不同產(chǎn)地鎖陽近紅外光譜鑒別分析

馬天翔 顧志榮 馬轉(zhuǎn)霞 孫嵐萍 許愛霞 吳國泰 葛斌

摘要：目的? 研究5個省份鎖陽的近紅外漫反射光譜（NIRDRS）指紋圖譜，為不同產(chǎn)地鎖陽的鑒別提供依據(jù)。方法? 采用NIRDRS指紋圖譜技術(shù)，測定甘肅、新疆、寧夏、內(nèi)蒙古、青海產(chǎn)鎖陽干燥恒重粉末的全成分NIRDRS指紋圖譜，結(jié)合二階導(dǎo)數(shù)光譜、化學(xué)計量學(xué)技術(shù)，快速鑒別鎖陽產(chǎn)地，探究不同產(chǎn)地鎖陽的成分。結(jié)果? 在近紅外吸收范圍內(nèi)，不同產(chǎn)地鎖陽在8408、7327、6846、6360、6013、5785、5189、4698、4386、4317 cm-1處均有較強(qiáng)的振動吸收，表明不同產(chǎn)地鎖陽主要化學(xué)組分構(gòu)成相似。二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜結(jié)合相似度分析和主成分分析結(jié)果表明，不同產(chǎn)地鎖陽成分的差異與地理位置有明顯對應(yīng)性。通過主成分分析可以得出比原始圖譜更多的成分信息，在4150、4260、4340、4660、4940、5330、5680、5880、5980、6110、6470、7190、8320 cm-1處的吸收峰對區(qū)分5個產(chǎn)地鎖陽貢獻(xiàn)較大。結(jié)論? NIRDRS指紋圖譜結(jié)合化學(xué)模式識別能有效鑒別不同產(chǎn)地鎖陽，并為鎖陽的質(zhì)量評價提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鎖陽;近紅外光譜;主成分分析;產(chǎn)地鑒別

中圖分類號：R284.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1005-5304（2020）04-0066-04

DOI：10.3969/j.issn.1005-5304.201904122

Identification Analysis of Cynomorii Herba from Different Producing Areas Based on

Near Infrared Diffuse Reflectance Spectroscopy

MA Tianxiang1， GU Zhirong2， MA Zhuanxia1， SUN Lanping1， XU Aixia2， WU Guotai3， GE Bin2

1. College of Pharmacy， Gansu University of Chinese Medicine， Lanzhou 730000， China; 2. Gansu Provincial Hospital， Lanzhou 730000， China; 3. Gansu Provincial Key Laboratory of Pharmacology and Toxicology of Traditional Chinese Medicine， Lanzhou 730000， China

Abstract： Objective To study the fingerprints of near-infrared diffuse reflectance spectroscopy （NIRDRS） of Cynomorii Herba in five provinces; To provide basis for the identification of Cynomorii Herba from different producing areas. Methods NIRDRS fingerprinting technique was used to determine the full-component NIRDRS fingerprints of Cynomorii Herba dry weight powders from different producing areas in Gansu， Xinjiang， Ningxia， Inner Mongolia and Qinghai. Combined with second derivative spectra and chemometrics techniques， the different producing areas of Cynomorii Herba were quickly identified. The chemical composition of Cynomorii Herba from different producing areas was explored. Results In the near-infrared absorption range， Cynomorii Herba from different producing areas had different vibration absorption at 8408， 7327， 6846， 6360， 6013， 5785， 5189， 4698， 4386， 4317 cm-1， etc.， indicating that main chemical composition of Cynomorii Herba from different producing areas was relatively similar. The results of similarity analysis and principal component analysis of the second derivative showed that the chemical composition of Cynomorii Herba from different producing areas had obvious correspondence with the geographical location. Through principal component analysis， more component information than the original map could be obtained， and absorption at 4150， 4260， 4340， 4660， 4940， 5330， 5680， 5880， 5980， 6110， 6470， 7190， 8320 cm-1， the peak contributed most to the differentiation of the five different producing areas. Conclusion NIRDRS fingerprint combined with chemical pattern identification can effectively identify Cynomorii Herba from different?producing areas， which lays a foundation for the quality evaluation of Cynomorii Herba.

Keywords： Cynomorii Herba; near infrared diffuse reflectance spectroscopy; principal component analysis; identification of producing area

鎖陽又名烏蘭-告亞（蒙藥名）、耶爾買他格（維藥名）、烏蘭瓦都（藏藥名），為鎖陽科植物鎖陽Cynomorium songaricum Rupr.的干燥肉質(zhì)莖[1]。鎖陽含有黃酮類、三萜類、甾體類、有機(jī)酸、糖和糖苷類、鞣質(zhì)類、氨基酸和微量元素等成分[2-3]，是一種極具藥用價值與食用價值的沙生植物，為漢族、蒙古族、維吾爾族和藏族習(xí)用藥材。研究表明，鎖陽具有益智[4]、抗氧化[5]、抗衰老[6]、抗應(yīng)激[7]、抗癌[8]及抗前列腺增生[9]等藥理作用。鎖陽資源主要分布在甘肅、內(nèi)蒙古、新疆、青海、寧夏等地區(qū)的沙漠和半沙漠地帶[10]。產(chǎn)地的生態(tài)因子（包括海拔、溫度、光照和降雨量等）對藥材質(zhì)量有一定影響[11]，因此產(chǎn)地識別對于藥材質(zhì)量評價至關(guān)重要。

近年來，近紅外漫反射光譜（NIRDRS）技術(shù)因其方便、快速、高效、準(zhǔn)確、無損等優(yōu)點(diǎn)，越來越多應(yīng)用于中藥材的鑒定與質(zhì)量評價中。本研究建立鎖陽干燥恒重粉末NIRDRS指紋圖譜，結(jié)合二階導(dǎo)數(shù)光譜、相似性分析、主成分分析（PCA）等化學(xué)計量學(xué)技術(shù)，對不同產(chǎn)地的鎖陽進(jìn)行分析比較，實(shí)現(xiàn)鎖陽產(chǎn)地的分類鑒別，為鎖陽的鑒別和質(zhì)量控制提供依據(jù)。

1? 儀器與試藥

Antaris近紅外光譜儀（美國Thermo Fisher Scientific公司，配有積分球模塊、RESULT3.0光譜采集軟件和TQ Analyst 8.0化學(xué)計量學(xué)軟件），F(xiàn)W80型高速萬能粉碎機(jī)（天津市泰斯特儀器有限公司）。

50批鎖陽樣品，采集于甘肅、內(nèi)蒙古、新疆、青海、寧夏5個省（區(qū)）。所有樣品均經(jīng)甘肅省人民醫(yī)院藥劑科鄭修麗副主任中藥師鑒定為Cynomorium songaricum Rupr.的干燥肉質(zhì)莖。將樣品自然陰干，粉碎至過80目篩，冷藏備用。樣品信息見表1。

2? 方法與結(jié)果

2.1? 指紋圖譜的建立

取鎖陽粉末（60 ℃）干燥恒重，以積分球漫反射方式采集NIRDRS原始光譜數(shù)據(jù)。技術(shù)參數(shù)：掃描范圍10 000～4000 cm-1，分辨率8 cm-1，掃描32次，掃描溫度20 ℃，空氣相對濕度70%，參比為空氣。重復(fù)采集3次，取平均光譜[12]。采用OMNIC Spectra 8.2軟件對采集的光譜進(jìn)行預(yù)處理，優(yōu)化所得最佳方法為基線校正、13點(diǎn)SG平滑濾波及Noise去噪相結(jié)合[13]。繪制NIRDRS指紋圖譜，求取平均光譜及二階導(dǎo)數(shù)光譜。50批樣品NIRDRS指紋圖譜見圖1。

2.2? 光譜解析

采用光譜法分別求取新疆、甘肅、青海、內(nèi)蒙古、寧夏鎖陽樣品NIRDRS指紋圖譜共有模式（平均光譜），見圖2。可見，5種平均光譜的共有模式相似度較大，變化趨勢基本一致，在8408、7327、6846、6360、6013、5785、5189、4698、4386、4317 cm-1附近均出現(xiàn)較強(qiáng)的吸收峰，表明不同產(chǎn)地鎖陽主要化學(xué)組分構(gòu)成相似，可作為鎖陽共有的特征峰。但各峰吸收強(qiáng)度存在一定差異，表明所對應(yīng)成分含量不同，這可能與其地理位置及生長環(huán)境有一定關(guān)系。對5種指紋圖譜共有特征吸收峰進(jìn)行解析[14]：8408 cm-1及7327 cm-1是OH的一級倍頻吸收帶，6846 cm-1是CONH2與OH的一級倍頻吸收帶，6360 cm-1是CH的一級倍頻吸收峰，6013、5785 cm-1是CH2、CH與SH的合頻吸收帶，5189 cm-1是CONH2與OH的合頻吸收帶，4698 cm-1是NH的合頻吸收帶，4386 cm-1及4317 cm-1是CH與CN的合頻吸收帶。

2.3? 二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜分析

二階導(dǎo)數(shù)光譜能夠很好地分辨一維紅外光譜中重疊的吸收峰，增強(qiáng)譜圖的特征性，提高表觀分辨率，確定譜峰的形狀、位置及數(shù)目，可實(shí)現(xiàn)同屬藥材、同種不同產(chǎn)地藥材、亞種以及變種藥材的快速、準(zhǔn)確鑒定[15]。從圖3可以直觀看出，5個不同產(chǎn)地鎖陽的NIRDRS指紋圖譜共有模式的二階導(dǎo)數(shù)光譜圖的主要差異集中在3個區(qū)間。在A區(qū)間（7069～6177 cm-1）內(nèi)，6653 cm-1處新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏樣品有共有峰a，青海樣品與其他產(chǎn)區(qū)差異較大，不具有此吸收峰;在B區(qū)間（5948～5442 cm-1）內(nèi)，新疆、甘肅樣品在5880 cm-1處有共有峰b、5680 cm-1有共有峰d，青海、內(nèi)蒙古、寧夏樣品在5829 cm-1處有共有峰c;在C區(qū)間（4947～4067 cm-1）內(nèi)，新疆樣品在4260 cm-1處有一特征吸收峰e，甘肅、青海、內(nèi)蒙古、寧夏樣品在4150 cm-1處有共有峰f。新疆產(chǎn)鎖陽NIRDRS指紋圖譜共有模式的二階導(dǎo)數(shù)光譜圖與其他產(chǎn)地差別顯著，具有特征吸收峰e;甘肅產(chǎn)鎖陽與其他產(chǎn)地鎖陽較為相似，不僅與新疆產(chǎn)鎖陽有共有峰a、b、d，同時與青海、內(nèi)蒙古、寧夏產(chǎn)鎖陽有共有峰f;青海、內(nèi)蒙古、寧夏產(chǎn)鎖陽較為相似，吸收峰大致相同。

2.4? 不同產(chǎn)地鎖陽相似度分析

為揭示不同產(chǎn)地鎖陽NIRDRS光譜與地理位置的關(guān)系，采用IBM SPSS 21.0統(tǒng)計軟件對不同產(chǎn)地鎖陽NIRDRS平均光譜進(jìn)行相似度分析，結(jié)果見表2?？梢钥闯觯?個不同產(chǎn)地鎖陽的相似度很高，達(dá)到0.783～0.999，表明不同產(chǎn)地鎖陽質(zhì)量基本穩(wěn)定。甘肅產(chǎn)鎖陽與其他產(chǎn)區(qū)相似度為0.925～0.973，內(nèi)蒙古產(chǎn)鎖陽與其他產(chǎn)區(qū)相似度為0.810～0.958，寧夏產(chǎn)鎖陽與其他產(chǎn)區(qū)相似度為0.783～0.999，青海產(chǎn)鎖陽與其他產(chǎn)區(qū)相似度為0.854～0.973，新疆產(chǎn)鎖陽與其他產(chǎn)區(qū)相似度為0.783～0.925?？梢姡陆a(chǎn)鎖陽與其他各產(chǎn)區(qū)鎖陽相似度較低，內(nèi)蒙古、寧夏、青海產(chǎn)鎖陽較為相似，與二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜所得結(jié)果一致。

2.5? 主成分分析

主成分分析是一種數(shù)據(jù)降維建模方法。為進(jìn)一步考察不同產(chǎn)地鎖陽NIRDIS指紋圖譜的光譜特征差異，采用SIMCA-P13.0統(tǒng)計軟件對經(jīng)過預(yù)處理的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。以主成分PC1、PC2和PC3為坐標(biāo)軸建立三維得分圖（見圖4），3個主成分對分析結(jié)果的貢獻(xiàn)率分別為84.2%、14%和1.2%，累計貢獻(xiàn)率達(dá)99.4%，說明這3個主成分能夠詳細(xì)解釋99%以上的變量信息，分析結(jié)果可反映樣品的真實(shí)情況。經(jīng)主成分分析，5個產(chǎn)地鎖陽樣品達(dá)到了比較理想的區(qū)分效果。從圖4可以看出，所有樣品被劃分為5個區(qū)域，寧夏與青海樣品有一定重合，其他產(chǎn)地樣品各自聚為一類。該結(jié)果與上述分析結(jié)果相一致，因此可用于區(qū)分不同產(chǎn)地鎖陽樣品之間的親緣關(guān)系。

載荷因子是主成分分析中重要變量貢獻(xiàn)的集合，載荷因子的振動特征與分析材料中成分對主成分的貢獻(xiàn)密切相關(guān)，分析載荷因子特征可以更有效地揭示樣品原始光譜中更多的成分信息[16]。為了從主成分分析模型中獲取更多不同產(chǎn)地鎖陽樣品化學(xué)組成差異信息，提取模型的載荷因子，載荷因子圖見圖5。在主成分分析模型中，PC1貢獻(xiàn)率最大，達(dá)84.2%，探討PC1的載荷即可說明不同產(chǎn)地鎖陽成分的差異。由圖5可知，在4150、4260、4340、4660、4940、5330、5680、5880、5980、6110、6470、7190、8320 cm-1處可明顯看出其振動，圖2中一些吸收不靈敏、被寬吸收峰掩蓋的成分信息在圖5中得以體現(xiàn)。

3? 討論

本研究建立了不同產(chǎn)地鎖陽的NIRDRS指紋圖譜共有模式，結(jié)合二階導(dǎo)數(shù)光譜與現(xiàn)代化學(xué)計量學(xué)技術(shù)，不僅可以準(zhǔn)確鑒別不同產(chǎn)地鎖陽，還發(fā)現(xiàn)了區(qū)分不同產(chǎn)地鎖陽的差異波數(shù)。該方法簡便、快速、無損，可實(shí)現(xiàn)大量樣品的快速鑒別。差異波數(shù)分析可為探究不同產(chǎn)地藥材差異性成分提供新的思路。

環(huán)境因子（包括海拔、土壤、光照、水分、溫度等）在中藥材生長過程中影響其代謝產(chǎn)物的合成累積，導(dǎo)致成分含量及種類的差異。本研究樣本來自5個省份，分布地域均屬于沙漠和半沙漠地帶，地域遼闊，自然條件極為復(fù)雜，造成不同產(chǎn)地鎖陽樣品圖譜雖有一定相似性，但又各具特點(diǎn)。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)地鎖陽成分的差異主要為鞣質(zhì)、黃酮、多糖及三萜類物質(zhì)。NIRDRS差異峰所對應(yīng)成分是否為上述物質(zhì)，有待于進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國家藥典委員會.中華人民共和國藥典：一部[M].北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2015：346.

[2] MENG H C， WANG S， LI Y， et al. Chemical constituents and pharmacologic actions of Cynomorium plants[J]. Chinese Journal of Natural Medicines，2013，11（4）：321-329.

[3] CUI Z， GUO Z， MIAO J， et al. The genus Cynomorium in China：An ethnopharmacological and phytochemical review[J]. Journal of Ethnopharmacology，2013，147（1）：1-15.

[4] 田方澤，暢洪昇，周靜洋，等.鎖陽乙酸乙酯提取物對去勢所致老年癡呆大鼠p38、p-環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白的影響[J].中國藥學(xué)雜志， 2015，50（10）：868-871.

[5] WANG F， ZHANG J， LIU Q， et al. polysaccharide isolated from Cynomorium songaricum Rupr. protects PC12 cells against H2O2-induced injury[J]. International Journal of Biological Macromolecules，2016，87（6）：222-228.

[6] 尚林，李建菊，尚軍.鎖陽多糖的抗衰老作用[J].中國老年學(xué)雜志， 2018，38（6）：1458-1460.

[7] 馬素亞，鄭俊超，暢洪昇，等.鎖陽乙酸乙酯提取物改善慢性應(yīng)激小鼠認(rèn)知功能障礙的神經(jīng)保護(hù)機(jī)制[J].天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2017，29（8）：1302-1306.

[8] 楊帆，趙鵬偉，孫鵬，等.鎖陽多糖對肺癌細(xì)胞端粒的影響[J].中國中藥雜志，2016，41（5）：917-921.

[9] TAO R， MIAO L， YU X A， et al. Cynomorium songaricum Rupr demonstrates phytoestrogenic or phytoandrogenic like activities that attenuates benign prostatic hyperplasia via regulating steroid 5-α-reductase[J]. Journal of Ethnopharmacology，2019， 235（7）：65-74.

[10] 黃林芳，謝彩香，陳士林，等.沙生藥用植物鎖陽產(chǎn)地適宜性的定量評價[J].植物學(xué)報，2010，45（2）：205-211.

[11] 唐仕歡，楊洪軍，黃璐琦.論自然環(huán)境因子變化對中藥藥性形成的影響[J].中國中藥雜志，2010，35（1）：126-128.

[12] 顧志榮，張亞亞，丁軍霞，等.近紅外漫反射光譜法快速測定當(dāng)歸中阿魏酸及亞油酸[J].天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2015，27（5）：849-853.

[13] LI W L， QU H B. Determination of total organic carbon and soluble solids contents in Tanreqing，injection intermediates with NIR spectroscopy and chemometrics[J]. Chemometrics & Intelligent Laboratory Systems，2016，152（3）：140-145.

[14] 顧志榮，沈丹丹，許愛霞，等.基于近紅外漫反射光譜指紋圖譜的當(dāng)歸-川芎藥對配伍研究[J].中國中醫(yī)藥信息雜志，2018，25（8）：64-69.

[15] 劉宇，陳文仿，王江瑞，等.紅外光譜結(jié)合化學(xué)計量分析對不同產(chǎn)地瑪咖的鑒別[J].中藥材，2016，39（12）：2733-2737.

[16] 孔德鑫.紅外光譜結(jié)合多元統(tǒng)計方法的不同產(chǎn)地紅根草紅外指紋圖譜比較研究[J].廣西植物，2016，36（8）：937-942.

（收稿日期：2019-04-09）

（修回日期：2019-04-25;編輯：陳靜）

基金項(xiàng)目：甘肅省中藥藥理與毒理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（ZDSYS-KJ-2018-010）;甘肅省中藥質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（ZYZL18-004）

通訊作者：葛斌，E-mail：gjy0630@163.com