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      基于傅里葉變換紅外光譜指紋特征的甘肅8個(gè)主產(chǎn)縣紅芪藥材鑒別研究

      2018-01-05 11:12:04顧志榮許愛(ài)霞祁梅李芳張瑛錢(qián)倩石磊
      中國(guó)中醫(yī)藥信息雜志 2018年11期
      關(guān)鍵詞:紅芪指紋圖譜

      顧志榮 許愛(ài)霞 祁梅 李芳 張瑛 錢(qián)倩 石磊

      摘要:目的 研究甘肅8個(gè)主產(chǎn)縣紅芪藥材的傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)指紋特征,為不同產(chǎn)地紅芪的鑒別應(yīng)用提供依據(jù)。方法 采用FT-IR技術(shù),采集甘肅省8個(gè)紅芪主產(chǎn)縣110批紅芪樣品在4000~400 cm-1范圍內(nèi)的指紋圖譜數(shù)據(jù),對(duì)指紋圖譜的共有模式進(jìn)行光譜解析,對(duì)8個(gè)主產(chǎn)縣紅芪的FT-IR指紋圖譜進(jìn)行相似度分析,比較不同主產(chǎn)縣紅芪的FT-IR指紋特征。結(jié)果 8個(gè)主產(chǎn)縣紅芪FT-IR指紋圖譜的平均相似度大小排序?yàn)殄床?禮縣>西和>武都>漳縣>岷縣>隴西>渭源,隴西、渭源紅芪與其他產(chǎn)地的樣品差異較大;隴南地區(qū)(宕昌、禮縣、西和、武都)紅芪的FT-IR指紋圖譜較為相似,平均相似度較大,而定西地區(qū)(漳縣、岷縣、隴西、渭源)紅芪的FT-IR指紋圖譜較為相似,平均相似度較小;每個(gè)主產(chǎn)縣紅芪的FT-IR指紋圖譜均具有顯著、唯一的FT-IR指紋特征。結(jié)論 根據(jù)FT-IR指紋特征能夠?qū)崿F(xiàn)甘肅8個(gè)主產(chǎn)縣紅芪藥材的鑒別應(yīng)用。

      關(guān)鍵詞:紅芪;傅里葉變換紅外光譜;指紋圖譜;相似度分析;指紋鑒別

      DOI:10.3969/j.issn.1005-5304.2018.11.014

      中圖分類(lèi)號(hào):R284.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-5304(2018)11-0062-06

      Abstract: Objective To study the FT-IR fingerprint characteristics of Hedysari Radix from 8 producing counties in Gansu Province; To provide references for identification and application of Hedysari Radix in different producing counties. Methods FT-IR fingerprints of 110 batches of Hedysari Radix from 8 producing counties in Gansu Province were collected in the wave number range of 4000–400 cm-1. The common pattern of the fingerprints were analyzed, and the similarity analysis were used to analyze the FT-IR fingerprints of Hedysari Radix from 8 producing counties. The FT-IR fingerprint characteristics of Hedysari Radix from 8 producing counties in Gansu Province were compared. Results The rank of average similarity of FT-IR fingerprints of Hedysari Radix from 8 producing counties was Tanchang County > Li County > Xihe County > Wudu District > Zhang County > Min County > Longxi County > Weiyuan County, and Hedysari Radix from Longxi County and Weiyuan County were very different from other producing counties. The FT-IR fingerprints of Hedysari Radix from Longnan City (Tanchang County, Li County, Xihe County and Wudu District) were similar, and the average similarity was relatively high; while that from Dingxi City (Zhang County, Min County, Longxi County and Weiyuan County) were similar, and the average similarity was relatively low. Hedysari Radix from every producing county had a significant and unique FT-IR fingerprint characteristic. Conclusion The identification and application of Hedysari Radix from 8 producing counties in Gansu Province can be realized according to FT-IR fingerprint characteristics.

      Keywords: Hedysari Radix; FT-IR; fingerprint; similarity analysis; fingerprint identification

      紅芪是豆科巖黃芪屬植物多序巖黃芪Hedysarum polybotrys Hand.-Mazz的干燥根,最早記載于《神農(nóng)本草經(jīng)》黃芪項(xiàng)下,被列為上品,入藥已有2000多年歷史[1]。紅芪有補(bǔ)氣固表、利尿、托毒排膿、斂瘡生肌等功效[2],在免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗突變及抗損傷等方面作用突出[3]。

      紅芪是甘肅特有的道地藥材,主產(chǎn)于甘肅隴南地區(qū)的武都、禮縣、宕昌及定西地區(qū)的岷縣、隴西、漳縣等地,產(chǎn)量占全國(guó)95%以上。其中,隴南是甘肅省唯一屬于長(zhǎng)江水系并擁有亞熱帶氣候的地區(qū),而定西則屬于中溫帶半干旱區(qū)。研究發(fā)現(xiàn),不同時(shí)間、空間的氣候條件、水土異質(zhì)等環(huán)境變化均會(huì)影響藥用植物的物候規(guī)律、生長(zhǎng)發(fā)育、能量代謝、物質(zhì)合成及氣體交換等生理作用,繼而影響其次生代謝產(chǎn)物的變化,從而導(dǎo)致藥材質(zhì)量及臨床療效有所差異[4]。因此,探討不同環(huán)境因子背景下紅芪藥材的物質(zhì)基礎(chǔ)、遺傳效應(yīng)、藥理作用等差異,對(duì)于突出紅芪的產(chǎn)地比較優(yōu)勢(shì)、打造地域性紅芪品牌具有重要的實(shí)際意義。本研究對(duì)甘肅8個(gè)主產(chǎn)縣紅芪藥材的傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)指紋圖譜進(jìn)行相似性分析及差異比較,旨在發(fā)現(xiàn)甘肅不同主產(chǎn)縣紅芪的FT-IR指紋特征,為不同產(chǎn)地紅芪的鑒別應(yīng)用提供依據(jù)。

      1 儀器與試藥

      Spectrum 110型傅里葉變換紅外光譜儀(配有中紅外DTGS檢測(cè)器),Perkin-Elmer公司;OMNIC8.2光譜處理軟件,美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司。光譜純KBr碎晶,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司。

      甘肅省8個(gè)主產(chǎn)縣110批紅芪樣品均經(jīng)甘肅省人民醫(yī)院鄭修麗副主任中藥師鑒定為豆科巖黃芪屬植物多序巖黃芪Hedysarum polybotrys Hand. -Mazz的干燥根。將樣品自然陰干,粉碎后過(guò)200目篩,冷藏備用。樣品信息見(jiàn)表1。

      2 方法與結(jié)果

      2.1 光譜采集

      將備用樣品粉末于(60±5)℃干燥至恒重,精密稱(chēng)取3 mg,與250 mg KBr碎晶一起加入瑪瑙研缽中,研磨均勻后以壓片機(jī)壓成薄片,以透射方式采集樣品的FT-IR原始光譜數(shù)據(jù)。技術(shù)參數(shù):掃描范圍4000~400 cm-1,光譜分辨率4 cm-1,掃描次數(shù)16;掃描時(shí)扣除H2O和CO2干擾;控溫范圍50~120 ℃,每10 ℃掃描1次,升溫速率2 ℃/min。平行測(cè)量3次,取平均光譜[5]。

      2.2 光譜預(yù)處理

      采集的光譜信號(hào)以ASCII文件格式*.csv輸出。分析前將FT-IR原始數(shù)據(jù)用OMNIC8.2光譜處理軟件分別進(jìn)行13點(diǎn)平滑濾波、基線(xiàn)校正、Noise去噪及多元散射校正(MSC),以去除基線(xiàn)漂移、光散射及隨機(jī)噪聲等因素對(duì)分析結(jié)果的干擾。

      2.3 紅芪指紋圖譜及平均光譜

      預(yù)處理后的甘肅8個(gè)主產(chǎn)縣110批紅芪樣品的FT-IR指紋圖譜見(jiàn)圖1。整體可見(jiàn),不同產(chǎn)地紅芪藥材的FT-IR指紋圖譜走勢(shì)及主要吸收峰位均基本一致。110批紅芪指紋圖譜的平均光譜見(jiàn)圖2。

      紅芪FT-IR平均光譜的特征吸收峰及其解析:3411 cm-1是O-H的伸縮振動(dòng)吸收峰,表現(xiàn)為寬強(qiáng)羥基峰;2931 cm-1為亞甲基C-H反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰,表現(xiàn)為尖銳的中等強(qiáng)度亞甲基峰;2366 cm-1為C≡C、C≡N的伸縮振動(dòng)吸收峰;1646、1583 cm-1為苯環(huán)C=C芳香環(huán)骨架振動(dòng)以及不飽和醚C=C伸縮振動(dòng)吸收峰,其中1646 cm-1表現(xiàn)為尖銳的強(qiáng)吸收峰;1515 cm-1主要是苯環(huán)骨架伸縮振動(dòng)吸收峰;1246 cm-1主要是C-O和酯類(lèi)分子中C-O-C伸縮振動(dòng)吸收峰;1128、995 cm-1主要為糖苷類(lèi)、醚、酯、羧酸等C-O的伸縮振動(dòng)吸收峰;946、891、667、609 cm-1主要為O-H、=CH的面外彎曲振動(dòng)吸收峰,表現(xiàn)為弱的吸收峰[5-7]。

      2.4 指紋圖譜相似度分析

      以110批紅芪樣品FT-IR指紋圖譜的平均光譜作為對(duì)照?qǐng)D譜,以相關(guān)系數(shù)法求取各批樣品FT-IR指紋圖譜的相似度,結(jié)果見(jiàn)表2??梢?jiàn),除4批樣品相似度<0.90外,其余紅芪樣品FT-IR指紋圖譜的相似度均大于0.90,表明不同產(chǎn)地紅芪FT-IR指紋圖譜的相似性較大。

      不同產(chǎn)地紅芪FT-IR指紋圖譜相似度的規(guī)律性很明顯:武都紅芪FT-IR指紋圖譜相似度在0.924 8~0.996 8之間,平均為0.970 0;宕昌紅芪相似度在0.963 6~0.996 8之間,平均為0.981 7;禮縣紅芪相似度在0.964 2~0.982 7之間,平均為0.974 5;西和紅芪相似度在0.960 1~0.975 8之間,平均為0.970 3;岷縣紅芪相似度在0.941 6~0.958 3之間,平均為0.950 1;漳縣紅芪相似度在0.937 9~0.969 0之間,平均為0.951 9;渭源紅芪相似度在0.884 5~0.933 7之間,平均為0.907 4;隴西紅芪相似度在0.936 9~0.977 0之間,平均為0.947 2??梢?jiàn),8個(gè)主產(chǎn)縣紅芪FT-IR指紋圖譜的平均相似度大小排序?yàn)椋哄床?gt;禮縣>西和>武都>漳縣>岷縣>隴西>渭源。其中,隴西和渭源紅芪FT-IR指紋圖譜的平均相似度<0.95,說(shuō)明這2個(gè)產(chǎn)地紅芪與其他產(chǎn)地樣品差異較大。同時(shí)也可看出,各產(chǎn)地紅芪FT-IR指紋圖譜相似度體現(xiàn)了較好的地域聚集性,即隴南地區(qū)(宕昌、禮縣、西和、武都)紅芪的FT-IR指紋圖譜較為相似,平均相似度在0.970 0~0.981 7之間,整體較大;而定西地區(qū)紅芪的FT-IR指紋圖譜較為相似,平均相似度在0.907 4~0.951 9之間,整體較小。

      2.5 不同主產(chǎn)縣紅芪指紋圖譜特征比較

      不同主產(chǎn)縣紅芪FT-IR指紋圖譜的平均光譜及特征吸收峰見(jiàn)圖3、表3??梢钥闯?,3410 cm-1、2930 cm-1、1650 cm-1、1520 cm-1、1430 cm-1、1120 cm-1附近是8個(gè)產(chǎn)地紅芪FT-IR指紋圖譜平均光譜共有的特征吸收峰。不同產(chǎn)地紅芪FT-IR指紋圖譜的平均光譜及特征吸收峰均不完全相同,即每個(gè)產(chǎn)地的平均光譜均顯示其獨(dú)特的指紋特征。其中,武都紅芪FT-IR指紋圖譜平均光譜的指紋特性表現(xiàn)為670 cm-1附近未出現(xiàn)吸收峰,而其他7個(gè)產(chǎn)地紅芪均有此吸收峰;1057 cm-1處有吸收峰,而其他7個(gè)產(chǎn)地紅芪均無(wú)此吸收峰。隴西紅芪的指紋特性表現(xiàn)為757 cm-1處有吸收峰,而其他7個(gè)產(chǎn)地紅芪均無(wú)此吸收峰。武都紅芪在791 cm-1處、宕昌紅芪在786 cm-1處有吸收峰,而其他6個(gè)產(chǎn)地紅芪均無(wú)此吸收峰。武都紅芪在2369 cm-1處、禮縣紅芪在2362 cm-1處、西和紅芪在2364 cm-1處均有吸收峰,而其他5個(gè)產(chǎn)地紅芪均無(wú)此吸收峰。西和紅芪在2162 cm-1處、渭源紅芪在2169 cm-1處有吸收峰,而其他6個(gè)產(chǎn)地紅芪均無(wú)此吸收峰。武都紅芪與渭源紅芪在1740 cm-1附近均無(wú)吸收峰,而其他6個(gè)產(chǎn)地紅芪均有此吸收峰。宕昌紅芪、岷縣紅芪、漳縣紅芪及隴西紅芪在1590 cm-1、1450 cm-1附近均有吸收峰,而其他4個(gè)產(chǎn)地紅芪均無(wú)此吸收峰。宕昌紅芪及隴西紅芪在1240 cm-1附近均無(wú)吸收峰,而其他6個(gè)產(chǎn)地紅芪均有此吸收峰。武都紅芪、禮縣紅芪、西和紅芪、渭源紅芪在1000 cm-1附近均有吸收峰,而其他4個(gè)產(chǎn)地紅芪均無(wú)此吸收峰。宕昌紅芪、漳縣紅芪、隴西紅芪在950 cm-1附近均無(wú)吸收峰,而其他5個(gè)產(chǎn)地紅芪均有此吸收峰。岷縣紅芪、渭源紅芪、隴西紅芪在890 cm-1附近均有吸收峰,而其他5個(gè)產(chǎn)地紅芪均無(wú)此吸收峰。禮縣紅芪、西和紅芪、漳縣紅芪在610 cm-1附近均無(wú)吸收峰,而其他5個(gè)產(chǎn)地紅芪均有此吸收峰。

      2.6 不同主產(chǎn)縣紅芪指紋圖譜一階導(dǎo)數(shù)平均光譜指紋特征比較

      不同產(chǎn)地紅芪FT-IR指紋圖譜的一階導(dǎo)數(shù)平均光譜及特征吸收峰見(jiàn)圖4、表4??梢钥闯?,a、c、d、e、g、i、l、m、n、o、q、s、t、u、x、y、z、a'、b'、c'、e'、g'等22個(gè)吸收峰是8個(gè)產(chǎn)地紅芪FT-IR指紋圖譜一階導(dǎo)數(shù)平均光譜共有的特征吸收峰,除此之外,每個(gè)產(chǎn)區(qū)的一階導(dǎo)數(shù)平均光譜均有其獨(dú)特的指紋特性。其中,吸收峰b是隴西紅芪FT-IR指紋圖譜一階導(dǎo)數(shù)平均光譜特有的吸收峰;吸收峰f是宕昌紅芪特有的吸收峰;吸收峰f是西和紅芪及渭源紅芪特有的吸收峰;吸收峰p是西和、渭源及隴西3個(gè)產(chǎn)地紅芪特有的吸收峰;吸收峰h是宕昌、禮縣、岷縣及漳縣4個(gè)產(chǎn)地紅芪特有的吸收峰;吸收峰j是隴南地區(qū)(武都、宕昌、禮縣及西和)紅芪特有的吸收峰;武都、西和及隴西3個(gè)產(chǎn)地紅芪均無(wú)吸收峰k,而其他5個(gè)產(chǎn)地紅芪均有此吸收峰;西和、渭源紅芪均無(wú)吸收峰r及v,而其他6個(gè)產(chǎn)地紅芪均有此2個(gè)吸收峰;武都、宕昌、岷縣及隴西4個(gè)產(chǎn)地紅芪均有吸收峰w,而其他4個(gè)產(chǎn)地紅芪均無(wú)此吸收峰;禮縣、西和、漳縣及渭源4個(gè)產(chǎn)地紅芪均有吸收峰d',而其他4個(gè)產(chǎn)地紅芪均無(wú)此吸收峰。

      3 討論

      本研究結(jié)果顯示,甘肅8個(gè)主產(chǎn)縣紅芪樣品FT-IR指紋圖譜的平均相似度大小排序?yàn)殄床?gt;禮縣>西和>武都>漳縣>岷縣>隴西>渭源;隴南地區(qū)(宕昌、禮縣、西和、武都)紅芪FT-IR指紋圖譜的平均相似度較大,而定西地區(qū)(漳縣、岷縣、隴西、渭源)紅芪FT-IR指紋圖譜的平均相似度較小,說(shuō)明紅芪在物質(zhì)基礎(chǔ)方面具有明顯的地域性分布特征,即地理位置相近或接壤的產(chǎn)區(qū)紅芪樣品的相似性更強(qiáng),這一特點(diǎn)在相關(guān)文獻(xiàn)中也有報(bào)道。如包強(qiáng)等[8]研究表明,武都、宕昌紅芪中總黃酮含量均明顯高于隴西、岷縣、渭源等地;楊秀娟等[9]研究表明,禮縣、渭源、西和紅芪中總多糖含量較高,而岷縣紅芪含量最低。

      在基于FT-IR技術(shù)探討不同產(chǎn)地紅芪的指紋特征時(shí),采集的紅外光譜信號(hào)中存在基線(xiàn)漂移、光散射、隨機(jī)噪聲等因素的干擾,會(huì)影響光譜數(shù)據(jù)中有效信息的充分、準(zhǔn)確提取[10],由此影響不同產(chǎn)地紅芪FT-IR指紋特征的指認(rèn)。鑒于此,本研究在分析前對(duì)采集的原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行適宜的預(yù)處理,經(jīng)優(yōu)化表明,采用13點(diǎn)平滑濾波、基線(xiàn)校正、Noise去噪及多元散射校正相結(jié)合進(jìn)行預(yù)處理效果最好。

      本研究結(jié)果證實(shí)了中藥質(zhì)量與產(chǎn)地的密切相關(guān)性。即使在同一地區(qū),不同紅芪主產(chǎn)縣的海拔、光照、降雨量、土壤等氣候因子也具有較大差異,因而其FT-IR指紋圖譜具有明顯的指紋特征,即唯一性。在我國(guó)現(xiàn)存最早的本草專(zhuān)著《神農(nóng)本草經(jīng)》中就有“藥有……采治(造)時(shí)月;生熟,土地所出”等敘述,說(shuō)明產(chǎn)地不同則藥材品質(zhì)不同[11]。唐代孫思邈在《備急千金要方》中亦云:“古之醫(yī)者……用藥必依土地,所以治十得九?!辈煌鳟a(chǎn)縣紅芪秉承了各自產(chǎn)地的海拔、經(jīng)緯度、土壤、光照、微生物、地形及栽培經(jīng)驗(yàn)等特點(diǎn),由此在物質(zhì)基礎(chǔ)(次生代謝產(chǎn)物)方面具有顯著差異[12],本研究結(jié)果與其相符。甘肅8個(gè)主產(chǎn)縣的紅芪藥材FT-IR指紋圖譜均具有顯著、唯一的FT-IR指紋特征,可根據(jù)這一指紋特征實(shí)現(xiàn)甘肅8個(gè)主產(chǎn)縣紅芪藥材的鑒別應(yīng)用。

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