金银花药材与粉末近红外光谱特征的比较研究*

河北中医学院 /河北省中药组方制剂应用技术研发中心/河北省中药组方制剂技术创新中心/河北省心脑血管病中医药防治研究重点实验室

厉博文 石子薇 李 菁 马东来 (石家庄 050091)

提要 目的：比较研究金银花药材和粉末的近红外光谱特征。方法：应用近红外光谱技术检测不同产地(包括河南省、河北省和山东省)金银花药材和粉末的近红外光谱。采用一阶导数结合矢量归一化法，9点平滑进行光谱的预处理，采用原始光谱比较、近红外一致性模型检验、定性鉴别和聚类分析的方法，比较金银花药材与粉末近红外光谱的差异。结果：在12 000～4 000 cm-1波数范围内，同产地金银花药材与粉末的近红外原始光谱存在一定的差异。在8 003.6～7 243.8 cm-1、6 900.5～5 646.9 cm-1、4840.7～ 4 462.7 cm-1波段内，同产地金银花药材与粉末的近红外光谱特征存在一致性，两者在定性鉴别模型中的因子得分分布界限不明显。因子法结合聚类分析中两者的光谱可以优先被归为一类，不能被准确地鉴别。结论：金银花药材与粉末在定性分析中表现出一致性。金银花药材可以不经粉碎直接进行近红外检测和定性分析，具有一定的实际应用价值，为金银花快速鉴别方法的研究提供实验依据和新思路。

金银花(LoniceraJaponicaThunb.)为忍冬科忍冬属植物忍冬及同属植物干燥花蕾或带初开的花[1]，古时称为“忍冬”，曾收载于《名医别录》，《本草纲目》将其命名为金银花[2]，其性寒，味甘，归肺、心、胃经，具有清热解毒、疏散风热的作用[3]，临床治疗胀满下疾、温病发热和热毒痈疡等症[4]。金银花中含有黄酮类、环烯醚萜苷类和有机酸类等化学成分，具有抗炎解热、抗肿瘤和抗菌抗病毒等药理作用[5]。

金银花广泛分布于全国各省区，商品药材主要来源于山东省、河南省等地[6]，其药材质量受到生长条件、加工方式及采收季节等方面的影响，山银花曾作为金银花品种收录于1977～2000年版《中国药典》。为准确地进行金银花品质优劣和药材真伪鉴别，多种检测方法与手段应用于金银花的质量控制，如中药经验鉴别[7]、近红外光谱分析法、高效液相色谱法等。其中，近红外光谱技术具有检测速度快、样品处理简单、对样品无污染等优势[8]，如近红外光谱结合SIMCA模式的方法可对金银花和山银花进行鉴别分类，有效地判别金银花真伪[9]。逐步判别模式识别可以较好地鉴别不同品种和产地的金银花[10]。陈璐等[11]应用近红外光谱技术，建立偏最小二乘判别模型快速鉴别不同品种和产地金银花，模型正确判别率可达100%。近红外光谱漫反射法和化学计量学方法快速检测不同批次金银花药材中绿原酸和木犀草苷的含量[12]。

然而，金银花药材与粉末近红外光谱特征比较的相关研究较少，其分类鉴别的研究文献多以粉末为研究对象。《中国药典》2020年版一部中金银花的检测包括特征图谱、检查和含量测定项均采用金银花粉末[1]，因此，为确保粉末检测结果的准确性，需要对粉末与药材的近红外检测结果一致性进行深入研究。

本文将应用BRUKER-MAP近红外光谱分析仪(布鲁克科技有限公司)检测金银花药材和粉末的近红外光谱，并选择适宜波段范围，采用合适的方法进行光谱预处理，建立金银花近红外光谱一致性模型、定性鉴别分析模型和聚类分析模型，全面准确地比较药材与粉末在定性分析中的差异，为金银花药材的无损化检测实际应用提供实验依据。

1 仪器与样品

1.1 实验仪器 BRUKER-MAP近红外光谱分析仪(布鲁克科技有限公司)、高速多功能粉碎机(浙江永集市荣浩工贸有限公司)、小号铁研船(浙江省永康市清溪衡器厂)、标准检验筛(65目，浙江上虞市华丰五金仪器有限公司)、AN0868型电子天平(上海民桥精密科学仪器有限公司)。

1.2 样品的收集与分组 收集金银花样品92份，所有样品经河北中医学院郑玉光教授鉴定为忍冬科植物忍冬LonicerajaponicaThunb.的干燥花蕾或带初开的花。

分别将河北产地、河南产地和山东产地的金银花按照约为 3∶1的比例，随机划分为校正集和验证集，样品信息见表1。

表1 金银花样品信息

2 方法

2.1 药材处理方法 取金银花药材于粉碎机粉碎，过65目检验筛，备用。每份样品中分别称取6 g药材和粉末。

2.2 近红外光谱采集 分别将金银花药材和粉末装入近红外扫描杯中，混合均匀，使装量为杯容量的2/3，轻轻按平。调节仪器分辨率为 8 cm-1，在12 000～4 000 cm-1波数范围内进行近红外波长扫描，每个样品重复扫描3次，同时采集近红外的背景光谱，将每个检测光谱扣除背景光谱，计算平均值作为样品的原始光谱。

2.3 光谱预处理 应用OPUS软件对每个样品的原始光谱进行如下预处理，包括一、二阶导数法与一、二阶导数结合矢量归一化法，比较不同方法的预处理效果。最终选择一阶导数结合矢量归一化，9点平滑的预处理方法。

2.4 结果与分析

2.4.1 原始光谱对比：分别比较金银花不同产地药材和不同产地粉末的原始光谱(图1)，以黑色标记河南样品，深灰色标记河北样品，浅灰色标记山东样品，结果表明，在12 000～4 000 cm-1波数范围内，金银花不同产地药材和粉末的近红外光谱波形基本一致，没有明显差异。

注：A. 药材近红外光谱 ；B. 粉末近红外光谱。图1 金银花药材和粉末的近红外光谱比较图

分析比较同产地金银花药材和粉末的红外光谱(图2)，以灰色标记药材样品，黑色标记粉末样品，结果表明，在12 000～4 000 cm-1波数范围内，金银花不同产地药材和粉末的近红外光谱波形基本一致，但粉末的近红外吸收强度略高于药材。

注：A. 河南产地；B. 河北产地；C. 山东产地。图2 同产地金银花药材和粉末NIR光谱图的比较

2.4.2 建立近红外一致性模型：分析比较金银花不同产地药材和粉末的原始光谱，发现在8 003.6～7 243.8 cm-1、6 900.5～5 646.9 cm-1、4 840.7～4 462.7 cm-1波段内存在较大的差异，因此选择上述波段，将药材的原始光谱预处理后作为比对光谱，建立近红外一致性检验模型，结果见表2。

经过一致性模型的检验，发现金银花的药材与粉末的近红外光谱均在CI限度以内，不能将两者鉴别，两者均被鉴别为金银花的正品药材，表明两者近红外光谱存在较高的一致性。结果见图3。

注：1.参考光谱(灰色)； 2.测试光谱(黑色)。图3 一致性检验报告图

2.4.3 近红外定性鉴别分析：将金银花不同产地药材和粉末的原始光谱，经一阶导数结合矢量归一化，9点平滑的方法预处理，在8 003.6～7 243.8 cm-1、6 900.5～5 646.9 cm-1、4 840.7～4 462.7 cm-1波段内建立定性鉴别分析模型，得到金银花样品鉴别得分分布图。从分布图中看出，样品可以明显地分为3大类，即河南样品、河北样品及山东样品。金银花的药材与粉末分布分界不显著，范围接近或少量样品存在重叠情况，不能很好地实现两者的鉴别。因此，在二级子库中，将药材与粉末定义为一类，建立金银花定性鉴别模型，模型检验结果显示，验证集的验证率为100%，可以实现不同产地样品的鉴别。结果见图4。

注：A.河南药材、a.河南粉末；B.河北药材、b.河北粉末；C.山东药材、c.山东粉末。图4 金银花样品鉴别得分分布图

2.4.4 聚类分析：将92张金银花的原始光谱进行一阶导数结合矢量归一化，9点平滑的预处理，运用因子算法和加权平均距离法在8 003.6～7 243.8 cm-1、6 900.5～5 646.9 cm-1、4 840.7～4 462.7 cm-1波段内建立聚类分析模型，得到金银花样品间的相似度关系图，结果见图5。应用此模型，金银花样品可以明显地归为3个不同产地，即河南省、河北省及山东省样品。药材与粉末光谱的相似度较高，两者的归属关系较近，虽然能分别归属，但其相似度明显高于产地归属，可被合并为一类。

图5 金银花样品聚类分析图

3 结论

本研究采用定性分析法进行金银花药材与粉末的近红外光谱比较研究。通过对92种金银花进行谱图扫描，一阶导数结合矢量归一化法，9点平滑进行光谱的预处理，采用原始光谱比较、近红外一致性模型检验、定性鉴别和聚类分析的方法，比较金银花药材与粉末近红外光谱的差异。研究发现，在12 000～4 000 cm-1波段内，金银花药材与粉末的近红外原始光谱存在一定的差异。在8 003.6～7 243.8 cm-1、6 900.5～5 646.9 cm-1、4 840.7～4 462.7 cm-1波段内，药材与粉末近红外光谱均在CI限度以内，两者近红外光谱不易被鉴别。在运用因子算法和加权平均距离法建立聚类分析模型中，不同产地的金银花可进行聚类。同产地金银花药材与粉末光谱的相似度较高，两者的归属关系较近，可被合并为一类，不能被准确地鉴别。因此，金银花药材与粉末不能通过近红外光谱的定性分析方法被鉴别。

4 讨论

药材粉碎一般不改变其在化学、物理和生物学特性。然而，粉末在样品性状鉴别方面存在一定的困难。通过对比药材与粉末的原始光谱，发现粉末的近红外吸收程度较高，推测其原因为粉末与紫外扫描的接触面积大于药材的。

近红外光谱的定性分析方法的考察，分别进行一二阶导数、矢量归一化法及结合一二阶导数矢量归一化法的考察，5～25点平滑的光谱预处理方法考察，最终选择一阶导数结合矢量归一化法，9点平滑进行光谱的预处理。数据计算方法的考察，包括标准法(欧式距离)、因子化法和因子化(原始光谱)等，最终确定因子化法为本实验的计算方法。

近红外一致性模型检验结果显示，同产地的药材与粉末在定性鉴别中没有明显差异。聚类模型分析进一步验证这一结论，金银花药材与粉末的近红外光谱在分类关系可归于一类，其相似度明显高于不同产地样品的光谱。因此，药材与粉末的近红外光谱在定性分析中存在一致性，提示金银花原产地的药材可以不用粉碎，直接进行近红外检测，简化了样品处理过程，在金银花的定性鉴别中具有实际应用价值，为金银花近红外检测的准确性和质量标准内容的研究提供实验依据和新思路。此外，为进一步验证药材与粉末近红外光谱的差异，需要扩大产地的检测范围，并进行两者的近红外定量分析方面的研究。