究
孔德鑫 1 王满莲 1 邹蓉 1 史艳财 1 陈宗游 1 黄庶识 2 唐辉 1*
1广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所,桂林, 541006; 2广西科学院生物物理实验室,南宁, 530003
*通讯作者, th@gxib.cn
摘 要 本文利用 FTIR技术分别检测不同产地紫金牛及其易混淆植物的化学成分的光谱特征，并通过主
成分分析模型以及主成分载荷因子等化学计量学方法，对各样本进行鉴别，找出各测试样本化学组成的差
异。结果表明：(1)两种紫金牛在 3 378 cm-1、2 923 cm-1、1 735 cm-1、1 621 cm-1、1 444 cm-1、1 373 cm-1、1 321 cm-1、
1 238 cm-1、1 153 cm-1、1 033 cm-1及 776 cm-1附近均有吸收峰。(2)由于融水县和永福县两地相距最近，在 PCA
检测模型二维散点图上，这两产地样品的距离也最近，恭城县与融水县及广西兴安县相距较远，故在散点图
上的距离也较远；广西兴安县的月月红是紫金牛属植物，但不属于紫金牛种，所以，在散点图上的距离也就偏
离各产地紫金牛。(3)提取 PCA模型的载荷因子，分析表明，在种间比较，样品月月红中脂类、苯醌、黄酮及皂
苷类成分的含量较紫金牛样品丰富。在紫金牛种内比较，广西永福县的样品香豆素、酮脂及皂苷类成分的含
量比其它产地高，相反地，广西恭城药市的样本中尤其是酮脂及皂苷类成分的含量最低；但是，广西恭城县的
紫金牛中香豆素、苯醌、甾醇，黄酮类等成分，较其它产地丰富。
关键词 紫金牛,月月红,主成分分析,质量评价,化学成分
Rapid Identification for Quality of Ardisia japonica (Homsted) BL. based on
Infrared Spectroscopy and Chemometrics
Kong Dexin 1 Wang Manlian 1 Zou Rong1 Shi Yanchai 1 Chen Zongyou 1 Huang Shushi 2 Tang Hui 1*
1 Guangxi Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences , Guangxi Zhuangzu Autonomous Region, Guilin, 541006; 2 Lab of Biophysics,
Guangxi Academy of Sciences, Nanning, 530003
* Corresponding author, th@gxib.cn
DOI: 10.3969/gab.032.000771
Abstract To investigate and evaluate the differences in chemical composition information from detected samples,
the Fourier Transform Infrared Spectroscopy was used to detect infrared spectra of Ardisia japonica from different
regions. At the same time, the chemometrics methods, such as principal component analysis and loading factors,
were used to process original spectra data. The results were indicated as follows: Firstly, two species of Ardisia have
the common absorption band around 3 378 cm-1, 2 923 cm-1, 1 735 cm-1, 1 621 cm-1, 1 444 cm-1, 1 373 cm-1, 1 321 cm-1,
1 238 cm-1, 1 153 cm-1, 1 033 cm-1 and 776 cm-1. Secondly, the real distance between Rongshui and Yongfu of
Guangxi was nearest, so the natural consequence of the detected samples were nearest in two dimensional scatter
plot after processing the model of the principal component analysis (PCA). For Gongchen and Rongshui and Xingan,
the outcome is reversed. the Ardisia faberi Hemsl was not belong to A. japonica, so its position was far from A.
japonica in two dimensional scatter plot. Lastly, the PCA model of load factor showed that the contents of lipid,
benzoquinone, flavonoids and saponins in A. faberi were more than those in A. japonica. In addition, under the
different regions of A. japonica, the contents of coumarin, ketone ester and saponins from the Yongfu was higher
than those from other regions. The contents of ketone resin and saponin were lowest but the contents of
基金项目：本研究由广西科技成果转化项目(桂科转 1346004-29)、桂林市科技成果转化与应用项目(20100103-6)和广西科
技攻关项目(桂科攻 11107010-1-1)共同资助
coumarin, benzoquinone, sterol, flavonoids were higher from the Gongcheng when compared with other regions.
Keywords Ardisia japonica, Ardisia faberi Hemsl, Principal component analysis, Quality evaluation, Chemical
composition
紫金牛科(Myrsinaceae)紫金牛属(Ardisia)植物全
世界约 300种，分布于热带美洲、太平洋诸岛、印度
半岛东部和亚洲东部至南部，广西 41种，占全国种
类的 63.1% (李树刚, 2011)。在广西从南到北，由东
至西，海拔 90~2 400 m都有分布。紫金牛科中紫金
牛(Ardisia japonica)，又名不出林，植物体内含有苯醌
类、香豆素类和三萜类以及酚类、糖苷类、皂苷类、醇
类、醛酮类、酯类等(赵亚等, 1999)。全株及根供药用，
对治疗肺结核、咯血、咳嗽和慢性支气管炎有良好的
效果(赵亚等, 1999)。在广西临桂、桂林、阳朔、兴安、
永福、恭城、上思、浦北、灵山、凤山、九万山等地均有
分布，其中，在临桂、桂林、阳朔、兴安、永福、恭城等地
民间用作药较为常见。月月红(Ardisia faberi Hemsl)也
是紫金牛科紫金牛属植物，在研究调查中发现在民
间药材市场常有月月红和紫金牛二者混淆使用现
象，所以急需开展紫金牛药材质量研究，分析不同产
地紫金牛药材质量差异以及与其近缘种植物的鉴别
等研究，确保紫金牛属植物的用药安全可控。虽然我
国紫金牛属药用植物资源丰富，开展紫金牛属药用
植物的化学成分、药理作用等方面研究的学者较多
(赵亚等, 1999)，但是，有关广西紫金牛属药用植物研
究报道较少，只见毛世忠等(2012)研究了紫金牛属植
物的资源和观赏评价研究，罗宝丽等(2011)研究报道
过块根紫金牛总黄酮不同部位含量比较研究，鲜见
有不同产地紫金牛药材质量评价的研究报道。
随着科技的发展，傅里叶变换红外光谱技术
(fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)与化学
计量学相结合进行药材研究分析，充分利用红外光
谱特征指纹区的整体性，主成分分析(principal com-
ponent analysis, PCA)以及载荷因子等方法的特点，不
仅可以挖掘样品潜在的化学成分信息，又能解决通过
肉眼很难鉴别出光谱间细微差别的难题，因为中药红
外光谱是多种化合物官能团的叠加吸收，而且红外光
谱本身也固有复杂性。目前，这种方法已经被广泛地
应用于各个研究领域(左康等, 2007;唐辉等, 2012;覃
小玲等, 2012)。紫金牛属药用植物在广西分布较广，
在民间药材市场交流较多，但是，现有的文献中鲜见
有不同产地紫金牛药材质量评价的研究。因此，在本
研究利用傅里叶变换红外光谱仪检测广西用药较广
的几个产区紫金牛植物和其易混淆植物月月红化学
成分的红外图谱，结合化学计量学试图找出各测试
样品化学组成差异的产地信息，为紫金牛药材质量
的评价提供简单有效的方法，推动瑶药在民间及在
药材市场的进一步应用。
1结果与分析
1.1紫金牛和月月红化学成分的 FTIR表征
为了快速鉴定紫金牛(不出林)和月月红化学成分
差异，利用红外光谱技术对这两种药材化学成分特征
进行光谱鉴别和指认，由图 1紫金牛和月月红红外光
谱比较可知，紫金牛和其近似种的红外吸收峰振动特
征比较相似。两种紫金牛在 3 378 cm-1、2 923 cm-1、
1 735 cm-1、1 621 cm-1、1 444 cm-1、1 373 cm-1、1 321 cm-1、
1 238 cm-1、1 153 cm-1、1 033 cm-1及 776 cm-1附近均有
吸收峰，据文献(谢晶曦等, 2001;翁诗谱, 2005)对谱带
进行归属和分析：3 378 cm-1附近的吸收峰为香豆素类
O-H的伸缩振动吸收。此外，在此区间可能存在H2O中
-OH或者氨基酸中 N-H特征吸收；2 935~2 900 cm-1的
吸收峰为芳香类化合物 -CH2和 -CH3的 C-H伸缩振
动；1740~1720cm-1处为紫金牛植物香豆素或苯醌类物
质酮羰基的伸缩振动；1 621 cm-1、1 510 cm-1、1 444 cm-1
为芳香环骨架振动吸收峰，1 373 cm-1为 C-H弯曲振
动，1 238 cm-1和 1 031 cm-1处的吸收峰为各类 C-O
的伸缩振动，这些吸收峰也表明了两种紫金牛中含
有较多相似的芳香类化合物并具有复杂性和多样
性。从二阶导数图谱中(图 2)看出，1 690~1 540 cm-1
和 1025cm-1附近许多原始图谱中被掩盖的吸收峰也显
现出来，吸收峰型和峰强度也体呈现多样性，图 2A在
1 513 cm-1附近有 2个吸收峰，在 1 467 cm-1附近有
一强一弱吸收峰，而在图 2B中，1513cm-1附近有 3个吸
收峰；在 1467cm-1附近只表现明显尖收峰。除了图 1B
在 1 234 cm-1的吸收峰要高于图 2B外，在 1 317 cm-1、
1 162 cm-1、1 079 cm-1、987 cm-1、781 cm-1附近吸收峰
均以图 2B明显增强。总之，两种紫金牛化学成分具有
多样性和复杂性。
1.2不同产地紫金牛及月月红化学成分主成分分析
为更加清晰地辨析各测试样品化学成分的差
异，对不同产地紫金牛及月月红根茎的红外光谱，分
基于红外光谱和化学计量学的紫金牛药材质量快速鉴定研究
Identification for Quality of Ardisia japonica (Homsted) BL. based on Infrared Spectroscopy and Chemometrics 772
基因组学与应用生物学
Genomics and Applied Biology
图 1紫金牛和月月红红外光谱比较分析
注: A:紫金牛; B:月月红
Figure 1 Comparison of second derivative spectra between Ardisia
japonica andArdisia faberi Hemsl
Note: A: Ardisia japonica; B: Ardisia faberi Hemsl
别作一介导数、SNV归一化处理，然后利用这些数据
在 Unscrambler 中建立主成分分析模型进行分析。
1 800~600 cm-1区域，如图 3所示，主成分 PC1、PC2
得分的二维散点图中，PC1 的方差贡献率为 71%，
PC2方差贡献率为 17%，所以，前 2个主成分可以反
映各测试样品大部分化学成分信息，因为 PC1、PC2
累积方差贡献率为 88%。分析结果显示，各测试样品
在 PCA得分散点图中的排序关系与各测试样品相
对地理位置具有明显的对应性。具体在图谱中，融水
县(C)和永福县(E)相距最近，在 PCA二维图上二者
的分布距离也最近，恭城县(A)、融水县(C)和兴安县
(D)的实际地理距离相距较远，这些产地紫金牛测试
样品在散点图上的距离也较远；兴安县的月月红(B)
图 2月月红和紫金牛红外二阶导数图谱
注: A:紫金牛; B:月月红
Figure 2 Comparison of FTIR spectra between root of Ardisia
japonica and Ardisia faberi Hemsl
Note: A: Ardisia japonica; B: Ardisia faberi Hemsl
图 3不同产地紫金牛样品的主成分 PC1与 PC2得分散点图
注: A:恭城县紫金牛; B:兴安县月月红; C:融水县紫金牛; D:
兴安县紫金牛; E:永福县紫金牛
Figure 3 The scattered scores plot of PC1 vs. PC2 based on I.
difengpi samples from different regions
Note: A: Ardisia japonica of Gongcheng; B: Ardisia faberi Hemsl
of Xingan; C: Ardisia japonica of Rongshui; D: Ardisia japonica
of Xingan; E: Ardisia japonica of Yongfu
是紫金牛属植物，但不属于紫金牛种，所以在散点图
上的距离也就偏离各产地紫金牛。说明紫金牛属中，
不同种紫金牛间化学成分较大，在紫金牛种内各产
地间实际地里距离相近的产区，药材化学成分比较
相似，而产地实际地里距离相距较远的地区，药材化
学成分差异较大。
1.3紫金牛化学成分的载荷因子分析
PCA技术是采取一种数学降维的方法，找出几
个不相关综合变量来代替原来众多的变量，使这些
综合变量能尽可能地代表原来变量的信息量。而主
成分载荷因子能够反映各个原始变量与主成分之间
的相关系数，主成分与该变量的相关性越好，则载荷
绝对值越大(黄庶识等, 2011)。样品中某种化学成分
含量的信息与各样品向量在 PCA模型二维散点图
上的方向和代表该化学成分的原始变量在载荷图上
振动方向有关。当载荷绝对值最大时，样品向量方向与原
始变量在载荷图中的振动方向呈现最大正相关性时，含
量最高，反之最低。综合图 3和图 4中各样品在主成分散
点图中的分布规律可知，在种间比较，在 PC1、PC2方向，
图 3 中兴安县的月月红(B)与图 4 中的 1 742 cm-1、
1680 cm-1、1635 cm-1、1611 cm-1、1310 cm-1及 771 cm-1
等 6个峰的振动方向存在最大正相关性，这些吸收
峰反应了紫金牛属植物中酯以及苯醌 C=O、芳香环
C=C骨架振动、各类 C-O官能团的特征吸收，这表
明兴安县对的月月红(B)中脂类、苯醌、黄酮及皂苷类
成分的含量较紫金牛样品丰富。通过图 3中和图 4
773
图 4 PCA鉴别模型的载荷因子
Figure 4 The loading factors of PCA identification mode
图谱特征比较不同产地紫金牛样品化学成分差异信
息发现，恭城县(A)和永福县(E)样品的变量与主成分关
系在图 4中载荷绝对值均较大，但是，恭城县(A)样品变
量在图 4中与 1 742 cm-1、1 322 cm-1、1 071 cm-1、972 cm-1
及 784 cm-1等 5个峰呈最大正相关性，而恭城县(A)
样品变量在图 4中与上述各峰的振动方向存在最大
负相关性，这些吸收峰与紫金牛中香豆素、皂苷类成
分相吻合，表明 E产地的样品香豆素、皂苷类成分的
含量比其它产地高，相反地，恭城县(A)的样本中尤其
是脂类及皂苷类成分的含量最低；进一步比较发现，恭
城县(A)样品变量与图 4中的 1 635 cm-1、1 611 cm-1、
1 594 cm-1、1 504 cm-1、1 432 cm-1、1 179 cm-1等 6 个峰
的振动存在最大正相关性，而永福县(E)样品变量则
与上述各峰的振动存在最大负相关性，这些吸收峰
反映了香豆素、苯醌、环状酸酐、甾醇、黄酮类物质的
信息，表明恭城县(A)的紫金牛中香豆素、苯醌、甾醇、
黄酮类等成分，较其它产地丰富。
2讨论
红外光谱技术，在红外指纹区含有样本化学成分
的大部分信息，利用其红外指纹特征进行中药鉴别
和药材质量评价，近年来在中药鉴定学和生物学研
究领域应用较为广泛，特别是将红外光谱和聚类分
析、主成分分析及偏最小二乘法等化学计量学方法
方法相结合，在中药材产地鉴别、澄清一些较相似植
物的分类学意义等都有重要作用。唐辉等(2012)利用
红外光谱结合主成分分析模型对不同产地地枫皮药
材进行检测，同时在 PCA分析模型中提取载荷因子
对其进行分析，研究表明不同产地地枫皮均可以得
到很好的鉴别，而且利用 SIMCA模型能成功地对不
同产地未知地枫皮样本进行预测。左康等(2007)利用
红外光谱结合 PCA法对七个产地的虎杖药材化学
组成上的相似性进行探讨，罗庇荣等(2009)采用傅里
叶变换红外光谱(FTIR)结合主成分分析对杜鹃花科
植物不同属及亚属鉴别分类，覃小玲等(2012)利用傅
里叶变换红外光谱(FTIR)结合系统聚类和相关性系
数法研究，表明 16种金花茶组植物可分为 3个类
群，第一类是：龙州金花茶等 11种；第二类是中东金
花茶、柠檬金花茶、平果金花茶及崇左金花茶；第三
类仅小果金花茶一种，该研究支持将弄岗金花茶与
毛籽金花茶归并为一个种。
在上述理论基础上，本研究利用 FTIR技术对不
同产地紫金牛及其易混淆植物月月红的化学成分的
指纹特征进行鉴别和分析，结果显示，不同产地紫金
牛的红外吸收特征在二维维图上的位置关系与相对
地理位置有很好的对应性，如：在产地中，广西的融
水县(C)和永福县(E)相距最近，在二维图上的距离也
最近，广西的恭城县(A)与融水(C)及兴安县(D)相距
较远，在散点图上的距离也较远；月月红(B)是紫金牛
属，但是不是紫金牛，所以在散点图上的距离也就偏
离各产地紫金牛。说明紫金牛属中，种间化学成分差
异较种内大，在同一种内产地相近的产区紫金牛药
材化学成分比较相似，而产地相距较远的地区紫金
牛样本化学成分差异较大。这种可能由于不同产地
不同的生态条件导致药用植物所含化学成分的累积
不同与左康等(2007)评价不同产地虎杖化学成分差
异的结果相似。
基于主成分模型中各变量的载荷振动特征，在
波数 1 800~600 cm-1范围内，绘制载荷因子图谱。分
析表明，紫金牛和月月红间比较，月月红中脂类、苯
醌、黄酮及皂苷类成分的含量较紫金牛样品丰富；紫
金牛种内比较，永福县(E)的样品香豆素、酮脂及皂苷
类成分的含量比其它产地高，相反地，恭城县(A)的样
本中尤其是酮脂及皂苷类成分的含量最低；但是，恭
城县(A)的紫金牛中香豆素、苯醌、甾醇、黄酮类等成
分较其它产地丰富。
本文所运用的研究方法实现了对紫金牛与其混
淆植物的鉴别，能够快速分析和评价不同产地紫金
牛药材质量，并找出了造成这些差异的主要成分，为
基于红外光谱和化学计量学的紫金牛药材质量快速鉴定研究
Identification for Quality of Ardisia japonica (Homsted) BL. based on Infrared Spectroscopy and Chemometrics 774
基因组学与应用生物学
Genomics and Applied Biology
紫金牛属植物化学成分研究和资源合理利用提供新
的分析方法和技术支持。
3材料与方法
3.1样品来源与前处理
本实验研究材料由中国科学院广西植物研究所
韦霄研究员鉴定为紫金牛属(Ardisia. Swartz)原植物紫
金牛(Ardisia japonica)，月月红(Ardisia faberi Hemsl)。
分别于 2011年 5~6 月采自广西恭城药市(A)、广西
融水县(C)、广西兴安县(D)、广西永福县(E)；月月红
(Ardisia faberi Hemsl)采自兴安县(B)。采集各样品取根
茎部分，在 55℃下干燥 48 h至恒重，采用中药粉碎机
粉碎后过 200目筛，然后个样品精密称量 1.5mg待测。
3.2实验仪器与制样方法
仪器：Nicolet 5700 型傅里叶变换红外光谱仪，
选购于美国 Thermo Nicolet公司。
制样方法：用分析天平精确称起各样品 1.5 mg
并与溴化钾 200 mg (碎晶)研磨混均后，压制成透明
锭片，放入红外光谱仪测定，样品片厚度约 1 mm，在
4 000~400 cm-1范围内每个片累积扫描 32次，并扣
除 H2O和 CO2的干扰。光谱分辨率：4 cm-1。
3.3 PCA载荷因子分析构建方法
应用主成分分析(principal component analysis,
PCA)和载荷因子分析(loading analysis)等化学计量学
方法对经数据前处理的药材红外图谱进行分析。各
测定样品的红外图谱原始数据，经 SNV归一化处
理，五点移动平均平滑后，在 1 800~600 cm-1间，拟利
用软件 Unscrambler 10.0构建 PCA模型和主成分载
荷得分图，导出数据运用 sigmaplot11和Micro-origin
8.0绘制二维图。
作者贡献
本文作者孔德鑫是本研究执行人，主要完成试
验设计及论文撰写和修改工作；王满莲、邹蓉、史艳
财和陈宗游参与了野外调查、材料收集和试验材料
处理工作；黄庶识作者负责实验的指导工作；唐辉是
本文通讯作者，主要负责资料查阅并指导本研究试
验设计及论文撰写指导工作。
致谢
本研究由广西科技成果转化项目(桂科转 134-
6004-29)，桂林市科技成果转化与应用项目
(20100103-6)和广西科技攻关项目(桂科攻 1110701-
01-1)共同资助。
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