基于傅里葉變換紅外光譜指紋特征的甘肅8個主產縣紅芪藥材鑒別研究

顧志榮 許愛霞 祁梅 李芳 張瑛 錢倩 石磊

摘要：目的 研究甘肅8個主產縣紅芪藥材的傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）指紋特征，為不同產地紅芪的鑒別應用提供依據。方法 采用FT-IR技術，采集甘肅省8個紅芪主產縣110批紅芪樣品在4000～400 cm-1范圍內的指紋圖譜數據，對指紋圖譜的共有模式進行光譜解析，對8個主產縣紅芪的FT-IR指紋圖譜進行相似度分析，比較不同主產縣紅芪的FT-IR指紋特征。結果 8個主產縣紅芪FT-IR指紋圖譜的平均相似度大小排序為宕昌>禮縣>西和>武都>漳縣>岷縣>隴西>渭源，隴西、渭源紅芪與其他產地的樣品差異較大；隴南地區（宕昌、禮縣、西和、武都）紅芪的FT-IR指紋圖譜較為相似，平均相似度較大，而定西地區（漳縣、岷縣、隴西、渭源）紅芪的FT-IR指紋圖譜較為相似，平均相似度較小；每個主產縣紅芪的FT-IR指紋圖譜均具有顯著、唯一的FT-IR指紋特征。結論 根據FT-IR指紋特征能夠實現甘肅8個主產縣紅芪藥材的鑒別應用。

關鍵詞：紅芪；傅里葉變換紅外光譜；指紋圖譜；相似度分析；指紋鑒別

DOI：10.3969/j.issn.1005-5304.2018.11.014

中圖分類號：R284.1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5304（2018）11-0062-06

Abstract： Objective To study the FT-IR fingerprint characteristics of Hedysari Radix from 8 producing counties in Gansu Province； To provide references for identification and application of Hedysari Radix in different producing counties. Methods FT-IR fingerprints of 110 batches of Hedysari Radix from 8 producing counties in Gansu Province were collected in the wave number range of 4000–400 cm-1. The common pattern of the fingerprints were analyzed， and the similarity analysis were used to analyze the FT-IR fingerprints of Hedysari Radix from 8 producing counties. The FT-IR fingerprint characteristics of Hedysari Radix from 8 producing counties in Gansu Province were compared. Results The rank of average similarity of FT-IR fingerprints of Hedysari Radix from 8 producing counties was Tanchang County > Li County > Xihe County > Wudu District > Zhang County > Min County > Longxi County > Weiyuan County， and Hedysari Radix from Longxi County and Weiyuan County were very different from other producing counties. The FT-IR fingerprints of Hedysari Radix from Longnan City （Tanchang County， Li County， Xihe County and Wudu District） were similar， and the average similarity was relatively high； while that from Dingxi City （Zhang County， Min County， Longxi County and Weiyuan County） were similar， and the average similarity was relatively low. Hedysari Radix from every producing county had a significant and unique FT-IR fingerprint characteristic. Conclusion The identification and application of Hedysari Radix from 8 producing counties in Gansu Province can be realized according to FT-IR fingerprint characteristics.

Keywords： Hedysari Radix； FT-IR； fingerprint； similarity analysis； fingerprint identification

紅芪是豆科巖黃芪屬植物多序巖黃芪Hedysarum polybotrys Hand.-Mazz的干燥根，最早記載于《神農本草經》黃芪項下，被列為上品，入藥已有2000多年歷史[1]。紅芪有補氣固表、利尿、托毒排膿、斂瘡生肌等功效[2]，在免疫調節、抗腫瘤、抗突變及抗損傷等方面作用突出[3]。

紅芪是甘肅特有的道地藥材，主產于甘肅隴南地區的武都、禮縣、宕昌及定西地區的岷縣、隴西、漳縣等地，產量占全國95%以上。其中，隴南是甘肅省唯一屬于長江水系并擁有亞熱帶氣候的地區，而定西則屬于中溫帶半干旱區。研究發現，不同時間、空間的氣候條件、水土異質等環境變化均會影響藥用植物的物候規律、生長發育、能量代謝、物質合成及氣體交換等生理作用，繼而影響其次生代謝產物的變化，從而導致藥材質量及臨床療效有所差異[4]。因此，探討不同環境因子背景下紅芪藥材的物質基礎、遺傳效應、藥理作用等差異，對于突出紅芪的產地比較優勢、打造地域性紅芪品牌具有重要的實際意義。本研究對甘肅8個主產縣紅芪藥材的傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）指紋圖譜進行相似性分析及差異比較，旨在發現甘肅不同主產縣紅芪的FT-IR指紋特征，為不同產地紅芪的鑒別應用提供依據。

1 儀器與試藥

Spectrum 110型傅里葉變換紅外光譜儀（配有中紅外DTGS檢測器），Perkin-Elmer公司；OMNIC8.2光譜處理軟件，美國Thermo Fisher Scientific公司。光譜純KBr碎晶，國藥集團化學試劑公司。

甘肅省8個主產縣110批紅芪樣品均經甘肅省人民醫院鄭修麗副主任中藥師鑒定為豆科巖黃芪屬植物多序巖黃芪Hedysarum polybotrys Hand. -Mazz的干燥根。將樣品自然陰干，粉碎后過200目篩，冷藏備用。樣品信息見表1。

2 方法與結果

2.1 光譜采集

將備用樣品粉末于（60±5）℃干燥至恒重，精密稱取3 mg，與250 mg KBr碎晶一起加入瑪瑙研缽中，研磨均勻后以壓片機壓成薄片，以透射方式采集樣品的FT-IR原始光譜數據。技術參數：掃描范圍4000～400 cm-1，光譜分辨率4 cm-1，掃描次數16；掃描時扣除H2O和CO2干擾；控溫范圍50～120 ℃，每10 ℃掃描1次，升溫速率2 ℃/min。平行測量3次，取平均光譜[5]。

2.2 光譜預處理

采集的光譜信號以ASCII文件格式*.csv輸出。分析前將FT-IR原始數據用OMNIC8.2光譜處理軟件分別進行13點平滑濾波、基線校正、Noise去噪及多元散射校正（MSC），以去除基線漂移、光散射及隨機噪聲等因素對分析結果的干擾。

2.3 紅芪指紋圖譜及平均光譜

預處理后的甘肅8個主產縣110批紅芪樣品的FT-IR指紋圖譜見圖1。整體可見，不同產地紅芪藥材的FT-IR指紋圖譜走勢及主要吸收峰位均基本一致。110批紅芪指紋圖譜的平均光譜見圖2。

紅芪FT-IR平均光譜的特征吸收峰及其解析：3411 cm-1是O-H的伸縮振動吸收峰，表現為寬強羥基峰；2931 cm-1為亞甲基C-H反對稱伸縮振動峰，表現為尖銳的中等強度亞甲基峰；2366 cm-1為C≡C、C≡N的伸縮振動吸收峰；1646、1583 cm-1為苯環C=C芳香環骨架振動以及不飽和醚C=C伸縮振動吸收峰，其中1646 cm-1表現為尖銳的強吸收峰；1515 cm-1主要是苯環骨架伸縮振動吸收峰；1246 cm-1主要是C-O和酯類分子中C-O-C伸縮振動吸收峰；1128、995 cm-1主要為糖苷類、醚、酯、羧酸等C-O的伸縮振動吸收峰；946、891、667、609 cm-1主要為O-H、=CH的面外彎曲振動吸收峰，表現為弱的吸收峰[5-7]。

2.4 指紋圖譜相似度分析

以110批紅芪樣品FT-IR指紋圖譜的平均光譜作為對照圖譜，以相關系數法求取各批樣品FT-IR指紋圖譜的相似度，結果見表2。可見，除4批樣品相似度<0.90外，其余紅芪樣品FT-IR指紋圖譜的相似度均大于0.90，表明不同產地紅芪FT-IR指紋圖譜的相似性較大。

不同產地紅芪FT-IR指紋圖譜相似度的規律性很明顯：武都紅芪FT-IR指紋圖譜相似度在0.924 8～0.996 8之間，平均為0.970 0；宕昌紅芪相似度在0.963 6～0.996 8之間，平均為0.981 7；禮縣紅芪相似度在0.964 2～0.982 7之間，平均為0.974 5；西和紅芪相似度在0.960 1～0.975 8之間，平均為0.970 3；岷縣紅芪相似度在0.941 6～0.958 3之間，平均為0.950 1；漳縣紅芪相似度在0.937 9～0.969 0之間，平均為0.951 9；渭源紅芪相似度在0.884 5～0.933 7之間，平均為0.907 4；隴西紅芪相似度在0.936 9～0.977 0之間，平均為0.947 2。可見，8個主產縣紅芪FT-IR指紋圖譜的平均相似度大小排序為：宕昌>禮縣>西和>武都>漳縣>岷縣>隴西>渭源。其中，隴西和渭源紅芪FT-IR指紋圖譜的平均相似度<0.95，說明這2個產地紅芪與其他產地樣品差異較大。同時也可看出，各產地紅芪FT-IR指紋圖譜相似度體現了較好的地域聚集性，即隴南地區（宕昌、禮縣、西和、武都）紅芪的FT-IR指紋圖譜較為相似，平均相似度在0.970 0～0.981 7之間，整體較大；而定西地區紅芪的FT-IR指紋圖譜較為相似，平均相似度在0.907 4～0.951 9之間，整體較小。

2.5 不同主產縣紅芪指紋圖譜特征比較

不同主產縣紅芪FT-IR指紋圖譜的平均光譜及特征吸收峰見圖3、表3。可以看出，3410 cm-1、2930 cm-1、1650 cm-1、1520 cm-1、1430 cm-1、1120 cm-1附近是8個產地紅芪FT-IR指紋圖譜平均光譜共有的特征吸收峰。不同產地紅芪FT-IR指紋圖譜的平均光譜及特征吸收峰均不完全相同，即每個產地的平均光譜均顯示其獨特的指紋特征。其中，武都紅芪FT-IR指紋圖譜平均光譜的指紋特性表現為670 cm-1附近未出現吸收峰，而其他7個產地紅芪均有此吸收峰；1057 cm-1處有吸收峰，而其他7個產地紅芪均無此吸收峰。隴西紅芪的指紋特性表現為757 cm-1處有吸收峰，而其他7個產地紅芪均無此吸收峰。武都紅芪在791 cm-1處、宕昌紅芪在786 cm-1處有吸收峰，而其他6個產地紅芪均無此吸收峰。武都紅芪在2369 cm-1處、禮縣紅芪在2362 cm-1處、西和紅芪在2364 cm-1處均有吸收峰，而其他5個產地紅芪均無此吸收峰。西和紅芪在2162 cm-1處、渭源紅芪在2169 cm-1處有吸收峰，而其他6個產地紅芪均無此吸收峰。武都紅芪與渭源紅芪在1740 cm-1附近均無吸收峰，而其他6個產地紅芪均有此吸收峰。宕昌紅芪、岷縣紅芪、漳縣紅芪及隴西紅芪在1590 cm-1、1450 cm-1附近均有吸收峰，而其他4個產地紅芪均無此吸收峰。宕昌紅芪及隴西紅芪在1240 cm-1附近均無吸收峰，而其他6個產地紅芪均有此吸收峰。武都紅芪、禮縣紅芪、西和紅芪、渭源紅芪在1000 cm-1附近均有吸收峰，而其他4個產地紅芪均無此吸收峰。宕昌紅芪、漳縣紅芪、隴西紅芪在950 cm-1附近均無吸收峰，而其他5個產地紅芪均有此吸收峰。岷縣紅芪、渭源紅芪、隴西紅芪在890 cm-1附近均有吸收峰，而其他5個產地紅芪均無此吸收峰。禮縣紅芪、西和紅芪、漳縣紅芪在610 cm-1附近均無吸收峰，而其他5個產地紅芪均有此吸收峰。

2.6 不同主產縣紅芪指紋圖譜一階導數平均光譜指紋特征比較

不同產地紅芪FT-IR指紋圖譜的一階導數平均光譜及特征吸收峰見圖4、表4。可以看出，a、c、d、e、g、i、l、m、n、o、q、s、t、u、x、y、z、a'、b'、c'、e'、g'等22個吸收峰是8個產地紅芪FT-IR指紋圖譜一階導數平均光譜共有的特征吸收峰，除此之外，每個產區的一階導數平均光譜均有其獨特的指紋特性。其中，吸收峰b是隴西紅芪FT-IR指紋圖譜一階導數平均光譜特有的吸收峰；吸收峰f是宕昌紅芪特有的吸收峰；吸收峰f是西和紅芪及渭源紅芪特有的吸收峰；吸收峰p是西和、渭源及隴西3個產地紅芪特有的吸收峰；吸收峰h是宕昌、禮縣、岷縣及漳縣4個產地紅芪特有的吸收峰；吸收峰j是隴南地區（武都、宕昌、禮縣及西和）紅芪特有的吸收峰；武都、西和及隴西3個產地紅芪均無吸收峰k，而其他5個產地紅芪均有此吸收峰；西和、渭源紅芪均無吸收峰r及v，而其他6個產地紅芪均有此2個吸收峰；武都、宕昌、岷縣及隴西4個產地紅芪均有吸收峰w，而其他4個產地紅芪均無此吸收峰；禮縣、西和、漳縣及渭源4個產地紅芪均有吸收峰d'，而其他4個產地紅芪均無此吸收峰。

3 討論

本研究結果顯示，甘肅8個主產縣紅芪樣品FT-IR指紋圖譜的平均相似度大小排序為宕昌>禮縣>西和>武都>漳縣>岷縣>隴西>渭源；隴南地區（宕昌、禮縣、西和、武都）紅芪FT-IR指紋圖譜的平均相似度較大，而定西地區（漳縣、岷縣、隴西、渭源）紅芪FT-IR指紋圖譜的平均相似度較小，說明紅芪在物質基礎方面具有明顯的地域性分布特征，即地理位置相近或接壤的產區紅芪樣品的相似性更強，這一特點在相關文獻中也有報道。如包強等[8]研究表明，武都、宕昌紅芪中總黃酮含量均明顯高于隴西、岷縣、渭源等地；楊秀娟等[9]研究表明，禮縣、渭源、西和紅芪中總多糖含量較高，而岷縣紅芪含量最低。

在基于FT-IR技術探討不同產地紅芪的指紋特征時，采集的紅外光譜信號中存在基線漂移、光散射、隨機噪聲等因素的干擾，會影響光譜數據中有效信息的充分、準確提取[10]，由此影響不同產地紅芪FT-IR指紋特征的指認。鑒于此，本研究在分析前對采集的原始光譜數據進行適宜的預處理，經優化表明，采用13點平滑濾波、基線校正、Noise去噪及多元散射校正相結合進行預處理效果最好。

本研究結果證實了中藥質量與產地的密切相關性。即使在同一地區，不同紅芪主產縣的海拔、光照、降雨量、土壤等氣候因子也具有較大差異，因而其FT-IR指紋圖譜具有明顯的指紋特征，即唯一性。在我國現存最早的本草專著《神農本草經》中就有“藥有……采治（造）時月；生熟，土地所出”等敘述，說明產地不同則藥材品質不同[11]。唐代孫思邈在《備急千金要方》中亦云：“古之醫者……用藥必依土地，所以治十得九。”不同主產縣紅芪秉承了各自產地的海拔、經緯度、土壤、光照、微生物、地形及栽培經驗等特點，由此在物質基礎（次生代謝產物）方面具有顯著差異[12]，本研究結果與其相符。甘肅8個主產縣的紅芪藥材FT-IR指紋圖譜均具有顯著、唯一的FT-IR指紋特征，可根據這一指紋特征實現甘肅8個主產縣紅芪藥材的鑒別應用。

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