傅里葉自解卷積-紅外光譜分析法應用于德江天麻真?zhèn)舞b定*

田貴芬，唐 沖，王昌敏，羅 鵬，宋 娟，黃繼明

(銅仁學院材料與化學工程學院，貴州 銅仁 554300)

天麻為蘭科植物天麻(Gastrodia elata Blume)的干燥根莖，另外人們還稱其為擋風草神草等[1]。在貴州，有人把其稱作山蘿卜、水洋芋等。天麻作為中國藥食同源產品，主要產區(qū)分布在我國的中部及西南地區(qū)，例如陜西漢中、貴州德江、湖北宜昌、云南昭通等地[2]。近年來，隨著經濟的發(fā)展以及人們對藥食同源產品的需求，野生天麻因為數(shù)量少、質量參差不齊，不能滿足商業(yè)大規(guī)模開發(fā)利用。因此，需要人工種植大規(guī)模天麻，以滿足人們對天麻產品的需求。

天麻主要由天麻素、天麻苷元構成，此外天麻還含有酚類、酸類、甾醇糖類等有效成分[3]。根據(jù)中國藥典(2010年版)，天麻的質量控制主要基于天麻素和天麻多糖這兩種物質。而2015年版《中華人民共和國藥典》則是對天麻素和對羥基苯甲酸兩種成分的總和來控制天麻的質量。天麻價格較高、藥用價值大，故市場上天麻偽品出現(xiàn)，在國內市場，出現(xiàn)了天麻的摻假物質，如粉末或提取物，加入具有相似的外觀的一些較便宜的原料，達到以次充好的目的。冒充天麻常見的偽品有：馬鈴薯，紫茉莉的根，大麗菊的塊根，巴蕉芋根莖；芋，商陸的根等等[4]。這些偽品與天麻外形十分相似，但科屬不同，作用天然之別，必須仔細加以鑒別；而且其主要活性成分與天麻不同，藥理作用也不同，臨床療效迥異。天麻作為我國名貴藥材，其主要用于治療頭痛，神經痛，頭暈，高血壓，小兒驚厥等相關疾病，而偽品則沒有此效果[5]。

目前，用于檢測天麻真?zhèn)沃饕ㄟ^感官分析和化學分析方法(含儀器分析)[6]。感官分析主要通過個人經驗和對物質的熟悉程度，缺少客觀判斷和科學依據(jù)。而化學分析受限于檢測方法，如HPLC(LC-MS)，GC(GC-MS)和毛細管電泳分析，此方法需要從大量活性成分中分離出幾種物質(如天麻素等)檢測，不僅儀器昂貴，而且分析方法復雜、耗時、消耗有機溶劑。

紅外光譜是一種快速、直接、易于操作、非破壞性的檢測方法，同時它靈敏度高、特征性強等獨特的優(yōu)點，故廣泛應用于咖啡，奶粉、中藥材等定性及質量控制。然而，很少有研究探討天麻真?zhèn)蔚蔫b定。一些研究證明，紅外光譜可以適用于一些物質的定性評估，而選擇最合適的方法仍然值得考慮[7-8]。天麻類原材料含有多種活性成分，各化學物質的成分含量的雖然偏差較大，但物質的組成相似，官能團更是相同，那物質的吸收峰的位置在紅外光譜光譜區(qū)域內。可將不同化合物分子中同一類官能團作為一個整體，根據(jù)混合物紅外光譜上表現(xiàn)出的疊加峰進行整體成分鑒定，給出混合物所含物質群組的信息，紅外光譜可反映天麻的整體化學特性，據(jù)此可予以鑒別[9]。對于半濕半干物質，紅外光譜對其定性和定量分析也是一個不錯的選擇。

德江縣作為貴州天麻的主要產區(qū)之一，天麻的穩(wěn)定性和可靠性需要保障，因此研究德江天麻的化學成分，建立本地天麻的真?zhèn)舞b別對德江具有重大的現(xiàn)實意義。本研究收集了德江高山天麻和偽品紫茉莉花根、芋、馬鈴薯等，測定其紅外光譜，通過傅里葉變換分析，比較天麻正偽品的之間的差異，找出鑒別不同點，為天麻的快速鑒別提供科學依據(jù)。

1 傅里葉自解卷積

紅外分光光度法，又稱紅外吸收光譜法，簡稱“IR”，屬于分子吸收光譜。當連續(xù)波長的紅外線照射樣品，分子吸收能量，從振動能級基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，振幅增大，分子位能增大，在吸收曲線，就產生了一個峰，進而形成一個完整的紅外吸收譜圖[10]。但是物質的分子在微觀上不是靜止的，它們之間相互作用力，分子發(fā)生振動收集的光譜中具有一定的寬度，也就是說譜線具有一定線形，譜圖中的線較寬，而非無限細的譜線組成。而得到的譜圖中的光譜圖是由理想光譜與線形函數(shù)卷積得到的，或者說是無限細的譜線(Dirac三角函數(shù))和展寬函數(shù)卷積疊加后得到的。有的時候，譜峰線性較寬，當彼此靠近時，譜線重疊，因此很難區(qū)分辨別這些譜峰。為了去掉這個展寬的卷積效果，將重疊的譜線分辨開來，就需要使用傅里葉自解卷積(Fourier Self-deconvolution，F(xiàn)SD)[11-13]。

己知實測光譜可以表示成一個線形函數(shù)與真實光譜的卷積

B1(σ)=B(σ)*H(σ)

B(σ)表示真實光譜，H(σ)表示線性函數(shù)，對上式反傅里葉變換后：

I1(x)=F-1{B1(σ)}=F-1{B(σ)}F-1{H(σ)}=I(x)h(x)

然后，對其進行傅里葉變換就能得到真實的光譜圖：

B(v)=F{I(x)}=F{I1(x)h-1(x)}

然而，采集到干涉圖中總包含一定的噪聲，假定這些是加性的白噪聲，則含有噪聲的干涉圖可表示為：

I2(x) = I1(x) + n(x)

因此，自解卷積后得到的干涉為：

I2(x)h-1(x)=I1(x)h-1(x)+n(x)h-1(x)=I(x)+n(x)h-1(x)

通常自解卷積函數(shù)h-1(x)，都是指數(shù)型的函數(shù)，上面的自解卷積過程雖去除了線性函數(shù)的影響。對一個光譜進行自解卷積時，首要的是得到干涉圖，然后將其與一個截斷函數(shù)相乘，最后再進行傅里葉變換，就完成了全部自解卷積運算。自解卷積運算操作簡單，幾乎不需要復雜的參數(shù)運算，優(yōu)化過程迅速，在分離重疊譜帶方面具有很高的實效性，最重要的是可以提高光譜的分辨率[14]。

2 實 驗

2.1 試劑及儀器

樣品：天麻，采自貴州省德江縣；天麻為蘭科植物天麻的干燥塊根，曬干備用，產地貴州省德江縣(種植)；芭蕉芋為美人蕉科植物芭蕉芋的干燥塊莖。

傅里葉變換紅外光譜儀(ThermoFisher Nicolet iS50，USA)，光譜范圍4000～650 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描累加次數(shù)32次。圖譜修正：水和二氧化碳；背景光譜管理：采集樣品前采集背景。

2.2 實驗方法

將KBr于瑪瑙研缽中研磨至面粉感覺，取適量的KBr粉末壓片得KBr空白窗片。將各藥材粉碎與KBr按照1:100的比例研磨，將研磨好的粉末壓片得到含藥窗片。控制濕度，以空氣為背景，采集背景吸收光譜后，采集藥物吸收圖譜，將圖譜平滑處理后，在經過傅里葉變換，比較其原始光譜和自解卷積轉化處理后光譜存在差異。

2.3 傅里葉自解卷積變換分析

通過測定，得到天麻及其偽品共4個樣品的FTIR。根據(jù)吸收峰，采用 OMNIC軟件進行自解卷積變換分析。在各種峰寬及增強下觀察德江高山天麻的與其偽品自解卷積紅外光譜的的區(qū)別，選出差異程度最為明顯的帶寬因子和增強因子來區(qū)分天麻的真?zhèn)巍１緦嶒炛型ㄟ^比較自解卷積變換后的紅外光譜圖，取峰寬為40，增強為3作為自解卷積變換標準。

3 結果與討論

自解卷積由于技術參數(shù)少，容易完成優(yōu)化過程，在分離重疊譜帶方面具有其優(yōu)越性，且可以提高光譜的分辨率。為了去除線性函數(shù)對真實光譜的影響，減少干擾物的光散射和吸收的影響，提高光譜的分辨率，本試驗對得到的紅外圖譜進行傅里葉自解卷積轉化處理。在各種帶寬因子及增強因子下觀察天麻正品、偽品的自解卷積紅外光譜的差異程度，從中選擇一個差異程度最為明顯的帶寬因子及增強因子來區(qū)分兩者，具體見圖1～圖4。

圖1 天麻的紅外光譜圖以及傅里葉自解卷積紅外光譜

圖2 紫茉莉花根的紅外光譜圖以及傅里葉自解卷積紅外光譜

圖3 馬鈴薯的紅外光譜圖以及傅里葉自解卷積紅外光譜

圖4 芋頭的紅外光譜圖以及傅里葉自解卷積紅外光譜

比較圖1～圖4，只是從紅外光譜圖觀察，由于幾種物質的峰型較雜，比較接近，很難只從這一種圖譜觀察到他們之間的差異。通過圖1～圖4可知，未經過傅里葉自解卷積的變換，在2933、2367、2148、1646、1504、1458、1418、1371、1238、1151、1089、1017、924、853、767、712、571 cm-1附近的峰比較接近，很難區(qū)分天麻與偽品之間的區(qū)別。

比較為了更好地區(qū)別種植天麻與偽品之間的區(qū)別，圖1～圖4中進行了傅里葉自解卷積的變換。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，經過傅里葉變換后，在1200～1000 cm-1紅外吸收區(qū)域，種植天麻有幾個明顯的吸收峰，其他的偽品在這段波數(shù)的范圍內沒有發(fā)現(xiàn)明顯的吸收峰。天麻1200～1000 cm-1紅外吸收區(qū)域的吸收峰具有特征性強的特點，差異特征明顯，可以作為鑒別時的判斷標準，更好地指導食藥產品的額開發(fā)。另外，對于天麻而言，出現(xiàn)較明顯的特征差異吸收峰，說明兩者體內的化學物質或結構基因等方面存在著差異。

4 結 論

利用紅外光譜具有直接、快速，不破壞樣品，需樣量少的特點，將其應用于鑒別天麻的真?zhèn)危哂休^強的實用性。天麻及其偽品的紅外吸收光譜通過傅里葉自解卷積的變換后，可以很容易地鑒別其真?zhèn)危瑸楫a品的真?zhèn)畏治鎏峁┮粋€方向性參考。