如海1064拉曼在快速鉴别黄芪真伪和地域的应用

前言

黄芪是中药中最常用的草药之一(如肾虚化瘀方)。现代药理研究和临床报道表明，黄芪具有免疫调节、抗糖尿病、抗肿瘤、抗病毒等生理活性。然而，它的临床应用受到许多因素的影响，如收获时间、气候和土壤。由于生长地点的温度、湿度和营养供应，地理来源也是影响草药治疗效力的关键因素，虽然黄芪的地理来源可以由经验丰富的农民和专家辨别，但这种方法耗时，费力，有时不可靠，因此，找到一种快速分析黄芪的方法是非常必要的。

图1 黄芪图片

上海中医药大学的研究人员制备了产地不同的经认证及伪造的黄芪样本使用如海拉曼设备实现了黄芪的认证和假冒分类以及地理来源的确定。

实验方法

从甘肃、山西、四川、陕西、吉林、云南、广东等省和内蒙古自治区8个不同地理位置采集黄芪已切片样品100份。每个样品的厚度约为3mm。由于切片方法不同，每个位置的黄芪形状略有不同。商品规格根据宏观特性和根的不同部位进行分级。

图2 黄芪样本

采用最大输出功率为500mW的1064nmNd:YVO4固体激光器作为激发源，采用电荷耦合装置，热电冷却温度为25℃。此外，还使用上海如海光电科技有限公司便携式785nm拉曼光谱仪进行验证实验。

图3 1064nm激发下的拉曼测量原理图设计

实验结果

为了确定分析黄芪最合适的波长，在785nm和1064nm的激发下采集了一些样品的拉曼信号。便携式785nm拉曼光谱仪的荧光干扰非常严重。使用1064nm激发时，样品的荧光光谱在拉曼光谱中产生平坦的背景和可识别的黄芪特征峰。主特征峰集中在1074cm^-1和1268cm^-1附近，它们被分配给纤维素C=C和C=O拉伸，木质素芳香骨架振动和甲氧基振动。结果表明，在1064nm激发下，黄芪样品具有低背景的拉曼光谱。与拉曼成像显微镜相比，1064nm便携式拉曼分光光度计的成本效益和便利性使其在实验室以外的现场检测中更具通用性。

图4 785 nm和1064 nm激发下的拉曼光谱

采用基于模型的分类算法来说明1064nm拉曼光谱仪在测定草药样品时的区分能力。PCA和PLS-DA是通用的算法，PLS-DA分类方法可以提取出pc，部分消除共线性的影响。它通过将原始变量投影到新的正交变量(称为pc)中，这些正交变量可以进一步用于样本的定性识别和聚类。红芪、苦参等是与黄芪相似的主要药材，因此在商业市场上被用作黄芪的仿冒品，牟取非法利润。

在赝品中检测到的“指纹”拉曼峰(1147cm^-1，1460cm^-1)，以及它们与正品黄祁共有的峰。详细地说，仿冒品在770cm^-1和1353cm^-1处表现出额外的峰。这意味着认证和假冒草药样品中所有成分的分布和含量有很大不同。伪造样品(760-820cm^-1)中各种成分的含量可能高于认证样品，这与PCA分类的结果几乎一致。

图5 认证黄芪和假冒黄芪

采用定性鉴定、主成分分析、PLS-DA等方法构建分类模型，对黄芪药材产地进行分类。利用主成分分析法形成评分图像，初步进行定性识别。显示了使用具有主要木质素和纤维素峰的光谱区域并使用所有光谱的PCA分析示例，结果显示，不同产地的黄芪由于其主要化学成分相似，具有较高的相似性，尽管在波段类型、波段位置和峰强度上存在一些小差异，乍一看几乎无法分辨。

图6 不同产地黄芪

由于不同地区药材与正宗山西药材在成分上存在明显的相似性，其PCA评分图往往呈混合聚类。因此，需要进一步的建模和研究来支持这一初步结论。采用PLS-DA法测定各样品中各组分的含量。通过对黄芪的光谱集进行比较，便于对黄芪的地理来源进行识别，预测准确率从67.2%到86.6%不等。

不同地理来源样品之间的光谱差异可能是由环境因素、收获条件和加工行为造成的。如果市场行为没有标准化，它将继续造成对草药样品质量的混淆。因此，利用拉曼光谱鉴定黄芪的地理来源可以为药品管理部门的监管提供一种补充的监管手段，以规范药品生产活动。

图7 数据融合前PLS-DA分类图

总结

地理来源是黄芪质量控制的一个重要方面，传统的显微检查和基于色谱的指纹图谱技术不能很好地解决这一问题。1064nm激发的拉曼光谱具有较低的光谱背景噪声，逐点光谱扫描模式提供了草药样品的全景原位表征。此后，通过PCA和PLS-DA实现了黄芪认证和假冒的分类和地理来源的确定，并通过数据融合策略进一步改进。本研究验证了所提出的快速分析方法的优越性，为其他药用植物和中草药样品的相关研究提供了实用参考。

文献来源

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