四种黄连的红外光谱鉴别分析

陈建波，周群，孙素琴，Ben Perst 0 2020-05-27

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黄连是一种常用的中药，其味苦，性寒，具有清热燥湿、泻火解毒之功效。经过不同的方法炮制之后，可以得到酒黄连、姜黄连和萸黄连。

【红外光谱与聚类分析结合对黄连进行准确鉴别】

黄连是一种常用的中药，其味苦，性寒，具有清热燥湿、泻火解毒之功效。经过不同的方法炮制之后，可以得到酒黄连、姜黄连和萸黄连。酒黄连用于目赤，口疮;姜黄连用于寒热互结，湿热中阻;萸黄连用于肝胃不和，呕吐吞酸。不同方法炮制黄连的药效有所不同，因此需要对其进行区分鉴别，以免混用。

图 1. Spectrum 100 傅里叶变换红外光谱仪和单次反射金刚石衰减全反射(ATR)附件。

近年来，使用红外光谱等方法对中药进行鉴别和评价的研究日益增多。红外光谱可以真实反映样品的整体信息，避免了只针对个别组分进行检测所产生的弊端;红外光谱指纹特征性强，适合于中药真伪品、不同产地中药等的区分鉴别，以及中药炮制过程的控制;红外光谱与化学计量学结合，可实现快速简便的成分定量分析;多种附件技术的使用，可以实现各种形态样品的无损检测;样品无需分离提取等预处理过程，操作简便，适合大量样本的快速检验。

实验制备

样品

生黄连、酒黄连、姜黄连和萸黄连由中国中医科学院中药研究所提供(酒黄连、姜黄连和萸黄连均按药典规定方法炮制)

仪器条件

PerkinElmer 公司的Spectrum 100 傅里叶变换红外光谱仪，单次反射金刚石衰减全反射(ATR)附件，光谱范围 4000-650 cm^-1，分辨率4cm^-1，累加扫描1min以获得一个样本的光谱，使用PerkinElmer 公司的 Spectrum 和 AssureID 软件对谱图进行处理和统计分析。

实验分析

生黄连和炮制黄连的二级导数红外光谱

生黄连和三种炮制黄连的红外光谱如图2所示。由于这几种样本的成分高度相似，其红外光谱上的差异很不显著。为了找出生黄连和三种炮制黄连的红外光谱间的差异，需要借助二阶导数红外光谱和统计分析方法。

图 2. 生黄连和三种制黄连的红外光谱。

为了保证所发现的不同种类样本之间的差异具有重复性，而非随机误差，对生黄连、酒黄连、姜黄连和萸黄连均各采集10个样本，其中每类7个(共28个)作为校正样本，用于寻找差异所在并建立聚类模型，另外每类3个(共12个)作为验证样本，用于验证聚类模型的正确性。经过标准正态分布校正(SNV)的生黄连和炮制黄连校正样本的二阶导数红外光谱如图3所示。

图3.归一化后的生黄连和炮制黄连校正样本的二阶倒数红外光谱。

在二阶导数光谱上，生黄连和炮制黄连的差异比较显著，特别是生黄连和酒黄连与另外两种炮制黄连的差异较大。姜黄连与萸黄连的差异并不明显，说明其成分极为接近，这与二者功效基本一致的事实相对应。

因此，在接下来的聚类分析中，将四种黄连分为三组：生黄连、酒黄连、姜黄连/萸黄连，所用光谱范围为1250~1050 cm^-1，均使用经过SNV归一化的二阶导数红外光谱。

生黄连和炮制黄连的聚类分析(COMPARE)

COMPARE算法就是根据光谱相似系数(此处使用夹角余弦算法)的大小对不同种类的样本进行聚类分析。在预先设定后样本的分类归属后，分别计算每类样本的平均光谱并以此为参照，比较各类样本与相应参照光谱的相似系数是否有显著性差异。与参照光谱同类的样本，它们的相似系数显著大于不同类别的样本。

图4.所有校正样本与各组平均光谱的相似系数分布。(虚线所示为对应平均光谱同类样本的相似系数分布下限值，α=0.05)。

图4所示为所有校正样本与相应参照光谱的相似系数分布。可以看出，各个生黄连样本与生黄连平均光谱的相似系数显著大于另外两组样本(图4.a)，类似的结论对另外两组样本也同样成立(图4.b和c)。使用该模型对验证样本的归属进行判断，可以得到完全正确的分类识别结果。

生黄连和炮制黄连的聚类分析(SIMCA)

SIMCA 算法使用基于主成分分析(PCA)的模型对样本进行聚类分析，同类样本分布在主成分空间中邻近的位置，而不同类的样本间距离则较远。图5所示为所有校正样本在主成分空间的分布，三类样本各自聚集成组。使用该模型对验证样本的归属进行判断，也可以得到完全正确的分类识别结果。

图5.所有校正样本在主成分空间的分布图。

生黄连和炮制黄连的AssureID软件分析

在合理的校正模型建立之后，可以使用 AssureID 软件中的Analyzer 模块建立一个完整的标准工作流程，逐步指导分析测试人员完成样本前处理、仪器参数设置、样本光谱测试、结果分析与报告等整个分析流程，实现分析过程的规范化和标准化。

小结

本文使用红外光谱与聚类分析对三种炮制黄连进行了准确地鉴别。傅里叶变换红外光谱与 ATR附件技术相结合，可以提供简单快速的样本测试方法。AssureID 软件可以建立聚类分析模型对不同种类的样本进行识别，并且可以建立相应的完整的标准化工作流程。硬件和软件技术相结合，为中药的快速质量控制提供了规范有效的方法。

内容来源：清华大学化学系，PerkinElmer公司

责任编辑：展源

审　　核：何发