全 文 ：第2 7卷 , 第1期　 　　　　　　　　　　　光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol. 27 , No. 1 , pp50-53
2 0 0 7 年 1 月　　　　　　　　　　　 　Spectro scopy and Spectr al Analy sis January , 2007 　
基于连续小波变换 FTIR鉴定青葙子及鸡冠子的研究
张长江1 , 李丹婷2 , 梁久祯1 , 程存归2
1. 浙江师范大学数理与信息工程学院 , 浙江 金华　321004
2. 浙江师范大学化学与生命科学学院 , 浙江 金华　321004
摘　要　借助 OM NI 采样器 , 应用傅里叶变换红外光谱方法直接 、 快速 、 准确地测定青葙子及其伪品鸡冠
子的红外光谱。利用连续小波变换对真伪品的红外光谱进行放大处理 , 以有效突出真伪品间的红外光谱差
异程度 , 从而提高鉴定正确率。采用对信号奇异性具有良好探测能力的 Morlet小波做小波母函数 , 对青葙
子真伪品的红外光谱进行若干尺度的一维连续小波变换 , 在各个尺度下观察青葙子的真伪品的红外光谱的
差异程度 , 从中选择一个差异程度最为明显的尺度来区分青葙子真伪品。结果表明:基于连续小波变换的傅
里叶红外光谱分析方法能够有效鉴别同科同属不同种植物中药材。
关键词　傅里叶变换红外光谱法;青葙子;鸡冠子;鉴定;连续小波变换
中图分类号:O653. 3　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-0593(2007)01-0050-04
　收稿日期:2005-11-01 , 修订日期:2006-03-16
　基金项目:浙江省自然科学基金项目(301468)资助
　作者简介:张长江 , 1974年生 , 浙江师范大学数理与信息工程学院副教授　　　e-mail:zcj74922@zjnu. cn
引　言
　　青葙子(Semen celosiae)为常用中药。其来源为苋科植物
青葙(Celo siae arg entea L.)的干燥成熟种子。其功效为清肝 、
明目 、 退翳。用于肝热目赤 、 眼生翳膜 、 视物昏花 、 肝火眩
晕 、皮肤骚痒等症[ 1] 。近年来中药的研究日益受到重视 , 然
而市售品种多有混杂 , 为了掌握市售青葙子商品品种情况 ,
合理制定青葙子药材质量标准 , 开发青葙子药物资源。我们
收集了市售青葙子及伪品鸡冠子(Semen celosiae crista tae)
(其来源为苋科植物鸡冠花 Celo siae cristata L. 的干燥成熟
种子)进行了研究[ 2] 。青葙子与其伪品外形非常相似 , 而且
由于种子类中药含有较高的脂肪油 , 采用传统的方法如性状
鉴别 、显微鉴别和理化鉴别 , 以及现代仪器薄层色谱 、 气相
色谱和高效液相色谱等均得不到理想效果。而红外光谱以其
特有的“指纹”特性 , 越来越受到人们的重视[ 3] 。常规的红外
光谱法需要对药材进行分离提取或采用粉末压片法。对药材
进行分离提取 , 操作较为复杂 , 还会引入萃取溶剂的干扰 ,
并且重复性不高;而采用压片法进行无损鉴别 , 则由于分散
剂的比例及片的厚度不同而使红外吸收强度和药材中某一有
效成分并非完全成正比[ 4] 。而采用傅里叶变换红外光谱直接
测定法应用于中药材的鉴别已有报道 , 使重复性得到了较大
的提高[5-8] 。本文利用傅里叶变换与红外光谱仪 , 借助 OMNI
采样器直接 、 快速 、 准确地测定青葙子及其伪品的红外光
谱。采用对信号奇异性具有良好探测能力的 Mor let 小波做
小波母函数 , 对青葙子真伪品的红外光谱进行若干尺度的一
维连续小波变换 , 在各个尺度下观察青葙子的真伪品的红外
光谱的差异程度 , 从中选择一个差异程度最为明显的尺度来
区分青葙子真伪品。
1　基于连续小波变换的数据处理原理与方法
　　近年来 , 小波分析成为信号处理领域中一种强有力的工
具。其基本思想是将一个信号投影到一个由称之为“分析小
波”的伸缩和平移构成的一族基本函数上[ 9] 。这种变换是可
逆的 , 信号可以由小波分解系数进行重构。小波变换分为连
续小波变换和离散小波变换两种形式 , 其中离散小波变换最
为常用 , 它主要基于多分辨率分析的思想并且可以写成数字
滤波器的形式。其中很重要的一点是离散小波变换可以构造
正交小波基并有众多的推广形式 , 因而在编码和数据簇等应
用中是一种非常经济实用的方法。
连续小波变换是基于群理论 , 它更为灵活 , 往往能够抽
取信号中特定的有用信息。在这里必须强调的是 , 决不要将
连续小波变换的离散形式与离散小波变换混淆。离散小波变
换是基于固定的二进网格 , 在选定了一种合适的小波后存在
多分辨率分析和正交基。而连续小波变换是一种多尺度表
示 , 并不存在正交基。
将任意 L2(R)空间中的函数 f(t)在小波基下进行展开 ,
称这种展开为函数 f(t)的连续小波变换 , 其表达式为
WT f(a , τ) =< f(t), Χa , τ(t) >= 1
a∫R f(t) Χ t - τa dt
其中 a 和τ分别称为尺度因子和平移因子。可见 , 小波变换
同傅里叶变换一样 , 都是一种积分变换。将函数 f(t)在小波
基下展开 , 这意味着将一个时间函数投影到二维的时间 -尺
度相平面上 , 由于小波基本身所具有的特点 , 将函数投影到
小波域后 , 有利于提取函数的某些本质特征 。
现在比较流行的基于小波变换的探测信号奇异性的方法
多数是基于离散正交小波变换或二进小波及样条小波方法 ,
他们基本上都是基于小波系数的模极大和过零点的方法。虽
然提出了形形色色的方法 , 但是普遍存在的一个问题就是探
测信号中微小变化的能力较差 , 这主要是由离散小波变换的
本质所决定的。而连续小波变换与上述几种经典的小波变换
相比 , 在探测信号的奇异性方面有着更大的优势 , 能够更加
有效地探测信号中的微弱奇异性。本文中青葙子同其伪品的
傅里叶红外光谱区别不是特别明显 , 直接应用其傅里叶红外
光谱鉴别青葙子及其伪品往往容易造成误判。对他们的傅里
叶红外光谱进行一维连续小波变换后 , 在不同的分辨率下对
其进行有效分析 , 能够放大它们间的差别以有效鉴别青葙子
及其伪品。
本文主要集中于连续小波变换在探测一维信号奇异性中
的应用 , 我们在这里选择各向异性的 Morle t小波作为“分析
小波” , 它有良好的时频局部性 , Morlet 小波是一种单频复
正弦调制高斯波 , 它的时频域形式如下[ 10]
时域:Χ(t) = e- t22 e jω0t , ω0 ≥ 5
频域:Χ(ω) = 2πe-
(ω-ω
0
)2
2
2　实验部分
2. 1　材料
青葙子为苋科植物青葙 Celosia a rgentea L. 的干燥成熟
种子 、鸡冠子为苋科植物鸡冠花 Celo sia cristata L. de1 干燥
成熟种子。所有样品均由浙江省金华市药检所提供 , 并经过
浙江省金华市药检所中药科和浙江师范大学植物教研室鉴
定。
2. 2　仪器
美国 Nicolet公司生产的 NEXUS 670 型傅里叶变换红
外光谱仪 , DTGS 检测器 , OMNIC E. S. P. 5. 1 智能操作软
件 , OMNI采样器 , 光谱范围 4 000 ～ 650 cm - 1 , 分辨率 4
cm - 1 , 扫描累加次数 32次。
2. 3　测试方法
在采集数据前 , 根据仪器测试要求把采样器水平放置在
傅里叶变换红外光谱仪的样品仓中 , 采用单面刀分别切取样
品种仁及外表皮部置于 OM NI 采样器锗晶片与校正压力装
置之间 , 按照所给定的测试条件直接测定样品的 FT IR(横坐
标为波数 , 纵坐标为吸光度)。为了降低测定误差 , 图谱采用
自动校正法进行基线校正。
2. 4　数据分析
通过测定 , 得到青葙子及鸡冠子种仁及外表皮的 FT IR。
根据吸收峰的吸光度值特点 , 利用自编程序读取不同波数段
上的吸光度;采用 matlab 软件进行小波变换分析。应用对信
号奇异性具有良好探测能力的 Morlet 小波做小波母函数 ,
对青葙子及鸡冠子种仁及外表皮的红外光谱进行若干尺度的
一维连续小波变换 , 在各个尺度下观察青葙子的真伪品的红
外光谱的差异程度 , 从中选择一个差异程度最为明显的尺度
来区分青葙子及鸡冠子 。
3　结果与分析
　　对获得青葙子和鸡冠子的种仁和外表皮的红外光谱分别
进行了 5 尺度的连续小波变换 , 在对青葙子和鸡冠子的种仁
和外表皮的红外光谱分别进行连续小波变换时 , 如果所取的
尺度过小 , 则小波域的青葙子和鸡冠子的红外光谱细节过
多 , 不利于分辨出青葙子及其伪品的小波域红外光谱的主要
区别。如果所取的尺度过大则可能模糊了小波域的青葙子和
鸡冠子的红外光谱的主要差异 , 同样不利于有效鉴别青葙子
和鸡冠子。因而要根据具体情况选取适当的尺度 , 以在小波
域有效的突出青葙子和鸡冠子间的差异。
3. 1　青葙子和鸡冠子的种仁比较
图 1 为青葙子的种仁的红外光谱及其在第 4 尺度下的连
续小波变换红外光谱 , 图 2 为鸡冠子的种仁的红外光谱及其
在第 4 尺度下的连续小波变换红外光谱。这里选择第 4 尺度
是因为在其他尺度时鸡冠花和青葙子的小波系数不如此时明
显。
Fig. 1　FTIR of kernel of semen celosiae;
and its wavelet coefficients
(a):FTIR of k ernel of semen celosiae;
(b):Wavelet coef f icients of FTIR
of kern el of semen celosiae
　　从图 1 和图 2 中可以看出 , 二者的红外光谱有所差异 ,
二者所含化学成分均在红外光谱中表现出来。其中 3 400
cm - 1左右的吸收峰是种仁中所含水分及羟基的吸收 , 1 735
cm - 1左右的吸收是脂肪酸酯的羰基吸收 , 鸡冠子比青葙子的
51第 1 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析
吸收峰要强得多 , 说明鸡冠子含有更多的脂肪酸酯。而且鸡
冠子在 3 000 ～ 2 900 cm - 1的饱和 C—H 键的吸收峰也要比
青葙子强得多 , 说明种仁内含有较多的饱和脂肪烃基 , 这与
脂肪酸酯的含量相一致。另外 , 鸡冠子在 3 050 cm - 1左右有
一明显的吸收峰出现 , 而青葙子非常弱 , 说明鸡冠子含有更
多的萜类及芳香化合物。在指纹区范围二者的吸收峰位尽管
较相近 , 但峰形也有所区别。经过小波变换后差异性得到了
进一步的放大。
3. 2　青葙子和鸡冠子的种皮比较
图 3 和图 4 分别为青葙子和鸡冠子种皮的 FT IR及其在
第 4 尺度下的连续小波变换红外光谱。
Fig. 4　FTIR of primary cuticula of semen celosiae
cristatae and its wavelet coef ficients
(a):FTIR of prim ary cu ticu la of s emen celosiae cristatae;
(b):Wavelet coeff icients of FTIR of p rim ary
cu ticula of sem en celosiae cris tatae
　　从图 3和图 4 中可以看出 , 二者几乎不含脂肪酸酯 , 说
明脂肪酸酯主要集中在种仁内。二者的羟基吸收较强 , 且
C—O 键的吸收峰也较突出 , 说明外表皮含有较多的纤维素
多糖类。其他吸收峰二者也有区别 , 而第 4 尺度下的连续小
波变换后 , 青葙子与鸡冠子的差别已得到放大。
4　结　论
　　利用傅里叶换红外光谱法 , 借助于 OM NI 采样器直接测
定中药材的 FT IR , 可以排除萃取法和红外制样时的不确定
因素。由于 OM NI 采样器是“点对点”直接采样测定 , 使红外
光谱吸收峰的吸光度与药材中的有效成分成正比 , 从而增大
测定的准确性。为了更加有效的突出青葙子与其伪品鸡冠子
间的差异 , 对 FT IR进行一维连续小波变换 , 在各个不同的
分辨率下分析青葙子及鸡冠子间的差异。从若干尺度中选择
一个差异最大的尺度作为分析尺度 , 以有效的鉴别青葙子及
其伪品鸡冠子。对于不同中药材 , 只要所含成分恒定 , 其红
外光谱的吸收面貌也会基本一致 , 由于傅里叶变换红外光谱
直接测定法具有较高的分辨率及准确性 , 因此 FT IR结合连
续小波变换珐具有较高的客观性和可重复性。本法直接 、 快
速 、 准确 , 可用于中药材的区别鉴定。
52 光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 27 卷
参 考 文 献
[ 1] 　The Pharmacopoeia C ommit tee of the People’ s Republic of China(国家药典委员会). Chinese Pharmacopoeia(中国药典)(2000. Vol. Ⅰ).
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[ 2] 　National Ins ti tu te for the Cont rol of Pharmaceu tical &Biological Products , State Drug Adminis trate , the People’ s Repub lic of China;
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[ 5] 　CHENG Cun-gui , RUAN Yong-ming , LI Bing-lan(程存归 , 阮永明 , 李冰岚). S pectros copy and Spect ral Analysis(光谱学与光谱分析),
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[ 6] 　CHENG Cun-gui , SUN Cui-rong , PAN Yuan-jiang(程存归 , 孙翠荣 , 潘远江). Spect roscopy and Spect ral Analysis(光谱学与光谱分析),
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[ 7] 　CHENG Cun-gui , YING Tao-kai(程存归 , 应桃开). Spect roscopy and Spect ral Analysis(光谱学与光谱分析), 2005 , 25(1):36.
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[ 9] 　YANG Fu-sh eng(杨福生). Engineering Analysi s and Applicat ion of Wavelet Transform(小波变换的工程分析与应用). Bei jing:Science
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[ 10] 　PENG Yu-hua(彭玉华). Wavelet Transform and It s Engineering Application(小波变换与工程应用). Beijing:Science Press(北京:科学
出版社), 2000. 16.
Identification of Semen Celosiae and Semen Celosiae Cristatae Using
Continuous Wavelet Transform with FTIR
ZHANG Chang-jiang 1 , LI Dan-ting2 , L IANG Jiu-zhen1 , CH ENG Cun-gui2
1. Co llege of M athema tics , Physics and Info rmation Engineering , Zhejiang No rmal University , Jinhua　321004 , China
2. Co llege of Chemistry and Life Science , Zhejiang No rmal Univer sity , Jinhua　321004 , China
Abstract　I nfr ared spectr a of semen celo siae and semen celo siae cristatae we re obtained directly , quickly and accura te ly by
Fourier transfo rm infr ared spectro scopy (FT IR) with OMNI sampler. Continuous wavelet transfo rm w as used to ex trude lo cal
region of inf rared spectra of semen celosiae and its confusable varieties. The diffe rence o f inf rared spectra betw een semen celosiae
and semen celo siae cristatae wa s ex truded g rea tly. Accurate identification ra te w as improved gr eatly . Mo rlet w avele t , which can
detect singula r value s of signal effectively , w as selected a s the mother wavelet. One-dimensional continuous w avele t tr ansfo rm
was implemented fo r the infr ared spectra of semen celo siae and its confusable va rietie s. The diffe rence betw een semen celosiae
and semen celo siae cristatae w as obser ved a t all scales in the wavelet domain. An optimal scale , a t w hich the difference between
semen celo siae and semen celosiae cristatae was the most obvious , w as selected to identify semen celosiae and semen celo siae cris-
ta tae. The results show tha t it is effective to apply continuous wavelet tr ansfo rm on the basis o f FT IR to identify the traditional
Chinese medicinal materia ls , w hich a re the same genus but different specie s.
Keywords　Fourier transform inf rared spectro scopy;Semen celosiae;Semen celosiae crista tae;Identifica tion;Continuous w ave-
let transfo rm
(Receiv ed Nov . 1 , 2005;accepted Mar . 16 , 2006)　　
53第 1 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析