紅外光譜結(jié)合判別分析對三七種植土壤類型的鑒別研究.doc

紅外光譜結(jié)合判別分析對三七種植土壤類型的鑒別研究 鄭興芳，楊春艷，王元忠，劉飛 （玉溪師范學院物理系，云南玉溪；云南省農(nóng)業(yè)科學院藥用植物研究所，昆明） 摘要：利用傅里葉變換紅外光譜（）技術(shù)結(jié)合判別分析，對三七（）的種植土壤類型進行鑒別研究。測試了種種植土壤類型共株三七植株主根木質(zhì)部和須根樣品的紅外光譜；以的光譜信息為變量，每種土壤類型任選份樣品為測試樣本，其他為訓練樣本；利用統(tǒng)計分析軟件中的判別分析模塊依據(jù)線性判別準則，采用逐步判別分析中的種挑選樣本信息變量算法，建立分類模型，對三七的種植土壤類型進行鑒別研究。結(jié)果表明，基于三七須根樣品信息的種植土壤類型的判別結(jié)果明顯優(yōu)于基于主根木質(zhì)部的判別結(jié)果，且種挑選變量的算法建立的模型都能識別三七的種植土壤類型；綜合考慮判別分析結(jié)果和模型的穩(wěn)定性，“”法所建立的模型更適合用于三七種植土壤類型的鑒別。 關(guān)鍵詞：紅外光譜；逐步判別分析；三七（）；土壤類型 ：O657.3：A：0439114（15）163887-04 ：.014 ： 基金項目：國家自然科學基金項目（）；玉溪師范學院青年教師資助計劃項目；玉溪師范學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（） 作者簡介：鄭興芳（），女，云南文山人，在讀本科生，研究方向為光譜分析，（電話）（電子信箱）； 通信作者，楊春艷，副教授，碩士，主要從事光譜分析研究，（電話）（電子信箱）。 三七（）是人參屬植物的一種，主產(chǎn)于云南、廣西，傳統(tǒng)上以云南文山為道地產(chǎn)區(qū)。清朝藥學著作本草綱目文山三七拾遺中記載：“人參補氣第一，三七補血第一，味同而功亦等，故稱人參三七，為中藥之最珍貴者?！逼渲饕π榍鍩峤舛尽⒒钛?、止血兼補虛、降壓、鎮(zhèn)痛、抗炎、抗衰老、調(diào)節(jié)免疫，主要用于咯血、吐血、便血、崩漏、外傷出血、胸腹刺痛、跌撲腫痛等。研究表明，三七含有多種化學成分，其中三七總皂苷是主要有效成分，可有效提高機體免疫力，對心血管系統(tǒng)、血液系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等具有抗炎、抗纖維化、抗腫瘤作用。 道地性是評價中藥材品質(zhì)的綜合性指標，是遺傳基因與變異、栽培技術(shù)和生態(tài)環(huán)境三個因素綜合作用的結(jié)果，土壤是除溫度、光照等氣候因素外的重要生態(tài)環(huán)境因素。研究表明，土壤的構(gòu)成及其中所含的微量元素組合是藥材生長和有效成分形成必不可少的條件。因此，土壤類型對三七的品質(zhì)有著重要影響，所以對三七藥材的種植土壤類型的鑒別非常重要。 對于中藥材的鑒別，目前的技術(shù)主要有指紋圖譜技術(shù)、分子標記技術(shù)和技術(shù)等。其中，指紋圖譜技術(shù)和分子標記技術(shù)需對藥材進行分離提純，專業(yè)性強、技術(shù)難度大；技術(shù)具有樣品用量少、簡便、快捷且靈敏度高等優(yōu)點。判別分析是一種通過若干已知類別樣本的數(shù)據(jù)信息，總結(jié)分類規(guī)律，建立分類模型，以對類別的樣本進行判別，預測其所屬類別的分類方法。基于傅里葉變換紅外光譜技術(shù)結(jié)合判別分析方法對中藥材進行鑒別研究已有成功應(yīng)用的報道，如劉飛等，應(yīng)用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)對石斛品種和三七道地性及產(chǎn)地進行判別分析，但對三七種植土壤類型的鑒別研究尚未見報道。因此，本研究測試了種種植土壤類型共株三年生三七藥材主根木質(zhì)部和須根樣品的紅外光譜，采用判別分析中的逐步判別法對樣品的種植土壤類型進行鑒別研究，以期為三七種植土壤類型的鑒別提供一種簡便快捷的方法。 試驗設(shè)計 儀器及參數(shù) 紅外光譜儀為公司生產(chǎn)的型傅里葉變換紅外光譜儀，裝備檢測器，光譜掃描范圍為，累加掃描次數(shù)為次，分辨率為。光譜數(shù)據(jù)處理使用軟件，判別分析使用軟件。 樣品制備及光譜預處理 測試的株三七植株樣品分別取自云南省文山州文山市和紅河州建水縣，共涉及黃棕壤、紅壤、石灰?guī)r紅壤、紅色石灰土、黃壤性土、紫色壤種土壤地質(zhì)背景。表為各試驗樣品的產(chǎn)地、種植土壤類型及編號。樣品在恒溫下烘干至恒重，按的質(zhì)量比用電子天平稱量三七樣品、溴化鉀待測。 測試時，將已稱量好的三七樣品放入瑪瑙研缽磨為均勻的細粉，再加入溴化鉀攪磨均勻，然后壓片測試，每株三七植株樣品的主根木質(zhì)部和須根各壓制個掃描片測試其光譜，所有光譜均已扣除背景，并在光譜軟件中進行自動基線校正、九點平滑和歸一化處理。 結(jié)果與分析 三七主根木質(zhì)部的紅外光譜分析 不同種植土壤類型三七主根木質(zhì)部第個樣品的紅外光譜如圖所示。由圖可知，不同種植土壤三七主根木質(zhì)部樣品的紅外光譜非常相似，主要在、和附近出現(xiàn)吸收峰。附近強而寬的吸收峰多聚體分子中締合羥基的伸縮振動；附近反映亞甲基的伸縮振動吸收的吸收峰強度較小，說明飽和碳上的氫較少；附近吸收峰主要苷類、糖類、黃酮類物質(zhì)彎曲振動和的伸縮振動；在脂類、蛋白質(zhì)和多糖的混合振動區(qū)，和附近吸收峰彎曲振動；附近吸收峰主要伸縮振動和伸縮振動；在多糖吸收區(qū)，、附近個階梯增強的吸收峰，主要為苷類、糖類物質(zhì)中伸縮振動，其中附近吸收峰為光譜最強峰，附近吸收峰為第二強峰，說明三七主根木質(zhì)部中含有較高含量的糖類和苷類物質(zhì)；在糖環(huán)的骨架振動區(qū)（），、和附近出現(xiàn)的弱吸收峰，說明樣品含有型糖苷鍵；另外，在、和附近的個吸收峰與淀粉的特征峰類似，說明三七主根木質(zhì)部含有較高含量的淀粉。光譜特征表明，三七主根木質(zhì)部的主要物質(zhì)成分為淀粉、皂苷和黃酮類物質(zhì)，且淀粉含量最高。 三七須根的紅外光譜分析 不同種植土壤類型三七須根第個樣品的紅外光譜如圖所示。由圖可知，不同土壤類型三七須根的紅外光譜類似，主要在、和附近出現(xiàn)吸收峰。附近強而寬的吸收峰于的伸縮振動；和附近的吸收峰于亞甲基的反對稱和對稱伸縮振動；附近的吸收峰主要纖維素中羰基的伸縮振動；附近吸收峰主要于木質(zhì)素和甾體皂苷元中羰基的伸縮振動，；附近的吸收峰于苯環(huán)的骨架伸縮振動和的面內(nèi)彎曲振動；在和附近吸收峰與硝酸鹽的特征峰十分相似，說明三七須根中含有硝酸鹽物質(zhì)成分；附近的吸收峰于甲基的彎曲振動；附近的吸收峰主要于木質(zhì)素酚醚鍵伸縮振動和苯羥基中伸縮振動；另外、和附近個階梯增強的吸收峰主要于纖維素中的伸縮振動以及和伸縮振動；在低波數(shù)區(qū)域出現(xiàn)的和附近吸收峰結(jié)合附近的吸收峰，構(gòu)成了高嶺土的特征吸收峰，這可能是須根表面附有少量泥土所致。光譜特征表明，三七須根的主要物質(zhì)成分為纖維素和木質(zhì)素，同時含有一定量的苷類物質(zhì)和硝酸鹽類物質(zhì)。 基于光譜的判別分析 光譜能夠反映樣品所有組分的整體信息，每一個光譜數(shù)據(jù)點代表一個信息變量，反映了樣品不同層面的物質(zhì)信息。逐步判別分析法能夠按照設(shè)定的規(guī)則采用有進有出的調(diào)節(jié)變量的方法，篩選出對樣本分類影響比較大的變量來建立判別模型進行判別分類。所以本試驗選擇統(tǒng)計分析軟件中的逐步判別分析對全部種種植土壤類型株樣品主根木質(zhì)部和須根在范圍的光譜信息進行研究。判別分析中，按每種土壤類型任選份樣品為測試樣本，其他為訓練樣本；依據(jù)線性判別準則，分別采用“”、“”、“”、“”和“（）”種挑選樣本信息變量方法，建立分類模型，對三七的種植土壤類型進行鑒別研究，具體判別結(jié)果見表和表。 基于三七主根木質(zhì)部紅外光譜的判別分析基于三七主根木質(zhì)部紅外光譜數(shù)據(jù)對三七種植土壤類型的判別分析結(jié)果見表。由表可知，挑選樣品信息的方法對判別結(jié)果有影響，其中“”法所建立的模型對樣本的判別效果較好，訓練樣本回判正確率為，測試樣本預測正確率為，總判別正確率為；“”法所建立的模型對樣本的判別分類正確率較低，訓練樣本回判正確率為，測試樣本預測正確率為，總判別正確率為。 基于三七須根紅外光譜的判別分析基于三七須根紅外光譜數(shù)據(jù)對三七種植土壤類型的判別分析結(jié)果見表。由表可知，挑選樣本信息變量的不同算法建立的判別模型對試驗樣本的判別同樣有影響?！啊狈ㄋ⒌哪Ｐ蛯颖镜呐袆e分類正確率最高，訓練樣本回判正確率為，測試樣本預測正確率為，總判別正確率為；“”和“”法所建立的模型對樣本的判別分類正確率較低且判別結(jié)果相同，訓練樣本回判正確率均為，測試樣本預測正確率均為，總判別正確率均為。結(jié)合表和表，說明基于三七須根紅外光譜數(shù)據(jù)的三七種植土壤類型的判別分析結(jié)果明顯優(yōu)于基于主根木質(zhì)部光譜數(shù)據(jù)的結(jié)果。為了驗證方法的可靠性，采用十折五次交叉驗證法檢驗判別模型的穩(wěn)定性，訓練樣本的平均回判正確率均在以上，測試樣本的平均預測正確率均在以上，平均總判別正確率均高于，其中“”算法建立的模型交叉驗證平均回判正確率為，預測平均正確率為，平均總判別正確率為。上述分析結(jié)果表明，三七須根光譜數(shù)據(jù)結(jié)合判別分析可為三七種植土壤類型的初步鑒別提供新的思路，且采用“”算法挑選信息變量建立的模型的穩(wěn)定性較好。 小結(jié)與討論 利用技術(shù)測試了種種植土壤類型共株三年生三七植株主根木質(zhì)部和須根樣品的紅外光譜。以范圍的光譜信息為樣本特征，按每種種植土壤類型任取份樣品為測試樣本，其余為訓練樣本，利用統(tǒng)計分析軟件中的判別分析模塊，按照判別準則，采用逐步判別分析方法來建立分類模型對三七種植土壤類型進行識別研究。研究結(jié)果表明，通過三七植株須根的紅外光譜技術(shù)結(jié)合判別分析方法來鑒別三七的種植土壤類型，有望為三七種植土壤類型的初步鑒別提供一種簡便快捷的新方法。 紅外光譜反映樣品的整體化學信息，三七主根木質(zhì)部和須根的紅外光譜是其所有組成成分的疊加光譜，雖然不同種植土壤中三七主根木質(zhì)部和須根所含物質(zhì)組分和含量有差異，但由于各相應(yīng)的主要成分相同，含量差異不大，導致不同種植土壤三七樣品木質(zhì)部和須根的成分與含量差異的光譜信息被主要成分的光譜所掩蓋，因此不同種植土壤三七木質(zhì)部和須根的紅外光譜在外觀上很相似，直接從光譜上來鑒別很困難。但是不同土壤中種植的三七主根木質(zhì)部和須根的成分差異信息始終是包含于光譜中的，通過模式識別的統(tǒng)計方法可以將這些信息挖掘出來。 本試驗的研究中，表和表分別反映了基于主根木質(zhì)部和須根光譜數(shù)據(jù)的判別分析結(jié)果。基于須根光譜數(shù)據(jù)的判別分析結(jié)果明顯優(yōu)于基于主根木質(zhì)部光譜數(shù)據(jù)的判別結(jié)果，這可能源于土壤中的各種礦物離子需要先吸附在須根表面，然后經(jīng)能量轉(zhuǎn)換和傳輸過程后才進入木質(zhì)部導管，因此土壤中的礦物元素特征在須根中體現(xiàn)得較主根木質(zhì)部明顯。而且雖然依據(jù)不同挑選變量算法得到的判別模型不同，但判別結(jié)果差異不顯著。試驗結(jié)果表明，基于三七須根紅外光譜數(shù)據(jù)的判別分析，有望成為三七種植土壤類型鑒別的新方法。 參考文獻： 崔秀明，徐珞珊，王強，等云南三七道地產(chǎn)區(qū)地質(zhì)背景及土壤理化狀況分析中國中藥雜志，（）： 何晶三七的藥理作用及研究進展天津藥學，（）： 中華人民共和國藥典委會中華人民共和國藥典（第一部）北京：中國醫(yī)學科學出版社， 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