傅里葉自解卷積-紅外光譜分析法應(yīng)用于德江天麻真?zhèn)舞b定*

田貴芬，唐 沖，王昌敏，羅 鵬，宋 娟，黃繼明

(銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

天麻為蘭科植物天麻(Gastrodia elata Blume)的干燥根莖，另外人們還稱其為擋風(fēng)草神草等[1]。在貴州，有人把其稱作山蘿卜、水洋芋等。天麻作為中國藥食同源產(chǎn)品，主要產(chǎn)區(qū)分布在我國的中部及西南地區(qū)，例如陜西漢中、貴州德江、湖北宜昌、云南昭通等地[2]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們對藥食同源產(chǎn)品的需求，野生天麻因為數(shù)量少、質(zhì)量參差不齊，不能滿足商業(yè)大規(guī)模開發(fā)利用。因此，需要人工種植大規(guī)模天麻，以滿足人們對天麻產(chǎn)品的需求。

天麻主要由天麻素、天麻苷元構(gòu)成，此外天麻還含有酚類、酸類、甾醇糖類等有效成分[3]。根據(jù)中國藥典(2010年版)，天麻的質(zhì)量控制主要基于天麻素和天麻多糖這兩種物質(zhì)。而2015年版《中華人民共和國藥典》則是對天麻素和對羥基苯甲酸兩種成分的總和來控制天麻的質(zhì)量。天麻價格較高、藥用價值大，故市場上天麻偽品出現(xiàn)，在國內(nèi)市場，出現(xiàn)了天麻的摻假物質(zhì)，如粉末或提取物，加入具有相似的外觀的一些較便宜的原料，達(dá)到以次充好的目的。冒充天麻常見的偽品有：馬鈴薯，紫茉莉的根，大麗菊的塊根，巴蕉芋根莖；芋，商陸的根等等[4]。這些偽品與天麻外形十分相似，但科屬不同，作用天然之別，必須仔細(xì)加以鑒別；而且其主要活性成分與天麻不同，藥理作用也不同，臨床療效迥異。天麻作為我國名貴藥材，其主要用于治療頭痛，神經(jīng)痛，頭暈，高血壓，小兒驚厥等相關(guān)疾病，而偽品則沒有此效果[5]。

目前，用于檢測天麻真?zhèn)沃饕ㄟ^感官分析和化學(xué)分析方法(含儀器分析)[6]。感官分析主要通過個人經(jīng)驗和對物質(zhì)的熟悉程度，缺少客觀判斷和科學(xué)依據(jù)。而化學(xué)分析受限于檢測方法，如HPLC(LC-MS)，GC(GC-MS)和毛細(xì)管電泳分析，此方法需要從大量活性成分中分離出幾種物質(zhì)(如天麻素等)檢測，不僅儀器昂貴，而且分析方法復(fù)雜、耗時、消耗有機(jī)溶劑。

紅外光譜是一種快速、直接、易于操作、非破壞性的檢測方法，同時它靈敏度高、特征性強(qiáng)等獨特的優(yōu)點，故廣泛應(yīng)用于咖啡，奶粉、中藥材等定性及質(zhì)量控制。然而，很少有研究探討天麻真?zhèn)蔚蔫b定。一些研究證明，紅外光譜可以適用于一些物質(zhì)的定性評估，而選擇最合適的方法仍然值得考慮[7-8]。天麻類原材料含有多種活性成分，各化學(xué)物質(zhì)的成分含量的雖然偏差較大，但物質(zhì)的組成相似，官能團(tuán)更是相同，那物質(zhì)的吸收峰的位置在紅外光譜光譜區(qū)域內(nèi)?？蓪⒉煌衔锓肿又型活惞倌軋F(tuán)作為一個整體，根據(jù)混合物紅外光譜上表現(xiàn)出的疊加峰進(jìn)行整體成分鑒定，給出混合物所含物質(zhì)群組的信息，紅外光譜可反映天麻的整體化學(xué)特性，據(jù)此可予以鑒別[9]。對于半濕半干物質(zhì)，紅外光譜對其定性和定量分析也是一個不錯的選擇。

德江縣作為貴州天麻的主要產(chǎn)區(qū)之一，天麻的穩(wěn)定性和可靠性需要保障，因此研究德江天麻的化學(xué)成分，建立本地天麻的真?zhèn)舞b別對德江具有重大的現(xiàn)實意義。本研究收集了德江高山天麻和偽品紫茉莉花根、芋、馬鈴薯等，測定其紅外光譜，通過傅里葉變換分析，比較天麻正偽品的之間的差異，找出鑒別不同點，為天麻的快速鑒別提供科學(xué)依據(jù)。

1 傅里葉自解卷積

紅外分光光度法，又稱紅外吸收光譜法，簡稱“IR”，屬于分子吸收光譜。當(dāng)連續(xù)波長的紅外線照射樣品，分子吸收能量，從振動能級基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，振幅增大，分子位能增大，在吸收曲線，就產(chǎn)生了一個峰，進(jìn)而形成一個完整的紅外吸收譜圖[10]。但是物質(zhì)的分子在微觀上不是靜止的，它們之間相互作用力，分子發(fā)生振動收集的光譜中具有一定的寬度，也就是說譜線具有一定線形，譜圖中的線較寬，而非無限細(xì)的譜線組成。而得到的譜圖中的光譜圖是由理想光譜與線形函數(shù)卷積得到的，或者說是無限細(xì)的譜線(Dirac三角函數(shù))和展寬函數(shù)卷積疊加后得到的。有的時候，譜峰線性較寬，當(dāng)彼此靠近時，譜線重疊，因此很難區(qū)分辨別這些譜峰。為了去掉這個展寬的卷積效果，將重疊的譜線分辨開來，就需要使用傅里葉自解卷積(Fourier Self-deconvolution，F(xiàn)SD)[11-13]。

己知實測光譜可以表示成一個線形函數(shù)與真實光譜的卷積

B1(σ)=B(σ)*H(σ)

B(σ)表示真實光譜，H(σ)表示線性函數(shù)，對上式反傅里葉變換后：

I1(x)=F-1{B1(σ)}=F-1{B(σ)}F-1{H(σ)}=I(x)h(x)

然后，對其進(jìn)行傅里葉變換就能得到真實的光譜圖：

B(v)=F{I(x)}=F{I1(x)h-1(x)}

然而，采集到干涉圖中總包含一定的噪聲，假定這些是加性的白噪聲，則含有噪聲的干涉圖可表示為：

I2(x) = I1(x) + n(x)

因此，自解卷積后得到的干涉為：

I2(x)h-1(x)=I1(x)h-1(x)+n(x)h-1(x)=I(x)+n(x)h-1(x)

通常自解卷積函數(shù)h-1(x)，都是指數(shù)型的函數(shù)，上面的自解卷積過程雖去除了線性函數(shù)的影響。對一個光譜進(jìn)行自解卷積時，首要的是得到干涉圖，然后將其與一個截斷函數(shù)相乘，最后再進(jìn)行傅里葉變換，就完成了全部自解卷積運算。自解卷積運算操作簡單，幾乎不需要復(fù)雜的參數(shù)運算，優(yōu)化過程迅速，在分離重疊譜帶方面具有很高的實效性，最重要的是可以提高光譜的分辨率[14]。

2 實 驗

2.1 試劑及儀器

樣品：天麻，采自貴州省德江縣；天麻為蘭科植物天麻的干燥塊根，曬干備用，產(chǎn)地貴州省德江縣(種植)；芭蕉芋為美人蕉科植物芭蕉芋的干燥塊莖。

傅里葉變換紅外光譜儀(ThermoFisher Nicolet iS50，USA)，光譜范圍4000～650 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描累加次數(shù)32次。圖譜修正：水和二氧化碳；背景光譜管理：采集樣品前采集背景。

2.2 實驗方法

將KBr于瑪瑙研缽中研磨至面粉感覺，取適量的KBr粉末壓片得KBr空白窗片。將各藥材粉碎與KBr按照1:100的比例研磨，將研磨好的粉末壓片得到含藥窗片。控制濕度，以空氣為背景，采集背景吸收光譜后，采集藥物吸收圖譜，將圖譜平滑處理后，在經(jīng)過傅里葉變換，比較其原始光譜和自解卷積轉(zhuǎn)化處理后光譜存在差異。

2.3 傅里葉自解卷積變換分析

通過測定，得到天麻及其偽品共4個樣品的FTIR。根據(jù)吸收峰，采用 OMNIC軟件進(jìn)行自解卷積變換分析。在各種峰寬及增強(qiáng)下觀察德江高山天麻的與其偽品自解卷積紅外光譜的的區(qū)別，選出差異程度最為明顯的帶寬因子和增強(qiáng)因子來區(qū)分天麻的真?zhèn)?。本實驗中通過比較自解卷積變換后的紅外光譜圖，取峰寬為40，增強(qiáng)為3作為自解卷積變換標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)果與討論

自解卷積由于技術(shù)參數(shù)少，容易完成優(yōu)化過程，在分離重疊譜帶方面具有其優(yōu)越性，且可以提高光譜的分辨率。為了去除線性函數(shù)對真實光譜的影響，減少干擾物的光散射和吸收的影響，提高光譜的分辨率，本試驗對得到的紅外圖譜進(jìn)行傅里葉自解卷積轉(zhuǎn)化處理。在各種帶寬因子及增強(qiáng)因子下觀察天麻正品、偽品的自解卷積紅外光譜的差異程度，從中選擇一個差異程度最為明顯的帶寬因子及增強(qiáng)因子來區(qū)分兩者，具體見圖1～圖4。

圖1 天麻的紅外光譜圖以及傅里葉自解卷積紅外光譜

圖2 紫茉莉花根的紅外光譜圖以及傅里葉自解卷積紅外光譜

圖3 馬鈴薯的紅外光譜圖以及傅里葉自解卷積紅外光譜

圖4 芋頭的紅外光譜圖以及傅里葉自解卷積紅外光譜

比較圖1～圖4，只是從紅外光譜圖觀察，由于幾種物質(zhì)的峰型較雜，比較接近，很難只從這一種圖譜觀察到他們之間的差異。通過圖1～圖4可知，未經(jīng)過傅里葉自解卷積的變換，在2933、2367、2148、1646、1504、1458、1418、1371、1238、1151、1089、1017、924、853、767、712、571 cm-1附近的峰比較接近，很難區(qū)分天麻與偽品之間的區(qū)別。

比較為了更好地區(qū)別種植天麻與偽品之間的區(qū)別，圖1～圖4中進(jìn)行了傅里葉自解卷積的變換。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過傅里葉變換后，在1200～1000 cm-1紅外吸收區(qū)域，種植天麻有幾個明顯的吸收峰，其他的偽品在這段波數(shù)的范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)明顯的吸收峰。天麻1200～1000 cm-1紅外吸收區(qū)域的吸收峰具有特征性強(qiáng)的特點，差異特征明顯，可以作為鑒別時的判斷標(biāo)準(zhǔn)，更好地指導(dǎo)食藥產(chǎn)品的額開發(fā)。另外，對于天麻而言，出現(xiàn)較明顯的特征差異吸收峰，說明兩者體內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)或結(jié)構(gòu)基因等方面存在著差異。

4 結(jié) 論

利用紅外光譜具有直接、快速，不破壞樣品，需樣量少的特點，將其應(yīng)用于鑒別天麻的真?zhèn)?，具有較強(qiáng)的實用性。天麻及其偽品的紅外吸收光譜通過傅里葉自解卷積的變換后，可以很容易地鑒別其真?zhèn)?，為產(chǎn)品的真?zhèn)畏治鎏峁┮粋€方向性參考。