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单因素和正交试验法优选大叶藓(Rhodobryum roseum)傅里叶红外光谱处理条件



全 文 :第33卷 第3期
2016年9月
河  北  省  科  学  院  学  报
Journal of the Hebei Academy of Sciences
Vol.33No.3
Sep.2016
收稿日期:2016-08-17
基金项目:河北省高等学校科学技术研究项目(Z2014001)
作者简介:曹 珍(1981-),女,博士研究生,主要从事苔藓植物学研究.E-mail:caozhen81112@126.com
通讯作者:赵建成,教授,博士生导师.E-mail:zhaojiancheng@mail.hebtu.edu.cn
文章编号:1001-9383(2016)03-0067-08
单因素和正交试验法优选大叶藓
(Rhodobryum roseum)傅里叶红外光谱处理条件
曹 珍1,2,王振杰1,赵建成2
(1.河北工业职业技术学院,河北 石家庄 050091;2.河北师范大学,河北 石家庄 050016)
摘 要:目的:优选大叶藓(Rhodobryum roseum(Hedw.)Limpr.)红外光谱处理条件。方法:运
用单因素考察和正交试验相结合的形式,采用L16(45)正交设计法以样品的粉碎粒度(A)、样品
与KBr混合比例(B)、样品压片质量(C)、压片压力(D)、压片时间(E)5个因素,每个因素选取4
个水平进行试验。结果:样品的粉碎粒度和样品与KBr混合比例两个因素对红外光谱共有峰的
吸收率影响最显著。结论:大叶藓红外光谱最佳处理条件为:样品粉碎后过200目(75μm)筛,样
品与KBr混合比例为4∶100、样品压片质量30mg、压片压力10MPa、压片时间30S。
关键词:正交试验;单因素试验;大叶藓;FTIR检测
中图分类号:TQ461        文献标识码:A
Optimization of FITR spectrometry conditions of Rhodobryum roseumby
single-factor test and orthogonal experiment
CAO Zhen1,2,WANG Zhen-jie1,ZHAO Jian-cheng2
(1.Hebei College of Industry and Technology,Shijiazhuang Hebei 050091,China;
2.College of Life Science,Hebei Normal University,Shijiazhuang Hebei 050016,China)
Abstract:Objective:To optimize the best experiment conditions of Rhodobryum roseum by
Fourier transform infrared(FTIR)spectrometry.Methods:In the method of single-factor and
orthogonal test,L16(45)orthogonal experiment was designed with five factors at four levels to
investigate the effect of particle size,the mixing proportion of the sample and KBr,the weight
of the sample,tabletting pressure and time.Results:The particle size and the mixing propor-
tion of the sample and KBr had significant effect on the absorbance of the common peaks.Con-
clusion:The optimal FTIR spectrometry conditions for the R.roseum were that the crude
sample was powdered and passed 200mesh sieve(75μm),the mixing proportion of the sample
DOI:10.16191/j.cnki.hbkx.2016.03.009
河北省科学院学报 2016年第33卷
and KBr was 4∶100,the tabletting weight was 30mg,the tabletting pressure was 10MPa,the
tabletting time was 30S.
Keywords:Orthogonal test;Single-factor test;Rhodobryum roseum;FITR spectrometry
大叶藓(Rhodobryum roseum(Hedw.)Limpr.)隶属于真藓科(Bryaceae)大叶藓属
(Rhodobryum)的一种药用植物,又名回心草、太阳草、岩谷伞。主要分布于我国东北、华北、西
南等地区,多生于林下湿润地表腐殖质或阴湿岩面薄土上[1]。民间很早就开始作为药用植物。
现代临床研究表明,该种植物具有较显著的抗心肌缺血、抗缺氧、扩张冠脉、改善微循环及抗动
脉粥样硬化、减少内皮细胞受损等作用[2,3]。由于藓类植物体型较小,在野外采集过程中常有
不同程度的掺杂现象,从而影响到了药效和疗效。因此,通过化学方法对其进行快速无损鉴别
是非常必要的一种尝试。本研究的主要目的是探索傅里叶红外光谱检测技术在优先大叶藓处
理条件中的应用。
傅里叶红外光谱技术现被广泛地应用于中药材[4-8]、农作物[9-11]、病原菌[12]以及少数藓
类植物[13]的种类识别与鉴别方面,其优点在于不需要对待测样品进行复杂的化学处理,所需
样品用量较少而获得的信息量较大,所得结果指纹性强且对样品无污染,无破坏[14]。正交实
验设计法被广泛应用于一些中药材成分提取[15-17]和部分药品的红外压片技术条件探索
中[18,19]。但对于藓类药用植物红外光谱条件的研究未见报道,本试验以大叶藓(R.roseum)的
傅里叶红外光谱吸收率为指标,采用单因素试验和正交试验相结合的方法对大叶藓红外光谱
测定过程中的样品粉碎粒度、待测样品与KBr混合比例、压片质量、压片压力和压片时间进行
了优选,以寻求最佳的大叶藓傅里叶红外光谱测定条件。
1 仪器与试剂
1.1 仪器
VERTEX 70,DigiTect TM检测器,傅里叶变换红外光谱仪(德国BRUKER公司),测量谱
区为25 000-20cm-1,光谱分辨率4cm-1;FW-4A型压片机(天津光学仪器厂),BP210S型
分析天平(德国sartorius)读数精度0.1mg,称重范围210g;DHG9240A型鼓风干燥箱(上海
精密仪器仪表有限公司)。
1.2 材料与试剂
溴化钾(KBr,光谱纯,天津市光复精细化工研究所)。所试材料为大叶藓(Rhodobryum
roseum(Hedw.)Limpr.)。样品采自河北驼梁国家级自然保护区境内,凭证标本存于河北师
范大学植物标本馆(HBNU)。
2 实验方法
2.1 供试品的制备及傅里叶红外测试方法
取样品的全株作为分析对象,经蒸馏水冲洗干净,45℃烘干2d。先放入粉碎机中粉碎,然
后置于玛瑙研钵上研磨成细小均匀的粉末,过200目筛(75μm),各样品取8mg与80mg的
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溴化钾(KBr)混合并研磨均匀,然后压片测试红外光谱。每个样品重复测试3次。试验中通
过差减空白溴化钾窗口的光谱扣除背景噪声,记录不同波段的吸光度。
2.2 单因素实验
按“2.1”样品处理方法,分别调整大叶藓样品的粉碎粒度为100目(150μm)、150目
(106μm)、200目(75μm)、250目(58μm),与KBr混合比例分别为1∶100、2∶100、4∶100、
8∶100、10∶100、20∶100、40∶100、80∶100及100%并研磨均匀,压片质量为75mg、60mg、
45mg、30mg,压片压力分别设定为6MPa、8MPa、10MPa、12MPa,压片时间分别设定为
10S、20S、30S、40S。
2.2.1 样品粉碎粒度对红外图谱的影响
从表1及图1可以看出将待测样品按照8∶100的比例与KBr混合并研磨均匀,准确称取
40mg进行压片,压片压力为10MPa,压片时间为20S测定红外图谱,样品粒度为100目
(150μm)时,测得的红外图谱的共有吸收峰最低,其中最高吸收峰峰值为0.6509,随着样品的
粉末粒度减小,红外图谱共有峰的峰高呈逐渐增大的趋势,吸收峰峰值逐渐增大,证明样品研
磨越细透过率越高,因此样品研磨应当采用不低于200目(75μm)的标准。
表1 样品粉碎粒度对最高吸收峰峰值的影响
样品粉碎粒度(目) 最高吸收峰峰值
100  0.53772
150  0.54759
200  0.60291
250  0.65093
图1 样品的粉碎粒度对红外图谱的影响
2.2.2 样品与KBr混合比例对红外图谱的影响
从表2及图2可以看出将待测样品分别以1∶100、2∶100、4∶100、8∶100、10∶100、
20∶100、40∶100、80∶100及100%的比例与KBr混合并研磨均匀,过200目(75μm)筛,准确
称取40mg进行压片,压片压力为10MPa,压片时间为20S测定红外图谱,混合比例为4∶100
时,测得的红外图谱的峰高最高,最高吸收峰峰值为0.5960,混合比例在4∶100以下时随着
混合比例减小最高吸收峰峰值逐渐降低,混合比例在8∶100以上随着混合比例增加样品的最
高吸收峰峰值逐渐降低,因此应设置样品与KBr混合比例在4∶100-8∶100之间较为适宜。
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表2 样品与KBr混合比例对最高吸收峰峰值的影响
样品与KBr混合比例(%) 最高吸收峰峰值
1  0.47548
2  0.50171
4  0.59601
8  0.57622
10  0.44494
20  0.29827
40  0.1688
80  0.0306
100  0.02559 图2 样品与KBr混合比例对红外光谱的影响
2.2.3 压片质量对红外图谱的影响
从表3及图3可以看出将大叶藓样品的粉碎过200目筛,按照8∶100的比例与KBr混合
并研磨均匀,压片压力为10MPa,压片时间为20S测定红外图谱。压片的质量分别设定为
30mg、45mg、60mg、75mg时,最高峰吸收值随质量增加而减小,但压片粉末的质量也不能低于
30mg否则不能压制成型,影响压片的效果,因此可以选择30-35mg作为最适压片质量。
表3 压片质量对最高吸收峰峰值的影响的影响
压片质量(mg) 最高吸收峰峰值
30mg  0.43711
45mg  0.28284
60mg  0.22693
75mg  0.20288
图3 压片质量对红外光谱的影响
2.2.4 压片压力对红外图谱的影响
由表4和图4可以看出,将大叶藓样品粉碎过200目(75μm)筛,按照8∶100的比例与
KBr混合并研磨均匀,精确称取40mg进行压片,压片时间为20S,压片压力分别设定为
6MPa、8MPa、10MPa、12MPa测定红外图谱,所测得的结果显示在压力为6MPa以上时最高
峰的吸收值相距较近,压力为8MPa和10MPa时最高峰吸收值较高,相差仅为0.01,因此可以
将压片压力设定在8-10MPa之间。
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表4 压片压力对最高吸收峰峰值的影响
压力(MPa) 最高吸收峰峰值
6  0.29717
8  0.39742
10  0.3888
12  0.32077
图4 压片压力对红外光谱的影响
2.2.5 压片时间对红外图谱的影响
由表5和图5可以看出将大叶藓样品的粉碎过200目(75μm)筛,按照8∶100的比例与
KBr混合并研磨均匀,精确称取40mg进行压片,压片压力设定为10MPa,压片时间分别设定
为10S、20S、30S、40S时测定的红外图谱结果显示,压片时间越长最高峰吸收值越高,但压片
时间超过30S后最高峰吸收值相差不大,因此可以选择30S作为压片的最适时长。
表5 压片时间的对最高吸收峰峰值影响
压片时间(S) 最高吸收峰峰值
10  0.44072
20  0.48089
30  0.51515
40  0.51878
图5 压片时间对红外光谱的影响
2.3 正交试验优选大叶藓红外光谱的最佳试验条件
2.3.1 正交试验设计
在单因素实验的基础上进行了正交试验设计,分别选取样品的粉末粒度、样品与KBr的
混合比例、压片质量、压片压力以及压片时间5个因素红外光谱图吸收率为指标,选用L16(45)
正交表进行正交试验,水平因素见表6。
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表6 L16(45)正交因素水平表
水平

粉末粒度(目)

样品与KBr
混合比例(%)

压片质量(mg)

压力(MPa)

时间(S)
1  100  4  75  6  10
2  150  10  60  8  20
3  200  20  45  10  30
4  250  40  30  12  40
2.3.2 正交试验结果与分析
由表7正交试验分析结果可知,各因素对结果的影响为B>A>C>E>D,即与KBr混合
比例>样品的粉碎粒度>样品质量>压片时间>压片压力,条件A3B1C4D3E4 为红外光谱最
高吸收峰值方案,即粉末粒度为200目(75μm)、样品与 KBr混合比例为4∶100、压片质量
30mg、压片压力10MPa、压片时间40S。
表7 红外光谱测试正交实验结果
试验号 A  B  C  D  E 吸收率
1  1  1  1  1  1  0.44516
2  1  2  2  2  2  0.23848
3  1  3  3  3  3  0.10308
4  1  4  4  4  4  0.04997
5  2  1  2  3  4  0.65588
6  2  2  1  4  3  0.45127
7  2  3  4  1  2  0.49743
8  2  4  3  2  1  0.09747
9  3  1  3  4  2  0.67361
10  3  2  4  3  1  0.64668
11  3  3  1  2  4  0.36471
12  3  4  2  1  3  0.12893
13  4  1  4  2  3  0.60139
14  4  2  3  1  4  0.55775
15  4  3  2  4  1  0.31172
16  4  4  1  3  2  0.15998
K1  0.209  0.594  0.355  0.407  0.375
K2  0.426  0.474  0.334  0.326  0.392
K3  0.453  0.319  0.358  0.391  0.321
K4  0.408  0.109  0.449  0.372  0.407
R  0.244  0.485  0.115  0.081  0.086
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  从表8方差分析可知:大叶藓与KBr混合比例和样品的粉碎粒度两个条件在试验中为显
著性影响因素,样品的质量影响次之,因压片时间与压片压力对结果的影响在5个因素中均较
低,为提高实验效率可以将压片时间控制在30S。即最终选用A3B1C4D3E3作为大叶藓红外测
试的最佳条件。
表8 方差分析表
因素 偏差平方和 自由度 F比 F临界值 显著性
A  0.149  3  7.095  3.86 *
B  0.526  3  25.048  3.86 *
C  0.031  3  1.476  3.86
D  0.015  3  0.714  3.86
E  0.017  3  0.81  3.86
误差 0.06  9
2.4 验证试验
根据正交试验结果对A3B1C4D3E3(药材粉碎后过200目筛(75μm)、样品与KBr混合比
例为4∶100、压片质量30mg、压片压力10MPa、压片时间30S)测定条件进行验证,重复试验
3次,以验证该工艺的合理性和稳定性,结果红外光谱最高吸收峰平均吸收率为0.6757,
RSD=1.03%,结果无显著性差异,证明该工艺稳定,可以作为大叶藓红外光谱的测试条件。
3 讨论
样品粉碎的粒度对红外光谱的共有峰吸收率有重要影响,一般来讲,样品颗粒越细红外光
谱吸收率越高,红外图谱的共有峰峰高越高,但粉碎过细也会造成样品在过筛过程中的损失,
因此样品的粉碎粒度设定为200目(75μm)。
样品与KBr混合比例过大,会造成红外线透射率过低,红外图谱的共有峰峰高越低,混合
比例过小,大叶藓材料不足以均匀分布在整个压片区域,造成测量误差,因此样品与KBr混合
比例控制在4∶100。
另外压片质量虽不对结果产生显著影响,但在试验过程中,如压片质量过大同样会使红外
线透过率降低,红外图谱的共有峰峰高降低,影响测得的红外光谱效果,因此压片质量不宜过
大,与KBr混合后选取30mg最为适宜。
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