石膏紅外圖譜鑒定研究

閆 蔚，曾柏淋，孟 江，王淑美，梁生旺

廣東藥科大學(xué)中藥學(xué)院，國家中醫(yī)藥管理局中藥數(shù)字化質(zhì)量評價(jià)技術(shù)重點(diǎn)研究室，

廣東高校中藥質(zhì)量工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006

石膏紅外圖譜鑒定研究

閆 蔚，曾柏淋，孟 江，王淑美，梁生旺*

廣東藥科大學(xué)中藥學(xué)院，國家中醫(yī)藥管理局中藥數(shù)字化質(zhì)量評價(jià)技術(shù)重點(diǎn)研究室，

廣東高校中藥質(zhì)量工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006

建立硫酸鹽類礦物藥材石膏的紅外光譜指紋圖譜，并建立三種硫酸鹽類礦物藥材的聚類分析模型。用傅里葉變換紅外光譜儀測定煅石膏、石膏、芒硝等礦物藥的紅外光譜，以一階導(dǎo)數(shù)光譜圖譜結(jié)合聚類分析的方法研究三種硫酸鹽類礦物藥材的內(nèi)在組合關(guān)系； 通過測定不同產(chǎn)地和批次石膏藥材樣品的紅外光譜，并以存在的共有峰為基準(zhǔn)建立石膏的對照紅外指紋圖譜，采用相關(guān)系數(shù)法和夾角余弦法評價(jià)藥材樣品紅外圖譜與對照指紋圖譜的相似度。在中紅外區(qū)間，三種硫酸鹽類礦物藥材的原紅外光譜譜圖和一階導(dǎo)數(shù)光譜譜圖的峰數(shù)、峰位、峰形和峰強(qiáng)存在差異，結(jié)合一階導(dǎo)數(shù)紅外光譜和聚類分析，成功劃分石膏和煅石膏一類，芒硝為一類； 24批石膏樣品紅外指紋圖譜相似度大于0.980 0。本方法操作簡便，專屬性強(qiáng)，利用紅外指紋圖譜法結(jié)合聚類分析，為石膏的規(guī)范監(jiān)管提供快速準(zhǔn)確的新鑒別方法。

硫酸鹽類礦物藥； 石膏； 傅里葉變換紅外光譜； 聚類分析

引 言

石膏為中藥常用礦物藥，始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》中品一卷[1]?！吨袊幍洹?015年版1部規(guī)定石膏為硫酸鹽類礦物硬石膏族石膏，主要成分為含水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)，性狀為長塊狀、板塊狀或不規(guī)則塊狀，顏色為白色、淡黃色，有的則半透明，質(zhì)軟，縱斷面具絹絲樣光澤，具有清熱瀉火，除煩止渴的作用，臨床上多用于外感熱病，高熱煩渴，肺熱喘咳等[2]。古時(shí)以炮制入藥為主，現(xiàn)代研究則集中在對其進(jìn)行分析和控制，國家藥品標(biāo)準(zhǔn)、GMP和GSP等規(guī)范可以對生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)進(jìn)行約束，但是卻在銷售環(huán)節(jié)中存在一定控制弊端，需要一個(gè)新的有效快速的方法進(jìn)行鑒別，提高藥材的質(zhì)量控制。

近年來，對礦物藥的分析研究報(bào)道多集中在ICP-MS法和X射線衍射法，X射線衍射法通過比對即可推斷礦物藥類的物相組成，對同一種藥材來說，質(zhì)量評價(jià)存在不足，電感耦合等離子體可以對礦物藥類中藥中的重金屬元素進(jìn)行測定，普通的醫(yī)藥公司一般不具備相關(guān)的高等儀器設(shè)施，除了具有制樣困難繁瑣以外，投入使用量不大[3-5]。紅外光譜法雖然也有鑒別范圍小的局限性，但是因?yàn)槠浞治鏊俣瓤?，并且制樣簡單，適合礦物藥類中藥的鑒別研究。紅外光譜指紋圖譜具有系統(tǒng)性、重現(xiàn)性，無損性以及獲取整體宏觀信息無需單體標(biāo)準(zhǔn)物的優(yōu)勢，成為中藥現(xiàn)代化研究的新興鑒別方法。本實(shí)驗(yàn)通過前期條件摸索[6]，目前，中藥材指紋圖譜的建立以色譜指紋圖譜為主，參考色譜指紋圖譜的建立方法，采用傅里葉變換紅外光譜法對石膏進(jìn)行了紅外指紋圖譜鑒別研究，以相關(guān)系數(shù)法和夾角余弦值法評價(jià)其相似度，并與煅石膏和芒硝藥材對比，初步建立聚類分析模型，旨在得到快速鑒定新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有德國Bruker TENSOR 37傅里葉變換光譜儀(附OPUS紅外采集系統(tǒng))，F(xiàn)W-5小型壓片機(jī)(天津博天勝達(dá)科技)，WS70-1紅外小型干燥箱(鞏義市予華儀器)，AY120電子天平(SHIMADZU，日本)BP211D電子天平(Sartorius，德國)，除濕機(jī)(川島)，瑪瑙研缽。

1.2 藥材與試藥

溴化鉀(廣州化學(xué)試劑廠，批號： 20130601-1，AR)，石膏、芒硝、煅石膏等藥材樣品均來自于藥材市場，共27批。經(jīng)廣東藥科大學(xué)中藥學(xué)院李書淵教授鑒定為硫酸鹽類的礦物藥材。表1為藥材樣品來源。

表1 樣品產(chǎn)地來源和批號

1.3 方法

供試品制備： 取干燥后的石膏、煅石膏、芒硝等硫酸鹽類礦物藥材樣品，粉碎研勻過篩，待用。

稱取200 mg KBr和10 mg樣品在瑪瑙研缽中研磨粉碎，置于壓片機(jī)中壓制成透明薄片，于中紅外光譜儀上掃描測定，掃描區(qū)域?yàn)橹屑t外光譜區(qū)，設(shè)定分辨率為4 cm-1，每個(gè)樣品掃描16次。用自帶OPUS紅外軟件分析，掃描完成后，扣除背景差異，通過基線校正和平滑處理。

取石膏藥材同一樣品(S9)，按測定方法對精密度、穩(wěn)定性、重復(fù)性進(jìn)行考察，本實(shí)驗(yàn)的紅外光譜法精密度、穩(wěn)定性和重復(fù)性的共有峰波數(shù)的RSD均小于0.52%，透過率的RSD均小于3.00%，精密度、穩(wěn)定性良好，方法可行。

2 結(jié)果與討論

2.1 石膏紅外光譜分析

將制備好的石膏藥材S1、S2的紅外光譜薄片，按“1.3方法”進(jìn)行測定，所得原紅外光譜譜圖如圖1，一階導(dǎo)數(shù)光譜譜圖如圖2。通過觀察石膏的原紅外光譜譜圖，其譜線基本重合，峰數(shù)、峰型相似； 一階導(dǎo)數(shù)光譜譜圖在與原紅外光譜譜圖相應(yīng)的位置上，出現(xiàn)相應(yīng)的透過峰。原紅外光譜譜圖中峰數(shù)、峰型與文獻(xiàn)參考相似[7]，綜合分析，初步發(fā)現(xiàn)其含有11個(gè)特征區(qū)域，分別為(3 548±1)，3 404(2 240±1)，(2 116±1)，(1 685±2)，(1 621±1)，(1 139±2)，(1 114±1)，668，602，(426±1) cm-1。

圖1 石膏原紅外光譜

圖2 石膏一階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

2.2 煅石膏紅外光譜分析

將制備好的煅石膏藥材D1的紅外光譜薄片，按“1.3方法”進(jìn)行測定，所得原紅外光譜譜圖如圖3，一階導(dǎo)數(shù)光譜譜圖如圖4，D1原紅外光譜譜線與石膏藥材的原紅外光譜譜線相似，煅石膏比石膏在672～417 cm-1范圍內(nèi)，峰型和峰數(shù)更明顯。一階導(dǎo)數(shù)光譜譜圖中，在與煅石膏原紅外光譜譜圖相應(yīng)的位置上(3 524～3 231，2 362～2 123，1 694～1 614，691～414 cm-1)，D1出現(xiàn)相應(yīng)的透過峰。

圖3 煅石膏原紅外光譜

圖4 煅石膏一階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

2.3 芒硝紅外光譜分析

分別將制備好的芒硝藥材M1和M2的紅外光譜薄片，按“1.3方法”條件進(jìn)行測定，所得原紅外光譜譜圖如圖5，一階導(dǎo)數(shù)光譜譜圖如圖6。通過觀察芒硝的原紅外光譜譜圖，其譜線基本重合，峰數(shù)、峰型相似，可初步確定芒硝原紅外光譜譜圖中含有9個(gè)特征區(qū)域，分別為(3 552±1)，(3 478±1)，(3 416±1)，1 638，1 618，(1 125±13)，(637±2)，(616±1)，478 cm-1，其中在(1125±13)cm-1區(qū)域，M1和M2有區(qū)別，M2峰裂分。一階導(dǎo)數(shù)光譜譜圖中，在與原紅外光譜譜圖相應(yīng)的位置上，出現(xiàn)相應(yīng)的透過峰。一階導(dǎo)數(shù)紅外光譜譜圖的3 572～3 225和1 648～1 609 cm-1區(qū)域內(nèi)，M2比M1的譜線峰型明顯，在1 187～980 cm-1區(qū)域內(nèi)，M2的峰數(shù)和譜線與M1有明顯差別。

圖5 芒硝原紅外光譜

圖6 芒硝一階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

2.4 指紋圖譜分析[8-10]

試驗(yàn)中將24批石膏供試品分別壓片，同一實(shí)驗(yàn)條件下，按測試方法檢測。24批石膏供試品圖譜如圖7，根據(jù)不同產(chǎn)地和批次供試品的測定結(jié)果所給出的共有峰數(shù)、透過率等相關(guān)參數(shù)，由于缺少對照藥材采用共有峰模式建立石膏藥材的指紋圖譜，根據(jù)各試驗(yàn)測定結(jié)果，制定優(yōu)化的對照指紋圖譜，見圖8。

圖7 24批石膏原紅外光譜

圖8 石膏的紅外指紋圖譜

共有峰的標(biāo)定： 經(jīng)過對24批石膏供試品的紅外光譜圖分析、比較，選擇11個(gè)共有峰作為石膏藥材紅外指紋圖譜的主要分析對象，其波數(shù)如表2所示，1～11號峰波數(shù)依次為： (3 548±1)，(3 404±1)，(2 239±1)，(2 117±3)，1 686，(1 621±1)，(1 115±1)，(669±1)，(601±1)，(459±3)，(426±5)cm-1。

2.5 樣品指紋圖譜相似度評價(jià)

以24批石膏藥材的透過率平均值作為參照，運(yùn)用SPSS20軟件，分別采用相關(guān)系數(shù)法和夾角余弦法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

所有石膏中，根據(jù)相關(guān)系數(shù)法和夾角余弦值法的計(jì)算結(jié)果顯示，相關(guān)系數(shù)均大于0.980 0，各樣品的夾角余弦值均大于0.980 0，因此可說明樣品與對照紅外光譜指紋圖譜的相似度接近，初步建立石膏藥材的紅外指紋圖譜。

2.6 部分峰的歸屬[7, 11]

(1)H2O分子之間以氫鍵H—O…H締合存在，分子團(tuán)大，結(jié)晶水的伸縮振動導(dǎo)致出現(xiàn)3 548 cm-1附近和3 404 cm-1附近的寬峰，同時(shí)由于變角振動和搖擺振動的共同作用，也導(dǎo)致在2 239 cm-1和2 117 cm-1附近的范圍內(nèi)，出現(xiàn)寬的譜帶。而結(jié)晶水的變角振動則出現(xiàn)在1 686 cm-1附近和1 621 cm-1范圍內(nèi)，表現(xiàn)為尖銳的吸收峰。(2)無機(jī)硫酸鹽基團(tuán)為四面體構(gòu)型，在紅外光譜中表現(xiàn)為1 115 cm-1附近的反對稱伸縮振動，669 cm-1和601 cm-1附近的不對稱變角振動以及459 cm-1和426 cm-1附近的對稱變角振動。

表2 石膏11個(gè)共有峰的波數(shù)

表3 石膏紅外指紋圖譜相似度分霄

續(xù)表3

S236 864 7456 6163 4324 719 940 616 375 9518 4420 090 99990 9999S244 713 4644 3650 9217 497 050 354 373 7712 5013 790 99920 9987平均6 524 8751 9058 5522 249 590 586 465 5516 7918 251 00001 0000

2.7 硫酸鹽類礦物藥紅外圖譜的比較分析

通過對硫酸鹽類礦物藥原紅外光譜進(jìn)行測定，可以發(fā)現(xiàn)石膏、芒硝藥材的原紅外光譜特征相似，基本具有硫酸類基團(tuán)以及結(jié)晶水的特征峰，煅石膏從紅外光譜理論分析只具有硫酸鹽類基團(tuán)的特征峰，推測由于市售商品本身的原因，至使購買的煅石膏仍然存在結(jié)晶水的紅外特征，這屬于市售藥品監(jiān)管的一個(gè)盲點(diǎn)。

圖9 三種硫酸鹽類礦物藥的原紅外光譜圖

圖10 三種硫酸鹽類礦物藥的聚類分析圖譜

本實(shí)驗(yàn)通過三種礦物藥的原紅外光譜和一階導(dǎo)數(shù)光譜分析，通過譜圖疊加，發(fā)現(xiàn)三種藥材具有差異性，且差異集中在3 548～3 404，1 686～1 621和669～426 cm-1內(nèi)，如圖9，利用OPUS軟件進(jìn)行聚類分析，選擇差異的區(qū)域方法為歐式距離法，通過一階導(dǎo)數(shù)和矢量歸一化法合用進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，可以成功地把三種硫酸鹽類礦物藥材成功聚成2類，石膏和煅石膏為一類，芒硝為一類，其中煅石膏和石膏可成功分類，結(jié)果如圖10。

3 結(jié) 論

24批石膏光譜圖進(jìn)行優(yōu)化處理得到對照紅外光譜圖譜，指紋圖譜相似度較好，初步建立石膏藥材的紅外指紋圖譜。文獻(xiàn)[12]指出，影響礦物光譜特征的因素主要有電荷躍遷、離子運(yùn)動等對晶體結(jié)構(gòu)的影響，加上化學(xué)成分、礦物顆粒、表面形態(tài)、入射光、反射光以及共同組成的相位角的不同，可以推斷礦物藥材的紅外光譜雖然主要由硫酸鹽基團(tuán)模式構(gòu)成，但是各藥材的紅外光譜譜帶線的峰型、峰數(shù)以及峰位仍然有所差異。綜上所述，對三種具有硫酸鹽基團(tuán)的藥材進(jìn)行紅外光譜分析，推測由于晶體結(jié)構(gòu)的影響以及陽離子半徑、成分、元素重量的不同，進(jìn)而對紅外透過譜帶的位置、強(qiáng)度產(chǎn)生影響甚至導(dǎo)致峰裂分，從而致使三種硫酸鹽類的礦物藥材的原紅外光譜、一階導(dǎo)數(shù)光譜有峰型、峰數(shù)上的差異。聚類分析通俗意義上認(rèn)為同一類的對象間有盡可能大的相似性，而對于不同類中的對象間則有盡可能小的相似度。通過比較常用的三種不同硫酸鹽類礦物藥材，結(jié)合聚類分析，可成功分成2類，石膏和煅石膏為一類，芒硝為一類。

色譜指紋圖譜的相似度評價(jià)常用夾角余弦值、相關(guān)系數(shù)和歐式距離相似度等方法，三者均為單變量衡量指標(biāo)，其中，歐式距離法基于計(jì)算樣本之間的色譜峰差異的總和，存在整體性缺失的特征； 夾角余弦值和相關(guān)系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果在趨勢上有相當(dāng)程度的類似，指紋圖譜具有模糊性特征，兩者結(jié)合具有代表性，可對個(gè)別變異的次要特征峰有抗干擾能力，在所有相似度公式中最優(yōu)[13-14]。

實(shí)驗(yàn)通過前期條件摸索，進(jìn)而對石膏進(jìn)行紅外鑒定，初步建立石膏藥材紅外光譜指紋圖譜，為石膏藥材的質(zhì)量評價(jià)和鑒定提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)運(yùn)用聚類分析對三種硫酸鹽類礦物藥進(jìn)行質(zhì)量控制，方法具有實(shí)用性和可行性。

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(Received Apr. 15, 2015; accepted Aug. 19, 2015)

*Corresponding author

Study on the Identification of Gypsum Fibrosum with FTIR

YAN Wei, ZENG Bo-lin, MENG Jiang, WANG Shu-mei, LIANG Sheng-wang*

School of Chinese Materia Medica，Guangdong Pharmaceutical University，Key Laboratory of State Administration of TCM for Digital Quality Evaluation Technology of Traditional Chinese Medicine，Guangdong Academies TCM Quality Engineering Technology Research Center，Guangzhou 510006，China

To establish a new identification method of Gypsum Fibrosum with FTIR and analyze different kinds of the sulfate mineral medicine with clustering method. With the use of FTIR, identify different kinds of sulfate mineral medicine, such as gypsum fibrosum, gypsum ustum and natrii sulfas , in addition, clustering method and first derivative spectra are used to analyze the intrinsic relationship in these kinds of sulfate mineral medicine. What’s more, 24 batches of Gypsum Fibrosum samples which from different production are analyzed with FTIR; then the spectrum control fingerprint with pattern is established with common peaks; at last the similarity between the simple spectrum fingerprint and the spectrum control fingerprint is calculated with angle cosine value and correlation coefficient. There are distinctions about the wave number, the peak position, the spike and the peak intensity in the infrared spectroscopy and first derivative spectra. Therefore, the sulfate mineral medicine is divided into two main regions with the based on these clusters: put the gypsum fibrosum and gypsum ustum in the same class, the natrii sulfas in the other class. Between 400 and 4 000 cm-1, the experiment showed that 24 batches of samples were more than 0.980 0. Provide a new, rapid and specificity method for identification and standard of gypsum fibrosum and build a successful cluster analysis about the sulfate mineral medicine.

Sulfate mineral medicine; Gypsum fibrosum; FTIR; Clustering method

2015-04-15，

2015-08-19

國家中醫(yī)藥管理局中醫(yī)藥行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201207004-7)資助

閆 蔚，女，1990年生，廣東藥科大學(xué)碩士研究生 e-mail: 970462589@qq.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: swliang371@163.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)07-2098-06