適宜中藥材體系的近紅外分析方法影響因素研究.pdf

1、近紅外光譜(NIRS)技術以其快速、方便、高效等優(yōu)勢已被人們逐漸熟悉和接受，其在中藥材快速分析領域的應用也越來越廣泛。完整的NIRS方法包括光譜數(shù)據(jù)采集、模型校正與驗證、模型后期的維護更新與轉(zhuǎn)移等方面。對于任何光譜分析方法來說，準確的原始數(shù)據(jù)是保證分析方法精準性及可靠性的根本前提，并且NIRS是主要依靠樣品光譜信息間的微小差別來進行定量或定性分析，其分析結果的準確性會受多種因素影響。因此，了解NIRS分析的各種影響和干擾因素是保證分析結

2、果準確可靠的前提。此外，NIRS是借助于化學計量學發(fā)展起來的系統(tǒng)化技術，選擇適宜的化學計量學方法也可以一定程度上提高NIRS模型的預測性能。
　　本文系統(tǒng)地討論了影響近紅外漫反射光譜和其分析結果的各種干擾因素及有效預防措施，主要包括樣本粒徑、樣本溫度、采樣模式和測試條件等因素，并結合光譜預處理方法、代表性的校正集選擇方法及建模算法等，建立適宜中藥材體系抗干擾的NIRS穩(wěn)健模型，為NIRS技術在中藥材質(zhì)量快速分析領域內(nèi)更廣泛的應用提

3、供支持?；谝陨涎芯磕康模疚牡难芯績?nèi)容和成果如下:
　　(1)樣品粒徑對中藥材近紅外漫反射光譜的影響研究。首先以多種中藥材，包括根莖類、根皮類、花類、葉類、果實類、木質(zhì)莖及草質(zhì)莖類為研究對象，考察了粒徑對近紅外漫反射光譜吸光度的影響規(guī)律，結果表明光譜的不同頻譜區(qū)域（組合頻CR區(qū)、一級倍頻FCOT區(qū)和二級倍頻SCOT區(qū)）受粒徑的影響各不相同，其中CR區(qū)及FCOT區(qū)的光譜強度基本與粒徑成正比，且隨波長增大，受粒徑影響越大。對于不同類

4、型不同質(zhì)地的藥材，光譜受粒徑影響程度因藥材而異。因此在NIRS方法實際應用中，應充分考慮到不同類型藥材自身的特點和質(zhì)地來選擇最適宜的藥材前處理方法和光譜波段區(qū)域。其次，考察了不同粒徑藥材樣本裝樣誤差的光譜重現(xiàn)性。研究結果表明，當粉碎粒徑大于60目時，裝樣誤差較小(RSD＜3％)，且粒徑越小，光譜重現(xiàn)性越好，可以為藥材樣本的粉碎粒度提供指導，避免在測定樣品時因裝樣誤差而引起預測準確度下降。最后，以金銀花藥材中綠原酸含量的定量分析為研究內(nèi)容

5、，經(jīng)對比篩選出最優(yōu)的校正集選擇方法及光譜預處理方法后，建立了40～140目單一粒徑樣本NIRS定量模型以考察粒徑因素對定量模型的干擾影響。結果表明，40目模型預測結果最差，隨著粒徑減小，NIRS預測相對誤差逐漸減小，但并沒有隨粒徑變小呈規(guī)律性持續(xù)降低，當藥材粒度為80～120目時預測結果較為準確;數(shù)學預處理方法雖能一定程度上消除粒徑因素帶來的散射影響，但并不能完全消除其對NIRS定量模型的干擾。本研究進一步建立了粒徑全局校正模型來應對樣

6、本粒徑影響，篩選穩(wěn)健性和準確度最優(yōu)的抗干擾模型來預測不同粒徑樣本中綠原酸含量，相比于每個單一粒徑的獨立模型，包含不同粒徑信息的校正模型的預測結果更為準確。綜上所述，從粒徑對近紅外漫反射光譜到模型預測準確度等方面影響的研究，均為適宜中藥材體系下NIRS方法中粒徑的優(yōu)化提供了可靠的方法學參考。
　　(2)樣品溫度對中藥材近紅外漫反射光譜的影響及修正研究。本文以溫度對三七藥材樣品的近紅外漫反射光譜及其總皂苷NIRS定量分析的影響為研究內(nèi)

7、容，詳細考察了樣品溫度在5℃、10℃、20℃、30℃及40℃的近紅外光譜差異，結果表明，溫度波動顯著地影響了樣品漫反射光譜強度，并使其特征吸收波長位置發(fā)生了一定變化。此外，各溫度下所建三七總皂苷NIRS定量模型性能和預測能力差別較大，高溫模型的穩(wěn)健性和預測結果最差，且不同溫度模型間的通用性不強，模型只可用來預測溫度較為接近的樣本。最后，進一步針對僅使用光譜預處理方法較難消除溫度對光譜影響的難題，將樣品溫度因素和信息考慮在內(nèi)，構建了多元信

8、息溫度校正體系，分別采用PLSR線性回歸方法建立溫度全局模型，PCA結合BP-ANN非線性方法建立溫度穩(wěn)健模型，并對這兩個系統(tǒng)的預測能力及適用性進行了評價。結果表明，PCA-BP-ANN溫度校正模型對各種溫度樣本的預測誤差均明顯小于PLSR溫度校正模型的預測結果，各溫度樣品的NIRS預測值更接近于真實值，且相關性較高，該模型具有更廣泛和精確的抗干擾能力和預測能力。
　　(3)不同光譜采樣模式之間近紅外光譜差異及模型轉(zhuǎn)移研究。NIR

9、S技術是光譜分析儀、化學計量學方法和應用模型三者有效結合才能實現(xiàn)的分析方法。測量模式和光譜采樣附件是其中很重要的硬件基礎，不同采樣模式下所得光譜之間差異較大?；诖耍疚囊匀咚幉臑閷ο?，采用傅立葉變換近紅外光譜儀的積分球模式和光纖模式測試了相同的中藥材樣本，對得到不同質(zhì)量的光譜分別以合適的化學計量學處理后，對預測結果進行了統(tǒng)計檢驗。結果表明，適宜的數(shù)據(jù)處理方法可以一定程度上提高性能較弱的采樣模式的預測結果，并縮小與性能較高的采樣模式預