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【技术应用】主成分结合聚类分析对不同产地黄芪的快速鉴别

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黄芪为豆科黄芪属植物。具有健脾补中,益卫固表,利尿,托毒生肌的功效。主治脾气虚证,气虚自汗证,气血亏虚,溃久难敛等。 黄芪的主要产地分布于山西、内蒙古、东北和甘肃等地。黄芪的品质好坏与品种、产地和微量元素的含量多少以及其内部元素组分的构成有一定的关系。山西的黄芪比较绵软,东北的黄芪比较粗壮,内蒙古的黄芪品质较好。

 传统黄芪的鉴定方法多靠人工筛选和有机成分的测定。现在我们还可以利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对黄芪进行内部元素信息和组分进行测定,以达到不同产地,不同品种黄芪的快速鉴定和品种鉴别等。

 近年来激光诱导击穿光谱(LIBS)技术作为一种新兴的元素检测和分析技术已经广泛的应用于生态样品测量、种质资源鉴定、珠宝、地质及工业等诸多领域。当激光作用于样品表面时,在极短的时间内诱导产生含有样品物质信息的等离子体。通过对等离子体发出的光谱进行收集分析,建立光谱与元素一一对应的关系。由此可以检测出元素周期表中的大部分元素,检测限可达ppm级。通过标准物质定标后可以进一步得到元素的含量信息。

 取内蒙古、山西、甘肃和东北的黄芪样品进行实验,样品无需前处理。实验时为了得到更好的信号,我们采用0.4μs为延迟时间,100%能量输出,光斑100μm,10次脉冲的信号累加。元素的光谱信息如下图所示,主要组成元素信息明显,识别率较高。



    为了进行分类实验,我们在样品上选取实验区域后,取4x4格点进行实验,100%能量输出,光斑100μm,10次脉冲的信号累加。通过系统内置的PCA主成分分析模型我们能够快速得到黄芪样品的分类信息,如上图所示。可以看出,不同产地的黄芪组分有一定的差异,其中内蒙古黄芪与东北黄芪,以及山西和甘肃黄芪均有一定的差异。山西和甘肃黄芪组分信息较接近,性状也较类似。


     在此基础上我们同时通过系统内置的HCA聚类分类模型进一步进行了分类分析,如上图所示。结论与上述PCA分析模型分析的结果一致。通过第三方模型的验证,分类结果的区分度可达100%。通过扫描法测得的黄芪水溶性浸出物含量、醇溶性浸出物的含量、总黄酮含量和总皂苷的含量关系为内蒙古>山西>甘肃>东北。这与我们分类实验的结果结合可以建立黄芪样品分类与黄芪质量的关联关系,我们的分类图谱也是内蒙古>山西>甘肃>东北。由此,针对黄芪除了传统的鉴定方法,我们还可以结合多元素和多组分的评价指标,更科学、更全面、更快速地评价黄芪分类和品质质量。

 实验装置我们采用EcoChem 激光光谱元素分析系统,该系统采用LIBS技术。激光能量200mJ@1064nm,能量输出0-100%可调;重现率20Hz;光斑大小20-200μm连续可调;检测器谱宽190-1040nm;三维全自动工作台;样品室可通入氦气或氩气。

通过实验,我们将不同产地的黄芪进行了元素识别分析及快速分类,为黄芪的真伪鉴别、分级分类以及品质优劣评价建立了新的方法。激光诱导击穿光谱技术作为一种新兴的、快速的、微损的微区化学分析技术,有着传统仪器所不具备的更多功能。随着这一技术的发展,它必将在中药材元素分析领域发挥越来越重要的作用。


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