近紅外光譜技術鑒別虎掌南星與天南星

陸 丹， 鄧海山， 池玉梅， 吳 皓

(南京中醫(yī)藥大學，江蘇南京 210046)

虎掌南星又名掌葉半夏，為天南星科半夏屬植物掌葉半夏Pinellia pedatisectaSchott的干燥塊莖，味苦、辛，性溫，有毒，歸肺、肝、脾經［1］，具有祛風定驚、降逆止嘔、燥濕化痰、消痞散結的功效［2］，始載于《神農本草經》。天南星為天南星科天南星屬植物，《中國藥典》2010年版收載天南星Arisaema erubescens(Wall.)Schott、異葉天南星、A.heterophyllumB1.、東北天南星A.amurenseMaxim.的干燥塊莖，具燥濕化痰、祛風止驚、散結消腫之功效［3］。兩者同科不同屬，自古應用多混亂，目前臨床更有用虎掌南星混用或替代天南星，本小組曾研究了天南星的薄層色譜鑒別方法，2010年版藥典已引用［3］。本試驗采用上個世紀70年代興起的具有分析過程簡單快速、檢測用量少、靈敏度高、不破壞樣品、不污染環(huán)境等特性的近紅外光譜(NIRS)技術［4－8］，結合聚類分析和主成分分析法，以期提供鑒別兩者更便捷的方法。

1 材料和方法

1.1 儀器與試藥

MPA型傅里葉變換近紅外光譜儀(德國，BRUKEK)，自帶 OPUS軟件，MATLAB7.8 軟件;虎掌南星和天南星藥材購自安徽豐原銅陵中藥飲片有限公司，見表1，經由南京中醫(yī)藥大學藥用植物專家談獻和教授鑒定。

表1 藥材品種及來源Tab.1 Varieties and sources of the samples

1.2 光譜采集方法

樣品機械粉碎，過80目篩，60℃烘12 h，取約2 g于15 mL西林瓶，輕敲使樣品面平整，設置OPUS采集參數:掃描范圍12 500～3 600 cm－1，樣品背景和樣品掃描時間均為32 s，分辨率4 cm－1，樣品恒溫25℃。將近紅外光譜的光纖探頭對準西林瓶底部照射，掃描得樣品的近紅外光譜，重復測定6次，記錄平均光譜。

1.3 數據處理方法

原譜21點平滑后求一階導數，經矢量歸一化(vector normalization)方法預處理，用 OPUS/INDENT定性分析軟件中的沃德法(Ward′s Algorithm)進行聚類分析，用MATLAB7.8軟件進行主成分分析。

2 結果與討論

2.1 測試條件選擇

經分析40目、60目、80目、100目、120目樣品粉末，結果顯示80 目為宜;分別試驗 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g 裝樣量，結果顯示裝樣量大于 1.5 g，光譜穩(wěn)定性好。分別設置16、32、64 s掃描時間，結果表明掃描時間長，掃描次數多，可降低噪音，于32 s為宜。在分辨率 2、4、8、16、32 cm－1下分別分析，結果顯示分辨率4 cm－1為最佳。實驗表明當重復測定超過6次時，所得平均光譜較好。

2.2 光譜預處理

近紅外分析中的誤差主要來自高頻隨機噪音、基線漂移、信號本底、樣品不均勻與光散射等［9］。為消除各種光譜干擾因素，對光譜進行預處理。近紅外光譜在4 000～9 000 cm－1信息含量豐富，選擇此區(qū)域，利用OPUS/QUANT2軟件的11種預處理方法，將虎掌南星和天南星各10批樣品光譜數據進行偏最小二乘法回歸，經內部交叉驗證，建立校正模型，結果顯示，選擇一階導數光譜+矢量歸一化法作為光譜預處理方法，其內部交叉驗證誤差均方根顯示為最小(0.135)，確定系數(R2)為最大(92.73)，虎掌南星和天南星藥材的近紅外光譜和一階導數圖見圖1。

圖1 虎掌南星和天南星光譜圖Fig.1 The spectra of Pinelliae Rhizoma and Arisaematis Rhizoma

2.3 波長范圍選擇［10］

近紅外主要吸收區(qū)域為含氫的各級倍頻和合頻帶，4 000 ～5 000 cm－1為合頻區(qū)，5 000 ～9 000 cm－1為一級倍頻區(qū)，9 000～12 000 cm－1為二級倍頻區(qū)，此區(qū)域譜線漂移嚴重，強度較弱，為末端效應［11］，系統誤差也會使光譜曲線在末端產生較大噪音［9］，故一般不作分析區(qū)域。藥材烘干前后，在波數為5 168 cm－1(1 935 nm)處有吸收差異，因此區(qū)域是O－H伸縮振動一級倍頻區(qū)，為水分吸收敏感區(qū)，此波長區(qū)域也不作為分析范圍。采用一階導數+矢量歸一化法，對藥材近紅外光譜圖進行處理，結合 OPUS/QUANT2定量分析軟件自動優(yōu)化波長范圍，在4 000～9 000 cm－1區(qū)域內考察不同波長范圍對模型的預測能力，結果顯示6 445.2 ～6 098.1 cm－1和4 601.5～4 246.7 cm－1區(qū)域為較佳波段。

2.4 聚類分析［12］

將樣品的近紅外光譜經21點平滑后求一階導數，矢量歸一化法處理后，在選擇的波長范圍采用聚類方法進行分析，結果見圖2。樹狀聚類圖顯示虎掌南星和天南星藥材分別聚為一類，顯示同屬之間更具有相似性，與植物分類一致。

圖2 聚類分析樹圖Fig.2 Dendrogram showing hierachical result

2.5 主成分分析［13］

選取2.3項下優(yōu)化出的特征波長范圍，即從各樣品測得的2307個數據中選擇了184個特征信息點。將各樣品的特征信息點導入MATLAB7.8軟件中，以184個特征點處的近紅外吸收值為變量，通過軟件利用因子分析法進行特征分析，提取出規(guī)律性信息，用特征向量投影至二維平面，得到各樣品在二維平面的主成分得分圖，見圖3。結果顯示，利用第一主成分和第二主成分或者第二主成分和第三主成分作圖，均可將虎掌南星和天南星藥材區(qū)分，主成分得圖上兩屬的藥材彼此分布在不同的區(qū)域，更有顯示同屬或產地相近的天南星藥材在圖上比較接近的趨勢，結果與聚類法分析結果一致。

圖3 虎掌南星和天南星的主成分得分圖Fig.3 PCA score plot of the samples

3 結論

近紅外光譜里包含的藥材信息經聚類分析和主成分分析，很直觀地把虎掌南星和天南星劃分為兩類，表明兩者成分存在差異，符合植物分類，該技術結合模式識別結果準確，方法簡捷可行，可鑒別虎掌南星和天南星。

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