三七红外光谱测定的不确定度研究

刘 芳，沈清清，陈红惠，李 蕾，舒 燕

（1.文山学院 化学与工程学院，云南 文山 663099；2.文山学院 环境与资源学院，云南 文山 663099）

三七Panax Xotoginseng(Burk) F.H.Chen为五加科人参属植物，主要以根入药，是我国特有名贵中药，具有降低血压、抗血栓、保护神经、抗动脉粥样硬化等作用，市场需求量较大[1]。为确保三七质量，传统采用基原鉴定、显微鉴定和理化鉴定等方法对其进行检测。但基原鉴定要求检测者要有丰富的经验知识；显微鉴别时特征的差别非常细微难以辨别；一般的理化鉴别只能反映个别活性成分的含量，不能完全反映出药材质量的好坏。而许多现代分析法，比如色谱法、质谱法、生物 DNA技术等，要对药材进行分离提取，比较麻烦难以大范围推广[2-3]。红外光谱技术是一种能够方便和快速获取样品化学信息的新技术，目前已用于对不同种中药材和中成药的快速鉴别[4-6]。

红外光谱分析用于三七的鉴定方法简单容易操作，但红外谱图的好坏往往是靠经验来评判。为了寻找一种科学的评价方法，就需要借助于传统分析化学中评价分析数据准确性的参数—误差来分析谱图的质量，希望能尽可能减小测量误差，从而以最佳参数采集样品光谱数据，提高测定光谱的质量[7]。但由于红外光谱并不是单一的数据，因此对它误差评定的方法不能单纯的依靠以往对测量结果误差的分析方法。测量不确定度是在误差理论的基础之上延伸出的新的表征测量结果的概念。它表示了重复性测量条件下得到的测量结果的分散性，它的结果跟测量方法、数据处理方法等有关系，而与具体的测量数值没关系[8-9]。现将不确定度的概念应用到文山三七红外光谱曲线重复性的表征中，以吸收度作为不确定度计算中的主要参数，将不同实验条件下得到的不确定度结果和测定得到的光谱做对比。以便寻找到更适合三七红外谱图质量评价的数学模型。从而为三七品质鉴定的红外光谱提供一个技术参考指标。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

IRpresstige-21 傅立叶红外分光光度计（日本岛津公司）；DHG-9076A型电热恒温鼓风干燥箱（上海跃进区医用光学器械厂）；HF-2压片模具（天津博天胜达科技发展有限公司）；三七（购于文山州中药材市场）、光谱纯KBr（天津市光复精细化工研究所）。

1.2 实验参数的选择

通过多次重复性实验发现影响三七红外光谱测量结果的因素主要有测量环境、仪器参数设置和样品的制备过程三个方面。其中样品制备过程和仪器参数设置是主要影响因素，本文主要对这两方面的误差进行实验测量及分析比较。

1.3 样品制备及谱图测定

将三七样品与溴化钾在90 ℃干燥12 h，然后分别在玛瑙研钵内充分磨细、过筛。采用溴化钾压片法，将样品与溴化钾按一定比例混合后取适量装入磨具，在一定的压力下压制适当的时间，得到样品片，然后以纯溴化钾片为背景，选择合适的测量参数进行测定。

2 数据处理

不确定度可以分成A类不确定度和B类不确定度两种方法。B类不确定度是用非统计方法进行计算，根据经验、常识、资料和假设的概率分布估计的标准偏差来表示。实验中由于我们采用的是对观测值进行了多次重复性观测后，通过统计分析这一系列观测值来进行评定，所以研究A类不确定度[10]。

实验中每组进行了6次重复性测量，根据测量得到了6条红外谱图，获取谱图中的横坐标为波数，用字母v表示，纵坐标表示的是样品的吸收度，用字母a表示，同一谱线中的吸收度能看出该谱线的波动范围。用表示同一测量条件下的6组谱图的吸收度的总平均值，也就是最佳估计值和真值。Xi表示每一条谱线（1 868个数据点）吸收度的平均值，则A类的标准不确定度为：

相对标准不确定度为：

3 结果与讨论

3.1 不同粒径样品的不确定度

在实验中选用了120目、160目、200目、240目、280目5种不同的三七粒径进行对比，分别计算了它们的不确定度，如表1。

表1 不同粒径样品的不确定度

从表1的结果可以看出，当选取的三七目数达到160目时，不确定度最小。将同一粒径下测定6次得到谱图放在一起进行对比，可以明显的看出三七粒径为160目时，谱图的重复性最好，这与我们前面所计算的结果一致，见图1。

图1 不同粒径的样品测定六次的红外光谱重叠图

3.2 三七与溴化钾不同配比的不确定度

实验中选取了 1∶80、1∶100、1∶120、1∶140、1∶160五种三七与溴化钾的比例关系进行了不确定度的计算，结果如表2所示。

表2 三七与溴化钾不同配比的不确定度

从表2可以看出三七与溴化钾的比例为1∶100时，不确定度最小，同一配比下测定6次的谱图也是混合比例为1∶100时的重复性最好；同时通过表2可以看出，当它的不确定度越大时，其重复性越差。这说明我们所计算出来的不确定度的大小和谱图的重复性是保持一致的，见图2。

图2 三七与溴化钾不同配比测定六次的红外光谱重叠图

3.3 不同压力的不确定度

选取了5种不同的压片压力进行对比，分别为40 kN、50 kN、60 kN、70 kN和80 kN。通过计算不确定度，从中选取最优的测量条件，如表3所示。

表3 不同压力的不确定度

从表3中可以看出压力达到70 kN时，它的不确定度最小，将同一压力下测定6次得到的谱图放在一起进行对比，同样是压力达到70 kN时，重复性最好，见图3。

图3 不同压力测定六次的红外光谱重叠图

3.4 不同扫描次数下的不确定度

对同一样品分别测定了5次、10次、15次、20次、25次五组不同扫描次数下的红外光谱进行了6次重复性测量，并通过计算得出了它们的不确定度，如表4。

从表4中可以看出，当扫描次数为10次时，不确定度最小，测定6次得到的谱图重复性也最好，见图4。

图4 不同扫描次数测定六次的红外光谱重叠图

3.5 不同分辨率下的不确定度

将仪器分辨率分别设为：1 cm-1、2 cm-1、4 cm-1、8 cm-1、16 cm-1对同一样品进行6次重复性测量，通过计算得到它们的不确定度如表5所示。

表5 不同分辨率的不确定度

从表5的计算结果可知，当它的分辨率为2cm-1时，不确定度最小，测定6次的谱图重复性也最好。

图5 不同分辨率测定六次的红外重叠图

4 结论

依据实验数据计算得出的不确定，与同一参数条件下多次测定的红外谱图重复性之间存在如下关系：不确定越小，同一条件下多次测定的外吸收光谱曲线重复性就越好。说明用不确定度来作为红外吸收光谱质量评价的数学模型是可行的，可靠的。将不确定度的概念应用到红外光谱曲线重复性的表征中，也使其从单一测量值的应用扩展到了多数据点的实验曲线中来，为我们以后类似的评价提供了新思路。

通过实验我们也获得了三七红外谱图数据采集时的最优条件为：（1）三七粉末粒径为160目；（2）三七与KBr的混合比例为1∶100；（3）压片压力70 kN；（4）扫描次数 10次；（5）分辨率 2 cm-1。可将此优化条件确定为三七红外光谱测量时制样的标准操作流程，以保证三七品质鉴别测量时的客观一致性。