中红外反射光谱结合偏最小二乘法快速测定天麻中天麻素

杜伟锋，王胜波，丛晓东，张云，蔡宝昌，2

(1.浙江中医药大学，中药炮制技术研究中心，浙江杭州311401;2.南京中医药大学，江苏省中药炮制重点实验室，江苏南京210029)

天麻Gastrodia elataBl.为兰科多年生寄生植物，其干燥块根作为药用，是我国贵重中药之一，主产于云南、四川、陕西及贵州等地。早在2000年前《神农本草经》就记载了天麻具有平肝息风止痉之功效，主要用于治疗头痛眩晕、肢体麻木、小儿惊风、癫痫抽搐、破伤风。《中国药典》规定以高效液相色谱法测定天麻中天麻素含有量作为检测指标［1］，但该方法分析耗时较长、操作比较繁琐、成本较高，不适用于饮片企业大批量样品的含有量测定。红外光谱技术不需要对样品进行预处理，操作简单、快速，检测过程不消耗任何化学品，成为真正的无损、绿色检测技术，被广泛用于样品中成分含有量的快速测定［2-14］。笔者前期研究了利用近红外光谱法测定了天麻中天麻素［15］，本实验将利用傅里叶变换中红外光谱(FTIR)和衰减全反射(ATR)技术，建立天麻素中红外光谱快速测定模型，实现对天麻中天麻素的快速测定。

1 仪器与试药

1.1 仪器Spectrum 100傅里叶变换红外光谱仪(Perkin Elmer公司)，包括衰减全反射附件，DTGS检测器;Dionex U3000高效液相色谱仪(美国戴安仪器公司);梅特勒XS-105电子分析天平(0.01 mg，METTLER TOLEDO，Switzerland);电热恒温水浴锅(嘉兴市中新医疗仪器有限公司);KQ-500E型超声清洗器(昆山市超声仪器有限公司)。

1.2 试药天麻素对照品，购自中国药品生物制品检定所，批号:110807-200205;乙醇、磷酸均为分析纯;乙腈为色谱纯;水为娃哈哈纯净水。

1.3 样品天麻饮片分别从浙江、安徽、云南、贵州等12个不同产地收集，经浙江中医药大学中药饮片有限公司郑建宝主管中药师鉴定为兰科植物天麻Gastrodia elataB1.的干燥块茎加工炮制成的饮片。

2 方法与结果

2.1 中红外光谱的采集将天麻饮片粉碎，过100目筛，取约10 g粉末放入ATR样品槽内，混合均匀，以空气为背景，按下述实验条件采集天麻的红外光谱图。光谱分辨率:4 cm－1，光谱范围:4 000～650 cm－1，扫描次数:16次，空气湿度:60%。

图1 天麻校正集红外光谱叠加图

2.2 天麻素定量HPLC分析［1］色谱柱:Dionex Acclaim 120 C18(250 mm×4.6 mm，5.0 μm);流动相:乙腈-0.05%磷酸溶液(3∶97)，等度洗脱15min;柱温:30℃;体积流量:1 mL/min;检测波长:220 nm;进样量:10 μL。以天麻素峰面积定量，采用外标法计算其质量分数。61批样品中天麻素质量分数为0.20%～1.69%。

2.3 建立模型的方法运用Spectrum Quant+分析软件进行数据处理，选择多元信号校正(MSC)以解决基线漂移，进行了偏最小二乘法(PLS1和PLS2)和主成分回归法(PCR)建模算法的比较。结果表明PLS所建立的模型优于PCR法，因为只测定了一种成分，无需考虑组分间的相关性，故选择采用PLS1法建立定量校正模型。以相关系数(R2)和校正标准偏差(SEE)为指标选择建模参数和优化模型结构，以预测标准偏差(SEP)来考察模型的预测性能和推广能力。

3 定量模型的建立

3.1 验证方法的选择由于样品数量不够多，故采用内部交叉验证方法。该方法每次从样品集中除去一个或一组样品，这个(组)样品被用于验证模型，其余样品用于该系统的校正。然后重复这个过程，直到全部样品都被用于验证一次。

3.2 样品选择从61份样品中任意选择5份样品作为验证集，56份样品作为样品集，经Outliers优化，49号样品为溢出值，并将其从建模样品中剔出，以保证模型的准确性。

3.3 处理方法的选择考察了不同的处理方法，包括变量数、平滑(Smooth)、归一化(Normalization)、基线校正(Baseline)等，以R2、SEE、SEP作为参考标准，结果见表1。由表1可知，变量数为10，经5点二阶导、5点平滑处理的模型是最优的，此时的R2、SEE、SEP分别为99.46、0.028 13、0.385 1。

表1 天麻选择不同处理方法建模的统计结果

3.4 校正模型选择变量数为10，经5点二阶导数和5点平滑处理，4 000～650 cm－1波段建立天麻校正模型，红外预测值与色谱实际值的PLS校正模型如图2所示，R2=99.46，SEE=0.028 13，SEP=0.385 1。

3.5 检验集预测结果用建立的最佳校正模型，对验证样品的天麻素含有量进行预测，预测集结果见表2。由结果可知该定量模型可靠，可以作为快速测定的方法。

图2 天麻定量测定中红外光谱模型

表2 天麻中天麻素含有量的预测结果

4 结论

本实验通过中红外光谱衰减漫反射技术，采用偏最小二乘法建立了天麻中天麻素含有量的中红外模型，可快速测定天麻中天麻素含有量，为饮片企业的质量检验降低了成本，便于推广使用。

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