(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111693485 A(43)申请公布日 2020.09.22
(21)申请号 201910179991.7(22)申请日 2019.03.11
(71)申请人 北京中医药大学
地址 102488 北京市房山区良乡大学城北
京中医药大学良乡校区(72)发明人 吴志生 乔延江 马丽娟 裴艳玲 (74)专利代理机构 北京市诚辉律师事务所
11430
代理人 范盈(51)Int.Cl.
G01N 21/359(2014.01)G01N 21/3563(2014.01)
权利要求书1页 说明书14页 附图4页
(54)发明名称
基于近红外二维相关光谱解析苯丙素类、生物碱类或萜类化合物近红外光谱特征波段的方法
(57)摘要
本发明提供一种基于近红外二维相关光谱解析苯丙素类、生物碱类或萜类化合物近红外光谱特征波段的方法；苯丙素类、生物碱类和萜类化合物是常见的中药活性成分，大都具有明确的药理作用，常被作为中药的指标性成分；二维相关近红外光谱将待测体系在受外界扰动过程中的近红外光谱信号进行相关性分析，得到光谱的二维尺度信息，提高重叠近红外光谱信号的分辨能力，观察到在一维近红外光谱中无法观察到的信息；该方法简易便于操作，得到的特征波段更具解释性和代表性，从而使得构建的模型性能更加稳健准确。
CN 111693485 ACN 111693485 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于近红外二维相关光谱解析苯丙素类、生物碱类或萜类化合物近红外光谱特征波段的方法，其特征在于，该方法的步骤为：
(1)样品制备：分别精密称取若干种苯丙素物质、生物碱类物质或萜类物质对照品，分别配置8-12个浓度梯度，作为待测样本；
(2)近红外光谱的采集：采用近红外光谱仪，分别采集待测物质不同浓度样本的近红外光谱，每个样本采集2-4次，分别得到不同待测物质不同浓度样本的近红外光谱数据，计算每个样本的平均光谱数据；
(3)二维相关分析：将(2)中每个样本不同浓度的平均光谱数据按行排列组成光谱矩阵，采用希尔伯特矩阵变换，对其进行二维相关处理，得到各样品的近红外二维相关光谱同步谱图，观察同步谱中自相关峰的峰位置、强度和数目，判断各个自相关峰变化的先后顺序，归属物质的近红外共性吸收；
(4)根据各物质的近红外二维相关光谱同步谱，结合基团红外光谱吸收特征，归属各物质产生近红外吸收峰的基团；
(5)根据基团归属结果，分别得出苯丙素类化合物的近红外光谱共同特征波段、生物碱类化合物的近红外光谱共同特征波段及萜类化合物的近红外光谱共同特征波段。
2.根据权利要求1所述的基于近红外二维相关光谱解析苯丙素类、生物碱类或萜类化合物近红外光谱特征波段的方法，其特征在于，步骤(1)中样品的浓度控制在1-8mg/mL范围内。
3.根据权利要求1-2之一所述的基于近红外二维相关光谱解析苯丙素类、生物碱类或萜类化合物近红外光谱特征波段的方法，其特征在于，步骤(1)中使用氘代试剂作为溶剂。
4.根据权利要求1-3之一所述的基于近红外二维相关光谱解析苯丙素类、生物碱类或萜类化合物近红外光谱特征波段的方法，其特征在于，步骤(2)中光谱采集方式为以透射模式采集光谱，以仪器内部的空气为背景，分辨率为0.5nm，扫描范围400～2500nm，扫描次数32次，每个样品平行测定2-4次，取平均光谱。
5.根据权利要求1-4之一所述的基于近红外二维相关光谱解析苯丙素类、生物碱类或萜类化合物近红外光谱特征波段的方法，其特征在于，步骤(3)中所用的近红外二维相关光谱方法是以样品浓度为扰动项。
6.按照权利要求1-5之一所述基于近红外二维相关光谱解析苯丙素类、生物碱类或萜类化合物近红外光谱特征波段的方法，其特征在于，苯丙素类化合物的共同特征波段组合为1390-1465nm、1612-1714nm、1860-1919nm、2023-2190nm和2220-2500nm。
7.按照权利要求1-5之一所述基于近红外二维相关光谱解析苯丙素类、生物碱类或萜类化合物近红外光谱特征波段的方法，其特征在于，生物碱类化合物共同特征波段组合为1380-1428nm,1656-1803nm,1860-1935nm,2090-2500nm。
8.按照权利要求1-5之一所述基于近红外二维相关光谱解析苯丙素类、生物碱类或萜类化合物近红外光谱特征波段的方法，其特征在于，萜类化合物的共同特征波段为1388-1442nm、1676-1761nm、18-1920nm、1990-2145nm和2232-2500nm。
9.近红外二维相关光谱技术以氘代试剂为溶剂，以样品浓度为扰动项，在解析苯丙素类、生物碱类或萜类化合物近红外光谱特征波段中的应用。
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说 明 书
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基于近红外二维相关光谱解析苯丙素类、生物碱类或萜类化
合物近红外光谱特征波段的方法
技术领域
[0001]本发明属于光谱领域，具体涉及一种基于近红外二维相关光谱解析苯丙素类、生物碱类或 萜类化合物近红外光谱特征波段的方法。背景技术
[0002]中药成分微量复杂是其质量控制的难点。苯丙素类化、生物碱类及萜类是中药中常见的 成分类别，涵盖了多数的天然芳香族化合物，具有多方面的药理活性，常常被作为中药质量 控制的评价指标。近红外光谱(Near Infrared Spectroscopy,NIR)技术以其快速、无损、实时 等优势，作为一种过程分析技术，被广泛应用于多个领域，尤其适用于中药这种微量复杂体 系的质量控制。使用近红外分析技术对其进行定量研究的过程中一个关键的过程就是构建定 量模型。然而，采用化学计量学方法建立的NIR模型并不能解释光谱与指标性成分结构之间 的关系,筛选出的变量缺乏对物质本身的解释性。因此，有必要对光谱进行解析，找到与物 质结构最相关的光谱区域，从而使所建立NIR模型更具有针对性和解释性。
[0003]光谱解析对任何一种光谱的应用和发展都是一个必不可少的过程，解析结构-光谱之间的 关系将为近红外光谱法的应用提供理论指导，在建立的样品光谱与分子结构之间的因果关系 时，也可以参考这些特征波段。基于待分析物结构的近红外光谱特征谱带归属可提高对化合 物近红外光谱的解释性和近红外校正模型的预测性，提高对未知化学成分归属的预测能力并 为近红外光谱的应用提供理论依据。二维相关近红外光谱是一种常用的光谱解析方法，指对 待测体系在受外界扰动过程中的NIR信号进行相关性分析，得到光谱的二维尺度信息，提高 重叠NIR信号的分辨能力，得到在一维NIR中无法观察到的信息，从而对光谱进行基于结构 的解析。发明内容
[0004]本发明提供一种基于近红外二维相关光谱解析苯丙素类、生物碱类和萜类化合物近红外 特征波段的方法，其目的是采用近红外二维相关光谱技术，解析苯丙素类化合物、生物碱类 化合物和萜类化合物的近红外特征波段组合，以此更具代表性和解释性的波段组合，实现更 加准确可靠的生物碱类物质近红外定性、定量等分析。[0005]为了实现本发明的上述目的，采用以下技术方案：[0006](1)样品制备：厚朴酚、补骨脂素、异补骨脂素、欧前胡素、异欧前胡素，蛇床子素、 和厚朴酚、丁香酚、桂皮醛、肉桂酸、五味子甲素、五味子乙素、五味子酯甲、槐定碱、苦 参碱、利血平、青藤碱、秋水仙碱、氧化槐果碱、氧化苦参碱、龙脑、薄荷脑、莪术醇、柠 檬苦素、齐墩果酸、青蒿素、去甲斑蝥素、脱水穿心莲内酯和棉酚对照品纯度均大于98％， 精密称取一定质量的以上化合物，分别配置8-12个浓度梯度，浓度在1-8mg/mL范围内的溶 液，作为待测样本；
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(2)近红外光谱的采集：采用近红外光谱仪，分别采集待测物质不同浓度样本的近
红外 光谱，每个样本采集2-4次，分别得到不同待测物质不同浓度样本的近红外光谱数据，计算 每个样本的平均光谱数据；[0008](3)二维相关分析：将(2)中每个样本不同浓度的平均光谱数据按行排列组成光谱矩阵， 采用希尔伯特矩阵变换，对其进行二维相关处理，得到各样品的近红外二维相关光谱同步谱 图，观察同步谱中自相关峰的峰位置、强度和数目，判断各个自相关峰变化的先后顺序，归 属物质的NIR共性吸收；[0009](4)根据各类物质的近红外二维相关光谱同步谱，结合基团红外光谱吸收特征，归属各 类物质产生近红外吸收峰的基团；[0010](5)根据基团归属结果，分别得出苯丙素类化合物的近红外光谱共同特征波段组合、生 物碱类化合物的近红外光谱共同特征波段组合及萜类化合物的近红外光谱共同特征波段组 合，具体如下表所示：
[0011]
近红外光谱技术作为一种过程分析技术，以其快速、无损、绿色环保等优势被广泛应用 于过程质量控制。NIR主要是物质分子的倍频和组合频的吸收，存在吸收强度弱，谱峰重叠 严重的问题。近红外二维相关光谱将光谱在二维尺度上展开，可以分辨出在一维光谱上被掩 盖的小峰和弱峰，具有较高的光谱分辨率；通过对光谱之间的相关性分析，能够详细的研究 不同分子间或者分子内的相互作用；通过对同步相关峰、交叉峰和异步交叉峰的分析，可以 归属光谱与物质基团的关系。与传统的分析方法比较，近红外二维相关光谱凸显了由外界扰 动引起的细微的光谱变化，提高光谱分辨率的特性可以克服NIR难以解析的缺点，对NIR进 行光谱解析，使筛选的波段更具解释性和代表性，从而使得构建的模型更加稳健可靠。
附图说明
[0013]附图1不同苯丙素类物质的同步二维相关光谱[0014]附图2不同苯丙素类物质自相关曲线
[0015]附图3不同生物碱类物质的同步二维相关光谱[0016]附图4不同生物碱类物质自相关曲线[0017]附图5不同萜类物质的同步二维相关光谱[0018]附图6不同萜类物质自相关曲线
具体实施方式
[0019]实施例1：基于近红外二维相关光谱的苯丙素类化合物近红外光谱特征波段的解析
[0020]一种基于近红外二维相关光谱解析苯丙素类化合物近红外光谱特征波段的方法，具体步 骤如下：
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[0012]
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(1)仪器和材料：FOSS RLA全息光栅近红外光谱仪，光谱采集方式：以透射模式采
集 光谱，以仪器内部的空气为背景，分辨率为0.5nm，扫描范围400～2500nm，扫描次数32次， 每个样品平行测定3次，取平均光谱；近红外样品管；移液；容量瓶。厚朴酚、补骨脂素、 异补骨脂素、欧前胡素、异欧前胡素，蛇床子素、和厚朴酚、丁香酚、桂皮醛、肉桂酸、五 味子甲素、五味子乙素、五味子酯甲、槐定碱、苦参碱、利血平、青藤碱、秋水仙碱、氧化 槐果碱、氧化苦参碱、龙脑、薄荷脑、莪术醇、柠檬苦素、齐墩果酸、青蒿素、去甲斑蝥素、 脱水穿心莲内酯、棉酚对照品(纯度均大于98％)，氘代氯仿。[0022](2)样品制备：厚朴酚、补骨脂素、异补骨脂素、欧前胡素、异欧前胡素，蛇床子素、 和厚朴酚、丁香酚、桂皮醛、肉桂酸、五味子甲素、五味子乙素、五味子酯甲对照品纯度均 大于98％，精密称取一定质量的以上化合物，分别配置8-12个浓度梯度，浓度在1-8mg/mL 范围内的溶液(具体如表1所示)，作为待测样本；
[0023]表1苯丙素类化合物近红外二维相关光谱制备
[0024]
[0025]
[0026]
(3)近红外光谱的采集：FOSS RLA全息光栅近红外光谱仪，以透射模式采集光谱，
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以 仪器内部的空气为背景，分辨率为0.5nm，扫描范围400～2500nm，扫描次数32次，分别采 集以上物质不同浓度样本的近红外光谱，每个样本采集3次，取平均光谱。[0027](4)二维相关分析：将(2)中每种物质不同浓度的平均光谱，采用希尔伯特矩阵变换，对 其进行二维相关分析，得到二维同步相关图，观察同步谱中自相关峰的峰位置、强度和数目， 判断各个自相关峰变化的先后顺序，归属物质的NIR共性吸收，各物质的近红外二维相关光 谱如图1所示。进一步，提取对角线上的自相关峰，做每一种物质的同步近红外二维相关光 谱的自相关曲线，如图2所示，自相关峰代表苯丙素类的特征信息。由图2可知，苯丙素类 物质在1390-1465nm、1612-1714nm、1860-1919nm、2023-2190nm和2220-2500nm处有 特征吸收，将这些波段归属为苯丙素类物质在NIR区域共有的特征波段。[0028](5)根据各物质的近红外二维相关光谱同步谱，结合基团红外光谱吸收特征，归属各物 质产生近红外吸收峰的基团，结果如表2所示。[0029]表2苯丙素类化合物的特征吸收带和结构。
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(6)根据基团归属结果，得出生物碱类化合物共同近红外光谱特征波段，具体为
1390-1465 nm、1612-1714nm、1860-1919nm、2023-2190nm和2220-2500nm。
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实施例2：基于近红外二维相关光谱的生物碱类化合物近红外光谱特征波段的解
析
一种基于近红外二维相关光谱解析生物碱类化合物近红外光谱特征波段的方法，
具体步 骤如下：[0038](1)仪器和材料：FOSS RLA全息光栅近红外光谱仪，光谱采集方式：以透射模式采集 光谱，以仪器内部的空气为背景，分辨率为0.5nm，扫描范围400～2500nm，扫描次数32次， 每个样品平行测定3次，取平均光谱；近红外样品管；移液；容量瓶。槐定碱、苦参碱、 利血平、青藤碱、秋水仙碱、氧化槐果碱、氧化苦参碱对照品(纯度均大于98％)，氘代氯仿。[0039](2)样品制备：槐定碱、苦参碱、利血平、青藤碱、秋水仙碱、氧化槐果碱、氧化苦参 碱对照品纯度均大于98％，精密称取一定质量的以上化合物，分别配置8-12个浓度梯度，浓 度在1-8mg/mL范围内的溶液(具体如表3所示)，作为待测样本；[0040]表3生物碱类化合物近红外二维相关光谱样品制备
[0037]
[0041]
(3)近红外光谱的采集：FOSS RLA全息光栅近红外光谱仪，以透射模式采集光谱，
以 仪器内部的空气为背景，分辨率为0.5nm，扫描范围400～2500nm，扫描次数32次，分别采 集以上物质不同浓度样本的近红外光谱，每个样本采集3次，取平均光谱。[0043](4)二维相关分析：将(2)中每种物质不同浓度的平均光谱，采用希尔伯特矩阵变换，对 其进行二维相关分析，得到各个样品的近红外二维相关光谱同步谱图，观察同步谱中自相关 峰的峰位置、强度和数目，判断各个自相关峰变化的先后顺序，归属物质的NIR共性吸收， 各物质的近红外二维相关光谱如图3所示。进一步，提取对角线上的自相关峰，做每一种物 质的同步近红外二维相关光谱的自相关曲线，如图4所示，自相关峰代表生物碱类的特征信 息。由图2可知，生物碱类物质在1380-1428nm,1656-1803nm,1860-1935nm,2090-2500nm 处有特征吸收，将这些波段归属为生物碱类物质在NIR区域共有的特征波段。[0044](5)根据各物质的近红外二维相关光谱同步谱，结合文献，归属各物质产生近红外吸收 峰的基团，结果如表4所示。
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表4生物碱类化合物的特征吸收带和结构。
[0046]
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(6)根据基团归属结果，得出生物碱类化合物共同近红外光谱特征波段，具体为
1380-1428 nm,1656-1803nm,1860-1935nm和2090-2500nm。[0049]实施例3：基于近红外二维相关光谱的萜类化合物近红外光谱特征波段的解析[0050]一种基于近红外二维相关光谱解析萜类化合物近红外光谱特征波段的方法，具体步骤如 下：[0051](1)仪器和材料：FOSS RLA全息光栅近红外光谱仪，光谱采集方式：以透射模式采集 光谱，以仪器内部的空气为背景，分辨率为0.5nm，扫描范围400～2500nm，扫描次数32次， 每个样品平行测定3次，取平均光谱；近红外样品管；移液；容量瓶。槐定碱、苦参碱、 利血平、青藤碱、秋水仙碱、氧化槐果碱、氧化苦参碱对照品(纯度均大于98％)，氘代氯仿。[0052](2)样品制备：龙脑、薄荷脑、莪术醇、柠檬苦素、齐墩果酸、青蒿素、去甲斑蝥素、 脱水穿心莲内酯和棉酚对照品纯度均大于98％，精密称取一定质量的以上化合物，分别配置 8-12个浓度梯度，浓度在1-8mg/mL范围内的溶液(如表5所示)，作为待测样本；[0053]表5萜类化合物近红外二维相关光谱样品制备
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(3)近红外光谱的采集：FOSS RLA全息光栅近红外光谱仪，以透射模式采集光谱，
以 仪器内部的空气为背景，分辨率为0.5nm，扫描范围400～2500nm，扫描次数32次，分别采 集以上物质不同浓度样本的近红外光谱，每个样本采集3次，取平均光谱。[0056](4)二维相关分析：将(2)中每种物质不同浓度的平均光谱，采用希尔伯特矩阵变换，对 其进行二维相关分析，得到二维同步相关图，观察同步谱中自相关峰的峰位置、强度和数目， 判断各个自相关峰变化的先后顺序，归属物质的NIR共性吸收，各物质的近红外二维相关光 谱如图5所示。进一步，提取对角线上的自相关峰，做每一种物质的同步近红外二维相关光 谱的自相关曲线，如图6所示，自相关峰代表萜类的特征信息。由图2可知，萜类物质在 1388-1442nm、1676-1761nm、18-1920nm、1990-2145nm以及2232-2500nm处有特征吸 收，将这些波段归属为萜类物质在NIR区域共有的特征波段。[0057](5)根据各物质的近红外二维相关光谱同步谱，结合文献，归属各物质产生近红外吸收 峰的基团，结果如表6所示。
[0058]表6萜类化合物的特征吸收带和结构。
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(6)根据基团归属结果，得出萜类化合物共同近红外光谱特征波段，具体为1388-1442nm、 1676-1761nm、18-1920nm、1990-2145nm和2232-2500nm。
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