不同产地甘草X-射线粉末衍射指纹图谱的偏最小二乘判别分析方法

析方法

杨天鸣;苏瀚博;龚小霞;姜杜;刘杨茜;付海燕;兰薇

【摘 要】We collected X-ray powder diffraction spectra of Glycyrrhizae radix et rhizoma samples from different areas,and identified the potential difference information of their original spectra by partial least square discriminant analysis(PLSDA).The results show that the recognition correct rate of PLSDA to Glycyrrhizae radix et rhizoma from different areas can reach 100%.The Glycyrrhizae radix et rhizoma samples from differ-ent areas can be rapidly and accurately distinguished by X-ray powder

diffraction fingerprint information com-bined with PLSDA,which provides a new method and means for the obj ective evaluation of producing areas of traditional Chinese medicine,and has broad application prospect in quality identification field of traditional Chi-nese medicine.%采集不同产地来源的甘草样品的 X-射线粉末衍射图谱,运用偏最小二乘判别分析(PLSDA)方法对其原始图谱进行潜在的差异信息判别.结果表明,PLSDA模型对不同产地来源的甘草药材鉴别正确率达到100%.以 X-射线粉末衍射分析结合PLSDA方法快速、准确判别了不同产地来源及野生和家种甘草,为客观评价中药材的产地归属提供了一种新的方法和手段,在中药材质量鉴定领域具有广阔的应用前景. 【期刊名称】《化学与生物工程》 【年(卷),期】2018(035)003

【总页数】3页(P63-65)

【关键词】甘草;X-射线粉末衍射;中药材产地判别;偏最小二乘判别分析 【作 者】杨天鸣;苏瀚博;龚小霞;姜杜;刘杨茜;付海燕;兰薇

【作者单位】中南民族大学药学院,湖北 武汉430074;中南民族大学药学院,湖北 武汉430074;中南民族大学药学院,湖北 武汉430074;中南民族大学药学院,湖北 武汉430074;中南民族大学药学院,湖北 武汉430074;中南民族大学药学院,湖北 武汉430074;中南民族大学药学院,湖北 武汉430074 【正文语种】中 文 【中图分类】O657.34

甘草(Glycyrrhizae radix et rhizoma)，又名甜草、乌拉尔甘草、国老、天根子。味甘甜，性平和，为常用的大宗药材。具有补脾益气、祛痰止咳、缓急止痛、清热解毒、调和诸药等多种功效。我国甘草属植物较多，目前市场上同时存在不同产地以及家种与野生等多品种的甘草。不同来源甘草由于其生产环境不同，所含化学成分种类及含量都有差异[1]，导致不同产地的甘草药效存在较大差异。因此，确定甘草来源，是保证临床安全有效用药的前提。现阶段对甘草的研究主要集中在其化学成分的研究，多采用高效液相色谱法(HPLC)[2-4]，该方法样品前处理复杂，耗时耗力，需用到大量有机溶剂。X-射线粉末衍射分析方法和化学计量学方法广泛应用于中药材研究的各个领域[5-7]。偏最小二乘判别分析(partial least square discriminant analysis，PLSDA)[8-10]是化学计量学中最经典的模式识别方法之一。作者采用X-射线粉末衍射分析方法结合化学计量学方法，以不同来源的甘草(包括不同产地来源以及家种和野生甘草)作为研究对象，采集甘草X-射线粉末衍射

图谱，通过PLSDA对不同来源甘草样品进行模式识别，对甘草道地性进行判别研究，拟为甘草产地判别提供一种新方法。 1 实验 1.1 材料与仪器

来源于、甘肃、内蒙古(野生)、内蒙古(家种)的4种甘草，均购自武汉同仁堂大药房，均由中南民族大学药学院杨天鸣教授鉴定。

D8-Advance Powder型X-射线衍射仪，德国Bruker公司；DFF-100 型手提式高速中药粉碎机，浙江温岭林大机械有限公司；DZF-6021 型真空干燥箱，上海一恒科技仪器有限公司。 1.2 方法 1.2.1 样品的制备

将4种不同来源的甘草药材用中药粉碎机粉碎，过200目筛，在60 ℃下真空干燥24 h，储存于干燥器内，备用。 1.2.2 X-射线粉末衍射图谱采集

使用X-射线衍射仪采集衍射指纹图谱数据。每次定量称取样品100 mg，每次采集1张X-射线粉末衍射图谱，每个样品采集20张X-射线粉末衍射图谱。衍射实验条件为：万特探测器，石墨单色器，CuΚα1辐射，管压40 kV，管流40 mA，2θ扫描范围5°～60°，扫描速度2.4°·min-1，步长0.02°。 1.2.3 光谱数据处理

所采集的光谱数据采用的模式识别方法为PLSDA算法程序，在MATLAB环境下自编和运行。 2 结果与讨论

2.1 4种甘草的X-射线粉末衍射图谱(图1)

图1 4种甘草的X-射线粉末衍射原始图谱的叠加图谱Fig.1 The X-ray powder

diffraction raw spectra of four kinds of licorice

从图1可以看出，由于不同来源的甘草其化学成分差异不大，X-射线粉末衍射原始图谱的叠加图谱严重重叠，很难从光谱的峰强、峰形和峰位对4种不同来源的甘草进行直观鉴别。

对于含有丰富化学信息的X-射线粉末衍射指纹图谱，通过建立化学模式识别模型，找出隐藏于4种不同来源的甘草的X-射线粉末衍射指纹信息特征中决定其差异的隐变量，有效表征4种甘草之间存在的微小差异，从而达到对不同产地来源及野生和家种甘草判别的目的。

2.2 偏最小二乘判别分析(PLSDA)结果

对4种甘草的X-射线粉末衍射光谱数据采用PLSDA模型建模，将来源于、甘肃、内蒙古(野生)、内蒙古(家种)的4种甘草样品依次编码为fl(1,0,0,0)、f2(0,1,0,0)、f3(0,0,1,0)、f4(0,0,0,1)，获得与被测样本相关的特征数据矩阵。每个样本的20条光谱随机划分为训练集和预测集(表1、图2)，采用5-倍交互验证。结果表明，PLSDA模型取隐变量为8时能获得100%的预测正确率。

表1 不同来源甘草的X-射线粉末衍射数据集划分信息及预测结果

Tab.1 X-ray powder diffraction data collection classified information and the forecast results of licorices from different sources甘草来源训练样本数预测样本数正确率/%128100．0甘肃155100．0内蒙古(野生)146100．0内蒙古(家种)119100．0

由表1和图2可见，用PLSDA方法对原始图谱所建立的判别模型对不同产地来源及家种和野生的甘草都能够准确进行鉴别。PLSDA模型能够在复杂的信息中，对不同来源的甘草药材进行有效的可靠分辨。研究表明，PLSDA结合X-射线粉末衍射图谱建立的中药产地判别模型，受样品颗粒度、光散射及系统噪声等物理因素的

影响较小，用原始图谱所建立的模型就能进行准确的判别。

图2 样品X-射线粉末衍射PLSDA模型原始图谱训练集(a)和预测集(b)的虚拟编码归属样品类别图Fig.2 Assigned plots of dummy codes of the training set(a) and prediction set(b) for raw spectra in PLSDA model 3 结论

通过PLSDA模式识别方法建立了4种不同来源甘草的X-射线粉末衍射图谱的判别模型，对不同来源的甘草鉴别正确率达到了100%。该方法样品用量少、不需要任何化学处理、无有机溶剂污染、药材粉末直接分析、结论准确可靠。提出的X-射线粉末衍射分析方法结合PLSDA为评价中药材的产地归属提供了一种新的快速鉴别方法，在中药材质量控制方面具有广阔的应用前景。 参考文献：

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