常用花类中药材粉末的光谱成像快速鉴别与分析Δ

胡翠英，马 骥，庞其昌，赵 静，王 琳，崔代军

（1.暨南大学物理系，广州510632；2.暨南大学广东省高等学校光电信息与传感技术重点实验室，广州 510632；3.南方医科大学中医药学院，广州 510515；4.华南农业大学理学院，广州 510640）

常用花类中药材粉末的光谱成像快速鉴别与分析Δ

胡翠英1，2＊，马 骥3#a，庞其昌2#b，赵 静4，王 琳2，崔代军2

（1.暨南大学物理系，广州510632；2.暨南大学广东省高等学校光电信息与传感技术重点实验室，广州 510632；3.南方医科大学中医药学院，广州 510515；4.华南农业大学理学院，广州 510640）

目的：探讨光谱成像技术在中药真伪鉴别和质量控制方面的应用范围与优势。方法：采用电可控液晶滤光光谱成像装置，快速检测凌霄花、红花、合欢花、菊花和野菊花5种花类中药材的粉末：通过提取5种花类中药材的特征荧光光谱曲线，对不同种类的花类中药材粉末进行鉴别；系统光谱分辨率为5 nm，光谱覆盖范围为400～650 nm。结果：5种花类中药材具有各自不同的特征光谱曲线。结论：光谱成像技术可用于花类中药材的真伪鉴别，具有样品不需经任何前处理、操作简便、快速、无损等优点。

花类中药材；光谱成像技术；快速鉴别

光谱成像分析技术是将光谱分析技术和图像分析技术结合起来的一种新的分析检测技术，其基本原理是运用光谱扫描手段获取试样在不同波长照射下的不同光学行为信息，形成由试样上相应点的不同光学参量值构成的信息分布图像，并据此图像获得试样的定位、定性和定量分析信息。

由于光谱成像分析技术可以同时得到试样光谱维和空间维的丰富信息，并具有快速、无损、非接触以及全面等一系列优点，加之具有试样制备简单、不改变试样的原始状态、不产生化学和生物污染等适应现代科技领域特别要求的性质，已成为目前广泛应用的分析技术之一，受到遥测遥感、地质勘探、刑侦分析、生物医学、精细农业及食品保鲜贮藏等许多学科的高度重视[1～5]。本课题组在对根及根茎类、皮类、叶类及全草类中药材和饮片进行一系列探索性研究的基础上[6～8]，应用光谱成像分析技术快速鉴别了5种花类中药材粉末，并对试验结果做出了对比分析。

1 仪器与试药

中药检测光谱成像系统包括紫外光源及其干涉滤光片、Varispec液晶电可控滤光器、镜头组、CMOS摄像机、视频采集卡、计算机等（暨南大学广东省高等学校光电信息与传感技术重点实验室设计研制[9]）。

花类中药材粉末5种：凌霄花、红花、合欢花、菊花和野菊花，均采用广东省或广州市药检所提供的对照药材，购买时间分别为2010年12月8日和2011年4月27日。试样基本信息见表1。

2 方法与结果

2.1 试验条件与方法

表1 试样基本信息Tab 1 Basic information of samples

试验采用中心波长为254 nm的汞灯作为激发光源，采用单通道、连续光谱扫描方式进行检测。光谱扫描范围为400～650 nm，由Varispec液晶电可控滤光器进行分光，相邻2帧图像间隔为5 nm。调节CMOS摄像机成像镜头，使550 nm波段处焦平面与试样表面重合，将CMOS摄像机设为连续工作方式，曝光时间设为1 000 ms，与光谱扫描时间同步进行各种试样荧光光谱图像的采集，采集的图像以jpg格式存储于计算机。一次检测可得到由57帧光谱图像组成的一个被检试样的光谱立方体。

2.2 特征光谱曲线的获取

不经任何前处理，将被检试样置于载物台的衬底上，按“2.1”项下方法进行检测。在获得各花类中药材粉末的光谱立方体后，采用带通滤波器进行噪声去除，进而对试样所对应的像素进行平均统计，并归一化，获得试样的特征光谱曲线。

2.3 5种花类中药材粉末的归一化特征光谱曲线

凌霄花、红花、合欢花、菊花和野菊花各自的归一化特征光谱曲线分别见图1～图5。5种花类中药材粉末的归一化特征光谱曲线的集合见图6。

从图中可以看出，5种花类中药材粉末各自的特征光谱曲线具有不同的峰形、峰顶和峰谷等形态。

2.4 方法学考察

2.4.1 稳定性试验 取同一供试品适量，每24 h进样1次，按“2.1”与“2.2”项下方法检测，连续检测5次，对比特征光谱曲线。结果，5条曲线峰形的相似度（用其协方差量度）均＞0.95；且其特征峰位不变，各特征峰光强波动的不确定度≤测量值的1.86%，表明供试品在本方法的检测特征中具有较好的稳定性。

2.4.2 精密度试验 取同一供试品适量，按“2.1”与“2.2”项下方法检测，重复检测5次，对比特征光谱曲线。结果，5条曲线峰形的相似度（用其协方差量度）均＞0.95；且其特征峰位不变，各特征峰光强波动的不确定度≤测量值的1.86%，表明本方法精密度良好。

2.4.3 重复性试验 取同一供试品适量，共6份，分别按“2.1”与“2.2”项下方法检测，对比特征光谱曲线。结果，6条曲线峰形的相似度（用其协方差量度）均＞0.95；且其特征峰位不变，各特征峰光强波动的不确定度≤测量值的1.86%，表明本方法重复性良好。

3 讨论

本试验中的试样均采用国家药检部门提供的对照药材（即进行中药鉴定的国家标准药材），并通过了稳定性、精密度和重复性试验。因此，其归一化特征荧光光谱曲线可供今后建立标准药材的数据库使用，所建立的模型适用于对同一中药的不同市售来源进行测定、对其伪品作出识别，以及评价药材或饮片的质量等级、甄别不同中药的混合物等。光谱成像分析技术在这些方面的应用已在西洋参、白鲜皮、黄柏、五加皮、香加皮、钩藤叶等中草药的检测分析中得到证实[6～12]。

由图1～图6可以看出，5种花类中药材粉末的归一化特征光谱曲线具有显著性差异，各自的总体走势及特征峰显著不同。红花与凌霄花的归一化特征光谱曲线具有偏峰结构，红花特征曲线的峰顶在610 nm处，峰高为1.0（归一化强度，以下同），荧光强度在峰顶处变化较大；凌霄花特征曲线的峰顶在590 nm处，峰高为0.89，荧光强度在峰顶附近变化较小。菊花与野菊花的归一化特征光谱曲线接近正态分布，菊花特征曲线的峰顶在530 nm处，峰高为1.0，曲线在峰顶两侧呈阶梯分布；野菊花特征曲线的峰顶在555 nm处，峰高为0.66，峰顶附近荧光强度变化平缓。合欢花在检测波段上荧光强度较低，其光谱曲线较为平缓，峰顶不明显。以具有最大曲线下面积的菊花峰下面积记为100%，则曲线下面积由大到小分别为：菊花100%，凌霄花99.5%，合欢花76.4%，野菊花71.2%，红花66.2%。试验结果表明，5种花类中药材粉末具有各自不同的归一化特征光谱曲线。

上述5种花类中药材均属于双子叶植物。凌霄花（C.grandiflora）凉血去瘀、祛风止痒，系紫葳科植物；合欢花（A.julibrissin）解郁安神、滋阴补阳，为豆科植物；红花（C.tinctorius）、菊花（C.morifolium）和野菊花（C.indicum）同为菊科植物，前者为中医常用活血化瘀药，后两者均以清热解毒为主要功效。它们在植物学上属于独立的种，且亲缘关系较远（除菊花和野菊花为同属植物），形态、结构各异，其特征光谱曲线也充分反映出它们不同的种属特征。

众所周知，花是被子植物特有的繁殖器官，也是鉴定物种的重要依据。就花类中药材而言，其药材和饮片在形态、结构及大小方面基本等同。完整的花类中药材依据花的结构或入药部位进行鉴别并不困难。例如：红花以不带子房的管状花入药，而合欢花、菊花和野菊花则以头状花序入药；红花为聚药雄蕊，凌霄花是二强雄蕊，等等。但是，当花类中药材结构残缺、破碎或研为粉末后，鉴别就比较困难了，不但需要通过显微或超微特征来鉴别，而且也要求检测人员具备丰富的实践经验，才能作出正确判断。本试验结果表明，光谱成像分析技术为花类中药材粉末的鉴别提供了一种客观、简便的方法。

光谱成像分析技术可用于花类中药材粉末的真伪鉴别与分析，使花类中药材及其粉末的鉴别过程不再依赖于个人经验，结果更加可靠，且该方法具有试样不需经任何前处理、操作简便、快速、无损等优点，为中药材鉴别及中药质量标准的制定提供了一种新的检测方法。

[1] 范世福，肖松山，赵友全，等.光谱成像技术及其在生物医学研究中的应用[J].现代科学仪器，2005，1：60.

[2] Heia K，Sivertsen AH，Stormo SK，et al.Detection of nematodes in Cod（Gadus morhua）fillets by imaging spectroscopy[J].JFood Sci，2007，72（1）：E011.

[3] ElMasry G，Wang N，Vigneault C，et al.Early detection of apple bruises on different background colors using hyperspectral imaging[J].Food Science and Technology，2008，41（2）：337.

[4] Gowen AA，O'Donnell CP，Cullen PJ，et al.Hyperspectral imaging-an emerging process analytical tool for food quality and safety control[J].Trends in Food Science&Technology，2007，18（12）：590.

[5] 韩 雪，赵慧辉，蒋学华，等.11种果仁类中药的FTIR光谱鉴别特征研究[J].中国药房，2010，21（3）：244.

[6] 赵 静，庞其昌，马 骥，等.光谱成像技术快速鉴别白鲜皮及其伪品八角枫[J].中国中药杂志，2010，35（13）：1 696.

[7] 孟庆霞，庞其昌，马 骥，等.广东产钩藤属药用植物叶的透射光谱成像研究[J].中药材，2010，33（5）：696.

[8] 赵 静，马 骥，庞其昌，等.黄柏饮片光谱成像指纹图谱的研究[J].中草药，2010，41（3）：384.

[9] 赵 静，庞其昌，马 骥，等.基于液晶滤光器的连续光谱成像测试装置[J].光子学报，2008，31（4）：758.

[10] 赵 静，庞其昌，马 骥，等.光谱成像技术无损鉴别西洋参饮片的研究[J].光谱学与光谱分析，2011，31（1）：210.

[11] 王 琳，马 骥，庞其昌，等.光谱成像技术快速鉴别五加皮及其混淆品香加皮[J].辽宁中医药大学学报，2011，13（7）：49.

[12] 赵 静，庞其昌，马 骥，等.中药黄连黄柏混合粉末的光谱成像分析技术[J].光学学报，2010，30（11）：3 259.

Rapid Identification and Analysis of Common Flower Types of Chinese Herbal Medicines Powders by Spectral Imaging Technology

HU Cui-ying
（Dept.of Physics，Jinan University，Guangzhou 510632，China）
HU Cui-ying，PANG Qi-chang，WANG Lin，CUI Dai-jun
（Key Laboratory of Optoelectronic Information and Sensing Technologies，Guangdong Institutions of Higher Education，Jinan University，Guangzhou 510632，China）
MA Ji
（College of Traditional Chinese Medicine，Southern Medical University，Guangzhou 510515，China）
ZHAO Jing
（College of Science，South China Agricultural University，Guangzhou 510640，China）

OBJECTIVE：To discuss the application range and advantages of spectral imaging technology in identification and quality control of Chinese herbal medicines.METHODS：The powder of Campsis grandiflora，Carthamus tinctorius，Albizia julibrissin，Chrysanthemum morifolium and C.indicum were identified rapidly with electric controlled liquid crystal filter spectral imaging device；the character fluorescence spectral curves of them were picked up；the spectral resolution was 5 nm，and the spectral range were 400～650 nm.RESULTS：5 kinds of flowers had different character fluorescence spectral curves.CONCLUSION：Spectral imaging technology can be used to identify flower of Chinese herbal medicines，the testing course is convenient，quick and noninvasive without pre-treatment.

Flower of Chinese herbal medicine；Spectral imaging technology；Rapid identification

R284.1；R282.5

A

1001-0408（2012）43-4075-03

DOI 10.6039/j.issn.1001-0408.2012.43.17

Δ国家自然科学基金资助项目（60908038）；广东省科技计划项目（2012B040302002）；广州市农业科技攻关项目（GZCQC1002FG08015）

＊副教授，博士。研究方向：生物医学信息技术。电话：020-85224386-307。E-mail：hcyhome@163.com

#a通讯作者：教授，博士。研究方向：中药鉴定与质量控制。电话：020-61648256。E-mail：majilx@163.com

#b通讯作者：教授，博士研究生导师，硕士。研究方向：光电检测。电话：020-85220484。E-mail：tpqch@jnu.edu.cn

2011-11-13

2012-01-28）