60种植物类中药提取物的红外光谱分析及其与寒热药性相.pdf
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1、第卷,第期 光谱学与光谱分析Vol畅 ,No畅 ,pp 年 月 Spectroscopy and Spectral AnalysisJanuary,60 种植物类中药提取物的红外光谱分析及其与寒热药性相关性的模式识别评价研究王 鹏,周洪雷,薛付忠,王振国 倡畅 安徽中医药大学中医临床学院,安徽 合肥 畅 山东中医药大学中医药经典理论教育部重点实验室,山东 济南 畅 山东大学公共卫生学院,山东 济南 摘 要 对 种植物类中药提取物的红外光谱药性特征标记及其模式识别模型进行评价筛选。利用傅里叶变换红外光谱结合(linear discriminant analysis,LDA),(logistic
2、discriminant analysis,LogisticDA),(principal component analysislinear discriminant analysis,PCALDA),(partial leastsquares discriminant analysis,PLSDA),(random forest,RF),(support vector machine,SVM)六种模式识别技术进行研究。水提取组采用加热回流提取 畅 h,无水乙醇、氯仿、石油醚提取组采用室温超声提取 min。首先分别建立六种模式识别模型,然后采用四种统计方法综合识别,包括 味中药组内回代、味中药
3、次迭代 折交叉验证、味中药训练集、味中药测试集。选取组内回代识别正确率、交叉验证识别正确率、组外预测正确率同时很高,且理论图谱反映寒热中药原始图谱分布特征者为适宜模型。LDA 和 SVM 是水提取物红外光谱的适宜模式识别模型,LDA 是无水乙醇提取物红外光谱的适宜模式识别模型,SVM 是氯仿提取物红外光谱的适宜模式识别模型,石油醚提取识别效果不佳。结论:根据适宜识别模型,通过红外光谱数据可识别表征中药寒热成分和寒热程度的特征参数,寒热成分特征参数为与红外光谱吸收位置波谱相对应的识别模型的识别系数,识别系数大于零为寒性标记,识别系数小于零为热性标记;寒热程度特征参数为识别模型的识别得分,得分越大
4、(正值)则寒性越强,得分越小(负值)则热性越强。关键词 傅里叶变换红外光谱;中药;寒热药性;模式识别中图分类号:R畅 文献标识码:A DOI:畅j畅issn畅()收稿日期:,修订日期:基金项目:国家重点基础研究发展计划(计划)课题项目(CB)资助 作者简介:王 鹏,年生,安徽中医药大学中医临床学院副教授 email:editorwang 畅com倡 通讯联系人 email:zhenguow 畅com引 言 药性是对中药在应用过程中所体现出的基本性质和功能特征的抽象概括,中药化学成分及其组合关系是药性发生的基础,成分与药性间存在复杂网络关系,任何单一成分均不能代表其整体药性,整体药性也不是多种成
5、分活性的简单相加,而是多种成分的协同、互补或制约,具有明显的非线性特征,必须在还原论解析模式的基础上,采用系统论整合模式进行研究,。指纹图谱被视为中药依据不同提取方法获得的化学成分的相对浓度谱,可全面反映所含成分的相对关系,充分体现了中药的整体化学特征,被认为是现代中药质量评价工作的核心技术和基石,。但是,针对图谱数据包含海量信息、具有高维灾难、非线性、统计分布特征不明确等特点,传统分析方法难以实现研究目的,采用现代模式识别技术是解决问题的最佳途径。自 年始,课题组运用 UV,IR,NMR,HPLC,HPCE,GC,GCMS 等多元谱学方法综合分析了 味寒性、味热性植物类中药的物质基础,分类创
6、建了植物类中药寒热药性成分特征标记模式识别模型,基于全成分控制论思想,对中药化学成分与寒热药性的相关性进行了微观分析基础上的宏观回归与综合还原研究。本文总结了是 种植物类中药提取物的红外光谱(IR)分析及其与寒热药性关系的模式识别评价研究工作。实验部分1畅1 仪器与材料KQE 型超声清洗器(昆山市超声仪器有限公司);FA 型电子天平(上海天平仪器厂);Nicolet 型傅里叶变换红外光谱仪(美国热电公司);KMD 型电热套(菏泽市生化仪器厂);IK 型真空干燥箱(上海实验仪器厂);FW 型高速万能粉碎机(北京光明医疗仪器厂)。二次蒸馏水,无水乙醇、氯仿、石油醚均为分析纯(天津科密欧化学试剂开发
7、中心),溴化钾(分析纯),KBr 晶片。统一购置产自中药道地产区的受试中药样品,保证实验的科学性和可靠性,药材均经山东中医药大学药学院中药鉴定学系李峰教授鉴定。味寒性中药包括:知母(河北)、栀子(江西)、淡竹叶(浙江)、黄柏(四川)、黄连(重庆)、秦皮(辽宁)、金银花(山东)、大青叶(河北)、蒲公英(山东)、大黄(甘肃)、薄荷(江苏)、侧柏叶(山东)、柴胡(河南)、车前子(江西)、川贝母(四川)、地肤子(山东)、防己(浙江)、甘遂(陕西)、葛根(山东)、海藻(山东)、瞿麦(山东)、瓜蒌(山东)、龙胆(辽宁)、芦荟(云南)、络石藤(江苏)、墨旱莲(山东)、生地黄(河南)、天冬(贵州)、豨莶草(江
8、苏)、紫草(新疆);味热性中药包括:延胡索(浙江)、细辛(辽宁)、威灵仙(江苏)、天南星(山东)、檀香(广东)、羌活(四川)、木香(云南)、木瓜(安徽)、麻黄(内蒙古)、厚朴(四川)、红花(河南)、蒿本(四川)、甘松(四川)、川芎(四川)、陈皮(广东)、草豆蔻(海南)、苍术(江苏)、补骨脂(四川)、半夏(四川)、白芥子(安徽)、杜仲(四川)、淫羊藿(陕西)、仙茅(四川)、荜茇(海南)、胡椒(海南)、高良姜(广东)、吴茱萸(贵州)、干姜(四川)、肉桂(广西)、附子(四川)。1畅2 指纹图谱测定光谱范围:cm;扫描次数:次;分辨率:cm。此前,对 味中药不同极性提取液进行了紫外全扫描,通过实验验证
9、并采用超声提取 min 替代紫外谱线组法采用的室温浸提 h。本实验选取寒性中药大青叶、栀子和热性中药干姜、附子为预试对象,对比了加热回流提取畅 h 和室温超声回流提取法,重点考察了提取方法、提取时间等因素对提取率的影响。结合实验操作的可行性,经综合分析,确定水提取组采用加热回流提取 畅 h,无水乙醇、氯仿、石油醚提取组采用室温超声提取 min,作为各药材的最佳提取方法。1畅3 供试品制备及测定空气、溶剂本身对红外光谱区能造成一定的干扰,因此,必须将这种干扰吸收作为背景扣除,方能最大限度获得样品的特征吸收图谱。味中药材分别粉碎,过 目筛,备用。KBr 晶体粉末于 下烘干预处理 h,备用。水提取组
10、:称取药材粉末 畅 g,置 mL 圆底烧瓶中,加蒸馏水 mL,称重,电热套微沸回流提取 畅 h,冷却后,蒸馏水补重,摇匀,高速离心 min(r min),取上清液,移至蒸发皿中,蒸干,残渣为水回流提取物。水提取液经蒸干刮出干膏,研细,真空干燥箱 减压干燥 h,称取 mg 干燥粉末和 mg KBr 晶体粉末,玛瑙研钵研细混匀,压片。以空气为背景,按前述光谱条件扫描。平行测试 次。无水乙醇提取组:称取药材粉末 畅 g,置具塞锥形瓶中,加蒸馏水 mL,称重,密塞,室温超声提取(功率 W,频率 kHz)min,放冷,蒸馏水补重,摇匀,高速离心 min(r min),取上清液,移至蒸发皿中,蒸干,残渣为
11、水超声提取物。微量进样器抽取 L 提取液,喷入 mg KBr 晶体粉末,真空干燥箱中 减压干燥 h后,玛瑙研钵研细混匀,压片。以空气为背景,按前述光谱条件扫描。平行测试 次。氯仿提取组:味药材粉末按无水乙醇提取组室温超声处理后,采用液体池法(吸收池厚度 畅 mm),将提取液打入吸收池,按前述光谱条件,以氯仿试剂红外吸收谱图为背景进行扣除扫描。平行测试 次。石油醚提取组:同氯仿提取组处理后,按前述光谱条件,以石油醚试剂红外吸收谱图为背景进行扣除扫描。平行测试 次。1畅4 光谱数据量化处理为了对表征寒热药性物质基础的红外光谱数据进行统计分析,必须建立统一的量化标准。采用数据“还原”方法对谱图信息进
12、行量化,可有效实现红外光谱指纹图谱的数字化。红外光谱的纵坐标有两种表示形式,一种是以透光率为纵坐标,即 T 谱,另一种是以吸收度为纵坐标,即 A 谱。通常针对红外光谱标准图谱的制备储存、化合物鉴别、结构分析等方面的定性研究均为 T 谱。A 谱由于其峰高直接与浓度成正比,主要用于定量分析。由于来源相同,故两种图谱所含信息完全相同。因此,采取直接调用 A 谱 csv 格式数据信息方式,包括波数和吸收度,以 cm 为单位,读取数据,用于统计分析和模式识别研究。1畅5 识别模型的建立、筛选与评价针对光谱数据存在的“多指标、非线性、离散性和小样本”等特征,模型筛选过程中,首先采用穷举建模法初步筛选出(L
13、DA),(LogisticDA),(PCALDA),(PLSDA),(RF),(SVM)六种模式识别方法。如果针对 味中药的红外光谱数据分别建立六种识别模型,然后分别进行组内回带,其识别结果自然较佳,但会存在样本量少、结果较为片面的现象,因此,实验首先分别建立六种模式识别模型,然后采用四种统计方法综合识别,具体包括 味中药组内回代、味中药 次迭代 折交叉验证、味中药训练集、味中药测试集等。模型筛选采取统一的评价标准,包括:()从 个样本中随机抽取 用于训练模型建立,另 用于外推预测验证;()组内回代一致率;()基于重抽样方法抽取样本组合进行模型交叉验证(统一采用 fold 交叉验证算法);()
14、外推预测评价。只有组内回代识别正确率、交叉验证识别正确率、组外预测正确率各指标同时很高,且由模型得到的药性成分特征标记理论图谱反映寒、热中药原始图谱的分布特征,方可确定为适宜模型。第 期 光谱学与光谱分析 结果与讨论2畅1 供试品指纹图谱共获取 份受试中药红外光谱指纹图谱。寒性、热性中药的主要吸收差别在水和无水乙醇提取组。水提取组寒性、热性中药均在 ,cm 有较强吸收峰,与热性中药相比,寒性中药多数在 cm 有较强吸收峰。无水乙醇提取组寒性、热性中药均在 ,cm 有较强吸收峰,热性中药有较小幅度向高波数移动趋势;与热性中药相比,寒性中药多数在 cm 具有较强吸收峰,寒性与热性中药在 cm 均有
15、较强吸收峰。见图 图 。2畅2 模型识别评价结果水提取、无水乙醇提取、氯仿提取、石油醚提取组红外光谱药性成分特征标记模式识别模型评价结果分别见表 表 。Fig畅1 Infrared spectra of 30 kinds of water extractof cold traditional Chinese medicineFig畅2 Infrared spectra of 30 kinds of water extractof hot traditional Chinese medicineFig畅3 Infrared spectra of 30 kinds of absolute ethy
16、l alcoholextractof cold traditional Chinese medicineFig畅4 Infrared spectra of 30 kinds of absolute ethyl alcoholextract of hot traditional Chinese medicineFig畅5 Infrared spectra of 30 kinds of trichloromethaneextract of cold traditional Chinese medicineFig畅6 Infrared spectra of 30 kinds of trichloro
17、methaneextract of hot traditional Chinese medicineFig畅7 Infrared spectra of 30 kinds of aether petroleiextract of cold traditional Chinese medicine光谱学与光谱分析 第 卷Fig畅8 Infrared spectra of 30 kinds of aether petroleiextract of hot traditional Chinese medicineTable 1 Comparison of the results of recognit
18、ion and analysisof water extract of infrared spectral dataConsistenthomologyrate withinthe groupAccuracy ofcrossvalidation(iterationfold)Accuracy oftrainingdatasetAccuracyof testdatasetLDAB 9畅:1畅 畅趑腚畅LogisticDAB 9畅:1畅 畅趑腚畅PCALDAB 9畅:1畅 畅趑腚畅PLSDAB 9畅:1畅 畅趑腚畅RFB 9畅:1畅 畅趑腚畅SVM:1畅V趑腚畅Table 2 Comparison
19、of the results of recognition and analysis ofabsolute thyl alcohol extract of infrared spectral dataConsistenthomologyrate withinthe groupAccuracy ofcrossvalidation(iterationfold)Accuracy oftrainingdatasetAccuracyof testdatasetLDAB 9畅:1畅 畅趑腚畅LogisticDAB 9畅:1畅 畅趑腚畅PCALDAB 9畅:1畅 畅趑腚畅PLSDAB 9畅:1畅 畅趑腚畅R
20、FB 9畅:1畅 畅趑腚畅SVMB 9畅:1畅 畅趑腚畅 结 论 ()根据适宜识别模型的特征参数,可以得到表征中药寒热成分和寒热程度的药性特征参数,采用这两个参数既可识别中药寒热药性物质在红外光谱指纹图谱中的特征区域,Table 3 Comparison of the results of recognition and analysisof trichloromethane extract of infrared spectral dataConsistenthomologyrate withinthe groupAccuracy ofcrossvalidation(iterationfol
21、d)Accuracy oftrainingdatasetAccuracyof testdatasetLDAn e畅f 畅L C畅 畅LogisticDAn e畅f 畅L C畅 畅PCALDAn e畅f 畅L C畅 畅PLSDAn e畅f 畅L C畅 畅RFn e畅f 畅L C畅 畅SVMn e畅f 畅L C畅 畅Table 4 Comparison of the results of recognition and analysisof aether petrolei extract of infrared spectral dataConsistenthomologyrate withint
22、he groupAccuracy ofcrossvalidation(iterationfold)Accuracy oftrainingdatasetAccuracyof testdatasetLDAn e畅f 畅L C畅 畅LogisticDAn e畅f 畅L C畅 畅PCALDAn e畅f 畅L C畅 畅PLSDAn e畅f 畅L C畅 畅RFn e畅f 畅L C畅 畅SVMn e畅f 畅L C畅 畅也可表达不同中药的寒热程度。表征中药寒热成分的特征参数为与红外光谱吸收位置波谱相对应的识别模型的识别系数,识别系数大于零为寒性标记,识别系数小于零为热性标记;表征中药寒热程度的特征参数为识别模
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- 60 种植 物类 中药 提取物 红外 光谱分析 及其 寒热 药性
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