基于光谱技术实现中药三七的真伪识别及产地分析

李春美 陈娜 谭超

摘      要：近红外光谱分析技术具有样品预处理简单、绿色环保、不破坏中药成分等优势，来实现中药三七的真伪识别及产地分析。借助化学计量学方法，把样品分为定标集和预测集，通过TQ Analyst软件中的建模（包括DM距离匹配法、相似度匹配）建立定标集的模型，用预测集来验证。通过几种方式的分析，发现几种分析方式的识别率均大于80%。推测利用光谱技术来实现中药三七的真伪识别及产地分析是可行的，为中药的质量控制提供了一种方法。

关  键  词：中药三七;近红外;真伪识别

中图分类号：TQ016.1     文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）05-0834-04

Abstract： Near-infrared （NIR） spectroscopy technology has the advantages of simple sample pretreatment， non-pollution and undestroying the composition of Chinese medicine， etc.， to realize the identification of the      authenticity of Chinese medicine Sanqi and origin analysis. In this paper， the samples were divided into the calibration set and prediction set. The calibration model was established by TQ Analyst software （including DM distance   matching method and similarity matching）， and it was verified by the prediction set. Through the analysis of several ways， it was found that the identification rates of several analysis methods were greater than 80%. It has proved that it is possible to use spectroscopic technology to realize the identification and origin analysis of Chinese medicine，   providing a method for quality control of traditional Chinese medicine.

Key words： Chinese traditional medicine Sanqi; Near-infrared; Authenticity identification spectroscopy

三七为五加科人参属植物，是传统的名贵中药材，全株皆可入药，具有散瘀止血，消肿定疼，滋补强壮等功效，常用于治疗跌打损伤，吐血，便血，外伤出血，胸腹刺痛等疾病[1]。在中国具有400年的种植历史，在西藏、四川、云南、广西、湖南等海拔1 200～2 000 m地区均有分布，其中主产于云南文山。研究发现，三七中主要药效成分是皂苷类[2]。三七的皂苷积累易受地理气候因素的影响，因此研究其生长环境对保证质量具有重要意义[3]。在市面上，不良商家用各种东西冒充三七，不仅不能获得三七治疗的效果，还会有损身体健康。如水三七，与三七形似，但有毒，服用过量易致吐泻，严重者会引起大量出血。人工合成另外还有劣者，是用树脂经压膜仿造，外形極似，但断面可见树脂样光泽，伴树脂样气味。为保证中药三七的安全性和有效性，对其质量进行监控十分必要。

面对越来越“高水平”的制假，利用中药的基源、性状、理化和显微鉴别等[4]方法鉴别其真伪存在不足。近红外光谱法是一种既可定量又可定性的分析方法，具有操作简单、快速、无损、重现性好等优点，已在很多领域中得到了广泛的应用[5，6]。基于吸收光谱法的加和性，对于不同产地的三七，由于其组分或组分比例不同而显示不同的红外光谱，其光谱都存在差异[7]。随着近红外光谱技术的不断发展，该技术已广泛用于分析中药等复杂混合体系的研究[8]。本实验结合化学计量学对样品的成分进行分析，达到分析不同产地的中药三七的药性的目的。

通过光谱分析软件TQ Analyst建立三七的样品模型，实现了中药三七的真伪识别与产地分析的预测。

1  实验部分

1.1  样品来源

本实验的样品分别来自广西、贵州、西藏的三七，为了降低个别突出样品对产地分析的干扰，选择购买大小均一、形状类似的三七，采购后立即密封好，运回实验室，对样品进行处理，包括筛选、称量、切片，得到每个地区各20个三七头断面。

1.2  实验仪器参数

实验仪器见表1。

2  实验方法

本实验分别收集了全国范围内常用的三个产地的三七头断面的光谱图各20个。通过多元散射校正（MSC）、Norris平滑预处理来消除干扰。多元散射校正（MSC）用于在散射引起的光谱变化大于样品成分引起的变化的情况下，消除因样品分布不均匀及粒度的差别导致的影响。平滑法（Smoothing）通过光谱仪得到的光谱信号除了有用信息，还叠加了随机误差（噪声）。平滑法的基本假设为光谱的噪声为零均值随机白噪声，可多次测取其平均值降低噪声。此外，为了消除光谱基线的漂移或平缓背景的干扰，放大、分离其重叠信息，一般还采用对光谱求导的方式。而由于求导也会放大噪声信号，一般在求导时同时进行平滑处理，降低随机误差。具体实验步骤如下：

（1）定标集和预测集的选择和划分;

（2）利用数据平滑算法来消除光谱噪声及其他各种干扰集的影响;

（3）优化光谱空间、净化谱图信息。

3  实验结果

3.1  近红光谱的采集

设置采集光谱区间为10 000～3 000 cm-1。将近红外光谱仪的光纤探头紧贴三七的表面，采集样品的原始光谱，并对其求导。以西藏三七为例，绘制其原始、一阶、二阶光谱图，见图1。

由图1可知，其二阶光谱图的变化更明显，利于分析。因此，对三种产地的三七的原始光谱进行二阶求导，见图2。

初步对比不同产地三七近红外的二阶光谱图来看，不同产地在对应位置的特征峰形状相似，说明不同产地的三七所含成分组成相同。但其特征峰的相对强度略有不同，可见不同地区的三七在成分含量上存在差异。

（1）剔除异常的样品，通过对光谱数据进行求导，能够有效消除基线漂移，同时可以对重叠峰数据进行有效的分辨，剔除无关数据信息;

由此可知，地区因素（温度、气候、海拔、土壤、光照等）对三七的成分含量有一定的影响，这就导致它们的二阶光谱图的一些峰的吸收强度不同。

3.2  模型及软件处理分析图示

3.2.1  采用DM距离匹配法

距离匹配法（Distance match）常用于筛分原材料，适合区分成分相同但含量不同的材料。此方法通过计算光谱到每个中心点的距离，判别一个未知样品到多个已知材料的匹配程度以及检测原材料与生产样品的微小变化。比较适合不同产地同种中药的分析，所以在本实验中采用DM距离匹配法。

然后计算新光谱x_cstd中超过距离匹配限制值的波长点所占的百分比，即为该测试样品与已知类别的匹配值。距离匹配值的范围是100～0，0表示最匹配。若有多个类别，则根据匹配值的大小确定待测样品所属的最终类别[9]。

本文采用TQ analyst光譜分析软件进行距离匹配识别，在建模过程中所选择的样品集中，一部分作为定标集被用来建立模型，另一部分则作为交叉验证的数据，来验证模型的准确度，最后用Quantify选项进行验证。根据得到的模型数据，设置距离匹配限制值为3。

采用两种不同的建模方法：

a：运用DM距离匹配分析法的一阶光谱经MSC多元校正。

b：运用DM距离匹配分析法的二阶光谱经MSC + Norris平滑处理。得到两组不同的距离分布以及数据，见图3。

图3中X Calibration表示的是X轴上的验证模型，X Validation表示在X轴模型修正，Ignore表示可以忽略的数据。

模型预测分析，见表2-4。

表2、表3主要分析在距离匹配法基础上运用不同预处理方法建立的模型，从表4可知，两种预处理方法对应的不同地区的总识别率都大于或等于80%，说明用此方法建立模型去分析三七的道地性是可行的。对于同一地区，b方法的总识别率大于a，对于这两种方法来说，b方法要优于a方法。

3.2.2  采用相似度匹配（Similarity match）法

相似度匹配（Similarity match）属于光谱分类技术。此方法可将多种不同类别的已知样品归为一大类建立模型，通过比较未知样品与已知标准光谱的信息，表征某未知样品与已知材料的匹配程度，比较的结果称为匹配值（Match Value，反映未知样品光谱的残差平方和）。

为了印证近红外检测技术与TQ Analyst的联系，增加实验的可靠性。该方法采取的预处理如下：

c方法：运用相似度分析法的一阶光谱经MSC多元校正;

d方法：运用相似度分析法的二阶光谱经MSC + Norris平滑处理。

模型预测分析，见表5、表6。

由表5和表6可知，相似度匹配中所有的数据均拿来建模，误判率极低，三个产地的两个算法的总识别率都在95%以上，说明三个产地的三七的成分组成极其类似。

4  结果讨论

本实验利用TQAnalyst分析软件测试了3个产地的三七（样品数都为20），且通过多种预处理（平滑、一阶、二阶导）以及不同的建模相结合的方法，不断优化、验证模型的预测能力。

以同一个训练样本的两种方法为代表举例。从表2和表3中可以看出，两个训练样本的回判率均为100%，并且从表4中可以知道，b方法的预测率优于a方法，而且两种方法的平均总识别率均在80%以上，说明此算法用于鉴别三七的产地是可行的，且b方法建立的模型稳定性更好。

从表5和表6中可以知道，c与d两种预处理方法得出的结论都是一样的，且相同地区的总识别率是相同的。他们没有太大的区别，并且总的识别率高于DM距离匹配法，但是DM距离匹配法，有具体的分析窗口，可以得到具体两种中药之间的差距有多大，结果比较直观。对比这四种不同的建模方法可以知道，运用DM距离匹配分析法的二阶光谱经MSC + Norris平滑处理得到的结果相比其他三种比较好。

综上所述，利用近红外光谱以及TQ Analyst软件建模相结合的方式，可以清楚直观的检测出两种中药的相似与不同，这种方法具有样品预处理简单、分析速度快、无损坏、绿色环保等优点，比较适合检测组成成分复杂的中药。

参考文献

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[2]马妮，高明菊，刘云芝，等.三七药材的质量现状调查与评价[J].文山学院学报2018，31（06）：9-14.

[3]李运.红外光谱结合化学计量学对三七质量评价研究[R].云南中医学院，2018，31（06）：9-14.

[4]刘飞，王元忠，杨春艳，等.红外光谱结合判别分析对三七道地性及产地的鉴别研究[J].光谱学与光谱分析，2015，35（1）：108-112.

[5]周文婷，林萍，王海霞，等.近红外光谱技术在中药领域质量评价中的应用[J]. 湖北农业科学， 2014，53（14）：3231-3236.

[6]申云霞，赵艳丽，张霁，等.红外光谱在中药质量研究中的应用[J].世界科学技术-中医药现代化，2015，17（3）：664-669.

[7]黄冬兰，陈小康.二维相关红外光谱技术快速鉴别三七及其伪品[J].光散射学报，2017，29（01）：79-84.

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