红外光谱结合多元统计方法的不同产地红根草红外指纹图谱比较研究

孔德鑫， 唐　辉， 王满莲， 邹　蓉， 史艳财

( 广西植物功能物质研究与利用重点实验室， 广西壮族自治区中国科学院 广西植物研究所， 广西 桂林 541006 )



红外光谱结合多元统计方法的不同产地红根草红外指纹图谱比较研究

孔德鑫， 唐辉*， 王满莲， 邹蓉， 史艳财

( 广西植物功能物质研究与利用重点实验室， 广西壮族自治区中国科学院 广西植物研究所， 广西 桂林 541006 )

红根草为唇形科鼠尾带根全草植物，是著名的广西道地药材和常用中药，对白血病细胞有很强的抑制作用，同时具有较强的抗菌活性和抗癌作用，主治菌莉、腹泻、肠炎、肺炎、急性咽喉炎、扁桃体炎、感冒等症。为快速鉴别和评价不同产地中药红根草主要化学成分的差异，该研究利用红外光谱对不同产地红根草进行检测，并结合主成分分析和聚类分析及载荷因子等方法对不同产地样本进行鉴别。结果表明：(1)在1 800～600 cm-1范围内，不同产地红根草根系在1 727、1 635、1 551、1 513、1 442、1 373、1 255、1 154、1 036、795、776、690 cm-1等处均有较强的振动吸收，表明不同产地红根草主要化学组分构成比较相似。(2)红外指纹图谱结合主成分和聚类分析结果表明，不同产地红根草化学成分的差异与地理位置有明显对应性，产地相近的地区红根草化学成分的较似，产地较远的区域红根草化学成分差异较大，但两种方法检测结果均有自己的特征。(3)通过PCA载荷因子分析，可以得出比原始图谱更多的化学成分信息，对主成分聚类贡献较大的吸收峰主要表现在1 670、1 630、1 616、1 579、1 473、1 411、 1 159、1 129、1 082、1 042、1 000、972、946、913、891、806 cm-1附近，进一步揭示出不同产地红根草化学成分差异主要是红根草内酯和甾醇类成分，以及主要有效成分红根草邻醌和丹参酮类成分的差异。该研究结果为红根草的引种栽培及良种选育研究提供了参考。

红根草， 红外指纹图谱， 主成分分析， 化学成分, 不同产地

RegionandChineseAcademyofSciences,GuangxiInstituteofBotany, Guilin 541006, China )

红根草(Salvia priontis)为唇形科(Labiatae)黄埔鼠尾植物的带根全草，是民间常用草药(唐辉等，2008)。其植株体内含有红根草邻醌(saprorthoquinone)，丹参酮(tanshinone)Ⅰ、ⅡA，隐含丹参酮(cryptotanshinone)，红根草内酯(prioketolactone，l)、新红根草酮(neoprionitone，2)、二氢异丹参酮I(dihydroisotanshinoneI，3) 等多种化学成分(张金生等，1995；杨保津等，1988)。其有良好抗菌解毒、清热除湿作用，主治菌莉、腹泻、肠炎、肺炎、急性咽喉炎、扁桃体炎、感冒等症状，是桂林三金药业集团生产复方红根草片的主要原料。近年来，以红根草为原料生产的系列药物在抗肿瘤细胞和白血病细胞有很强的抑制作用(Langetal，2005；Zhouetal，2008)。随着红根草研究的不断深入和推广，已成为中药领域具有重要开发潜力的品种。目前，关于红根草研究，主要集中在化学成分(林隆泽等，1990；黄秀兰等，1990)、药理药效(张锋等，2003；乐秀芳等，1992)、组织培养与快速繁殖(唐凤鸾等，2006；付传明等，2007)等方面。与其他药材相比，红根草的研究尚处于基础阶段，鲜见有对不同分布区域，不同生长环境条件下红根草化学成分的差异进行比较研究。

当前，以红根草为原料相关企业仍以野生资源为主，生产中药材来源混杂，质量参差不齐。这些因素严重影响红根草的临床应用和推广，要使红根草资源得到有效保护及可持续利用，急需开展野生资源调查及药材质量评价研究。傅里叶红外光谱(FTIR，FourierTransformInfraredSpectroscopy)技术是利用分子振动跃迁吸收原理，在“指纹区”丰富的官能团吸收特征，能反映不同药材主要化学成分信息，利用这些信息与化学计量学方法相结合，进行中药材的产地鉴别和质量分析具有更高的效率(袁玉峰等，2011；张磊等，2010)。本研究针对红根草存在的问题，在对不同产地红根草进行红外光谱鉴定的基础上，采用化学计量学的方法，主要包括主成分分析和聚类分析等，尝试对不同产地红根草样本进行快速鉴别，分析PCA模型中的载荷因子，找出造成不同来源红根草质量差异的化学成分，为红根草药材质量快速评价和优良种质筛选提供简便以及操作性强的新手段。

1　材料与方法

1.1 材料收集方法

红根草样品均为野生，分别选择江西省宜春市奉新县(产地A)和靖安县(产地B)，抚州市南丰县(产地C)和新余市(产地D)，广西壮族自治区贺州市钟山县(产地E)，桂林市临桂县(产地F)等6个具有地域代表性的红根草全株。样品均经广西植物研究所韦发南研究员鉴定为红根草植物。每个聚群相隔2m随机选15个不同点，每个点随机采集5株生长较一致的红根草全株，洗净泥沙，带回实验室，55 ℃干燥48h至恒重，将每个产地的样品制成干燥细粉15份，粉碎后分别过200目筛，储存于干燥器里备用。

1.2 检测方法

样品采集：光谱扫描范围为4 000～400cm-1，分辨率为4cm-1。每个片累积扫描次数32次，扫描时扣除H2O和CO2的干扰。样品采集前处理：每个样品精确称取1.0mg，每个聚群共称量15份样品，分别与200mg溴化钾(碎晶)混合研磨充分均匀，制成透明样品锭片。为增加聚类分析的清晰度，取每个产地15个样品任意3锭片平均值为一个数据点，最后每个产地综合以5个数据进行分析，6个产地共以30个数据进行聚类分析。

1.3 仪器及数据处理

傅里叶变换红外光谱仪，Nicolet6700(美国ThermoNicolet公司)，电子天平XSI05DU(梅特勒-托利多仪器公司)。空气相对湿度35%左右，温度25 ℃ 左右。利用OMNIC8.0软件采集并获得原始光谱数据，进行基线校正，五点移动平均平滑后，导入SPSS18.0 和Unscrambler10.0进行聚类分析和主成分分析。

2　结果与分析

2.1 不同产地红根草化学成分的FTIR表征比较分析

从图1可以看出，不同产地红根草根系在1 727、1 635、1 551、1 513、1 442、1 373、1 255、1 154、1 036、795、776、690cm-1等处均有较强的振动吸收。1 727cm-1左右为C=O的振动吸收，1 635cm-1附红根草邻醌C=C特征吸收(吴立军，2006； 吴瑾光，1994)。1 551、1 516cm-1为醌类化合物C=C骨架振动，1 442cm-1附近为可能是C-H弯曲振动吸收及C-O伸缩振动吸收峰(翁诗甫，2005)。这些振动特征与红根草化学成分存在红根草邻、醌丹参酮Ⅰ、ⅡA，隐含丹参酮，新红根草酮、二氢异丹参酮I等多种醌类物质较吻合。1 373cm-1主要是CH3对称吸收振动，1 300～950cm-1是各类C-O伸缩振动吸收。776cm-1等为红根草根系中含有甾醇、多糖和苷类等化合物的振动吸收(翁诗甫，2005)。说明红根草化学成分中也有较多的甾醇及多糖和红根草内酯类物质。通过比较平均光谱，发现不同产地红根草样品化学成分丰富且多样。因此，特在1 800～600cm-1间，每隔4个波数，选取一个吸光度值，用主成分分析法和聚类分析法对不同样品的光谱特征进行聚类分析。

图 1　不同产地红根草根系红外光谱图Fig. 1　Spectra of S. priontis root from different original locations

2.2 不同产地红根草根系红外光谱特征的PCA模型构建与分析

利用Unscreamber10.0对不同产地红根草根系1 800～650 cm-1范围内的指纹特征光谱建立主成分分析模型进行分析。图2为不同产地红根草根系的主成分得分散点图，其中除了A产地样品能够在二维散点图上独立分布外，其他各产地测试样品混淆在一起，很难区分。在对原始变量数据进一步利用一介导数处理、SNV标准归一化处理后，各产地测试样品均能得到区分，分别单独聚在一个特定区域(图3)。主成分PC1、PC2、PC3得分的散点图上。第一主成分的方差贡献率为59%，第二主成分的方差贡献率为20%，前三主成分的累积贡献率为85%，只有15%的化学成分信息丢失，所以，前三个PCA成分基本可以反映不同产地化学成分信息。在二维散点图上，可以看出不同产地红根草化学成分的产地差异性。整体上看，广西壮族自治区和江西省各产地样品明显聚为两类，广西钟山县(E)和广西临桂县(F)，产地相距最近，在二维图上的距离也最近，两产地测试样品分别聚集在第三象限，各产地单独聚为一类；江西省各产地相距较远，虽然各产地测试样品均能单独聚为一类，但由于各产地实际距离较远，他们的散点图上分布也较散。特别是，江西省吉安市(A)和抚州市(C)相距较远。

图 2　不同产地红根草样品第一、二主成分(PC1，PC2)，二维得分散点图　Fig. 2　Two dimension scattered scores plot of PC1 and PC2 of S. priontis samples from different original locations

图 3　不同产地红根草样品的一阶导数后主成分PC1与PC2的二维得分散点图Fig. 3　Two dimension scattered scores plot of PC1 and PC2 of S. priontis samples from different original locations after first derivative and SNV processing

2.3 不同产地红根草根系FTIR特征的聚类分析

本研究基于欧式距离，运用SPSS16.0对不同产地测试样品的红外光谱平均图谱进行分析，得到表征6个不同地区红根草化学成分的树状图(图4)，当欧式距离系数d≤5 时，可划分为6个表征群，6 个产地分别单独聚为一类，当欧式距离系数在6Symbol|@@d≤11 时，可分为 3个表征群，广西钟山和广西临桂县由于它们海拔和环境条件相似，化学成分的特征光谱较相似，居群间的距离系数最小，首先聚在一起，结果与PCA模型中样品投影规律一致。同时在聚类图中更加清晰地区分江西省各产地样品化学成分差异信息，江西省宜春市和抚州市采集的样品均在山南坡，阳光充足，化学成分较相似，首先聚为一类，然后再与距离较近的新余市样品聚在一起，最后与较远距离的吉安市样品聚在一起。由于吉安市居群主要生长在松树林下，环境条件相对阴生，故与其他产地化学成分差异较大。

图 4　不同产地红根草样品红外指纹图谱聚类分析1-5，5-10，11-15，16-20，21-25，25-30分别代表产地A,B,C,D,E,F。Fig. 4　Spectra cluster of S. priontis samples from different original locations　1-5, 5-10, 11-15, 16-20, 21-25, 25-30 represent origin A,B,C,D,E and F, respectively.

2.4 不同产地样品的PCA鉴别模型中的载荷因子特征分析

由图5可知，通过PCA载荷因子图可以得出比原始图谱更多的化学成分信息。在图1中一些宽吸收峰掩盖的化学成分信息，在图5中可以明显看出其振动强弱。如图1原始图谱中1 700～1 551 cm-1仅体现出1 635 cm-1附近的宽吸收峰，而在图5 1 670、1 642、1 616、1 579、1 551 cm-1等处的附近均有明显吸收峰，体现了红根草根系中红根草邻、醌丹参酮Ⅰ、ⅡA，隐含丹参酮，新红根草酮、二氢异丹参酮I等醌类成分C=O，C=C等官能团的特征吸收。在1 200-900 cm-1附近代表多糖，甾醇等物质C-O伸缩振动，以及脂肪醚、酯类、酸酐类C-O-C基团特征吸收在原始图谱中化学成分重叠严重，在图1中仅表现在1 036 cm-1附近的吸收峰，而在载荷图中(图5)却能在1 159、1 129、1 092、1 041、1 025、1 008、1 000、974、904 cm-1等处显示差异。通过PC1，PC2(图5：A，B)的载荷因子分析，发现对光谱聚类起主要作用的吸收峰位主要分布在1 200～800 cm-1间，分别为1 159、1 129、1 082、1 042、1 000、972、946、913、891、806 cm-1。这说明在红根草根系中C-O-C、C-O 和 C-C 伸缩振动对不同产地样品的主成分聚类有较大贡献率，这些差异在化学成分上应表现为红根草根系中红根草内酯、甾醇等成分受到不同产地环境条件影响的结果。通过对PC3，PC4(图5：C，D)的载荷因子分析，发现1 670～1 400 cm-1附近的吸收明显增加，其载荷绝对值明显增大，其中1 670cm-1代表红根草中红根草邻醌、丹参酮类及隐丹参酮等醌类成分C=O的特征吸收峰。1 630、1 616、1 579、1 473、1 411 cm-1附近是红根草邻醌等醌类成分芳环C=C骨架振动吸收。因此，红根草不同产地化学成分差异主要体现在红根草内酯、甾醇及脂溶性成分如红根草邻醌及丹参酮类成分上。

3　讨论与结论

各样品的红外吸收振动特征能反映红根草化学成分存在红根草邻、醌丹参酮Ⅰ、ⅡA，隐含丹参酮，新红根草酮、二氢异丹参酮I 等多种醌类物质特征吸收。但各测试样品一维原始吸收图谱较相似，有些信号较弱的官能团被遮掩，而这些被遮掩的成分往往是其药效作用的主要成分。因此，为了更加清楚分析不同产地红根草化学成分受环境条件影响的差异性，本研究利用主成分和聚类分析等化学计量学方法，对各测试样品化学成分的红外图谱进行处理和分析。

主成分分析是一种通过降维的无监督的模式识别方法，运算简单效率高(黄庶识等，2011)。近年来，利用红外光谱结合主成分分析、聚类分析进行中药材快速鉴别的方法在药用植物资源评价中应用也越来越多。袁玉峰等(2011)利用傅里叶变换红外光谱仪建立主成分分析鉴别模型成功快速鉴定了6个不同产地黄柏，唐辉等(2012)利用FTIR技术结合PCA模型和SIMCA方法对不同产地地枫皮药材进行检测，并且利用在PCA分析基础上，运用载荷因子对不同产地的地枫皮药材化学成分进行分析。不同产地样品中芳香类物质差异主要体现在槲皮素含量的不同。李超等(2014)利用红外光谱方法对4个省份，46份中药通关藤进行测定，运用主成分分析、聚类分析等化学计量学方法从不同的角度对中药通关藤进行了鉴别和分析。因此，红外光谱结合现代化学计量学在中药材产地鉴别，质量评价等研究中具有重要的应用价值。

在本研究中，利用主成分分析和聚类分析方法同样可以对不同产地红根草进行快速鉴定，广西壮族自治区和江西省各产地的红根草样品由于受不同环境条件影响明显聚为两类，广西钟山县(E)和广西临桂县(F)，产地相距最近，在二维图上的距离也最近，江西省各产地相距较远，虽然各产地测试样品均能单独聚为一类，但由于各产地实际距离较远，他们的散点图上分布也较散。特别是江西省吉安市(A)和抚州市(C)相距较远，在主成分和聚类分析的图谱中均得到明显区分。此结果与张磊(2010)研究不同产地黄芪的结果比较一致。

载荷因子(loading)是主成分分析中重要变量贡献的集合，其载荷因子的振动特征与分析材料中化学成分对主成分的贡献密切相关，因此分析载荷因子特征可以更有效地揭示样品原始光谱中更多的化学成分信息。袁玉峰等(2011)在主成分基础上，通过载荷因子分析，指出不同产地黄柏差异主要体现在蛋白质、 糖类、 脂类、 生物碱类、 黄柏甾醇类、 黄柏内酯、黄柏酮、黄柏酮酸八种物质成分上体现。王燕等(2012)通过主成分载荷因子分析表明， 不同产地淡菜醇提物的差别主要体现在不饱和脂肪酸和磷脂的含量上。本研究通过主成分载荷因子分析表明，受不同环境条件影响，不同产地红根草化学成分差异主要表现为红根草内酯、甾醇及脂溶性成分如红根草邻醌及丹参酮类成分。因此，本文运用红外光谱和主成分分析模型、聚类分析及主成分分析的载荷因子，可以快速对不同产地红根草药材进行鉴定和评价，同时指出了不同产地红根草指纹图谱差异的主要化学成分，研究结果可对不同产地红根草药材质量评价提供参考，对红根草的引种栽培及良种选育研究工作有一定指导意义。

图 5　不同产地红根草主成分鉴别模型的载荷因子Fig. 5　Loading factors of principal component analysis identification model of S. priontis samples from different original locations

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Comparison research on FTIR fingerprint ofSalviapriontisbased on fourier transform infrared spectroscopy combined with multistatistical analysis

KONG De-Xin, TANG Hui*, WANG Man-Lian, ZOU Rong, SHI Yan-Cai

(GuangxiKeyLaboratoryofFunctionalPhytochemicalsResearchandUtilization,GuangxiZhuangAutonomous

SalviapriontiHance is a famous genuine medicinal materials in Guangxi and commonly ustilized in traditional Chinese medicine. It has strong antibacterial activity and anticancer effects and mainly used to cure bacillary dysentery, diarrhea, enteritis, pneumonia, acute pharyngitis, tonsillitis, colds, etc. With the discovery of new effective components and expansion of medicinal range,S.prionitishas become a promising variety in the field of traditional Chinese medicine. In order to rapidly identify and evaluate the differences of chemical composition inS.priontiswhich from different original locations, we combined with the principal component analysis(PCA) and cluster analysis as well as loading factor analysis, and used the fourier transform infrared spectroscopy(FTIR) to determinate the samples ofS.priontisfrom different original locations, so that it could be effective to find out the main chemical composition information of PCA cluster variations and rapidly authenticate the quality of different samples. The results indicated as follows: (1) The fingerprints of bands from 1 800 to 600 cm-1showed that the all samples ofS.priontishad similar absorbance bands such as 1 727,1 635,1 551, 1 513, 1 442, 1 373, 1 255, 1 154, 1 036, 795, 776, 690 cm-1, which indicated that the chemical compositions ofS.priontisin different original locations were still relatively stable. (2) Based on the vibrational characteristics of FTIR fingerprints in differernt samples, the classification of principal composition and cluster analysis results showed that the relationship of chemical component of eachS.priontishad significant correspondence with their geographical location and environment climatic conditions. In the near class, the chemical components were similar to each other, on contrary, the chemical component ofS.priontisamong in far class had obvious differences. So these two methods were both able to quckly identifyS.priontisin different original locations, while, the two methods had individual characteristics. (3) According to the PCA loading factor analysis, more chemical components could be out found compared to the orgianl FTIR fingerprints among the different detected samples, and the absorption bands could also be quickly found out, which were significant contributed to the classification of principal components and cluster analysis. Among all the absorbtion bands, the bands arounds 1 670, 1 630, 1 616, 1 579, 1 473, 1 411, 1 159,1 129, 1 082, 1 042, 1 000, 972, 946, 913, 891, 806 cm-1were obviously correlated to the classfication of PCA, among which, five bands were from saprorthoquinone and tanshinone, six bands were from prioket-olactone, sterols components. Therefore, the differences of FTIR fingerprints inS.priontisfrom different original locations were mainly due to the differences of some chemical composition and concentration including prioketolactone, sterols components, saprorthoquinone and tanshinone. The method of this resarch is simple, quick and undamaged, and can be used to quickly identify and evaluate the quality ofS.priontisfrom different original locations. At the same time, the present study will provide reference for cultivation and well-bred breeding work ofS.Priontis.Key words : Salvia priontis, FTIR fingerprint, principal component analysis, chemical composition, different original locations

10.11931/guihaia.gxzw201411034孔德鑫， 唐辉， 王满莲， 等. 红外光谱结合多元统计方法的不同产地红根草红外指纹图谱比较研究 [J]. 广西植物， 2016， 36(8):937-942

KONG DX, TANG H, WANG ML， et al. Comparison research on FTIR fingerprint ofSalviapriontisbased on fourier transform infrared spectroscopy combined with multistatistical analysis [J]. Guihaia， 2016， 36(8):937-942

2014-11-24

2015-02-27

广西科技重大专项计划项目(桂科重1298001-1-3)； 广西自然科学基金(2013GXNSFBA019172)； 广西科技成果转化与推广计划项目(桂科转 1346004-29)； 桂林市科技攻关项目(20120105-10)； 桂林市科技合作与交流项目(20140122-4) [Supported by Key Planning Program of Science and Technology in Guangxi (1298001-1-3)； Natural Science Foundation of Guangxi (2013GXNSFBA019172)； Guangxi Planning Program of Scientific and Technological Achievement Tranformation and Promotion (1346004-29)； Key Scientific and Technological Program of Guilin City (20120105-10)； Guilin Program of Scientific and Technological (20140122-4)]。

孔德鑫(1980-)，男, 河南信阳人，在读博士研究生，副研究员，主要从事药用植物资源与利用研究，(E-mail)kdx411sw@163.com。

唐辉，研究员，主要从事药用植物资源评价及良种选育研究，(E-mail)tang.tomhui@yahoo.com.cn；th@gxib.cn。

O657.33

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1000-3142(2016)08-0937-06