全 文 ：第29卷 , 第10期　 　　　　　　　　　　　光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.29 , No.10 , pp2673-2676
2 0 0 9 年 1 0 月　　　　　　　　　　　 　Spectro scopy and Spectr al Analy sis Octobe r , 2009 　
近红外漫反射光谱法测定川藏道地药材菥蓂子中黑芥子苷含量
王磊磊1 , 陈　聪1 , 周　旻1 , 王建忠1 , 罗　霞2 , 黄　果3 , 叶利明1＊
1.四川大学华西药学院 , 四川 成都　610041
2.四川中医药研究院 , 四川 成都　610041
3.布鲁克光谱仪器公司 , 北京　100081
摘　要　提出了用近红外光谱技术快速测定川藏道地药材菥蓂子中指标成分黑芥子苷含量的方法。对黑芥
子苷含量在 1.962%～ 3.917%范围的不同来源的菥蓂子 , 根据其在 12 500～ 3 600 cm -1的近红外吸收光谱 ,
采用偏最小二乘法(PLS)建立了校正模型 , 比较了光谱不同预处理方法对校正结果的影响。当采用最大最小
归一化法时能最有效地提取光谱的信息 , 此时校正集相关系数(r)为 0.989 8 , 校正集标准偏差(SEC)为
0.023 3 , 预测集标准偏差(SPE)为 0.111 2。该方法快速简便 , 适合于重要指标成分的快速分析。
关键词　近红外漫反射光谱;菥蓂;菥蓂子;黑芥子苷;偏最小二乘法
中图分类号:O657.3　　文献标识码:A　　DOI:10.3964/ j.issn.1000-0593(2009)10-2673-04
　收稿日期:2008-08-28 , 修订日期:2008-11-29
　基金项目:国家“十五”科技攻关项目(2001BA701A11)资助
　作者简介:王磊磊 , 1985年生 , 四川大学华西药学院硕士研究生　　＊通讯联系人　　e-mai l:dyelimin@126.com
引　言
　　菥蓂(Thlaspi arvense Linn)为双子叶十字花科菥蓂属一
年生草本植物 , 又叫遏蓝菜 、 苏败酱(江苏)、南败酱(湖北)、
苦芥子 、败酱草 、瓜子草 、 野榆树 、菥目(陕西), 分布全国各
地 , 但是在川藏地区资源最为丰富。目前关于菥蓂子的研究
较少 , 但却是一种重要的川藏道地药材。菥蓂全草含有黑芥
子苷 、芥子酶 、 吲哚等成分。菥蓂子为菥蓂的干燥成熟的种
子 , 其中含脂肪油达 34%以上 , 是一种潜在的油料作物 , 且
黑芥子苷含量比较高[ 1] 。黑芥子苷在生物化学试验中可作为
测定硫葡糖苷酶(Thiog lucosidase)的活力试剂。
目前黑芥子苷的含量测定方法主要有高效液相色谱法和
毛细管电泳法 , 应用比较多的是离子对反相高效液相色谱
法[ 2] , 但还未见采用近红外光谱法进行检测的研究报道。本
文对菥蓂子在近红外光谱区域的特征吸收进行了实验研究 ,
得到了其在近红外特征吸收的波段范围 , 并在此基础上运用
近红外光谱技术采用偏最小二乘法(PLS), 建立了校正模
型 , 对菥蓂子中黑芥子苷的含量进行了定量分析[ 3] 。
1　实验部分
1.1　仪器与试剂
德国 BRUKER MATRIX-Ⅰ 型傅里叶变换近红外光谱
仪 , PbS 检测器 , 随机配套大样品杯与旋转台 , 随机附带
OPUS 光谱采集和处理软件;美国 Agilent1100 高效液相色
谱仪 , Agilent1100 紫外-可见检测器;德国 BS-124S 型分析
天平(万分之一)和 BT-25S 型分析天平(十万分之一);长沙
湘仪离心机仪器有限公司 TG-16W 型微量高速离心机;上海
雷磁公司 pH-25 型 pH 计;美国 Diamonsil TM(钻石)C18 柱
(4.6 mm×250 mm , 5 μm)。
乙腈(CH3CN , 色谱纯 , 美国 Fisher scientific公司);四
丁基硫酸氢铵(TBASH , 分析纯 , 成都市科龙化工试剂厂);
氢氧化钠(分析纯 , 成都市联合化工试剂研究所);磷酸二氢
钠(分析纯 , 天津市科密欧化学试剂公司);乙醇(分析纯 , 成
都化学试剂厂);试验用水(乐百氏桶装纯净水)。
黑芥子苷对照品(美国 SIGAM 公司 , 由植物辣根中提
取 , 规格 S1647-500MG , 批号 076K7026)。
1.2　样品及制备
菥蓂子样品共 246 个 , 采集于四川省阿坝州 , 包括汶川 、
茂县 、 理县 、 红原。经生药专家鉴定 , 均为菥蓂的干燥成熟
种子。样品收集后剔除杂质 , 进行统一编号 , 装于封口袋中
置干燥阴凉处存放。
样品无须进行预处理就可以进行光谱采集。可以使用大
样品杯和配套的旋转台采集样品的近红外光谱。但是在装样
的过程中必须装入足够量并压实 , 以免光线穿透样品 , 使得
所获得的近红外漫光谱不准确。
在样品光谱采集完之后 , 将每个样品经过研磨 、 浸泡 、
回流 、过滤 、 离心等一系列的预处理 , 通过高效液相色谱法
对菥蓂子样品中黑芥子苷的含量进行测定。我们经过一系列
的实验 , 曾在原《中华人民共和国卫生部药品标准藏药》(第
一册)的基础上 , 增加了高效液相色谱法测定菥蓂子中黑芥
子苷含量的方法 , 并进行了有关方法学的研究 , 重新起草了
菥蓂子药材质量标准。本文中菥蓂子样品的测定方法就是用
此质量标准中的离子对反相高效液相色谱法进行测定的。
1.3　操作条件
近红外谱图采集与处理采用 OPUS 工作站 , 仪器配套的
大样品杯和旋转台。测定范围 12 500 ～ 3 600 cm -1 , 扫描次
数 64 次 , 分辨率 8 cm -1 , 采用偏最小二乘算法(PLS)计算。
2　结果与讨论
2.1　光谱波段的初选
大样品杯底部使用的是低羟基的特殊石英玻璃材料 , 近
红外光可在石英介质中穿透而不被吸收。图 1是 246 个菥蓂
子样品光谱图 , 图中可见不同的样品的近红外光谱十分接
近 ,无法直接判定黑芥子苷的含量与个别波长点的吸光度之
间的相关性 , 不可能从某一个波长点来确定其含量 , 而必须
在一定的区间内建立数学模型来确定近红外光谱和含量间的
关系。图中 12 000 ～ 9 000 cm -1区间内曲线平滑 , 吸光度无
明显变化 , 为了减少计算和过拟合现象 , 9 000 ～ 4 000 cm -1
区间信息量丰富 , 能反映出样品的性质和组成间有关联 , 本
研究均是在此区间内进行的 , 避免了采用全谱建模所需的大
量计算工作。
Fig.1　NIR spectrum of 246 Thlaspi arvense Linn samples
2.2　光谱处理方法的选择
德国布鲁克公司开发的随机软件 OPUS 功能强大 , 含盖
了最主要中的11 种光谱预处理方法 , 包括未处理 、消除常数
偏移量 、减去一条直线 、 矢量归一化 、 最小最大归一化 、 多
倍散射校正 、 一阶导数 、 二阶导数 、 一阶导数光谱和其他处
理方法相结合的方法。由软件筛选出最优化模型 , 具体参数
见表 1 , 参数计算方法参见文献[ 4-6] 。
Table 1　Optimization model parameters
预处理方法 波长范围/ cm-1 维数 校正集相关系数 标准偏差 相对标准偏差/ %
预测集
相关系数 标准偏差 相对标准偏差/ %
最大最小归一化法 7 502.1～ 5 446.2 10 0.989 8 0.023 3 0.75 0.866 2 0.111 2 3.61
　　通过固定光谱预处理方法和波长范围 , 考察不同维数
的选择对模型相关参数的直接的影响。由图 2 和图 3 知 , 随
着维数的增加 , R2 不断增加 , RMS ECV 不断减小 , 当维数
达到 10 后都趋于稳定 , OPUS 软件也推荐维数为 10。这表
明维数过低时所建模型无法从光谱中提取足够的样品信息 ,
但是选择过大的维数 , 又会引起模型的过拟合 , 无法反映出
样品的真实信息。本文采用软件推荐的维数 10。
Fig.2　Relationship between RMSECV and dimension
2.3　最优化模型用于预测样品的含量快速测定
采用上述最优化模型来预测预测集样本 , 所得结果见
表 2。从分析结果来看 , 有几个样品的偏差比较大 , 这可能
是由于样品的预处理过程比较复杂 , 在高效液相色谱
(HPLC)测定过程中出现了偏差。而大部分样品的百分偏差
都在 0%～ 2%之间 , 因此该模型的预测能力比较好 , 如果能
再扩大一下校正集样品的数量 , 模型将会更加完善。
Fig.3　Relationship between R2 and dimension
3　结　论
　　本文通过离子对反相液相色谱法首先测定了 246 个菥蓂
子样品中黑芥子苷的含量 , 然后用傅里叶变换近红外光谱仪
采集样品的近红外光谱 , 采用最大最小归一化法建立最优化
模型 , 对预测集样品中黑芥子苷的含量进行了预测。实验表
2674 光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 29 卷
Table 2　Results of prediction sets
样品号 HPLC测定值 NIR 测定值 偏差 百分偏差
1 3.917 3.461 0.456 11.641 562 42
6 2.787 2.801 -0.014 -0.473 452 824
11 2.979 2.947 0.032 　0.968 523 002
16 2.891 2.874 0.017 　0.588 031 823
21 2.957 2.969 -0.012 -0.405 816 706
26 2.898 2.906 -0.008 -0.276 052 45
31 2.785 2.756 0.029 　1.041 292 639
36 2.766 2.788 -0.022 -0.795 372 379
41 3.025 3.005 0.020 　0.661 157 025
46 2.86 2.860 0.000 　0
51 2.698 2.684 0.014 　0.518 902 891
56 2.992 2.985 0.007 　0.233 957 219
61 3.547 3.504 0.044 　1.240 484 917
66 3.397 3.402 -0.005 -0.147 188 696
71 3.394 3.390 0.004 　0.117 855 038
76 3.148 3.153 -0.005 -0.158 831 004
81 3.438 3.431 0.007 　0.203 606 748
86 3.312 3.296 0.016 　0.483 091 787
91 3.229 3.258 -0.029 -0.898 110 87
96 3.377 3.391 -0.014 -0.414 569 144
101 3.485 3.483 0.002 　0.057 388 809
106 2.975 2.982 -0.007 -0.235 294 118
111 1.962 2.513 -0.551 -28.083 588 18
116 2.883 2.861 0.022 　0.763 093 999
121 2.953 2.977 -0.024 -0.812 732 814
126 2.796 2.720 0.076 　2.718 168 813
131 3.354 3.398 -0.044 -1.311 866 428
136 3.499 3.492 0.007 　0.200 057 159
141 2.944 2.946 -0.002 -0.067 934 783
146 2.980 2.980 0.000 　0
151 2.885 2.884 0.001 　0.034 662 045
156 3.002 3.010 -0.008 -0.266 489 007
161 2.947 2.950 -0.003 -0.101 798 439
166 3.024 3.034 -0.010 -0.330 687 831
171 2.939 2.944 -0.005 -0.170 125 893
176 2.992 3.003 -0.011 -0.367 647 059
181 3.003 2.992 0.011 　0.366 300 366
186 3.084 3.060 0.024 　0.778 210 117
191 3.187 3.080 0.107 　3.357 389 394
196 3.235 3.255 -0.020 -0.618 238 022
201 3.046 3.009 0.037 　1.214 707 814
206 2.903 2.902 0.001 　0.034 447 124
211 3.265 3.223 0.042 　1.286 370 597
216 3.003 2.997 0.006 　0.199 800 2
221 3.306 3.267 0.039 　1.179 673 321
226 3.489 3.477 0.012 　0.343 938 091
231 3.130 3.396 -0.266 -8.498 402 556
236 3.122 3.111 0.011 　0.352 338 245
241 3.021 3.051 -0.030 -0.993 048 659
246 2.966 2.917 0.049 　1.652 056 642
明选择足量的具有代表性的样品 , 采用近红外光谱法可实现
对川藏道地药材菥蓂子中黑芥子苷的百分含量进行快速准确
的测定[ 7] 。
目前 , 黑芥子苷已经成为一个研究的热点 , 而黑芥子苷
2675第 10 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析
大部分还是来源于十字花科植物的提取。因为中药中成分复
杂 , 含量测定前的预处理比较复杂。而近红外光谱法可以快
速 、 准确地测定其中黑芥子苷的含量 , 具有显著的优势 , 本
文的研究成果对实现中药现代化具有实际意义。
参 考 文 献
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Determination of Sinigrin in Semen Thlaspi From Sichuan and Tibet
Using Near Infrared Diffuse Reflectance Spectroscopy
WANG Lei-lei1 , CH EN Cong1 , ZHOU Min1 , WANG Jian-zhong1 , LUO Xia2 , HUANG Guo3 , YE Li-ming1＊
1.West China School of Pha rmacy , Sichuan Univer sity , Chengdu　610041 , China
2.Sichuan Institute o f Chinese Medicine , Chengdu　610041 , China
3.Bruker Instruments LTD., Beijing　100081 , China
Abstract　The objectiv e of the present study w as to develop a me thod for the determina tion of sinigrin in semen Thlaspi from Si-
chuan using near infr ared diffuse reflectance spectro scopy.Near infrar ed spectra(NIR)in the region of 7 502.1-5 446.2 cm -1
were recorded fo r the 246 semen Thlaspi sample s containing sinig rin in the content of 1.962%-3.917%.Calibra tion models w ere
e stablished using the PLS (pa rtial least squares).Diffe rent spectra pretreatment me thods were compared.The study showed
tha t spectral information can be extr acted tho roughly by minimum and maximum norma lization pretr ea tment methods.I n this
calibra tion model , the co rrelation coefficient(R2)w as 0.928 0 , the SEC (standard deviation o f the calibration se ts)w as 0.314
and the S EP(standard devia tion of the prediction sets)w as 0.388.Results indicated that nea r infra red diffuse reflectance spec-
troscopy method can be used to rapidly analy ze the va lid component in traditional Chinese medicine , and also can be used in the
quality contro l o f traditional Chinese medicine.
Keywords　Near infr ared diff use reflectance spectr oscopy;Thlaspi arv ense Linn;Semen Thlaspi;Sinig rin;PLS
(Receiv ed Aug.28 , 2008;accepted Nov.29 , 2008)　　
＊Co rr esponding author
2676 光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 29 卷