基于紅外光譜法結(jié)合SIMCA模式識別不同產(chǎn)地三七

姜亦南，藺明煊，何帥，丁永勝，郭麗萍，石晉麗,陳建波

(1.北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院，北京 100029；2.北京中醫(yī)藥大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 102488)

三七Panaxnotoginseng(Burk.)F.H.Chen又名田七、人參三七、參三七等，是五加科植物三七的干燥根及根莖[1]，能夠散瘀止血，消腫定痛，用于咯血、吐血、衄血、便血、崩漏、外傷出血、胸腹刺痛和跌撲腫痛等，是我國傳統(tǒng)珍貴藥材[2]。近年來，由于三七需求量增大，由原來道地產(chǎn)區(qū)云南文山向新產(chǎn)區(qū)擴(kuò)展，且三七用法多為粉末沖服，目前市場上三七粉產(chǎn)品種類繁多，很難直觀判斷其質(zhì)量優(yōu)劣，且價格差異明顯，無法保證其質(zhì)量。因此，構(gòu)建一種對鑒別三七產(chǎn)地簡單易行的方法具有重要的理論和實(shí)踐意義。

目前，性狀鑒別、薄層色譜分析、紫外分光光度法、指紋圖譜等三七的傳統(tǒng)鑒別方法多用于真?zhèn)舞b別[3-5]。近紅外(near infrared reflectance spectroscopy，NIRS)技術(shù)作為一種高效綠色分析新技術(shù)[6]，具有檢測速度可達(dá)到秒級，可直接對固體粉末、飲片等進(jìn)行定性及定量分析等特點(diǎn)，在我國中藥分析領(lǐng)域取得了較快的發(fā)展[7]。近紅外技術(shù)在鑒定三七方面的研究多偏向于含量測定和真?zhèn)舞b別，如閆珂巍[8]等采集三七近紅外光譜，建立三七皂苷的近紅外定量分析模型，快速準(zhǔn)確地對三七中3種皂苷的總含量進(jìn)行預(yù)判，為三七藥材質(zhì)量的快速檢驗(yàn)提供依據(jù)；張延瑩[9]等共采集了289份三七以及其他市面上經(jīng)常作為偽品藥材的近紅外光譜圖，建立了一種新的三七以及其偽品的鑒別方法，為三七藥材的質(zhì)量監(jiān)控提供科學(xué)依據(jù)。但目前尚無一種簡單快速利用近紅外光譜區(qū)分不同產(chǎn)地三七的研究，因此本次實(shí)驗(yàn)利用傅里葉變換紅外光譜法并結(jié)合具有模式識別技術(shù)的SIMCA法對10個不同產(chǎn)地的三七進(jìn)行鑒別分析，結(jié)果表明該方法可對不同產(chǎn)地三七進(jìn)行準(zhǔn)確快速鑒別，為中藥材鑒別提供了一種簡便、快速、準(zhǔn)確的鑒定方法。

1 材料

1.1 樣品來源

樣品來源：樣品收購于文山、師宗、百色等10個不同產(chǎn)地(見表1)，每個產(chǎn)地各5個批次，共50個批次樣品，經(jīng)北京中醫(yī)藥大學(xué)石晉麗教授鑒定均為三七Panaxnotoginseng(Burk.)F.H.Chen的干燥根及根莖。

表1 三七藥材產(chǎn)地與來源

1.2 儀器設(shè)備參數(shù)

采用Nicolet Antaris傅里葉近紅外光譜儀，配有積分球漫反射采樣系統(tǒng)，測定范圍10 000～4 000 cm-1，掃描次數(shù)64次，光譜分辨率4 cm-1。

2 方法

2.1 三七樣品的制備

樣品制備：將10個產(chǎn)地共50個批次三七樣品分別用粉碎機(jī)粉碎，粉碎過后的樣品過6號篩(100目)，至于真空袋中密封，備用。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

取少量三七粉末置于樣品杯中，充分壓實(shí)，直接置于積分球樣品窗口處，采集樣品的原始光譜，掃描過程中實(shí)時扣除二氧化碳和水蒸氣的干擾，每份樣品重新裝樣連續(xù)采集3次，共150份光譜信息。

數(shù)據(jù)處理方法：采用PerkinElmer AssureID軟件建立SIMCA識別模型。

3 結(jié)果

3.1 不同產(chǎn)地三七的近紅外光譜圖

測定結(jié)果如圖1所示，為不同產(chǎn)地三七的近紅外平均光譜圖，從圖譜中可以看出不同產(chǎn)地三七的譜圖極其相似，很難從峰的形狀、強(qiáng)度以及位置等信息中直觀對其進(jìn)行鑒別區(qū)分。為通過數(shù)學(xué)處理建立可靠的應(yīng)用模型，可以對樣品的原始光譜進(jìn)行預(yù)處理。

圖1 10個產(chǎn)地三七近紅外平均光譜

3.2 光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理

為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每個樣品進(jìn)行3次重復(fù)。進(jìn)行粉末樣品近紅外漫反射光譜采集時，存在以下因素，如不均勻、光散射、光程無法保持恒定等[10-11]，因此在建立近紅外模型之前，常運(yùn)用化學(xué)計量學(xué)軟件對樣品原始光譜進(jìn)行預(yù)處理，有利于模型的優(yōu)化。本實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)正則變換(SNV)歸一化對光譜進(jìn)行預(yù)處理來消除這些因素的干擾，提高建模的預(yù)測精準(zhǔn)性和穩(wěn)定度[12-13]。

注：上圖為未經(jīng)處理的光譜圖，下圖為經(jīng)SNV預(yù)處理后的光譜圖圖2 SNV處理前后的光譜圖

3.3 云南、廣西三七近紅外光譜圖比較

兩省份三七近紅外光譜圖比較以具有代表性的云南文山與廣西百色為例，圖3為云南文山與廣西百色峰型對比，發(fā)現(xiàn)7 000～5 300 cm-1，9 000～7 100 cm-1處峰強(qiáng)有明顯差異，云南文山光譜圖明顯高于百色，表明在光譜預(yù)處理后可通過建立模型達(dá)到有效區(qū)分產(chǎn)地的目的。

注：A：文山； B：百色 圖3 文山與百色近紅外光譜對比圖

3.4 不同產(chǎn)地三七近紅外光譜模式識別

本實(shí)驗(yàn)利用有監(jiān)督的模式識別方法SIMCA法對所收集到的50個樣品光譜信息進(jìn)行分析，判斷近紅外指紋圖譜快速鑒別三七產(chǎn)地的效果。

SIMCA法通過分別針對每類樣本建立類模型，類模型建好后，對實(shí)驗(yàn)的樣本計算其到各類模型的SIMCA距離，根據(jù)SIMCA距離判別該樣本屬于某一類，或歸于新類由SIMCA距離進(jìn)行判別[14-16]。

3.4.1 類間距

在用SIMCA進(jìn)行聚類分析中，聚類效果的好壞一般由聚類中心之間的距離(類間距)來評價，而聚類結(jié)果好壞的關(guān)鍵是合適特征的選取[17-19]。得到類間距的數(shù)值后，數(shù)值越大表明類與類之間差異越明顯。本實(shí)驗(yàn)中不同產(chǎn)地三七樣品的類間距如下表2 所示，由表可看出各類間距值均較大，表明不同產(chǎn)地三七樣品分離度良好。

3.4.2 識別率與拒絕率

識別率與拒絕率是反映類模型之間聚類可信度。識別率為考察某類樣品有多少落在該類模型的區(qū)域內(nèi)，拒絕率為考察某類樣品對于其他不屬于該類的樣品的拒絕程度。當(dāng)兩個值都為100%時，表明兩類樣品之間沒有重疊，可以較好的將其聚類分開[20-22]。表3為不同產(chǎn)地三七樣品的識別率與拒絕率，由表可看出不同產(chǎn)地三七的樣品的識別率和拒絕率均達(dá)到100%，表明不同產(chǎn)地三七有較好的分離度。

表2 不同產(chǎn)地三七樣品間距表

表3 不同產(chǎn)地三七樣品的識別率與拒絕率

4 討論

通過對原始光譜分析發(fā)現(xiàn)，并不能從原始圖譜上直接區(qū)分不同產(chǎn)地三七。對光譜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正則變換(SNV)歸一化預(yù)處理以期減少近紅外漫反射光譜采集時存在不均勻、光散射、光程無法保持恒定等影響，進(jìn)一步使用具有模式識別技術(shù)的SIMCA法進(jìn)行分析，根據(jù)類間距、識別率與拒絕率等兩方面數(shù)據(jù)得到分類結(jié)果，十個產(chǎn)地三七藥材的類間距均較大表明十個產(chǎn)地三七分離度良好，且識別率和拒絕率都達(dá)到了100%，即可有效區(qū)分不同產(chǎn)地三七，結(jié)果發(fā)現(xiàn)本研究所采用傅里葉變換近紅外光譜法并結(jié)合具有模式識別技術(shù)的SIMCA法區(qū)分不同產(chǎn)地三七快速、準(zhǔn)確、簡單可靠，為中藥材產(chǎn)地鑒別提供了一種快速、簡便、準(zhǔn)確的鑒別方法。

由于實(shí)驗(yàn)收集樣品只有10個產(chǎn)地，已包含兩個不同省份，卻并沒有完全涵蓋所有三七產(chǎn)地，未能建立一套完整的涵蓋所有三七產(chǎn)地的近紅外數(shù)據(jù)庫。但在所收集到的樣本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，通過本研究采用的方法可以快速準(zhǔn)確的鑒別不同產(chǎn)地三七。

由于近紅外在含量測定以及在復(fù)雜體系的評價鑒別中更有效，成為近年來發(fā)展快速的熱門技術(shù)，本次實(shí)驗(yàn)利用近紅外技術(shù)，達(dá)到區(qū)分不同產(chǎn)地三七的目的，說明近紅外光譜法可以作為區(qū)分不同產(chǎn)地藥材的高效、簡便、快速的方法。采用近紅外光譜法結(jié)合SIMCA模式識別技術(shù)能夠快速對藥材產(chǎn)地區(qū)分進(jìn)行鑒別研究，為中藥材產(chǎn)地區(qū)分研究提供了科學(xué)理論依據(jù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。