基于傅里叶变换红外光谱指纹特征的甘肃8个主产县红芪药材鉴别研究

顾志荣 许爱霞 祁梅 李芳 张瑛 钱倩 石磊

摘要：目的 研究甘肃8个主产县红芪药材的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）指纹特征，为不同产地红芪的鉴别应用提供依据。方法 采用FT-IR技术，采集甘肃省8个红芪主产县110批红芪样品在4000～400 cm-1范围内的指纹图谱数据，对指纹图谱的共有模式进行光谱解析，对8个主产县红芪的FT-IR指纹图谱进行相似度分析，比较不同主产县红芪的FT-IR指纹特征。结果 8个主产县红芪FT-IR指纹图谱的平均相似度大小排序为宕昌>礼县>西和>武都>漳县>岷县>陇西>渭源，陇西、渭源红芪与其他产地的样品差异较大；陇南地区（宕昌、礼县、西和、武都）红芪的FT-IR指纹图谱较为相似，平均相似度较大，而定西地区（漳县、岷县、陇西、渭源）红芪的FT-IR指纹图谱较为相似，平均相似度较小；每个主产县红芪的FT-IR指纹图谱均具有显著、唯一的FT-IR指纹特征。结论 根据FT-IR指纹特征能够实现甘肃8个主产县红芪药材的鉴别应用。

关键词：红芪；傅里叶变换红外光谱；指纹图谱；相似度分析；指纹鉴别

DOI：10.3969/j.issn.1005-5304.2018.11.014

中图分类号：R284.1 文献标识码：A 文章编号：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

红芪是豆科岩黄芪属植物多序岩黄芪Hedysarum polybotrys Hand.-Mazz的干燥根，最早记载于《神农本草经》黄芪项下，被列为上品，入药已有2000多年历史[1]。红芪有补气固表、利尿、托毒排脓、敛疮生肌等功效[2]，在免疫调节、抗肿瘤、抗突变及抗损伤等方面作用突出[3]。

红芪是甘肃特有的道地药材，主产于甘肃陇南地区的武都、礼县、宕昌及定西地区的岷县、陇西、漳县等地，产量占全国95%以上。其中，陇南是甘肃省唯一属于长江水系并拥有亚热带气候的地区，而定西则属于中温带半干旱区。研究发现，不同时间、空间的气候条件、水土异质等环境变化均会影响药用植物的物候规律、生长发育、能量代谢、物质合成及气体交换等生理作用，继而影响其次生代谢产物的变化，从而导致药材质量及临床疗效有所差异[4]。因此，探讨不同环境因子背景下红芪药材的物质基础、遗传效应、药理作用等差异，对于突出红芪的产地比较优势、打造地域性红芪品牌具有重要的实际意义。本研究对甘肃8个主产县红芪药材的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）指紋图谱进行相似性分析及差异比较，旨在发现甘肃不同主产县红芪的FT-IR指纹特征，为不同产地红芪的鉴别应用提供依据。

1 仪器与试药

Spectrum 110型傅里叶变换红外光谱仪（配有中红外DTGS检测器），Perkin-Elmer公司；OMNIC8.2光谱处理软件，美国Thermo Fisher Scientific公司。光谱纯KBr碎晶，国药集团化学试剂公司。

甘肃省8个主产县110批红芪样品均经甘肃省人民医院郑修丽副主任中药师鉴定为豆科岩黄芪属植物多序岩黄芪Hedysarum polybotrys Hand. -Mazz的干燥根。将样品自然阴干，粉碎后过200目筛，冷藏备用。样品信息见表1。

2 方法与结果

2.1 光谱采集

将备用样品粉末于（60±5）℃干燥至恒重，精密称取3 mg，与250 mg KBr碎晶一起加入玛瑙研钵中，研磨均匀后以压片机压成薄片，以透射方式采集样品的FT-IR原始光谱数据。技术参数：扫描范围4000～400 cm-1，光谱分辨率4 cm-1，扫描次数16；扫描时扣除H2O和CO2干扰；控温范围50～120 ℃，每10 ℃扫描1次，升温速率2 ℃/min。平行测量3次，取平均光谱[5]。

2.2 光谱预处理

采集的光谱信号以ASCII文件格式*.csv输出。分析前将FT-IR原始数据用OMNIC8.2光谱处理软件分别进行13点平滑滤波、基线校正、Noise去噪及多元散射校正（MSC），以去除基线漂移、光散射及随机噪声等因素对分析结果的干扰。

2.3 红芪指纹图谱及平均光谱

预处理后的甘肃8个主产县110批红芪样品的FT-IR指纹图谱见图1。整体可见，不同产地红芪药材的FT-IR指纹图谱走势及主要吸收峰位均基本一致。110批红芪指纹图谱的平均光谱见图2。

红芪FT-IR平均光谱的特征吸收峰及其解析：3411 cm-1是O-H的伸缩振动吸收峰，表现为宽强羟基峰；2931 cm-1为亚甲基C-H反对称伸缩振动峰，表现为尖锐的中等强度亚甲基峰；2366 cm-1为C≡C、C≡N的伸缩振动吸收峰；1646、1583 cm-1为苯环C=C芳香环骨架振动以及不饱和醚C=C伸缩振动吸收峰，其中1646 cm-1表现为尖锐的强吸收峰；1515 cm-1主要是苯环骨架伸缩振动吸收峰；1246 cm-1主要是C-O和酯类分子中C-O-C伸缩振动吸收峰；1128、995 cm-1主要为糖苷类、醚、酯、羧酸等C-O的伸缩振动吸收峰；946、891、667、609 cm-1主要为O-H、=CH的面外弯曲振动吸收峰，表现为弱的吸收峰[5-7]。

2.4 指纹图谱相似度分析

以110批红芪样品FT-IR指纹图谱的平均光谱作为对照图谱，以相关系数法求取各批样品FT-IR指纹图谱的相似度，结果见表2。可见，除4批样品相似度<0.90外，其余红芪样品FT-IR指纹图谱的相似度均大于0.90，表明不同产地红芪FT-IR指纹图谱的相似性较大。

不同产地红芪FT-IR指纹图谱相似度的规律性很明显：武都红芪FT-IR指纹图谱相似度在0.924 8～0.996 8之间，平均为0.970 0；宕昌红芪相似度在0.963 6～0.996 8之间，平均为0.981 7；礼县红芪相似度在0.964 2～0.982 7之间，平均为0.974 5；西和红芪相似度在0.960 1～0.975 8之间，平均为0.970 3；岷县红芪相似度在0.941 6～0.958 3之间，平均为0.950 1；漳县红芪相似度在0.937 9～0.969 0之间，平均为0.951 9；渭源红芪相似度在0.884 5～0.933 7之间，平均为0.907 4；陇西红芪相似度在0.936 9～0.977 0之间，平均为0.947 2。可见，8个主产县红芪FT-IR指纹图谱的平均相似度大小排序为：宕昌>礼县>西和>武都>漳县>岷县>陇西>渭源。其中，陇西和渭源红芪FT-IR指纹图谱的平均相似度<0.95，说明这2个产地红芪与其他产地样品差异较大。同时也可看出，各产地红芪FT-IR指纹图谱相似度体现了较好的地域聚集性，即陇南地区（宕昌、礼县、西和、武都）红芪的FT-IR指纹图谱较为相似，平均相似度在0.970 0～0.981 7之间，整体较大；而定西地区红芪的FT-IR指纹图谱较为相似，平均相似度在0.907 4～0.951 9之间，整体较小。

2.5 不同主产县红芪指纹图谱特征比较

不同主产县红芪FT-IR指纹图谱的平均光谱及特征吸收峰见图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个产地红芪FT-IR指纹图谱平均光谱共有的特征吸收峰。不同产地红芪FT-IR指纹图谱的平均光谱及特征吸收峰均不完全相同，即每个产地的平均光谱均显示其独特的指纹特征。其中，武都红芪FT-IR指纹图谱平均光谱的指纹特性表现为670 cm-1附近未出现吸收峰，而其他7个产地红芪均有此吸收峰；1057 cm-1处有吸收峰，而其他7个产地红芪均无此吸收峰。陇西红芪的指纹特性表现为757 cm-1处有吸收峰，而其他7个产地红芪均无此吸收峰。武都红芪在791 cm-1處、宕昌红芪在786 cm-1处有吸收峰，而其他6个产地红芪均无此吸收峰。武都红芪在2369 cm-1处、礼县红芪在2362 cm-1处、西和红芪在2364 cm-1处均有吸收峰，而其他5个产地红芪均无此吸收峰。西和红芪在2162 cm-1处、渭源红芪在2169 cm-1处有吸收峰，而其他6个产地红芪均无此吸收峰。武都红芪与渭源红芪在1740 cm-1附近均无吸收峰，而其他6个产地红芪均有此吸收峰。宕昌红芪、岷县红芪、漳县红芪及陇西红芪在1590 cm-1、1450 cm-1附近均有吸收峰，而其他4个产地红芪均无此吸收峰。宕昌红芪及陇西红芪在1240 cm-1附近均无吸收峰，而其他6个产地红芪均有此吸收峰。武都红芪、礼县红芪、西和红芪、渭源红芪在1000 cm-1附近均有吸收峰，而其他4个产地红芪均无此吸收峰。宕昌红芪、漳县红芪、陇西红芪在950 cm-1附近均无吸收峰，而其他5个产地红芪均有此吸收峰。岷县红芪、渭源红芪、陇西红芪在890 cm-1附近均有吸收峰，而其他5个产地红芪均无此吸收峰。礼县红芪、西和红芪、漳县红芪在610 cm-1附近均无吸收峰，而其他5个产地红芪均有此吸收峰。

2.6 不同主产县红芪指纹图谱一阶导数平均光谱指纹特征比较

不同产地红芪FT-IR指纹图谱的一阶导数平均光谱及特征吸收峰见图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个吸收峰是8个产地红芪FT-IR指纹图谱一阶导数平均光谱共有的特征吸收峰，除此之外，每个产区的一阶导数平均光谱均有其独特的指纹特性。其中，吸收峰b是陇西红芪FT-IR指纹图谱一阶导数平均光谱特有的吸收峰；吸收峰f是宕昌红芪特有的吸收峰；吸收峰f是西和红芪及渭源红芪特有的吸收峰；吸收峰p是西和、渭源及陇西3个产地红芪特有的吸收峰；吸收峰h是宕昌、礼县、岷县及漳县4个产地红芪特有的吸收峰；吸收峰j是陇南地区（武都、宕昌、礼县及西和）红芪特有的吸收峰；武都、西和及陇西3个产地红芪均无吸收峰k，而其他5个产地红芪均有此吸收峰；西和、渭源红芪均无吸收峰r及v，而其他6个产地红芪均有此2个吸收峰；武都、宕昌、岷县及陇西4个产地红芪均有吸收峰w，而其他4个产地红芪均无此吸收峰；礼县、西和、漳县及渭源4个产地红芪均有吸收峰d'，而其他4个产地红芪均无此吸收峰。

3 讨论

本研究结果显示，甘肃8个主产县红芪样品FT-IR指纹图谱的平均相似度大小排序为宕昌>礼县>西和>武都>漳县>岷县>陇西>渭源；陇南地区（宕昌、礼县、西和、武都）红芪FT-IR指纹图谱的平均相似度较大，而定西地区（漳县、岷县、陇西、渭源）红芪FT-IR指纹图谱的平均相似度较小，说明红芪在物质基础方面具有明显的地域性分布特征，即地理位置相近或接壤的产区红芪样品的相似性更强，这一特点在相关文献中也有报道。如包强等[8]研究表明，武都、宕昌红芪中总黄酮含量均明显高于陇西、岷县、渭源等地；杨秀娟等[9]研究表明，礼县、渭源、西和红芪中总多糖含量较高，而岷县红芪含量最低。

在基于FT-IR技术探讨不同产地红芪的指纹特征时，采集的红外光谱信号中存在基线漂移、光散射、随机噪声等因素的干扰，会影响光谱数据中有效信息的充分、准确提取[10]，由此影响不同产地红芪FT-IR指纹特征的指认。鉴于此，本研究在分析前对采集的原始光谱数据进行适宜的预处理，经优化表明，采用13点平滑滤波、基线校正、Noise去噪及多元散射校正相结合进行预处理效果最好。

本研究结果证实了中药质量与产地的密切相关性。即使在同一地区，不同红芪主产县的海拔、光照、降雨量、土壤等气候因子也具有较大差异，因而其FT-IR指纹图谱具有明显的指纹特征，即唯一性。在我国现存最早的本草专著《神农本草经》中就有“药有……采治（造）时月；生熟，土地所出”等叙述，说明产地不同则药材品质不同[11]。唐代孙思邈在《备急千金要方》中亦云：“古之医者……用药必依土地，所以治十得九。”不同主产县红芪秉承了各自产地的海拔、经纬度、土壤、光照、微生物、地形及栽培經验等特点，由此在物质基础（次生代谢产物）方面具有显著差异[12]，本研究结果与其相符。甘肃8个主产县的红芪药材FT-IR指纹图谱均具有显著、唯一的FT-IR指纹特征，可根据这一指纹特征实现甘肃8个主产县红芪药材的鉴别应用。

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