不同產地甘草的近紅外指紋圖譜模式識別鑒別方法

楊天鳴，張 璐，付海燕，李鶴東，姜 杜，周 蓉

(中南民族大學 藥學院，湖北 武漢 430074)

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不同產地甘草的近紅外指紋圖譜模式識別鑒別方法

楊天鳴，張 璐，付海燕*，李鶴東，姜 杜，周 蓉

(中南民族大學 藥學院，湖北 武漢 430074)

目的：對四種產地(新疆、內蒙古(家種)、內蒙古(野生)、甘肅)的甘草進行鑒別。方法：利用近紅外漫反射(NIRDRS)技術結合歐氏距離判別分析方法(Euclidean distance discriminant analysis)和偏最小二乘判別分析方法(Partial least-squares discriminant analysis，PLSDA)對四種產地(新疆、內蒙古(家種)、內蒙古(野生)、甘肅)的甘草進行鑒別。結果：PLSDA模型對不同產地甘草的訓練集和預測集分類正確識別率均為100.0% 。結論：近紅外指紋圖譜技術結合偏最小二乘判別分析方法為中藥材產地的鑒別提供了一種簡便、快速、準確的鑒定方法。

甘草；近紅外光譜；歐氏距離判別分析；偏最小二乘判別分析；產地

甘草(GlycyrrhizauraiensisFisch)又名甜草根、粉草、靈通、國老，為豆科甘草屬多年生草本植物。甘草是臨床應用最廣泛的中藥，以根莖入藥，味甘、性平，歸心、肺、脾、胃經，具有補脾益氣、清熱解毒、祛痰止咳、緩急止痛、調和諸藥等多種功效。甘草資源主要分布在北緯38°以北的東西走向的帶狀區域內，通常按照主產區分為東甘草、西甘草和新疆甘草3類，其中分布于內蒙古、寧夏地區的西甘草藥材質量最好，甘草酸含量高[1]，故以內蒙古、甘肅、寧夏等地為道地產地。目前市面上采購的甘草來源復雜，藥材質量參差不齊。因此研究甘草產地快速簡便準確的鑒定方法具有重要的實際意義和應用價值。本文將中藥近紅外指紋圖譜技術[2-3]與化學計量學方法結合，對四種產地的甘草進行模式識別(歐氏距離判別分析和偏最小二乘判別分析)，實現了不同產地甘草的鑒別分析，現報道如下。

1 材料與儀器

1.1 材料

甘草藥材均購買于武漢同仁堂大藥房，來源于四個不同產地：新疆、內蒙古(家種)、內蒙古(野生)、甘肅。

1.2 儀器

AntarisⅡ傅里葉變換近紅外光譜儀(美國Thermo Nicolet 公司，配有InGaAs檢測器和石英樣品杯，使用積分球漫反射采樣系統和Result軟件采集樣品光譜)； FW100型高速萬能中藥粉碎機(天津市泰斯特儀器有限公司)；200 目標準檢驗篩，孔徑0.074mm(浙江上虞五四紗篩廠)。

2 方法

2.1 樣品制備

實驗所用藥材全部采用中藥粉碎機粉碎后過200目標準檢驗篩，所得細粉置于60℃下真空干燥24h，儲存于干燥器內備用。

2.2 近紅外指紋圖譜采集

取上述甘草樣品粉末適量置于石英樣品測量杯內，攤平，壓實，以空氣為空白參比扣除背景(每測定一種甘草粉末，均要以空氣為空白參比測試背景)，采集光譜圖。采集方式：積分球漫反射；掃描次數：32次；分辨率：8cm-1；采集光譜區間：10 000～4 000cm-1；相對濕度：(43.0±2.0)%；溫度：(24.0±1.0)℃。每個樣品采集100次，共得到400張近紅外光譜。隨機將400條近紅外光譜劃分為訓練集和預測集，具體劃分信息見表1。

表1 樣品數據集劃分信息 (n)

2.3 光譜數據處理

所采集的光譜數據通過多元散射校正(MSC)或二階導數(SD)校正進行光譜數據的預處理。歐氏距離判別分析(Euclidean distance discriminant analysis)、偏最小二乘判別分析(Partial least-squares discriminant analysis)程序均在MATLAB環境下自編及運行。

3 結果與討論

3.1 近紅外光譜指紋圖譜采集及光譜預處理

在近紅外光譜的測試過程中，測試樣品顆粒度的均一性、光散射和噪聲干擾等因素均會對測試的光吸收度產生影響。因此在建立模型前，對樣品近紅外光譜進行了多元散射校正(Multiplicative scatter correction)和二階導數(Second derivative)的光譜預處理。四個產地甘草供試品粉末的近紅外光譜如圖1所示。

從圖1可以看出，樣品的原始光譜重疊嚴重，很難直觀地通過光譜的峰強、峰形和峰位來進行分辨鑒別。為建立更為可靠穩定的應用模型，可以對樣品原始光譜進行預處理，采用多元散射校正(MSC)的方法可有效減少由于樣品固體顆粒度不均勻等物理因素引起的光譜散射影響，二階導數校正(SD)的預處理方法被用來消除光譜基線漂移和傾斜所產生的差異，從而改善光譜的分辨峰。

圖1 四個產地的甘草近紅外(NIR)光譜

注：(a)原始光譜；(b)多元散射校正(MSC)光譜；(c)二階導數(SD)光譜

3.2 甘草產地歐氏距離判別分析

對四種不同產地甘草的400條近紅外光譜的原始光譜、MSC光譜和SD光譜建立歐氏距離判別分析模型。圖2為歐氏距離判別分析對四種產地甘草的原始光譜(a)、MSC光譜(b)和SD光譜(c)數據的相似度比較結果。

從圖2可以看出，歐氏距離判別模型NIR原始光譜的數據處理結果中，新疆和甘肅產地的甘草最為相似，其次是內蒙古(野生)甘草，內蒙古(家種)甘草與其他3種甘草差異最大；NIR多元散射校正光譜的數據處理結果中，新疆和內蒙古(家種)的甘草相似度最高，其次是甘肅甘草，內蒙古(野生)甘草與其他3種甘草差異最大；NIR二階導數光譜的數據處理結果則表明內蒙古的兩種甘草最相似，其次是新疆甘草，甘肅甘草與其他3種甘草差異最大。二階導數光譜能消除光譜噪聲和基線漂移，其判別結果更為合理。

3.3 甘草產地的偏最小二乘判別分析

偏最小二乘判別分析(PLSDA)[4-6]方法分解數據矩陣得到的特征向量與被測組分的性質相關，而不是與數據矩陣中變化最大的變量相關。該方法首先對四種產地的甘草進行虛擬的矩陣編碼，通過對用于訓練模型的中藥材資源進行虛擬編碼，每一行代表一個樣品，將其虛擬編碼為隸屬于第k種藥性的矢量code=fk，其編碼原則為第k個元素為1，其余元素均為0的矢量。由此，可將用于訓練PLSDA模型的不同藥性藥材編碼為一個矩陣In×m，該矩陣的行數等于建模所用的藥材樣本數n，列數等于藥材不同產地的種類數m。對In×m的每一列對獲得的特征信息矩陣Xn×q進行PLS回歸，回歸矩陣Bp×m的每一列為PLS的回歸系數量，即In×m=Xn×qBq×m。其中，q是近紅外光譜指紋信息區間所含的波長數，m是產地種類數，最佳隱變量數由n-重交互驗證確定。

圖2 四種甘草近紅外(NIR)原始光譜(a)、多元散射校正(MSC)光譜(b)和二階導數(SD)光譜(c)歐氏距離判別分析

采用PLSDA模型可將四個產地的甘草每個樣品分別編碼為fl(1,0,0,0)；f2(0,1,0,0)；f3(0,0,1,0)；f4(0,0,0,1)， PLSDA 使用f1～f4的虛擬碼關聯整個光譜變量，可獲得與被測組分或性質相關的特征數據矩陣。PLSDA模型對原始光譜數據以及經過多元散射校正(MSC)和二階導數校正(SD)預處理過的光譜數據分別進行5-倍交互驗證，每個PLSDA模型最小的模型訓練和預測錯判數在隱變量取6時獲得。圖3是隱變量等于6時，PLSDA模型基于近紅外原始光譜數據對4種甘草樣品中136個訓練集樣本和264個預測集樣品類別的虛擬編碼歸屬圖，圖中f1～f4分別代表產地為新疆、內蒙古(家種)、內蒙古(野生)、甘肅的甘草樣品。

圖3 四種來源甘草近紅外(NIR)光譜PLSDA模型

續圖3 四種來源甘草近紅外(NIR)光譜PLSDA模型

注：(a)原始光譜訓練集判別結果；(b)原始光譜預測集集判別結果；(c)多元散射校正(MSC)光譜訓練集判別結果；(d)多元散射校正(MSC)光譜預測集判別結果；(e)二階導數(SD)光譜訓練集判別結果；(f)二階導數(SD)光譜預測集判別結果

采用PLSDA方法，在取隱變量為6時，分別基于NIR原始光譜和兩種校正光譜獲得模型的訓練和預測結果，見表2。

由表2可知，基于NIR光譜的原始、MSC、SD光譜的PLSDA模型對不同產地的四種甘草樣品的訓練和預測結果正確率均為100.0%。結果表明該模式識別方法可以提取出樣品中最能代表各類樣本分類性質及特征的信息量，消除了一些無關信息變量的干擾，實現了對不同產地的四種甘草的準確判別。

表2 基于NIR光譜PLSDA模型判別分析 (%)

4 結論

采用二階導數校正甘草的近紅外光譜后，歐氏距離判別分析方法能清晰地反映不同來源甘草的相似程度。內蒙古的兩種甘草(野生、家種)最為相似，與其接近的是新疆甘草，甘肅甘草與其他3種甘草差異較大。采用偏最小二乘判別分析方法建立的判別模型對訓練集已知甘草樣本的分類準確率達到100.0%，對預測集未知甘草樣本的預測正確率也達到100.0%，表明該模型具有很好的預測性能，可用于甘草藥材不同種植產地的分類鑒別。該方法為中藥材的產地鑒定、基源判別提供了全面可靠、準確真實、迅速簡便的檢測手段。

[1] 姚靜慧,楊柏燦.從產地及生長環境探析甘草的功能特性[J].中成藥,2014,36(9):1941-1944.

[2] 楊天鳴,吳燕,蘇蕊,等.中藥材及炮制品的近紅外指紋圖譜模式識別快速鑒別方法[J].化學與生物工程, 2014,31(9):67-70.

[3] 孫麗英,楊天鳴,王云英.不同產地黃柏的近紅外指紋圖譜鑒別分析[J].計算機與應用化學,2008,25(3):329-332.

[4] MEHMOOD T, LILAND KH, SNIPEN L,et al.A Review of Variable Selection Methods in Partial Least Squares Regression[J].Chemom Intell Lab Syst,2012,118(1):62-69.

[5] RITTHIRUANGDEJ P,KASEMSUMRAN S,SUWONSICHON T, et al. Determination of total nitrogen content, pH, density, refractive index, and brix in Thai fish sauces and their classification by near-infrared spectroscopy with searching combination moving window partial least squares[J].Analyst, 2005,130(10):1439-1445.

[6] LUTZ U, LUTZ R W, LUTZ W K. Metabolic Profiling of Glucuronides in Human Urine by LC-MS/MS and Partial Least-Squares Discriminant Analysis for Classification and Prediction of Gender[J].Analytical Chemistry,2006,78(13):4564-4571.

(責任編輯：尹晨茹)

Rapid Identification of Different Origin of Licorice by Near Infrared Spectroscopy and Pattern Recognition Method

Yang Tianming, Zhang Lu, Fu Haiyan*, Li Hedong, Jiang Du, Zhou Rong

(College of pharmacy, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China)

Objective:To indentify Xinjiang, Inner Mongolia (seed), four (wild) in Inner Mongolia, gansu origin of radix glycyrrhizae.Methods:The similarity of four different origin (Sinking, Nei monggol (cultivatted) , Nei monggol (agrestal) and Gansu) of licorice were rapidly calculated by near-infrared diffuse reflectance spectroscopy (NIRDRS) combined with Euclidean distance discriminant analysis and Partial least-squares discriminant analysis (PLSDA). Meanwhile, four different origin of licorice were rapidly identified by NIRDRS coupled with PLSDA.Results:Perfect classification ratio with 100% was obtained for the NIR fingerprint information based on PLSDA model, which indicated that the model had good classification performance.Conclusion:An efficient, nondestructive and accurate detection method was established for identification of origin of Chinese herbs by NIRDRS combined with PLSDA.

Licorice;NIR Spectroscopy;Euclidean Distance Discriminant Analysis;Partial Least-squares Discriminant Analysis;Place of Origin

2015-05-21

國家自然科學基金資助項目(21205145)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(CZZ10005，CZZ12028，CZY13019)

楊天鳴(1962-)，男，中南民族大學教授，研究方向為藥物分析、化學生物學。

付海燕(1983-)，女，中南民族大學副教授，研究方向為藥物分析。E-mail:fuhaiyan@mail.scuec.edu.cn

R284.1

A

1673-2197(2015)14-0011-04

10.11954/ytctyy.201514005