不同产地锁阳近红外光谱鉴别分析

马天翔 顾志荣 马转霞 孙岚萍 许爱霞 吴国泰 葛斌

摘要：目的  研究5個省份锁阳的近红外漫反射光谱（NIRDRS）指纹图谱，为不同产地锁阳的鉴别提供依据。方法  采用NIRDRS指纹图谱技术，测定甘肃、新疆、宁夏、内蒙古、青海产锁阳干燥恒重粉末的全成分NIRDRS指纹图谱，结合二阶导数光谱、化学计量学技术，快速鉴别锁阳产地，探究不同产地锁阳的成分。结果  在近红外吸收范围内，不同产地锁阳在8408、7327、6846、6360、6013、5785、5189、4698、4386、4317 cm-1处均有较强的振动吸收，表明不同产地锁阳主要化学组分构成相似。二阶导数红外光谱结合相似度分析和主成分分析结果表明，不同产地锁阳成分的差异与地理位置有明显对应性。通过主成分分析可以得出比原始图谱更多的成分信息，在4150、4260、4340、4660、4940、5330、5680、5880、5980、6110、6470、7190、8320 cm-1处的吸收峰对区分5个产地锁阳贡献较大。结论  NIRDRS指纹图谱结合化学模式识别能有效鉴别不同产地锁阳，并为锁阳的质量评价提供依据。

关键词：锁阳;近红外光谱;主成分分析;产地鉴别

中图分类号：R284.1    文献标识码：A    文章编号：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

锁阳又名乌兰-告亚（蒙药名）、耶尔买他格（维药名）、乌兰瓦都（藏药名），为锁阳科植物锁阳Cynomorium songaricum Rupr.的干燥肉質茎[1]。锁阳含有黄酮类、三萜类、甾体类、有机酸、糖和糖苷类、鞣质类、氨基酸和微量元素等成分[2-3]，是一种极具药用价值与食用价值的沙生植物，为汉族、蒙古族、维吾尔族和藏族习用药材。研究表明，锁阳具有益智[4]、抗氧化[5]、抗衰老[6]、抗应激[7]、抗癌[8]及抗前列腺增生[9]等药理作用。锁阳资源主要分布在甘肃、内蒙古、新疆、青海、宁夏等地区的沙漠和半沙漠地带[10]。产地的生态因子（包括海拔、温度、光照和降雨量等）对药材质量有一定影响[11]，因此产地识别对于药材质量评价至关重要。

近年来，近红外漫反射光谱（NIRDRS）技术因其方便、快速、高效、准确、无损等优点，越来越多应用于中药材的鉴定与质量评价中。本研究建立锁阳干燥恒重粉末NIRDRS指纹图谱，结合二阶导数光谱、相似性分析、主成分分析（PCA）等化学计量学技术，对不同产地的锁阳进行分析比较，实现锁阳产地的分类鉴别，为锁阳的鉴别和质量控制提供依据。

1  仪器与试药

Antaris近红外光谱仪（美国Thermo Fisher Scientific公司，配有积分球模块、RESULT3.0光谱采集软件和TQ Analyst 8.0化学计量学软件），FW80型高速万能粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）。

50批锁阳样品，采集于甘肃、内蒙古、新疆、青海、宁夏5个省（区）。所有样品均经甘肃省人民医院药剂科郑修丽副主任中药师鉴定为Cynomorium songaricum Rupr.的干燥肉质茎。将样品自然阴干，粉碎至过80目筛，冷藏备用。样品信息见表1。

2  方法与结果

2.1  指纹图谱的建立

取锁阳粉末（60 ℃）干燥恒重，以积分球漫反射方式采集NIRDRS原始光谱数据。技术参数：扫描范围10 000～4000 cm-1，分辨率8 cm-1，扫描32次，扫描温度20 ℃，空气相对湿度70%，参比为空气。重复采集3次，取平均光谱[12]。采用OMNIC Spectra 8.2软件对采集的光谱进行预处理，优化所得最佳方法为基线校正、13点SG平滑滤波及Noise去噪相结合[13]。绘制NIRDRS指纹图谱，求取平均光谱及二阶导数光谱。50批样品NIRDRS指纹图谱见图1。

2.2  光谱解析

采用光谱法分别求取新疆、甘肃、青海、内蒙古、宁夏锁阳样品NIRDRS指纹图谱共有模式（平均光谱），见图2。可见，5种平均光谱的共有模式相似度较大，变化趋势基本一致，在8408、7327、6846、6360、6013、5785、5189、4698、4386、4317 cm-1附近均出现较强的吸收峰，表明不同产地锁阳主要化学组分构成相似，可作为锁阳共有的特征峰。但各峰吸收强度存在一定差异，表明所对应成分含量不同，这可能与其地理位置及生长环境有一定关系。对5种指纹图谱共有特征吸收峰进行解析[14]：8408 cm-1及7327 cm-1是OH的一级倍频吸收带，6846 cm-1是CONH2与OH的一级倍频吸收带，6360 cm-1是CH的一级倍频吸收峰，6013、5785 cm-1是CH2、CH与SH的合频吸收带，5189 cm-1是CONH2与OH的合频吸收带，4698 cm-1是NH的合频吸收带，4386 cm-1及4317 cm-1是CH与CN的合频吸收带。

2.3  二阶导数红外光谱分析

二阶导数光谱能够很好地分辨一维红外光谱中重叠的吸收峰，增强谱图的特征性，提高表观分辨率，确定谱峰的形状、位置及数目，可实现同属药材、同种不同产地药材、亚种以及变种药材的快速、准确鉴定[15]。从图3可以直观看出，5个不同产地锁阳的NIRDRS指纹图谱共有模式的二阶导数光谱图的主要差异集中在3个区间。在A区间（7069～6177 cm-1）内，6653 cm-1处新疆、甘肃、内蒙古、宁夏样品有共有峰a，青海样品与其他产区差异较大，不具有此吸收峰;在B区间（5948～5442 cm-1）内，新疆、甘肃样品在5880 cm-1处有共有峰b、5680 cm-1有共有峰d，青海、内蒙古、宁夏样品在5829 cm-1处有共有峰c;在C区间（4947～4067 cm-1）内，新疆样品在4260 cm-1处有一特征吸收峰e，甘肃、青海、内蒙古、宁夏样品在4150 cm-1处有共有峰f。新疆产锁阳NIRDRS指纹图谱共有模式的二阶导数光谱图与其他产地差别显著，具有特征吸收峰e;甘肃产锁阳与其他产地锁阳较为相似，不仅与新疆产锁阳有共有峰a、b、d，同时与青海、内蒙古、宁夏产锁阳有共有峰f;青海、内蒙古、宁夏产锁阳较为相似，吸收峰大致相同。

2.4  不同产地锁阳相似度分析

为揭示不同产地锁阳NIRDRS光谱与地理位置的关系，采用IBM SPSS 21.0统计软件对不同产地锁阳NIRDRS平均光谱进行相似度分析，结果见表2。可以看出，5个不同产地锁阳的相似度很高，达到0.783～0.999，表明不同产地锁阳质量基本稳定。甘肃产锁阳与其他产区相似度为0.925～0.973，内蒙古产锁阳与其他产区相似度为0.810～0.958，宁夏产锁阳与其他产区相似度为0.783～0.999，青海产锁阳与其他产区相似度为0.854～0.973，新疆产锁阳与其他产区相似度为0.783～0.925。可见，新疆产锁阳与其他各产区锁阳相似度较低，内蒙古、宁夏、青海产锁阳较为相似，与二阶导数红外光谱所得结果一致。

2.5  主成分分析

主成分分析是一种数据降维建模方法。为进一步考察不同产地锁阳NIRDIS指纹图谱的光谱特征差异，采用SIMCA-P13.0统计软件对经过预处理的光谱数据进行主成分分析。以主成分PC1、PC2和PC3为坐标轴建立三维得分图（见图4），3个主成分对分析结果的贡献率分别为84.2%、14%和1.2%，累计贡献率达99.4%，说明这3个主成分能够详细解释99%以上的变量信息，分析结果可反映样品的真实情况。经主成分分析，5个产地锁阳样品达到了比较理想的区分效果。从图4可以看出，所有样品被划分为5个区域，宁夏与青海样品有一定重合，其他产地样品各自聚为一类。该结果与上述分析结果相一致，因此可用于区分不同产地锁阳样品之间的亲缘关系。

载荷因子是主成分分析中重要变量贡献的集合，载荷因子的振动特征与分析材料中成分对主成分的贡献密切相关，分析载荷因子特征可以更有效地揭示样品原始光谱中更多的成分信息[16]。为了从主成分分析模型中获取更多不同产地锁阳样品化学组成差异信息，提取模型的载荷因子，载荷因子图见图5。在主成分分析模型中，PC1贡献率最大，达84.2%，探讨PC1的载荷即可说明不同产地锁阳成分的差异。由图5可知，在4150、4260、4340、4660、4940、5330、5680、5880、5980、6110、6470、7190、8320 cm-1处可明显看出其振动，图2中一些吸收不灵敏、被宽吸收峰掩盖的成分信息在图5中得以体现。

3  讨论

本研究建立了不同产地锁阳的NIRDRS指纹图谱共有模式，结合二阶导数光谱与现代化学计量学技术，不仅可以准确鉴别不同产地锁阳，还发现了区分不同产地锁阳的差异波数。该方法简便、快速、无损，可实现大量样品的快速鉴别。差异波数分析可为探究不同产地药材差异性成分提供新的思路。

环境因子（包括海拔、土壤、光照、水分、温度等）在中药材生长过程中影响其代谢产物的合成累积，导致成分含量及种类的差异。本研究样本来自5个省份，分布地域均属于沙漠和半沙漠地带，地域辽阔，自然条件极为复杂，造成不同产地锁阳样品图谱虽有一定相似性，但又各具特点。本课题组前期研究发现，不同产地锁阳成分的差异主要为鞣质、黄酮、多糖及三萜类物质。NIRDRS差异峰所对应成分是否为上述物质，有待于进一步研究。

参考文献：

[1] 国家药典委员会.中华人民共和国药典：一部[M].北京：中国医药科技出版社，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，畅洪昇，周静洋，等.锁阳乙酸乙酯提取物对去势所致老年痴呆大鼠p38、p-环磷酸腺苷反应元件结合蛋白的影响[J].中国药学杂志， 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，尚军.锁阳多糖的抗衰老作用[J].中国老年学杂志， 2018，38（6）：1458-1460.

[7] 马素亚，郑俊超，畅洪昇，等.锁阳乙酸乙酯提取物改善慢性应激小鼠认知功能障碍的神经保护机制[J].天然产物研究与开发，2017，29（8）：1302-1306.

[8] 杨帆，赵鹏伟，孙鹏，等.锁阳多糖对肺癌细胞端粒的影响[J].中国中药杂志，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] 黄林芳，谢彩香，陈士林，等.沙生药用植物锁阳产地适宜性的定量评价[J].植物学报，2010，45（2）：205-211.

[11] 唐仕欢，杨洪军，黄璐琦.论自然环境因子变化对中药药性形成的影响[J].中国中药杂志，2010，35（1）：126-128.

[12] 顾志荣，张亚亚，丁军霞，等.近红外漫反射光谱法快速测定当归中阿魏酸及亚油酸[J].天然产物研究与开发，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] 顾志荣，沈丹丹，许爱霞，等.基于近红外漫反射光谱指纹图谱的当归-川芎药对配伍研究[J].中国中医药信息杂志，2018，25（8）：64-69.

[15] 刘宇，陈文仿，王江瑞，等.红外光谱结合化学计量分析对不同产地玛咖的鉴别[J].中药材，2016，39（12）：2733-2737.

[16] 孔德鑫.红外光谱结合多元统计方法的不同产地红根草红外指纹图谱比较研究[J].广西植物，2016，36（8）：937-942.

（收稿日期：2019-04-09）

（修回日期：2019-04-25;编辑：陈静）

基金项目：甘肃省中药药理与毒理学重点实验室开放基金项目（ZDSYS-KJ-2018-010）;甘肃省中药质量与标准研究重点实验室开放基金（ZYZL18-004）

通讯作者：葛斌，E-mail：[email protected]