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不同产地与采收期环草石斛的红外光谱研究



全 文 :第3 4卷,第5期             光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.34,No.5,pp1217-1221
2 0 1 4年5月             Spectroscopy and Spectral Analysis  May,2014  
不同产地与采收期环草石斛的红外光谱研究
刘文杰1,孙志蓉1*,许长华2,孙素琴2*,魏鑫鑫1,陈 龙1,杜 远1
1.北京中医药大学中药学院,北京 100102                 
2.清华大学化学系生命有机磷化学及化学生物学教育部重点实验室,北京 100084
摘 要 环草石斛Dendrobium loddigesii Rolfe是中药石斛的源植物之一,以茎入药,具有滋阴清热、益胃
生津的功效。本文采用红外光谱法对不同产地、不同采收期的环草石斛分别进行分析比较。结果显示,不同
产地环草石斛红外光谱中,1 035,1 051,1 078,1 156,1 500,1 511,1 736cm-1等附近峰的相对峰强皆有
显著差异,表明不同产地环草石斛的多糖、酮、酯类等成分的组成和含量有明显差异。在二维相关红外光谱
中,越南、云南、广西、贵州的环草石斛分别有7,8,8,9个自动峰,且广西环草石斛的最强峰在1 220
cm-1附近,不同于其他三个产地样品(980cm-1)。不同采收期环草石斛的红外光谱中,1 034~1 023cm-1主
强峰的波数,(1 617±4)cm-1次强峰的波数以及1 078(1 076,1 079)cm-1峰的有无,皆随季节呈现出明显的
阶段性变化,显示了环草石斛生长过程中所含多糖、酮类等成分积累的阶段性变化规律。应用红外光谱法能
较好把握环草石斛的生长状况,帮助全面了解其成分组成与含量变化,对环草石斛的合理开发与高效利用
有重要意义。
关键词 环草石斛;红外光谱;二阶导数光谱;二维相关红外光谱
中图分类号:R917  文献标识码:A   DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2014)05-1217-05
 收稿日期:2013-07-18,修订日期:2013-10-15
 基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2009BAI74B02-3)和国家自然科学基金项目(30870262)资助
 作者简介:刘文杰,1987年生,北京中医药大学中药学院硕士研究生  e-mail:liuwj1010@126.com
*通讯联系人 e-mail:zrs67@126.com;sunsq@tsinghua.edu.cn
引 言
  中药石斛具有滋阴清热、益胃生津的功效,现代药理研
究也证明石斛具有抗衰老、抗疲劳、抗肿瘤、降低血糖等作
用,在治疗胃肠道疾病和白内障方面也有很好疗效[1]。环草
石斛被公认为是一种优质的药用石斛品种,在传统药材市场
上常以环草石斛作为霍山石斛和铁皮石斛的替代品[2]。环草
石斛是名贵的中药材,也是国家重点保护的濒危物种。长期
以来,由于不合理的采收利用,导致其野生资源濒临枯竭。
《国家重点保护野生药材物种名录》(1987年)和《濒危野生动
植物种国际贸易公约》(CITES)附录Ⅱ中(1975年)均收载环
草石斛,以保护野生环草石斛种质资源。因此,研究不同环
境与不同采收期对环草石斛成分的影响对环草石斛资源的合
理开发和利用具有重要意义。
傅里叶变换红外光谱(FTIR)具有特征性强、取样量小、
简便迅速、准确等特点,在药品的鉴别和质量控制方面发挥
了重要作用[3-5],并开始应用于药品成分组成及其变化的研
究[6,7]。实验采用傅里叶变换红外光谱法对不同产地、不同
采收期的环草石斛进行测定,同时对其成分的变化进行了分
析和研究。
1 实验部分
1.1 样品及试剂
不同产地环草石斛药材于2005年和2006年采自贵州兴
义则戎、广西靖西、云南文山、越南高平;不同采收期环草
石斛药材于2006年和2007年采自贵州省兴义市坡岗村,经
阎玉凝教授鉴定为兰科石斛属环草石斛;实验所用试剂均为
分析纯。
分别将样品研磨成粉,采用溴化钾压片法,获得样品的
红外光谱。
1.2 仪器
FTIR红外光谱仪为美国Perkin Elmer公司的Spectrum
GX,DTGS检测器,光谱分辨率4cm-1,测量范围4 000~
400cm-1,扫描信号累加16次,OPD速度为0.2cm-1·
s-1,扫描时实时扣除水和CO2 的干扰。
红外图谱采集及分析采用SpectrumV5.02软件,二阶导
数谱选择13点平滑。另将不同产地样品的压片装入变温附
件,温度程控范围50~120℃,温度从50℃逐步升高,每升
温10℃采集一次红外光谱,经二维相关分析软件处理采集
的变温动态谱即得二维相关红外光谱。
2 结果与讨论
2.1 不同产地环草石斛红外光谱解析
2.1.1 不同产地环草石斛的红外光谱及二阶导数红外光谱
由图1可看出4个样品红外谱图的峰位和峰形相似,均
具有CH3 与CH2 的碳氢不对称伸缩振动峰2 919(2 920)
cm-1峰和对称伸缩振动峰2 850(2 851)cm-1峰,以及1 427
cm-1附近与1 377cm-1附近表示CH2 与CH3 的弯曲振动
峰,但4个样品的峰高不同。这可能与它们的生长环境不同
有关。根据3 400cm-1附近的O—H键的伸缩振动强宽峰及
1 200~1 030cm-1区C—O键的伸缩振动强宽峰,表明环草
石斛中含有多糖。此多糖中既包括纤维素,也包括水溶性多
糖。
Fig.1  FTIR spectra of DRs originated from a Wenshan,
Yunnan,b Cao Bang,Vietnam,c Jingxi,Guangxi and d
Xingyi,Guizhou
  4个样品在1 075~1 035cm-1附近峰的高低各有不同,
这可能是样品中所含多糖的组成和含量不同造成的。1 750
~1 700cm-1波数范围内为酮或酯键的 C O 特征吸收峰,
具体峰位随C原子连接基团的不同而变化。结合图2越南高
平环草石斛在1 736cm-1附近的峰最高,说明其酯类化合物
的含量较高,而广西靖西的样品在此处的峰一分为二(图2),
且强度几乎相等,说明其酯类化合物的种类可能更多且复杂。
  在1 800~1 400cm-1波数范围内,4个不同产地环草石
斛的二阶导数谱图差别更为明显。广西靖西和越南高平环草
石斛都有1 717cm-1峰,还都具有1 516和1 507cm-1两个
等强度的峰,可与另两个产地的环草石斛区别开来。广西靖
西环草石斛中有1 747和1 738cm-1两个等强度的峰,且
1 559和1 541cm-1峰强度相当,而越南高平1 559cm-1峰低
于1 541cm-1峰,故可将二者区分开。云南文山1 543cm-1
峰强度明显低于贵州兴义则戎1 542cm-1峰,而云南文山
1 621cm-1峰低波数区域又有一等强度的1 610cm-1峰,故
又可将此二者区分开。
Fig.2 Second derivative infrared spectra of DRs originated
froma Wenshan,Yunnan,b Cao Bang,Vietnam,c
Jingxi,Guangxi and d Xingyi,Guizhou
2.1.2 不同产地环草石斛的二维相关红外光谱
图3中,4个产地的环草石斛在890,950,980,1 140,
1 220cm-1处均有自动峰,但峰强有所不同。广西靖西环草
石斛自动峰谱中的最强峰为1 220cm-1,而其他产地样品的
最强峰均为980cm-1。贵州兴义则戎样品的890cm-1与950
cm-1自动峰相对于其他产地较弱,而其他3个产地之间强度
相当;广西靖西样品的1 140和1 220cm-1自动峰远远强于
其他3个产地,云南文山次之,越南高平与贵州兴义则戎相
当,为最低。除此之外,越南高平环草石斛有1 070和1 090
cm-1自动峰;云南文山环草石斛有1 070,1 100,1 120cm-1
自动峰;广西靖西环草石斛有1 070,1 100,1 200cm-1自动
峰;贵州兴义则戎环草石斛有1 080和1 110cm-1自动峰;
且云南文山环草石斛的1 100cm-1峰强于广西靖西。以上分
析进一步表明了不同产地环草石斛糖(苷)类成分的不同。
Table 1 Auto-peaks of 2D-IR spectra of DRs
from different regions
样品 自动峰/cm-1
(a)越南高平DR  890,950,980,1 070,1 090,1 140,1 220
(b)云南文山DR  890,950,980,1 070,1 100,1 120,1 140,1 220
(c)广西靖西DR  890,950,980,1 070,1 100,1 140,1 200,1 220
(d)贵州兴义则戎DR 890,950,980,1 040,1 060,1 080,1 110,1 140,1 220
  由上面的分析可以看出,4个产地的环草石斛成分之间
存在差异,通过三级红外谱图比较,考察了地理环境和气候
条件的不同对药材成分积累的影响。
2.2 不同采收期环草石斛红外光谱解析
2.2.1 2月—5月份环草石斛红外光谱解析
二年生环草石斛2月—5月份样品的红外谱图很相似
(图4),最强峰都在低波数1 027~1 023cm-1,且在其高波
数区域有一个小尖峰1 078(1 079)cm-1峰。
从图5中的二阶导数红外谱图可以看出,2月—3月份
样品都具有1 736(1 735)cm-1尖峰;4月—5月份样品具
1 739(1 741)cm-1钝峰。3月份样品有明显的1 653cm-1峰,
且其1 560cm-1峰的强度大于2月份1 559cm-1峰的强度。
8121 光谱学与光谱分析                    第34卷
5月份样品具有1 563cm-1小尖峰。通过以上谱图特征,可
将2月—5月份的环草石斛区分开,这说明,虽然环草石斛
在2月—5月的生长规律相似,但其生长代谢仍影响了其各
成分的积累,尤其是糖类的积累。
Fig.3 2DCOS IR spectra of DRs originated from(a)Wenshan,Yunnan,(b)Cao Bang,
Vietnam,(c)Jingxi,Guangxi and(d)Xingyi,Guizhou
Fig.4 FTIR spectra of DRs harvested in aFebruary,
b March,c April and d May
Fig.5 Second derivative infrared spectra of DRs harvested in
aFebruary,b March,c April and d May
2.2.2 6月—9月份环草石斛红外光谱解析
二年生环草石斛6月—9月份样品的红外谱图很相似
(图6),最强峰均在高波数,为1 034cm-1。由图6与图4中
1 200~1 030cm-1波段的比较可知,6月—9月份样品的石
斛多糖组成与含量与2月~5月份有明显不同。
Fig.6 FTIR spectra of DRs harvested in aJune,
bJuly and c September
Fig.7 Second derivative infrared spectra of DRs harvested
in aJune,bJuly and c September
9121第5期                    光谱学与光谱分析
  由图7中二阶导数谱图的分析比较可知,6,7,9月份样
品在1 750~1 736和1 433~1 420cm-1两个波段内的峰形
和峰强有明显差别,且6月份样品有明显的1 500cm-1峰,7
月份样品有较强的1 558和1 541cm-1峰,因此可将三者区
分开。
2.2.3 10月—1月份环草石斛红外光谱解析
由二年生环草石斛10月—1月份样品的红外谱图(图8)
可知,除12月份外,其他月份样品的最高峰波数1 031
(1 034)cm-1,且10,11,12月份的最强峰有一个很弱的
1 078(1 076,1 079)cm-1肩峰。
Fig.8 FTIR spectsa of DRs harvested in aOctober,b Novem-
ber,c December and dJanuary in the next year
Fig.9 Second derivative infrared spectra of DRs harvested in a
October,b November,c December and dJanuary in the
next year
  由图9中的二阶导数谱图分析比较可知,10月—11月
份样品谱图相似,1 738cm-1峰左侧都有一强度相近的峰,
其中10月份1 568和1 558cm-1峰强度相当,可与11月份
相区别;12月—1月份样品谱图相似,其中12月份1 559
cm-1峰强度低于1 589cm-1峰,而1月份1 558和1 591
cm-1峰强度相当。根据以上谱图特征,可将10月—1月份样
品区分开。
11份不同采收期环草石斛的一维红外谱图中,一些共
有吸收峰的峰位(波数)随采收期的不同(生长期增加)表现出
规律性的变化。对于(1 617±4)cm-1次强峰,在2月—4月
范围内,随生长期增加,峰的波数递增(1 615,1 619,1 621
cm-1),5月份以后,波数递减(1 620,1 619,1 617,1 615
cm-1),10月—12月保持稳定的波数1 614cm-1,次年1月
份稍有增加为1 617cm-1。对于(1 034~1 023)cm-1主强峰,
在2月—4月范围内,随生长期增加,峰的波数递减(1 027,
1 024,1 023cm-1),5月份以后,波数增加而后保持较稳定
的波数1 034cm-1(除10月,12月份略有减小)。
二年生环草石斛药材生长过程中多糖含量也有明显变
化,2月—4月逐渐降低,4月—5月份含量较低,之后又逐
渐增高,10月—12月份达到最高。这与主强峰和次强峰的
规律性变化有一定相关性,因此不同采收期环草石斛的红外
谱图也可反映出其内部有效成分积累的变化规律。
3 结 论
  通过对不同产地及不同采收期环草石斛的红外光谱分
析,可知不同产地的环草石斛在其成分组成和含量上有着明
显差异,而不同采收期的环草石斛红外光谱变化较为规律,
阶段性明显,由此可推断出环草石斛的生长阶段,并利用不
同生长阶段各有效成分含量的不同指导其合理采收和高效利
用。研究表明红外光谱法应用于环草石斛药材的鉴别与质量
控制具有整体、快速、无损的特点,其指纹图谱是一种综合
的、宏观的鉴别手段,专属性强,重复性好,能较好把握环
草石斛的生长状况,对全面了解环草石斛的成分组成和含量
有一定帮助。通过此研究可看出,红外光谱法还可更深入的
应用于环草石斛资源的合理开发与高效利用。
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0221 光谱学与光谱分析                    第34卷
Study on Dendrobium Loddigesi Rolfes from Different Regions and
Harvest Periods by FTIR
LIU Wen-jie1,SUN Zhi-rong1*,XU Chang-hua2,SUN Su-qin2*,WEI Xin-xin1,CHEN Long1,DU Yuan1
1.Colege of Traditional Chinese Medicine,Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100102,China
2.Key Laboratory of Bioorganic Phosphorous Chemistry and Chemistry Biology (Ministry of Education),Department of
Chemistry,Analysis Center,Tsinghua University,Beijing 100084,China
Abstract Infrared Spectroscopy(IR)integrated with two dimensional correlation infrared spectroscopy(2DCOS IR)was em-
ployed to rapidly discriminate Dendrobium loddigesii Rolfes(DR)from different regions and harvesting periods.The results
showed that the IR peaks around 1 035,1 051,1 078,1 156,1 500,1 511and 1 736cm-1 had perceptible differences among
DRs from different regions,indicating that different DRs containing remarkable different compositions and contents of polysac-
charides,ketones and esters.2DCOS IR spectra of DRs from Vietnam,Yunnan,Guangxi,Guizhou each had seven,eight,
eight,nine auto peaks,respectively;furthermore,DRs from Guagnxi had the strongest peak in 1 220cm-1,which was distin-
guish to those of other DRs(980cm-1).In the IR spectra of DRs from different harvest seasons,the wave number of key peaks
in(1 034~1 023)cm-1,the wave number of minor peaks in(1 617±4)cm-1,as wel as the presence of peaks in 1 078(1 076,
1 079)cm-1,showed obvious periodic changes with the seasons,which indicated the accumulation of polysaccharides and ketones
from DRs displayed an evident periodic variability discipline.The application of FTIR in DRs could facilitate acquiring their
growth conditions,composition and content changes,which would be significant in rational exploitations and utilizations of DR.
Keywords Dendrobium loddigesii rolfe;Infrared spectroscopy;Second derivative spectra;Two-dimensional infrared spectros-
copy
(Received Jul.18,2013;accepted Oct.15,2013)  
*Corresponding author
1221第5期                    光谱学与光谱分析