CN107703074A - 一种用于四元掺伪三七快速准确的定量分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于四元掺伪三七快速准确的定量分析方法。具体步骤为先用紫外可见分光光度计扫描掺伪样品的紫外光谱,得到紫外光谱数据。之后考察SG平滑法、SNV、MSC、1stDer、2ndDer、CWT及其组合的预处理效果。采用最佳预处理方法处理数据,考察不同变量选择方法对建模结果的影响,得到最佳变量选择方法,最后采用最佳预处理‑变量选择‑PLS方法对四元掺伪三七定量分析。本发明基于紫外光谱及化学计量学,检测速度快、准确度高。本发明适用于四元掺伪三七中各组分的定量分析。
Description
技术领域
本发明属于中药检测领域,涉及一种用于四元掺伪三七快速准确的定量分析方法。
背景技术
三七是一种五加科植物,它具有止血和提高记忆力等功效。三七有着极高的营养价值与市场需求,这就导致了市场上存在很多以假乱真的中药材,如莪术、姜黄、高良姜等。这些以假乱真的中药材与三七混用,不仅降低了三七的疗效,还有可能威胁到消费者的身体健康。因此寻找合适的中药鉴别方法,对确保中药质量具有重要意义。
传统的中药鉴定方法如性状鉴别法和显微鉴别法,都需要研究者有丰厚的实践经验,而且如果中药材的外观不好或者是对未知的药材进行鉴定,这些方法都有较大的难度。最近,有专利对中药的DNA的检测(王菲菲,张聿梅,戴忠,马双成,检测样品中是否存在五加科植物成分及是否掺伪的方法,中国专利,CN201610034379.7),这种方法虽然特异性强、准确度高,但需要PCR等尖端科技。因此有必要发展一种更为简便的中药鉴别方法。
紫外光谱是研究分子中最外层电子能级跃迁的电磁波,根据特定官能团的出峰位置及强度来判断物质类别及含量。紫外光谱的波长范围可以分为三段:10-190nm、190-400nm和400-800nm,分别称作远紫外光区、近紫外光区和可见光区,其中近紫外和可见光区是常用的区段。由于紫外光谱技术具有分析速度快、可用性、操作简单等特点,并且绝大部分的有机化合物都有吸收光谱的特性如吸收光谱形状、各吸收峰的波长位置等特点,所以紫外光谱法广泛的应用于有机化合物和无机化合物的定量和定性分析以及其它化合物的测定。
但是三七等复杂样品的紫外光谱存在严重的重叠现象,还包含大量的冗余波长信息,所以单靠紫外光谱是无法直接对四元掺伪三七进行准确定量的。因此,需要在定量分析之前采用适当的预处理及变量选择方法对光谱信号进行处理。目前,常用的光谱预处理方法有平滑、标准正态变量(SNV)、多元散射校正(MSC)、一阶导数(1st Der)、二阶导数(2ndDer)和连续小波变换(CWT)等。波长选择方法主要有无信息变量消除法(UVE)、蒙特卡罗-无信息变量消除法(MC-UVE)和随机检验-偏最小二乘回归法(RT-PLS)等。
金鹏程等人采集灵芝及11种伪品的紫外光谱,结合化学计量学方法对紫外光谱数据进行分析(金鹏程,张霁,沈涛,王元忠,传统中药灵芝及其伪品的紫外光谱特征分析.分析测试学报,2015,(10):1113-1118)。其中,先对紫外光谱进行SG-SNV预处理,然后进行主成分分析(PCA),它的累计贡献率达90.69%,准确的对灵芝与伪品进行了分类,为灵芝及其伪品的鉴别提供了一种有效的手段。本发明基于紫外光谱及多元校正方法,对掺伪三七进行定量分析。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种用于四元掺伪三七快速准确的定量分析方法,以便快速、准确的对掺伪三七中各组分的含量进行预测。
为实现本发明所提供的技术方案包括以下步骤:
1)购买三七样品及三种伪品若干个,分别将三七及其伪品用粉碎机粉碎,过120目筛子,按一定比例配置成四元掺伪三七样品。
2)设置紫外可见分光光度计的参数,采样的波长范围为200-800nm,扫描速度为高速,采样间隔为0.5,扫描模式为单个;在仪器属性中:测定方式为反射率,狭缝宽为5.0nm,积分时间为0.1秒,光源转换波长为323.0nm,检测器单元为外置(单检测器),S/R转换为标准。扫描样品的紫外光谱。
3)对样品数据进行KS分组,将样品总数的2/3作为训练集,1/3作为预测集。由交叉验证预测均方根误差(RMSECV)随因子数的变化确定偏最小二乘回归(PLS)模型的最佳因子数。
4)考察无预处理、SG平滑、SNV、MSC、1st Der、2nd Der、CWT、SNV-1st Der、MSC-1stDer、SNV-2nd Der、MSC-2nd Der、SNV-CWT、MSC-CWT、1st Der-SNV、1st Der-MSC、2nd Der-SNV、2nd Der-MSC、CWT-SNV和CWT-MSC等18种预处理方法的预处理效果,RMSEP最小值对应的预处理方法为最佳光谱预处理方法。其中SG平滑及求导的窗口大小根据RMSEP随着窗口的变化确定,CWT的小波函数及分解尺度根据RMSEP随小着波函数及分解尺度的变化确定。
5)在最佳预处理方法基础上,考察UVE、MC-UVE和RT三种变量选择方法对建模结果的影响,从中选择出最佳的变量选择方法。
6)选定最佳预处理-变量选择方法结合PLS建立最终模型,预测未知样品组分的含量。通过相关系数来评价模型的预测能力。
本发明优势在于在最佳预处理方法的基础上,进一步结合三种变量选择方法,考察变量选择对模型预测能力的影响,最终确定了各个组分中最佳预处理-变量选择-PLS模型,可以实现对四元掺伪三七进行准确定量。
附图说明
图1是75个四元掺伪三七样品的紫外光谱图
图2是四元掺伪三七样品中各组分经平滑(a)、一阶导数(b)、二阶导数(c)预处理的RMSEP随着窗口的变化图
图3是四元掺伪三七样品中三七组分经小波变换预处理的RMSEP随着小波函数和分解尺度的变化图
图4是训练集平均光谱和最佳预处理结合三种变量选择方法对三七组分保留变量的分布图(a)SG-UVE(b)SG-MCUVE(c)SG-RT
图5是最佳预处理结合三种变量选择方法对三七组分预测的RMSEP随着保留变量数的变化图(a)SG-UVE(b)SG-MCUVE(c)SG-RT
图6是最佳建模方法对不同组分预测值与真实值的关系图(a)SG-RT-PLS对三七组分(b)SNV-CWT-UVE-PLS对莪术组分(c)CWT-RT-PLS对姜黄组分(d)RT-PLS对高良姜组分
具体实施方式
为更好理解本发明,下面结合实施例对本发明做进一步地详细说明,但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例所表示的范围。
实施例
1)分别从天津市的几家药店购买到的三七、莪术、姜黄和高良姜样品若干个来配制四元掺伪三七样品。将三七、莪术、姜黄和高良姜四种中药分别用粉碎机粉碎,过120目筛子。然后将三七按优劣归类为高中低三个等级。三七与莪术、姜黄和高良姜进行掺伪,配制成75个样品,其中每个浓度比配制三个样品。每一类四元掺伪三七配制样品时,三七浓度由1-95%,主要间隔为5%,伪品的设计含量均是1-95%,主要间隔为5%,顺序随机打乱。保证每一样品中四个组分之和100%,总质量为4g。
2)开始测样前,设置仪器参数。将石英比色皿置于卡槽处测得的即为基准线,扫描四元掺伪三七样品的紫外光谱。图1显示了75个四元掺伪三七样品的紫外光谱图。
3)运用KS法将75组样品在紫外光谱中测得的150组数据取平均,得到75组光谱数据,然后运用KS法将这75组数据划分为2/3的训练集和1/3的预测集,即采用50个样本建立PLS模型,25个样本作为预测样本。将因子数从1到25进行改变,RMSECV最小值对应的因子数位最佳因子数,得到掺伪样品中三七、莪术、姜黄和高良姜组分的最佳因子数分别为18、13、11和5。
4)根据RMSEP随着窗口的变化确定SG平滑及求导的窗口大小。图2显示了平滑、一阶导数及二阶导数预处理下RMSEP随着窗口的变化,RMSEP最小值对应的窗口为最佳窗口。从图中可以看出,光谱数据在平滑预处理下,三七、莪术、姜黄和高良姜的最佳窗口为53、5、59和3,在一阶导数预处理下,三七、莪术、姜黄和高良姜的最佳窗口分别为35、39、59和59,在二阶导数预处理下,三七、莪术、姜黄和高良姜的最佳窗口分别为59、59、59和59。
根据RMSEP随着小波函数及分解尺度的变化确定CWT的小波函数及分解尺度。图3显示了四元掺伪三七样品中三七组分经CWT预处理的RMSEP随着小波函数和分解尺度的变化。从图中可以得到四元掺伪三七样品中三七的最佳分解尺度分别为58,小波函数为Haar小波。同理可以得到莪术、姜黄和高良姜组分的最佳分解尺度为57、60和60,小波函数都为Haar小波。
在最佳参数下,考察无预处理、SG平滑、SNV、MSC、1st Der、2nd Der、CWT、SNV-1stDer、MSC-1st Der、SNV-2nd Der、MSC-2nd Der、SNV-CWT、MSC-CWT、1st Der-SNV、1st Der-MSC、2nd Der-SNV、2nd Der-MSC、CWT-SNV和CWT-MSC等18种预处理方法的预处理效果,RMSEP最小值对应的预处理方法为最佳光谱预处理方法。
表1显示了不同预处理方法对四元掺伪三七样品中各组分预测的RMSEP值。将未经过预处理的PLS模型的预测结果,单一预处理后的预测结果和组合预处理后的预测结果进行比较得出,三七、莪术、姜黄、高良姜组分RMSEP最小值对应的预处理方法分别是SG平滑、SNV-CWT、CWT、无预处理。因此选择上述方法作为各组分对应的最佳的预处理方法。
5)在最佳预处理方法基础上,考察UVE、MC-UVE和RT三种变量选择方法对建模结果的影响,从中选择出最佳的变量选择方法。
图4显示了训练集平均光谱图和最佳预处理结合三种变量选择方法对三七组分保留变量的分布图,从图中可以看出三种方法保留的波长数类似。图5显示了最佳预处理结合三种变量选择方法对三七组分预测的RMSEP随着保留变量数的变化,SG-UVE、SG-MCUVE和SG-RT保留的波长数分别为335、340、175,对应的RMSEP分别为2.3771、2.6419、2.1696。可以看出,SG-RT方法保留的变量数最少,RMSEP值最小,为最佳数据处理方法。类似的,莪术、姜黄和高良姜的最佳数据处理方法分别为SNV-CWT-UVE、CWT-RT和RT。
表1 不同预处理方法对四元掺伪三七样品中各组分预测的RMSEP值
6)选定SG-RT、SNV-CWT-UVE、CWT-RT和RT分别作为三七、莪术、姜黄和高良姜组分的最佳预处理-变量选择方法,结合PLS建立最终模型。
图6显示了四种组分在最佳方法下对不同组分预测值与真实值的关系图。从图中可以看出,在最佳预处理-变量选择-PLS建模下,三七、莪术、姜黄和高良姜组分的相关系数R分别为0.9971、0.9805、0.9860和0.9894。因此,紫外光谱结合多元校正方法能够实现对四元掺伪三七的准确定量。
Claims (4)
1.一种用于四元掺伪三七快速准确的定量分析方法,其特征在于:采用紫外可见分光光度计扫描样品的紫外光谱;考察不同预处理方法的预处理效果,确定最佳预处理方法;考察不同变量选择方法对建模结果的影响,从中选择出最佳的变量选择方法;最后采用最佳预处理-变量选择方法,建立PLS模型对四元掺伪三七进行定量分析。
2.根据权利要求1所述的用于四元掺伪三七快速准确的定量分析方法,其特征在于:所述定量分析方法是先采用SG平滑法、SNV、MSC、1stDer、2ndDer、CWT、SNV-1stDer、MSC-1stDer、SNV-2ndDer、MSC-2ndDer、SNV-CWT、MSC-CWT、1stDer-SNV、1stDer-MSC、2ndDer-SNV、2ndDer-MSC、CWT-SNV和CWT-MSC对原始光谱数据进行预处理,RMSEP最小值对应的预处理方法为最佳光谱预处理方法。
3.根据权利要求1所述的用于四元掺伪三七快速准确的定量分析方法,其特征在于:采用最佳预处理方法处理数据,考察UVE、MC-UVE和RT三种变量选择方法对建模结果的影响,得到最佳变量选择方法,最终结合最佳数据处理方法建立PLS模型,对最优的PLS模型进行分析。
4.根据权利要求1所述的用于四元掺伪三七快速准确的定量分析方法,其特征在于:对掺伪中药的种类没有限制,其他中药如葛根、茯苓等与三七的四元掺伪也适用。
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