月季花的二維相關(guān)紅外光譜研究

摘要：利用傅里葉紅外光譜（FTIR）技術(shù)、化學(xué)計量學(xué)（主成分分析、聚類分析）結(jié)合二維相關(guān)紅外光譜對不同品種月季花進行鑒別分析。不同品種的月季花瓣的紅外光譜整體相似，主要由脂類、苷類及多糖類化合物的振動吸收組成。二階導(dǎo)數(shù)光譜在1 800～700 cm-1區(qū)域有較大差異，選取該范圍二階導(dǎo)數(shù)光譜用SPSS軟件實現(xiàn)主成分分析（PCA）以及系統(tǒng)聚類分析（HCA）。主成分分析中，前3個主成分占總方差的獻率為97.40%；系統(tǒng)聚類分析中，每一種月季花各自聚為一類，準(zhǔn)確率達到100%。在二維相關(guān)光譜中，在1 330～1 700 cm-1和950～1 300 cm-1范圍內(nèi)，不同品種月季花的自動峰、交叉峰的強度和位置具有顯著的差異。結(jié)果表明，應(yīng)用傅里葉紅外光譜技術(shù)、化學(xué)計量學(xué)及二維相關(guān)紅外光譜技術(shù)可以快速有效的區(qū)分不同品種的月季。

關(guān)鍵詞：傅里葉紅外光譜；月季花（Rosa chinensis Jacq.）；聚類分析；主成分分析；二維相關(guān)紅外光譜

中圖分類號：O657.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）19-4995-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.19.024

Discrimination of Chinese Rose by Two-Dimensional Correlation Infrared Spectroscopy

YU Hai-chao，LIU Gang，OU Quan-hong，MA Dian-xu，LI Hui-mei

（School of Physics and Electronic Information， Yunnan Normal University，Kunming 650500，China）

Abstract：Fourier transform infrared（FTIR） spectroscopy，two-dimensional correlation infrared spectroscopy and chemometrics（principal component analysis，hierarchical cluster analysis） was applied to identify Chinese rose.Different varieties of infrared spectroscopy as a whole rose broadly similar，mainly made up of lipids and vibration absorbing compounds composed of polysaccharides. Chinese rose second derivative spectra are quite different in 1 800～700 cm-1 area，select the second derivative spectra of 1 800～700 cm-1 in the region as a major research area combining SPSS software principal component analysis（PCA） and hierarchical cluster analysis（HCA），The classification accuracy of PCA and HCA were 97.40% and 100% respectively.Two-dimensional correlation infrared spectroscopy technology was applied to study Chinese rose. The significant differences in the position，intensity of auto-peaks and cross peaks were observed in the range of 1 330～1 700 cm-1 and 950～1 300 cm-1. It is demonstrated that Fourier transform infrared spectroscopy，two-dimensional correlation infrared spectroscopy and chemometrics is a rapid and effective method for discriminating Chinese rose.

Key words： FTIR； Chinese rose； principal component analysis； hierarchical Cluster analysis； two-dimensional correlation infrared spectroscopy

月季花（Rosa chinensis Jacq.），屬薔薇科（Rosaceae），被子門植物，素有“花中皇后”的美稱，廣泛用于園藝美化?；ㄉ兄旒t、大紅、鮮紅、粉紅、金黃、橙黃、復(fù)色、潔白等八大色系。月季花具有很高的觀賞價值，劉林幸[1]對月季花在園林中的應(yīng)用作了研究；孟小華等[2]對薔薇科植物的實名辨析以及在園林中的應(yīng)用作了研究，月季應(yīng)用于園林綠化，給人以賞心悅目的視覺享受。月季花瓣和根均可入藥，可以治療創(chuàng)傷性病痛、筋骨疼痛、跌打損傷以及傷腰膝腫痛。迄今，已對月季的化學(xué)成分進行了研究，王蕾等[3]對月季花的抗氧化活性及主要成分作了研究，其萃取液表現(xiàn)出了良好的抗氧化活性功效，而且不同月季花的抗氧化活性具有顯著差異；張沛等[4]采用色譜分離技術(shù)對月季花化學(xué)成分進行了研究，表明了月季花中含有脂類、糖類等化合物；王浩江等[5]利用比色法對月季花中的黃酮含量進行了測定。目前紅外光譜技術(shù)已用于植物的分類鑒別研究，如邱璐等[6]已用傅里葉紅外光譜技術(shù)結(jié)合主成分分析將薔薇科植物的親緣關(guān)系進行了研究。

二維相關(guān)紅外光譜引入了外界微擾，將光譜信號擴展到第二維上以提高光譜分辨率，已應(yīng)用于植物種類鑒別，如Choong等[7]用傅里葉紅外光譜和二維相關(guān)紅外光譜對靈芝做了檢驗；馬芳等[8]采用二維相關(guān)紅外光譜對不同產(chǎn)地茯苓皮進行了研究；周志琴等[9]用二維相關(guān)紅外光譜檢測食用植物油品質(zhì)。

紅外光譜（傅里葉紅外光譜、二維相關(guān)紅外光譜）技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)分析鑒定月季花品種的報道極少。蔡芳等[10]曾用紅外光譜法對藥用玫瑰的真?zhèn)芜M行辨別研究。本研究用紅外光譜技術(shù)、化學(xué)計量學(xué)分析及二維相關(guān)紅外光譜對不同種類的月季花進行了鑒別研究。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

試驗所用光譜儀為美國PerkinElmer公司生產(chǎn)的Frontier型傅里葉變換紅外光譜儀，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為16次；變溫附件為EUROTHERM 3216型溫控儀，測試溫度范圍50～120 ℃。

1.2 試驗材料

所測試花瓣樣品于2015年3月采自昆明市斗南花卉基地，見表1。將樣品風(fēng)干，取干燥花瓣樣品放入瑪瑙研缽中研磨，加入溴化鉀攪磨均勻，壓片測紅外光譜。

1.3 光譜預(yù)處理及數(shù)據(jù)分析

所得到光譜均扣除背景，光譜處理使用OMNIC 8.0，進行基線校正、5點平滑處理、縱坐標(biāo)歸一化處理；利用Origin 8.5軟件進行原始、二階導(dǎo)數(shù)光譜數(shù)據(jù)處理；運用SPSS軟件處理實現(xiàn)化學(xué)計量學(xué)分析，包括主成分分析（PCA）和系統(tǒng)聚類分析（HCA）；并采用清華大學(xué)分析中心編制的二維相關(guān)軟件進行二維相關(guān)光譜處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 月季花的紅外光譜分析

圖1為六種月季花的原始光譜圖。圖譜的形狀大致相似，3 400 cm-1附近出現(xiàn)一個較寬的吸收峰，主要為羥基和氨基伸縮振動吸收；2 928 cm-1為亞甲基C-H的反對稱振動；1 731 cm-1附近的吸收峰歸屬為脂類中C=O伸縮振動[11]；1 700～1 600 cm-1范圍主要為蛋白質(zhì)酰胺I帶C=O伸縮振動及芳香環(huán)骨架吸收振動的疊加區(qū)[12]；1 625 cm-1附近的吸收峰表明黃酮及苷類化合物的存在[13]；1 511 cm-1附近的峰為芳香環(huán)骨架的振動吸收；1 500～1 200 cm-1區(qū)域表現(xiàn)為蛋白質(zhì)、木質(zhì)素、脂肪酸和多糖的混合振動吸收區(qū)；1 446 cm-1附近的吸收峰為花色苷類物質(zhì)中CH3基團不對稱變形振動以及氨基酸等化合物中的N-H變形振動的疊加峰[14，15]；1 440～1 400 cm-1范圍為蛋白質(zhì)、纖維素中甲基和亞甲基對稱彎曲振動及CH3剪式振動的吸收區(qū)[16]；1 247 cm-1附近是木質(zhì)素中苯羥基和羥酸類中C-O鍵的吸收振動疊加峰[17]；1 200～950 cm-1范圍內(nèi)主要是多糖的吸收區(qū)；900～760 cm-1主要為糖類的吸收區(qū)[18]。綜上所述，月季花花瓣光譜主要由脂類、苷類、多糖及黃酮類化合物的吸收帶組成。

2.2 二階導(dǎo)數(shù)分析

一些重疊在一起的吸收峰在二階導(dǎo)數(shù)譜上可以被清晰地劃分開，便于分析。圖2是6種月季花二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜圖，從圖中可以看出，在1 700、1 667、1 636 cm-1附近，c中出現(xiàn)較強的吸收峰，而其他的月季花吸收峰較弱；1 184 cm-1附近，b、f出現(xiàn)較弱的吸收峰，a、c、d、e未出現(xiàn)吸收峰；在1 052 cm-1附近，a、b、f有吸收峰的出現(xiàn)，c、d、e未出現(xiàn)吸收峰；在1 040 cm-1附近，b、f有較弱的吸收峰，其余的吸收峰較強；在834、760 cm-1附近，c有較強的吸收峰，其余的較弱，表明糖的含量有差異。從吸收峰的強弱來看，不同品種的月季花樣品中脂類、苷類、黃酮、糖等的含量有差異。

2.3 主成分分析

對6種月季花1 800～700 cm-1范圍的二階導(dǎo)數(shù)光譜做主成分分析。得到6種月季花的三維立體主成分得分圖，如圖3：其中PC1占總方差的貢獻率為88.17%，PC2占總方差的貢獻率為7.14%，PC3占總方差的貢獻率為2.08%，前3個主成分的累計貢獻率達到97.40%，涵蓋了樣品中的大部分信息。在圖3中，橫、縱、豎坐標(biāo)分別表示3個主成分得分值，從圖中可以看出，大桃紅、粉玫瑰、黑玫瑰等玫瑰各自聚為一類，粉玫瑰分布和其他的玫瑰相比有點分散，但是每一個品種各自都聚到一起，整體效果比較好，分類正確率達100%。以上說明前3個主成分對6種不同品種月季花有較好的分類作用。

2.4 系統(tǒng)聚類分析

聚類分析是對研究對象進行分類的一種方法，利用距離表示樣本之間的相似性，距離越近則越相似，容易聚在一起。該研究采用歐氏距離平方和計算法：dij=對30個月季花樣品系統(tǒng)聚類分析結(jié)果如圖4所示，選用1 800～700 cm-1范圍二階導(dǎo)數(shù)譜，并使用SPSS軟件對該區(qū)域進行系統(tǒng)聚類分析，可以看出：在距離3以內(nèi)月季花各自聚成一類；在距離5左右，蝴蝶玫瑰和淺粉玫瑰很好的聚集到了一起，說明親緣關(guān)系很接近；在距離20左右所有月季花品種聚為一類。該聚類分析中，聚類準(zhǔn)確率為100%。結(jié)果表明系統(tǒng)聚類分析對6種月季花具有很好的分類作用。

2.5 二維相關(guān)譜分析

二維相關(guān)紅外光譜是利用外界微擾，將原始光譜在第二維上展開，以溫度為微擾因素獲取變化圖譜，并反映出被測樣品隨升溫變化過程中主體相似成分的動態(tài)變化規(guī)律，提高了紅外譜圖的分辨率[19-21]，而且提供了官能團之間結(jié)構(gòu)信息的相關(guān)性，可用于鑒別和研究物質(zhì)成分或基團之間的相互作用。二維相關(guān)紅外光譜同步譜中處于主對角線位置上的峰稱為自動峰，反映樣品中各化學(xué)基團對熱微擾的敏感程度，對熱微擾越敏感，自動峰強度越強。非主對角線位的峰稱為交叉峰，反映官能團之間可能存在著分子內(nèi)或分子間的相互作用。對樣品進行二維相關(guān)紅外光譜分析，得到1 330～1 700 cm-1和950～1 300 cm-1的范圍內(nèi)的二維光譜如圖5、圖6所示。2D-IR光譜表明，6種樣品的自動峰和交叉峰差異很大。

圖5為6種月季花在1 330～1 700 cm-1范圍的二維相關(guān)光譜，大桃紅和粉玫瑰分別出現(xiàn)了3個明顯的自動峰，大桃紅在1 627、1 558和1 449 cm-1處，其中1 627 cm-1處最強，形成的正交叉峰是（1 558， 1 627 cm-1），（1 449，627 cm-1）和（1 449，1 558 cm-1）；粉玫瑰在1 639 cm-1自動峰最強，1 559 cm-1和1 448 cm-1處較弱，各自動峰互相形成正交叉峰，其中（1 559， 1 639 cm-1）和（1 448，1 639 cm-1）最強；黑玫瑰1 628 cm-1處自動峰最強，1 448 cm-1其次，1 551、1 420、 1 400和1 359 cm-1處自動峰最弱，并且1 628、1 551、1 420 cm-1等自動峰之間形成明顯的正交叉峰，其中（1 448，1 628 cm-1）最強；蝴蝶玫瑰在1 619和1 449 cm-1處的自動峰最強，1 420和1 349 cm-1處自動峰最弱，并且1 639、1 619、1560、1 449、1 420和1 349 cm-1等自動峰之間形成明顯的正交叉峰，其中（1 449， 1 639 cm-1）、（1 449，1 619 cm-1）和（1 449，1 560 cm-1）最強；淺粉玫瑰1 639 cm-1處自動峰最強，1 449 cm-1處較強，出現(xiàn)在1 639、1 558、1 418和1 349 cm-1處的自動峰最弱，1 639、1 558和1 449 cm-1等自動峰之間形成明顯的正交叉峰，其中（1 449，1 639 cm-1）最強；維西莉亞在1 640和1 619 cm-1處自動峰最強，1 449 cm-1處自動峰較弱，1 406 cm-1處自動峰最弱，其中1 640、1 619和1 449 cm-1等自動峰之間形成明顯的正交叉峰，其中（1 449，1 640 cm-1）和（1 449， 1 619 cm-1）交叉峰最強。

圖6為6種月季花在950～1 300 cm-1范圍的二維相關(guān)紅外光譜，大桃紅和粉玫瑰均有1 257、1 149、1 100、1 079、1 060和1 010 cm-1自動峰出現(xiàn)，但是粉玫瑰988 cm-1的自動峰幾乎消失，大桃紅和粉玫瑰在以上自動峰均有明顯的正交叉峰出現(xiàn)；黑玫瑰在1 248 cm-1處的自動峰最強，1 210和1 070 cm-1處的自動峰較強，988 cm-1處最弱，1 248、1 210、 1 150 cm-1等自動峰之間形成正交叉峰，其中（1 070， 1 248 cm-1）和（1 071，1 210 cm-1）交叉峰最強；蝴蝶玫瑰在1 070 cm-1處自動峰最強，1 179和1 140 cm-1處最弱，1 250、1 197和1 140 cm-1等自動峰之間形成明顯的正交叉峰，其中（1 010，1 070 cm-1）交叉峰最強；淺粉玫瑰在1 070 cm-1處自動峰最強，1 140 cm-1處最弱，1 250、1 210和1 149 cm-1等自動峰之間形成明顯的正交叉峰，其中（1 018，1 049 cm-1）和（1 018，1 070 cm-1）交叉峰最強；維西莉亞在1 060 cm-1處自動峰最強，1 020和988 cm-1處最弱，1 260、1 150和1060 cm-1等自動峰之間形成明顯的正交叉峰，其中（1 060，1 260 cm-1）交叉峰最強；結(jié)合圖5和圖6可知，6種月季花中所含的熱敏物質(zhì)不同，所以二維相關(guān)光譜中有多處差異，根據(jù)圖譜中自動峰的個數(shù)、強度和位置差異可以對不同品種的月季花進行有效鑒別。

3 討論

通過利用傅里葉紅外光譜技術(shù)、化學(xué)計量學(xué)分析及二維相關(guān)光譜分析對6種不同品種的月季花進行了鑒別。所得到的光譜比較相似，差異比較小，說明不同品種的月季花的化學(xué)成分較為相似，選取1 800～700 cm-1范圍，對該范圍進行二階導(dǎo)數(shù)光譜分析，運用SPSS軟件對其進行主成分分析及系統(tǒng)聚類分析，在主成分分析中，前3個主成分累計貢獻率達到97.40%，對6種不同品種月季花有較好的分類作用；在系統(tǒng)聚類分析中可以明顯地看出月季品種可以很好地各自聚為一類，聚類準(zhǔn)確率達到100%。在二維相關(guān)分析中，根據(jù)圖譜中自動峰和交叉峰的個數(shù)、強度和峰的位置差異可以對月季花種類進行鑒別。綜上研究結(jié)果表明，傅里葉紅外光譜技術(shù)、化學(xué)計量學(xué)分析（主成分分析、系統(tǒng)聚類分析）及二維相關(guān)紅外光譜分析可用來鑒別不同品種的月季，這為以后的其他品種鑒別提供了一種快速、有效、安全、環(huán)保的方法，也對月季花的研究有重要意義。

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