近紅外光譜對中藥材道地性的分析

　　中藥材的道地性是指中藥材的生物活性與其相應的區域性相聯(lián)系的性質(zhì)。固然不同產(chǎn)地的相同種類(lèi)的中藥材樣本的生物活性可能有明顯的不同，但從外貌和某些物理化學(xué)特性(包括分子光譜和化學(xué)組成)來(lái)觀(guān)察，它們可能幾乎沒(méi)有什么區別，使用通常的手段和方法對中藥材的道地性進(jìn)行判別是十分困難的。在化學(xué)分析中，近紅外光譜(NIR)分析技術(shù)具有很多上風(fēng)，特別是它能夠以非破壞方式從樣本獲取分析信息。待測樣本不需要任何預處理，直接放置在NIR反射光譜儀上進(jìn)行光譜測定。利用這個(gè)特性能夠有效地避免因樣品預處理所造成的微量(或次要)組分的損失及組分存在形態(tài)的變化，保證了最大限度地保存不同產(chǎn)地的中藥材樣本之間的微小差異。因此，我們試圖利用近紅外分析技術(shù)研究中藥材的道地性。

　　樣本光譜差異性的信息發(fā)掘平滑是濾除高頻噪聲對信號干擾的有效方法，最常用的是Savisky-Golay卷積平滑法。它的基本思想是假設疊加的噪聲是零均隨機噪聲，取多次丈量值的均勻值，能夠減少噪聲的影響。它是對光譜窗口內的各波長(cháng)點(diǎn)的吸光度按一定權重進(jìn)行線(xiàn)性組合從而確定其平滑光譜，相應的權重通過(guò)多項式對移動(dòng)窗口內的波譜點(diǎn)進(jìn)行最小二乘擬合確定。研究發(fā)現，用光譜窗口的中心點(diǎn)來(lái)評估平滑光譜較為簡(jiǎn)潔且有效。

　　光譜微分有助于抑制背景干擾，顯現化信號，特別是弱信號。單個(gè)或復合的高斯函數一般能夠較好地擬合實(shí)際光譜。

　　顯然，奇數階導數值在峰位處均為零;偶數階導數值則交替地形成谷與峰，呈正負倒翻趨勢。當求導階次n為偶數時(shí)，導數值說(shuō)明求導有利于夸大窄帶。在限定的波長(cháng)區間內，僅容納一個(gè)峰的原譜，經(jīng)n階求導轉換后，變化成容納n1個(gè)峰和谷的圖形。故主峰被窄化，譜帶變銳，這就是應用導數技術(shù)進(jìn)步分辨率的依據。

　　微分可以通過(guò)Savisky與Golay提出的卷積方法實(shí)現，與平滑不同的是查一階或二階微分相對應卷積整數。

　　驗采用了產(chǎn)于遼寧和吉林的人參樣本，利用近紅外光譜技術(shù)研究了中藥材的道地性差異。為了使樣本具有代表性，從大量的片狀人參樣本中隨機選樣。其中，吉林生產(chǎn)57個(gè)，遼寧生產(chǎn)60個(gè)。所使用的實(shí)驗儀器是NicoletFT-IRNEXUS光譜儀，所用的程序用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)。

　　將人參的片狀樣本直接放在NIR反射光譜儀上測定，不經(jīng)過(guò)任何預處理，其儀器測定參數為：波長(cháng)1000-2500nm，樣本掃描次數256次，分辨率4cm-1，背景采集使用聚四氟乙烯(PTFE)片。反射光譜讀數以吸收光譜單位表示。

　　3結果與討論

　　從光譜圖我們可以發(fā)現產(chǎn)于吉林和遼寧的兩類(lèi)人參樣本的近紅外光譜幾乎沒(méi)有差別，從原始光譜不能確定它們的道地性差異。在1000～1136nm的光譜區域表現為無(wú)信息區域，僅僅發(fā)生了基線(xiàn)漂移�；�于該區域進(jìn)行基線(xiàn)校正，可以消除其光譜的漂移影響。從基線(xiàn)校正后的光譜，可以觀(guān)察到該方法有效地扣除了1000～1136nm處的基線(xiàn)漂移，從而可以推斷全譜區間的基線(xiàn)漂移也被有效扣除。若采用基線(xiàn)校正后的全譜對中藥材道地性差異進(jìn)行評判，不僅計算工作量很大，而且無(wú)信息或很弱信息區域將會(huì )對強信息區和分析結果產(chǎn)生較大影響。實(shí)際上，在有些光譜區域，樣本的信息很弱，與樣本的組成或性質(zhì)間缺乏相關(guān)關(guān)系，而方差變化最明顯區域的光譜其信息是最豐富的�；�于此，本實(shí)驗對基線(xiàn)校正后的光譜進(jìn)行了方差處理。標準偏差≥0.O1對應的1165～2500nm區域可以作為富信息區域進(jìn)行光譜差異性研究。

　　在光譜的富信息區域，用Savisky-Golay卷積平滑法能濾除高頻噪聲，使藥物的光譜信息顯現化，而平滑窗口大小將直接影響平滑效果。用優(yōu)化的窗口尺寸對人參譜圖進(jìn)行卷積平滑，發(fā)現濾除高頻噪聲后的平滑譜圖仍不能使兩個(gè)產(chǎn)地的人參的道地性差異在光譜圖中顯現出來(lái)，說(shuō)明該兩類(lèi)樣本的光譜差異極小。當然這也是由于卷積平滑法仍然是一種加權均勻法，只是更夸大中心點(diǎn)的中心作用。

　　微分譜有助于抑制背景干擾，一方面可以突出微弱的高頻待測組分，另一方面又能夠抑制低頻不必要的干擾譜，經(jīng)過(guò)幾次求導，能達到使其忽略的程度，且隨求導次數的增加，主峰將被窄化，譜帶變銳，從而進(jìn)步分辨率。而奇數階導數在峰位處均為零;偶數階導數則交替地形成谷與峰。因此本實(shí)驗利用一階微分譜與零線(xiàn)相交處即為原始譜峰的特性確定峰位，而利用二階微分譜顯現中藥材人參的道地性差異。

　　圖4與圖1和圖2作比較，我們會(huì )發(fā)現在圖1和圖2中很難確定坦峰的峰值波長(cháng)，而在圖4中則易于實(shí)現。圖5與圖2比較，從圖5中可以得到更豐富的化學(xué)信息。在圖5中可以觀(guān)察到在1400nm四周出現C=O的三級倍頻峰、N-H的一級倍頻峰、O-H伸縮振動(dòng)的一級倍頻峰、甲基CH的對稱(chēng)和不對稱(chēng)伸縮振動(dòng)的二級倍頻峰。在1800nm四周出現了甲基C-H的對稱(chēng)和不對稱(chēng)伸縮振動(dòng)的一級倍頻峰、亞甲基C-H的對稱(chēng)和不對稱(chēng)伸縮振動(dòng)的一級倍頻峰、不飽和碳上的C-H的伸縮振動(dòng)的一級倍頻峰、芳烴C-H的伸縮振動(dòng)的一級倍頻峰。

　　從圖5可見(jiàn)，吉林人參(圖5b)的光譜信號強于遼寧人參(圖5a)，說(shuō)明吉林人參中NIR活性組分含量較高。將其N(xiāo)IR圖譜(圖5)放大，可以發(fā)現產(chǎn)于遼寧的人參(圖6a)的二階微分圖的分散度大，漂移嚴重，產(chǎn)于吉林的人參(圖6b)的二階微分圖則不然，其分散度和漂移現象均小于遼寧人參，說(shuō)明其質(zhì)地均勻，質(zhì)量穩定。且在2350nm四周，產(chǎn)于遼寧的人參出現了強度與2310nm四周的峰接近的一個(gè)峰，而產(chǎn)于吉林的人參則沒(méi)有此現象。以上事實(shí)可以說(shuō)明，應用NIR二階微分譜圖可以鑒別道地性中藥材人參。

　　由于近紅外光譜分析一般不需要對樣品進(jìn)行預處理，不同產(chǎn)地的中藥材樣本之間的微小差異能夠最大限度地保存下來(lái)，不會(huì )被人為干擾。通過(guò)上述實(shí)驗，我們發(fā)現，應用平滑、微分等基本的光譜預處理方法不但可以消除干擾，而且可以挖掘更為豐富的化學(xué)信息。人參樣本的近紅外光譜的一階微分譜圖能夠正確地確定譜峰的位置，特別是坦峰的位置，而二階微分譜圖包含了更豐富的微小差異的化學(xué)信息，它使道地性中藥材人參的光譜差異明顯地顯示出來(lái)。說(shuō)明應用NIR譜圖的微分方法可以鑒別道地性中藥材人參。