免费文献传递   相关文献

傅里叶变换红外光谱法结合聚类分析对大叶藓及其易混种类的鉴别



全 文 :傅里叶变换红外光谱法结合聚类分析对大叶藓
及其易混种类的鉴别
曹 珍1,2,赵建成1*,黄士良2
(1.河北师范大学 生命科学学院,石家庄050016; 2.河北女子职业技术学院,石家庄050091)
摘 要:采用傅里叶变换红外光谱法结合聚类分析对大叶藓及其易混种类(平肋提灯藓、树形疣
灯藓、皱叶匐灯藓、尖叶匐灯藓)进行了鉴别。以红外光谱图4 000~500cm-1范围内的吸收峰吸光
度为指标,应用组间连接法对5种藓类植物进行聚类分析,结果表明:大叶藓与提灯藓科易混类群
距离较远。
关键词:傅里叶变换红外光谱法;聚类分析;大叶藓;鉴别
中图分类号:O657.33   文献标志码:A   文章编号:1001-4020(2014)10-1278-04
Identification of Rhodobryum Roseum and Its Adulterants by FTIR
Combined with Cluster Analysis
CAO Zhen1,2,ZHAO Jian-cheng1*,HUANG Shi-liang2
(1.College of Life Science,Hebei Normal University,Shijiazhuang050016,China;
2.Hebei Women's Vocational College,Shijiazhuang050091,China)
Abstract:The combined technique of FTIR and cluster analysis was applied to identify rhodobryum roseum
and its adulterants,i.e.mnium laevinerve,trachycystis ussuriensis,plagiomnium arbusculum and plagiomnium
acutum.Based on the infrared spectrum from 4 000to 500cm-1,5species of mosses were identified by cluster
analysis with between-groups linkageand successfuly classified.
Keywords:FTIR;Cluster analysis;Rhodobryum roseum;Identification
  大叶藓是隶属于真藓科大叶藓属的一种药用植
物,又名回心草、太阳草和岩谷伞。其主要分布于我
国东北、华北和西南等地区,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[2]。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[3-4]。
大叶藓的叶在茎端排列成玫瑰花形,叶中上部
收稿日期:2013-09-22
基金项目:国家自然科学基金项目(31070184);河北省自然科
 学基金项目(C2012205026);河北省教育厅课题(Z2013151)
作者简介:曹 珍(1981-),女,河北安国人,讲师,博士研究生,
 主要从事苔藓植物学研究。
* 联系人。E-mail:zhaojiancheng@mail.hebtu.edu.cn
明显具齿,多生活在较郁闭、潮湿和地表腐殖质丰富
的林下;茎在疏松的腐殖质中横向生长而形成横走
茎或地下横走茎。这些形态学特征与提灯藓科植物
非常相似,在野外采集过程中常有不同程度的掺杂
现象,例如常混有提灯藓科提灯藓属,匐灯藓属以及
疣灯藓属等种类,从而影响药效和疗效。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。近年来,傅里叶红外光谱技术越来越广泛地
应用于中药材鉴定领域,其优点在于一般不需要对
样品进行复杂的化学处理,并且所需样品用量较少,
而获得的信息量较大,指纹性强,对样品无污染,无
破坏[5]。该技术已应用 于 对 中 药 材[6-10]、农 作
物[11-15]、病原菌[16]以及少数藓类植物[17-18]的种类识
别与鉴别方面,对于药用藓类植物的鉴别尚未见
·8721·
曹 珍等:傅里叶变换红外光谱法结合聚类分析对大叶藓及其易混种类的鉴别
报道。
本工作采用傅里叶变换红外光谱法(FTIR)对
大叶藓及其易混淆的提灯藓科部分种类进行了鉴
别,以期在藓类植物种类鉴定中寻找新的途径。
1 试验部分
1.1 仪器与试剂
VERTEX 70傅里叶变换红外光谱仪,配Digi-
Tect TM检测器;FW-4A型压片机;BP210S型分析天
平(精度0.1mg);DHG 9240A型鼓风干燥箱。
溴化钾为光谱纯,试验用水为蒸馏水。
1.2 仪器工作条件
测量谱区为25 000~20cm-1;光谱分辨率为
4cm-1。
1.3 试验方法
1.3.1 样品来源与处理
试验所用的5种藓类植物样品均采自某国家级
自然保护区境内,经鉴定为大叶藓、平肋提灯藓、皱
叶匐灯藓、尖叶匐灯藓和树形疣灯藓。
取各种样品的全株作为分析对象,经水冲洗干
净,45℃烘干2d后,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75μm
筛,称取试样8.0mg与溴化钾80mg混匀后进行
测定,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。
1.3.2 数据分析
经过测定,得到大叶藓及其易混种类共5种藓
类植物样品的FTIR,对红外光谱的吸收峰值进行
归属,根据吸收峰的吸光度特点,记录不同波数段上
的吸光度;为进一步研究大叶藓及其易混种类之间
的差异程度,根据上述5种藓类植物的红外谱图数
据,采用 SPSS 19.0软件,每个样品取4 000~
500cm-1范围内不同波数段上的吸收值,应用聚类
分析中的组间连接法,利用欧式距离描述它们之间
的相似程度,进而得到5种藓类植物样品的系统关
系树状图。
2 结果与讨论
2.1 红外光谱行为
5种藓类植物样品的红外光谱图见图1。
1———大叶藓;2———平肋提灯藓;3———树形疣灯藓;
4———皱叶匐灯藓;5———尖叶匐灯藓
图1 5种藓类植物样品的红外光谱图
Fig.1 FTIR spectra of the 5species of mosses
由图1可知:大叶藓与提灯藓科植物属于临近
类群,红外光谱的吸收峰位置也较为相近,故所含化
学成分比较相似。所测5种样品在854,1 294,
1 492,1 708,1 936,2 997,3 800cm-1附近有较明显
的吸收峰,5种藓类植物红外光谱出峰位置与吸光
度对比见表1。
表1 5种藓类植物红外光谱出峰位置与吸光度对比
Tab.1 Comparision of IR spectroscopy value of different peaks of the 5species of mosses
样品
各吸收峰的吸光度
3 800cm-1  2 997cm-1  1 936cm-1  1 708cm-1  1 492cm-1  1 294cm-1  854cm-1
平肋提灯藓 0.338  0.108  0.516  0.111  0.129  0.070  0.232
大叶藓 0.264  0.095  0.444  0.060  0.104  0.046  0.216
尖叶匐灯藓 0.199  0.054  0.418  0.098  0.077  0.046  0.173
皱叶匐灯藓 0.218  0.071  0.417  0.128  0.103  0.062  0.191
树形疣灯藓 0.257  0.154  0.386  0.155  0.173  0.135  0.245
  5种藓类植物样品均在3 800cm-1附近有较宽
的吸收峰,主要为游离的 O-H 伸缩振动,在
2 997cm-1附近的吸收峰为有环氧化物的C-H键
伸缩振动,1 936cm-1处的吸收峰为强峰,可能为胺
类物质的 N-H 和烃类的 C=C 伸缩振动,
1 708cm-1附近的吸收峰主要为脂肪酮和脂肪酸类
的C=O及氨基酸和氨基酸盐C=O伸缩振动,在
1 492cm-1附近主要为氨基酸,盐酸盐类物质的
C-N弯曲振动,5种藓类植物样品在1 294cm-1处
的吸收峰较明显,主要为羧酸和磷酸酯类物质的
·9721·
曹 珍等:傅里叶变换红外光谱法结合聚类分析对大叶藓及其易混种类的鉴别
C=O弯曲振动,C― O伸缩振动和P-O伸缩振
动,854cm-1处的吸收峰主要为芳烃类P-O伸缩
振动和C-H面外弯曲振动。这些结构特征和已报
道的大叶藓主要含有酚类、氨基酸、甾体、黄酮类化
合物、糖类及挥发油等化学成分的结果相吻合[19]。
所测得的红外光谱吸收值都由这5种藓类所含的化
学成分所决定,吸收峰位置的一致性说明5种藓类
的化学成分基本相似,而不同的吸收峰形和峰值则
表明5种藓类样品化学成分含量的差别。
2.2 样品与溴化钾混合比例的选择
试验取大叶藓样品8mg分别与20,40,60,80,
100mg的溴化钾混合并研磨均匀,然后分别压片测
试红外光谱,每个样品重复测定3次。结果表明:样
品8mg与溴化钾80mg混合压片所得的吸光度最
佳,因此试验选择样品与溴化钾的质量比为1比
10。
2.3 FTIR聚类分析结果
系统聚类分析方法是按照光谱之间的相似性对
光谱进行分类的,聚类分析中采用两条光谱之间的
距离来描述样品之间的相似性,系统聚类分析结果
最终以树状图的形式输出,从树状图中可以反映出
在不同的距离上分类的结果。对5种藓类样品进行
FTIR聚类分析,结果见图2。
1———大叶藓;2———平肋提灯藓;3———树形疣灯藓;
4———皱叶匐灯藓;5———尖叶匐灯藓
图2 5种藓类聚类分析树状图
Fig.2 Dendrogram of the 5species of mosses clustered
by hierarchical cluster analysis
由图2可知:5种样品可以划分为2个类群,类
群1(C1)中包含皱叶匐灯藓和尖叶匐灯藓,类群2
(C2)中包含大叶藓、平肋提灯藓和树形疣灯藓。大
叶藓与其它藓类的亲缘关系较远,该聚类结果与经
典的苔藓植物学分类学结果一致。
5种藓类植物皮尔森相关系数见表2。
表2 5种藓类植物皮尔森相关系数
Tab.2 Pearson correlation coefficient approximate matrix of the 5species of mosses
样品
不同藓类植物的相关系数
大叶藓 平肋提灯藓 树形疣灯藓 皱叶匐灯藓 尖叶匐灯藓
大叶藓 1.000  0.994  0.990  0.985  0.987
平肋提灯藓 0.994  1.000  0.987  0.988  0.990
树形疣灯藓 0.990  0.987  1.000  0.989  0.986
皱叶匐灯藓 0.985  0.988  0.989  1.000  0.998
尖叶匐灯藓 0.987  0.990  0.986  0.998  1.000
  由表2可知:位于同属的皱叶匐灯藓和尖叶匐
灯藓关系最近,同属于提灯藓科的树形疣灯藓和平
肋提灯藓关系次之,而大叶藓则与其它种类之间距
离较远,这也与经典的苔藓植物分类学的分类结果
一致。
本工作利用FTIR测定大叶藓及其易混淆种
类,可以比较客观地从红外光谱图观察到样品中较
为稳定的化学成分特性。试验结果表明:大叶藓与
提灯藓科植物虽然从外观上有一定的相似之处,红
外光谱图也显示其与提灯藓科植物同一科属的藓类
植物较为相近,但利用基于FTIR数据进行的聚类
分析可辨别它们之间的差别,且方法和样品处理较
便捷,这一分析结果与传统形态学鉴定方法对大叶
藓的鉴定结果一致,可为药用苔藓植物鉴定提供一
个客观的评价依据,也为苔藓植物分类提供一种可
借鉴的手段。
感谢河北师范大学生命科学学院赵建成教授对
本工作提供的帮助。
参考文献:
[1] 陈邦杰.中国藓类植物属志(上册)[M].北京:科学出
版社,1962:190-194.
[2] 国家中医药管理局.中华本草(第四卷)[M].上海:上
海科学技术出版社,1998:15-20.
[3] 乔菲,马双成,林瑞超.大叶藓属植物化学及药理研究
·0821·
曹 珍等:傅里叶变换红外光谱法结合聚类分析对大叶藓及其易混种类的鉴别
综述[J].中国药品标准,2003,4(6):3-5.
[4] 乔远贵.回心草治疗冠心病33例疗效观察[J].中国民
族民间医药,1996(3):9-10.
[5] 孙素琴,刘军,周群.傅里叶变换红外光谱和傅里叶变
换拉曼光谱法无损鉴别药材的真伪[J].分析化学,
2002,30(2):140-143.
[6] 刘永录,樊克锋,汤法银.FTIR多级图谱对山茱萸及其
掺伪品的鉴别[J].中国兽医杂志,2011,47(4):77-79.
[7] 洪庆红,成则丰,李群力.FTIR聚类分析法应用于菟丝
子真伪的鉴别[J].光谱学与光谱分析,2008,28(8):
1803-1805.
[8] 孙煌,许沛虎,徐海星,等.不同产地南五味子红外指纹
图谱鉴别[J].中国医院药学杂志,2012,32(15):1204-
1205.
[9] 徐荣,孙素琴,刘友刚,等.红外光谱与聚类分析法无损
快速鉴别肉苁蓉[J].光谱学与光谱分析,2009,29
(7):1860-1863.
[10] 成则丰,李丹婷,李花琼,等.FTIR聚类分析结合差热
分析法应用于中药材延胡索表征的研究[J].理化检
验-化学分册,2006,42(8):601-603.
[11] 易时来,邓烈,何绍兰,等.FTIR光谱结合系统聚类分
析的甜橙树苗鉴别研究[J].光谱学与光谱分析,
2012,32(11):3006-3009.
[12] LI Zhi-yong,LIU Gang,LI Lun,et al.FTIR spec-
troscopic study of broad bean diseased leaves[J].Ag-
ricultural Science and Technology,2012,13(11):
2363-2366.
[13] CHENG Cun-gui,LIU Jia,CAO Wen-qing,et al.
Classification of two species of Bidens based on dis-
crete stationary wavelet transform extraction of FTIR
spectra combined with probability neural network[J].
Vibrational Spectroscopy,2010,54:50-55.
[14] MICHELE D L,WAFA T,GIUSEPPINA I,et al.
FTIR spectroscopy for cluster analysis and classifica-
tion of morocco olive oils[J].Food Chemistry,2011,
124:1113-1118.
[15] MICHELE D L,WAFA T,FOUZIA K,et al.Clas-
sification of moroccan olive cultivars by linear dis-
criminant analysis applied to ATR-FTIR spectra of
endocarps[J].International Journal of Food Science
and Technology,2012,47:1286-1292.
[16] HELM D,LABISCHINSKI H,SCHALLEHN G,
et al.Classification and identification of bacteria by
Fourier-transform infrared spectroscopy[J].Journal
of General Microbiology,1991,137(1):69-79.
[17] HU Tao,JIN Wen-ying,CHENG Cun-gui.Classifi-
cation of five kinds of moss plants with the use of
Fourier transform infrared spectroscopy and chemo-
metrics[J].Spectroscopy,2011,25:271-285.
[18] 孔黎春,余鹏,程存归.水平衰减全反射-傅里叶变换
红外光谱结合化学计量学法应用于三种缩叶藓属植
物的分类[J].理化检验-化学分册,2012,48(4):405-
409.
[19] 于淑玲,杜丽敏,王玉海.大叶藓的化学成分及药用原
理研究[J].安徽农业科学,2006,34(22):5889-5890.
·1821·