一種基于化學(xué)模式識別和近紅外光譜的相似藥材鑒別方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種近紅外光譜對相似藥材進(jìn)行分類的方法。具體為先收集一定數(shù)目的相似藥材作為建模樣品，對中藥材粉碎后測試近紅外光譜。然后試用不同的化學(xué)模式識別方法對樣品的分類能力，包括系統(tǒng)聚類分析，最小二乘-判別分析和支持向量機(jī)方法。結(jié)果表明，支持向量機(jī)和最小二乘法都可以達(dá)到100％的預(yù)測正確率。這種方法不損壞藥品，也不會對環(huán)境造成污染，是一種環(huán)境友好型的方法。因此，近紅外光譜結(jié)合適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)模式識別的方法能夠?qū)崿F(xiàn)相似中藥材的快速，準(zhǔn)確，無損鑒別。
【專利說明】一種基于化學(xué)模式識別和近紅外光譜的相似藥材鑒別方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于分析化學(xué)領(lǐng)域的無損分析技術(shù)，涉及近紅外光譜的分析方法和化學(xué)模式識別方法。

【背景技術(shù)】
[0002]中藥在中國有著悠久的歷史，它蘊含著中國幾千年的文化。近年來，中藥的發(fā)展逐漸得到人們的重視，利用中藥的調(diào)理，我們能夠解決一些西藥不能解決的問題，另外，中藥對人們的身體傷害也比較小。但是，一些不法商人為了獲取利益，利用藥材的相似性對一些名貴藥材進(jìn)行處理，使得藥材的藥效下降，而且可能會對人們的身體產(chǎn)生不利的影響，最終對消費者造成損失。因此，相似中藥的鑒別方法是我國中醫(yī)藥行業(yè)急需解決的問題。人們經(jīng)常通過眼睛識別的方法采集藥材，這對大部分藥材確實適用。但是中藥藥材種類繁多，而且有些藥材的外觀極其相似，用肉眼根本無法鑒別。近年來，多種現(xiàn)代儀器分析方法被用于中藥鑒定,例如,近紅外光譜、拉曼光譜及成像、核磁共振成像和超聲波成像等技術(shù)。
[0003]近年來發(fā)展起來的近紅外光譜技術(shù)，它具有快速、準(zhǔn)確、無損、以及信息量豐富等特點，逐漸取代了一些傳統(tǒng)的中藥分析方法，在中藥的研究中取得了舉足輕重的作用。但是由于近紅外光譜區(qū)信號較弱，重疊嚴(yán)重，使得我們在使用近紅外光譜時，必須得借助化學(xué)計量學(xué)才可以對中藥等復(fù)雜體系進(jìn)行定性定量分析。
[0004]化學(xué)模式識別是利用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、信號處理等工具，從化學(xué)量測數(shù)據(jù)推理出物質(zhì)類的本質(zhì)屬性，進(jìn)而對物質(zhì)進(jìn)行識別和歸類的一門技術(shù)。該方法作為化學(xué)計量學(xué)的一個重要研究內(nèi)容，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品分析、石油等領(lǐng)域，在原料產(chǎn)地、真假鑒別，產(chǎn)品質(zhì)量控制與分析，品質(zhì)鑒定等方面發(fā)揮了重要的作用?；瘜W(xué)模式識別方法包括有監(jiān)督的模式識別方法和無監(jiān)督的模式識別方法，前者主要有主成分分析、系統(tǒng)聚類分析，后者主要有偏最小二乘-判別、支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。將化學(xué)模式識別方法引入到相似中藥材的分類中，將有望實現(xiàn)相似藥材的快速準(zhǔn)確分類。
[0005]綜上，對相似中藥材進(jìn)行鑒別，以防以次充好，甚至摻假是目前亟待解決的問題。本實驗通過近紅外光譜結(jié)合化學(xué)模式識別的分析方法，從而實現(xiàn)對相似藥品的鑒別。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對上述存在的問題，提供一種快速，準(zhǔn)確，無損等的鑒定中藥材相似的方法。
[0007]為實現(xiàn)本發(fā)明所提供的技術(shù)方案包括以下步驟:
[0008]I)樣品收集:以幾種外觀極為相似的中藥材為研究對象，收集來自不同廠家的多個樣本，將固體藥材粉碎，過篩，編號。
[0009]2)近紅外光譜數(shù)據(jù)采集:確定近紅外光譜測試的參數(shù)，選取合適目數(shù)的藥材粉末樣品采集近紅外漫反射光譜信號。
[0010]3)化學(xué)模式識別方法建模:使用化學(xué)模式識別方法對相似藥材進(jìn)行分類鑒別。分別嘗試無監(jiān)督的系統(tǒng)聚類方法，有監(jiān)督的線性分類方法偏最小二乘-判別分析以及非線性分類方法支持向量回歸。系統(tǒng)聚類分析方法采用系統(tǒng)聚類樹來顯示聚類結(jié)果。偏最小二乘-判別分析和支持向量機(jī)首先需要把樣品分成訓(xùn)練集和預(yù)測集，分類效果通過預(yù)測集預(yù)測正確率(suc-pred)來判斷。偏最小二乘-判別分析需要確定因子數(shù)參數(shù)。
[0011]4)根據(jù)每種方法的分類效果，選出最好的分類方法對該相似藥材進(jìn)行建模，預(yù)測。
[0012]本發(fā)明中采用近紅外的方法對樣品進(jìn)行測試，樣品無需分離提取等繁瑣的預(yù)處理步驟，不僅不會破壞樣品，而且測試速度非?？?。將測得的光譜數(shù)據(jù)保存在計算機(jī)上，利用已經(jīng)編好的程序進(jìn)行計算處理，不僅計算速度很快，而且實現(xiàn)了聚類的自動化，不需要再對實驗進(jìn)行人工比對。因此，本發(fā)明提供的是一種快速、準(zhǔn)確、無損等的鑒定相似中藥的方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1:白芍、白芷、葛根、茯苓、丹皮五種中藥50個樣品的近紅外光譜圖
[0014]圖2:50個中藥樣品的系統(tǒng)聚類結(jié)果圖具體實施例
[0015]為更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但是本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實施例表示的范圍。
[0016]實施例:
[0017]I)樣品收集:收集白芍、白芷、葛根、茯苓、丹皮五種相似藥材的樣品，每種藥材分別從五個不同藥店購買(天津福元生大藥房、天津津永新大藥房、天津同佰堂藥店、天津順時德大藥房、天津世紀(jì)三潭藥房)，每個藥店的同一種藥材分成兩份，總共收集到五種相似藥材共50份樣品。將50份樣品粉碎，依次過60目篩、120目篩，保留60-120目之間，即粒徑范圍0.118?0.1154mm的樣品，依次裝入帶有編號的塑料瓶里。
[0018]2)近紅外光譜數(shù)據(jù)采集:將樣品放入石英瓶中至瓶高度的一半左右，上下振蕩石英瓶25次，使用積分球漫反射附件采集樣品的近紅外光譜。采集光譜范圍4000?lOOOOcnT1，掃描次數(shù)64次，分辨率ScnT1，每個樣品采集3張光譜，取其平均光譜用于數(shù)據(jù)處理。圖1為50個中藥樣品的近紅外光譜圖。從圖中可以看出，中藥近紅外樣本的光譜圖譜峰不明顯，背景大，光譜重疊在一起，無法通過光譜本身直接對五種中藥進(jìn)行區(qū)分。
[0019]3)化學(xué)模式識別方法建模:
[0020]①系統(tǒng)聚類分析建模:首先采用主成分分析對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，通過參數(shù)優(yōu)化，類內(nèi)距離采用歐式聚類，類間距離采用平均距離，對50個樣品的近紅外光譜進(jìn)行聚類分析，聚類結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，第一類(白芍)和第四類(茯苓)藥材可以較好得與其它藥材區(qū)分開，但是第二(白芷)、三(葛根)、五類(丹皮)藥材不能通過系統(tǒng)聚類分析區(qū)分開。
[0021]②偏最小二乘判別方法建模:采用KS分組方法，從50個樣品中取出27個樣品進(jìn)行建模，剩余13個樣品進(jìn)行預(yù)測。確定預(yù)測結(jié)果正確率隨因子數(shù)的變化，確定偏最小二乘-判別分析的因子數(shù)為9。結(jié)果顯示用偏最小二乘-判別方法進(jìn)行分析的預(yù)測結(jié)果正確率為100%。
[0022]③支持向量機(jī)建模:采用KS分組方法，從50個樣品中取出27個樣品進(jìn)行建模，剩余13個樣品進(jìn)行預(yù)測。采用線性核函數(shù)建立支持向量機(jī)模型，結(jié)果顯示采用10個支持向量時，對預(yù)測集可以達(dá)到100 %的預(yù)測正確率。
[0023]4)通過上述建模方法的比較，采用無監(jiān)督的系統(tǒng)聚類方法無法完全正確區(qū)分五種中藥材，而采用有監(jiān)督的偏最小二乘-判別分析或者支持向量機(jī)時，都可以達(dá)到100%的預(yù)測正確率。因此，近紅外光譜結(jié)合偏最小二乘-判別分析或者支持向量機(jī)都可以對相似中藥進(jìn)行分類。
【權(quán)利要求】
1.一種快速、準(zhǔn)確、無損、無污染的相似藥材的鑒別，其特征在于:它是采用近紅外光譜測量樣品的紅外光譜信號，之后用化學(xué)模式識別方法進(jìn)行相似鑒別。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速、準(zhǔn)確、無損的相似藥材的鑒別，其特征在于:先收集一定數(shù)目的樣品用于建模，之后再采用系統(tǒng)聚類分析，支持向量機(jī)，最小二乘法-判別法進(jìn)行分析，通過實驗結(jié)果確定一種適合該體系的最好的建模方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相似藥材的快速，準(zhǔn)確，無損的鑒別方法，其特征在于:對藥品的種類數(shù)沒有限制，不論是兩種還是兩種以上均可進(jìn)行鑒別。
【文檔編號】G01N21/3563GK104345045SQ201410616144
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月4日
【發(fā)明者】卞希慧, 李露露, 陳嬌嬌, 普婭, 郭玉高 申請人:天津工業(yè)大學(xué)