三七種植土壤類型及產(chǎn)地的紅外光譜鑒別方法研究

楊春艷，劉 飛，王元忠，李開毅

(1.玉溪師范學(xué)院 物理系，云南 玉溪 653100； 2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 藥用植物研究所，云南 昆明 650200)

三七種植土壤類型及產(chǎn)地的紅外光譜鑒別方法研究

楊春艷1，劉 飛1，王元忠2*，李開毅1

(1.玉溪師范學(xué)院 物理系，云南 玉溪 653100； 2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 藥用植物研究所，云南 昆明 650200)

為建立一種基于傅里葉變換紅外光譜技術(shù)結(jié)合光譜檢索的三七種植土壤類型和產(chǎn)地的鑒別方法，以3個(gè)產(chǎn)地6種土壤類型種植的102株三七植株主根木質(zhì)部和韌皮部的紅外光譜為指標(biāo)，利用Omnic 8.0軟件中光譜檢索功能分別對(duì)主根木質(zhì)部和韌皮部的紅外光譜與相應(yīng)光譜庫(kù)進(jìn)行種植土壤類型和產(chǎn)地檢索和鑒別。結(jié)果表明：基于韌皮部光譜的鑒別效果比木質(zhì)部的好。利用韌皮部光譜對(duì)種植土壤類型和產(chǎn)地進(jìn)行鑒別時(shí)，匹配正確率分別為90.20%和97.06%。表明傅里葉變換紅外光譜技術(shù)結(jié)合光譜檢索法可鑒別三七的種植土壤類型和產(chǎn)地。

紅外光譜； 光譜檢索； 土壤類型； 產(chǎn)地； 三七

三七又名田七、三七參等,為傘形目五加科人參屬多年生草本植物,是我國(guó)傳統(tǒng)的珍貴藥材，主要功效為清熱解毒、活血化瘀[1]、止血兼補(bǔ)虛[2]、降壓、鎮(zhèn)痛、抗炎[3]、抗衰老和免疫調(diào)節(jié)[4]；主要用于治療外傷出血、胸腹刺痛和跌撲腫痛等[4]。此外，三七還具有抗纖維化、抗腫瘤和抗風(fēng)濕的作用。隨著對(duì)三七研究的不斷深入，其市場(chǎng)需求量也不斷增加，三七的種植地域也在不斷擴(kuò)大。生態(tài)地理環(huán)境(產(chǎn)地)被普遍認(rèn)為是在剔除遺傳因素后，影響中藥材“道地性”的最關(guān)鍵因素，它包括溫度、經(jīng)緯度、海拔、土壤、氣候、光照等[5-7]，氣候條件相差不大的情況下，土壤類型是影響中藥材質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，產(chǎn)地和種植土壤類型的鑒定是三七品質(zhì)鑒定的重要組成部分。

傅里葉變換紅外光譜技術(shù)(FTIR)具有既不破壞樣品的物質(zhì)組分，又能全面反映物質(zhì)內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的定量和定性信息等優(yōu)點(diǎn)，在中藥材的鑒別方面已有較多成功應(yīng)用的報(bào)道[8-10]。目前已有多位學(xué)者應(yīng)用此技術(shù)對(duì)三七進(jìn)行多方面的研究，如劉飛等[8]應(yīng)用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)對(duì)5個(gè)品種的三七、三七花進(jìn)行測(cè)定，分析主要特征吸收峰上吸光度比的差異等。光譜檢索是將紅外光譜數(shù)字化，然后利用某種算法將未知物譜圖與譜庫(kù)中譜圖進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光譜匹配，以找到最佳匹配，從而獲得對(duì)未知物鑒定的方法。此方法在品種鑒別研究方面已有成功的應(yīng)用報(bào)道[9-10]。但基于傅里葉變換紅外光譜技術(shù)結(jié)合光譜檢索對(duì)三七產(chǎn)地和種植土壤類型的鑒別尚未見報(bào)道。鑒于此，基于3個(gè)產(chǎn)地6種土壤類型種植的102株三七植株主根木質(zhì)部和韌皮部樣品的紅外光譜，采用光譜檢索的不同算法對(duì)樣品的產(chǎn)地和種植土壤類型進(jìn)行鑒別研究，以期為三七品質(zhì)鑒定提供方便、快捷的方法。

1 材料和方法

1.1 樣品采集與制備

選擇主產(chǎn)三七的文山縣、硯山縣及紅河州建水縣作采樣區(qū)。樣品采集時(shí)均選取根質(zhì)量、株高、莖粗、葉長(zhǎng)、葉寬各項(xiàng)指標(biāo)相近，且生長(zhǎng)健康的3年生植株，樣品經(jīng)清洗、晾干后置入烘箱以50 ℃恒溫烘烤至恒定質(zhì)量，備用。取三七植株主根木質(zhì)部樣品和韌皮部樣品分別放入瑪瑙研缽，磨為均勻細(xì)粉，再按樣品與溴化鉀1∶50的質(zhì)量比加入溴化鉀攪磨均勻，壓片，測(cè)試光譜，每株三七植株主根木質(zhì)部樣品和韌皮部樣品各壓制1個(gè)掃描片，測(cè)試中實(shí)時(shí)扣除背景的影響。表1為各試驗(yàn)樣品的種植土壤類型、產(chǎn)地及編號(hào)。

表1 三七樣品產(chǎn)地及土壤類型

1.2 光譜預(yù)處理與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

使用Omnic 8.0軟件對(duì)測(cè)試得到的所有光譜進(jìn)行自動(dòng)基線校正、九點(diǎn)平滑和縱坐標(biāo)歸一化處理，并對(duì)每種土壤類型種植植株主根木質(zhì)部的光譜和韌皮部的光譜分別求平均光譜,備用。

1.3 試驗(yàn)方法

Omnic 8.0軟件的譜圖分析模塊中帶有譜圖檢索的功能，并設(shè)置有專家檢索和設(shè)定檢索2種檢索類型，其中設(shè)定檢索類型中又設(shè)置有相關(guān)性、絕對(duì)微分差、平方微分差、絕對(duì)差、平方差5種檢索算法。本研究選擇專家檢索和相關(guān)性算法、絕對(duì)微分差算法和平方微分差算法進(jìn)行光譜檢索鑒別。由于不同土壤類型種植的三七主根木質(zhì)部以及韌皮部樣品的光譜都非常相似，為更好地鑒別，取每種土壤類型種植植株的所有主根木質(zhì)部樣品和韌皮部樣品光譜的平均光譜分別組成光譜數(shù)據(jù)庫(kù)Lib1和Lib2。將102株三七主根木質(zhì)部的光譜和韌皮部的光譜作為未知樣品光譜與相應(yīng)的光譜庫(kù)進(jìn)行檢索匹配鑒別。匹配得分的高低表示彼此間的相似程度，未知樣品光譜與光譜庫(kù)中光譜匹配得分最高的，即視為屬于該類型。

2 結(jié)果與分析

2.1 三七主根木質(zhì)部和韌皮部的紅外光譜特征

從圖1可以看出，不同種植土壤類型三七主根木質(zhì)部的平均紅外光譜非常相似，主要在3 393、2 929、1 643、1 415、1 373、1 242、1 154、1 079、1 023、927、850、762、707、577、530、477 cm-1附近出現(xiàn)吸收峰。3 393 cm-1附近的強(qiáng)寬峰為O-H和N-H伸縮振動(dòng)吸收疊加峰；2 929 cm-1附近弱吸收峰來(lái)自亞甲基C-H的伸縮振動(dòng)吸收；在酰胺、羰基和苯環(huán)的振動(dòng)吸收區(qū)(1 800～1 500 cm-1)，1 643 cm-1附近吸收峰主要來(lái)自甾體苷類中C=O的伸縮振動(dòng)和多糖類物質(zhì)中O-H彎曲振動(dòng)；在脂類、蛋白質(zhì)和多糖的混合振動(dòng)區(qū)(1 500～1 200 cm-1)，1 415 、1 373 cm-1附近吸收峰來(lái)自C-H彎曲振動(dòng)；1 242 cm-1附近的弱吸收峰為苯環(huán)中C-H彎曲振動(dòng)和C-OH伸縮振動(dòng)的疊加峰。在皂苷、淀粉等多糖類物質(zhì)的特征吸收區(qū)(1 200～950 cm-1)，各樣品光譜在此區(qū)域均呈現(xiàn)了1 154、1 079、1 023 cm-1附近階梯增強(qiáng)的強(qiáng)吸收峰，主要來(lái)自淀粉、皂苷等多糖類物質(zhì)中C-O伸縮振動(dòng)和甾體皂苷元中羰基O-H的彎曲振動(dòng)吸收。在皂苷類物質(zhì)和糖環(huán)的骨架振動(dòng)區(qū)(950～700 cm-1)，927、850、762 cm-1附近出現(xiàn)的弱吸收峰來(lái)自甾體皂苷的特征吸收和糖環(huán)中C-C伸縮振動(dòng)吸收，說(shuō)明樣品含有α-型糖苷鍵。光譜中3 393、2 929、1 643、1 415、1 373、1 242、1 154、1 079、1 023、927、850、762、707、577、530、477 cm-1附近的14個(gè)吸收峰與淀粉的紅外光譜在相應(yīng)位置附近的特征峰的峰形和相對(duì)峰強(qiáng)非常相似，此特征結(jié)合1 023、1 079 cm-1附近吸收峰為光譜最強(qiáng)峰和第二強(qiáng)峰，說(shuō)明三七主根木質(zhì)部淀粉含量較高。綜合以上分析，三七主根木質(zhì)部的主要物質(zhì)成分為淀粉、皂苷等糖類物質(zhì)。

圖1 不同土壤類型種植三七主根木質(zhì)部的平均紅外光譜

從圖2可以看出，與木質(zhì)部的紅外光譜相比，二者光譜峰的總體形狀相似，但峰位和峰高有差異，主要表現(xiàn)在1 800～1 500 cm-1和1 500～1 200 cm-1區(qū)域，在兩區(qū)域中，韌皮部光譜顯示的吸收峰數(shù)量比木質(zhì)部的多；在2 855、1 740、1 323 cm-1附近的吸收峰比木質(zhì)部的明顯。光譜特征表明，韌皮部和木質(zhì)部的主要物質(zhì)成分基本相同。

2.2 基于紅外光譜的種植土壤類型和產(chǎn)地鑒別分析

2.2.1 基于三七不同部位的紅外光譜對(duì)其產(chǎn)地和種植土壤類型的鑒別 將全部主根木質(zhì)部樣品的紅外光譜和韌皮部樣品的紅外光譜分別與相應(yīng)光譜庫(kù)進(jìn)行專家檢索，產(chǎn)地和種植土壤類型匹配不正確的樣品植株編號(hào)及得分高的前3種土壤類型見表2，其中正體表示產(chǎn)地和土壤類型匹配均不正確，斜體表示產(chǎn)地匹配正確，斜體加粗表示產(chǎn)地和土壤類型均匹配正確。由于篇幅限制，木質(zhì)部和韌皮部2個(gè)部位的土壤類型和產(chǎn)地均匹配正確的48株植株檢索結(jié)果詳情未列出。

圖2 不同土壤類型種植三七主根韌皮部的平均紅外光譜

從表2可以看出，木質(zhì)部樣品光譜和韌皮部樣品光譜對(duì)三七產(chǎn)地和種植土壤類型的鑒別效果差異明顯。盡管韌皮部樣品光譜的檢索匹配得分值總體低于木質(zhì)部樣品光譜的得分值，但前者的產(chǎn)地和種植土壤類型的鑒別分類正確率明顯高于后者。將未知的102個(gè)木質(zhì)部樣品與光譜庫(kù)Lib1進(jìn)行檢索，按最高得分值計(jì)算的產(chǎn)地和種植土壤類型均匹配正確的樣品數(shù)為52個(gè)，正確率為50.98%，僅產(chǎn)地匹配的樣品數(shù)為71個(gè)，正確率為69.61%；將未知的102個(gè)韌皮部樣品分別與Lib2進(jìn)行檢索，按最高得分值計(jì)算的產(chǎn)地和種植土壤類型均匹配正確的樣品數(shù)為76個(gè)，正確率為74.51%，僅產(chǎn)地匹配正確的樣品數(shù)為84個(gè)，正確率為82.35%。上述分析表明，基于主根韌皮部光譜的三七產(chǎn)地和種植土壤類型的鑒別效果明顯優(yōu)于基于木質(zhì)部光譜的鑒別效果。

表2 基于三七不同部位的紅外光譜對(duì)其產(chǎn)地和種植土壤類型鑒別中匹配不正確的樣品植株編號(hào)及得分高的前3種土壤類型

續(xù)表2 基于三七不同部位的紅外光譜對(duì)其產(chǎn)地和種植土壤類型鑒別中匹配不正確的樣品植株編號(hào)及得分高的前3種土壤類型

2.2.2 基于韌皮部光譜的不同檢索算法對(duì)三七產(chǎn)地和種植土壤類型的鑒別 由表3可以看出，絕對(duì)微分差和平方微分差檢索算法的鑒別效果明顯優(yōu)于專家檢索和相關(guān)性檢索法。在種植土壤類型和產(chǎn)地的鑒別中，絕對(duì)微分差和平方微分差2種算法的檢索匹配正確率均相同，分別為90.20%和97.06%。因此利用三七植株主根韌皮部的光譜進(jìn)行光譜檢索匹配來(lái)鑒別其種植土壤類型和產(chǎn)地是可行的，且絕對(duì)微分差和平方微分差2種檢索算法更合適。

表3 基于韌皮部光譜的不同檢索算法對(duì)三七產(chǎn)地和

3 結(jié)論與討論

本研究利用FTIR技術(shù)測(cè)試了3個(gè)產(chǎn)地、6種種植土壤類型、102株三七植株主根木質(zhì)部和韌皮部的紅外光譜。利用Omnic 8.0軟件建立由各種植土壤類型植株主根木質(zhì)部樣品和韌皮部樣品的平均光譜組成的數(shù)據(jù)庫(kù)，各樣品光譜分別與相應(yīng)光譜庫(kù)在全譜范圍作光譜檢索，通過(guò)第一匹配得分鑒別種植土壤類型和產(chǎn)地。對(duì)比了木質(zhì)部和韌皮部2個(gè)部位的檢索分類效果，以及專家檢索、相關(guān)性、絕對(duì)微分差和平方微分差4種算法的效果。結(jié)果表明，基于韌皮部紅外光譜數(shù)據(jù)的光譜檢索方法可用于三七種植土壤類型和產(chǎn)地的鑒別，且絕對(duì)微分差和平方微分差2種算法的檢索正確率高于相關(guān)性檢索和專家檢索。因此，采用絕對(duì)微分差和平方微分差算法的光譜檢索算法，更適合于基于主根韌皮部光譜的不同產(chǎn)地和不同種植土壤類型的三七的鑒別。

本研究中，代號(hào)為D、E和F的樣品間按最高得分匹配的產(chǎn)地錯(cuò)判率相對(duì)較高，這可能與文山州硯山縣和紅河州建水縣相似的地理背景有關(guān)(建水縣位于北緯23°49′～24°2′，東經(jīng)102°39′～102°51′；硯山縣位于北緯23°19′～23°59′，東經(jīng)103°35′～104°45′)。

樣品來(lái)源地分布較密集，若樣品的采集點(diǎn)分布更廣些，鑒別效果也許會(huì)更佳。此外，從本研究的鑒別分類結(jié)果可以看出，種植土壤類型確實(shí)是影響三七品質(zhì)的一個(gè)重要因素。

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Identification ofPanaxnotoginsengfrom Different Planting Soil and Geographical Origins by Fourier Transform Infrared Spectroscopy

YANG Chunyan1,LIU Fei1，WANG Yuanzhong2*,LI Kaiyi1

(1.Department of Physics,Yuxi Normal University,Yuxi 653100,China; 2.Institute of Medicinal Plants,Yunnan Academy of Agricultural Sciences,Kunming 650200,China)

The phloems and xylems of 102Panaxnotoginsengtaproot samples from three geographical origins including six planting soil types were determined by Fourier transform infrared(FTIR) spectroscopy.By the spectral professional software Omnic 8.0,the expert search,correlation search,the square differential difference retrieval and absolute differential difference retrieval of the spectra of phloems and xylems were carried out with corresponding spectral database.The result showed that phloems samples had a better discrimination effect than xylems,which yielded correct rate of 90.20% for soil type and 97.06% for origin.FTIR combing with the spectral retrieval method could identify different origins and planting soil types ofPanaxnotoginseng.

infrared spectra; spectral retrieval; soil type; origin；Panaxnotoginseng

2016-06-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81260610)；玉溪師范學(xué)院青年教師資助計(jì)劃項(xiàng)目

楊春艷(1979-)，女，云南大理人，副教授，碩士，主要從事激光紅外光譜的研究。E-mail：ychyky@163.com

*通訊作者：王元忠(1981-)，男，云南怒江人，副研究員，碩士，主要從事藥用植物資源研究。E-mail：boletus@126.com

S567.23+6

A

1004-3268(2016)10-0114-05