光谱成像检测法鉴别中药材_林富斌

第31卷第2期应用光学Vol.31No.2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2010年3月JournalofAppliedOpticsMar.2010文章编号:1002-2082(2010)02-0277-05

光谱成像检测法鉴别中药材

林富斌,庞其昌,马　骥,赵　静,李子雷,张万祥

(1.暨南大学广东省高等学校光电信息与传感技术重点实验室,广东广州510630;

2.南方医科大学中医药学院,广东广州510515;

3.华南农业大学应用物理系,广东广州510640)1121,311

摘　要:使用基于液晶可调谐滤光器的光谱成像检测系统,对西洋参及市面上常用做假冒西洋参的伪品桔梗进行了在体检测。该系统能对检品进行连续光谱成像,光谱分辨率可达0.5nm,配合使用Matlab软件对图像信号进行处理和分析。获取了400nm～680nm之间的连续荧光光谱图像,通过对比西洋参、桔梗的特征光谱曲线,及进行相关系数的计算,有效地区分了西洋参及桔梗。为西洋参的真伪鉴别提供了一定的帮助。

关键词:光谱成像;西洋参鉴别;特征光谱;相关系数

中图分类号:TN911.73;O433　　　　　　文献标志码:A

IdentificationofherbalmedicinesbasedonspectralimagingdetectionLINFu-bin1,PANGQi-chang1,MAJi2,ZHAOJing1,3,LIZi-lei1,ZHANGWan-xiang1

(1.KeyLaboratoryofOptoelectronicInformationandSensingTechnologies,

JinanUniversity,Guangzhou510630,China;2.CollegeofTraditionalChineseMedicine,

3.DepartmentofAppliedPhysics,SouthernMedicalUniversity,Guangzhou510515,China;

SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510640,China)

Abstract:Thispaperintroducedaspectralimagingdetectionsystemwhichisbasedonaliquidcrystaltunablefilter.Thesystemcangetthesamples’spectralimagecontinuously.Itsspectralresolutionisupto0.5nm.WeprocessedandanalyzedtheimagewithMatlabsoftware.ThesystemwasusedtocarryoutinvivotestofPanacisquinquefoliianditspseudoproductsPlatycodi.Weobtainedthefluorescencespectraimagebetween400nm～680nm.Bycomparingtheircharacteristicspectralcurveandcalculatingthecorrelationcoefficient,wecoulddifferentiatetheAmericanginsenganditscounterfeiteffectively.ItprovidesamethodforidentifyingtheauthenticityofPanacisquinquefolii.

Keywords:spectralimaging;identificationofPanacisquinquefolii;characteristicspectralcurve;correlationcoefficient

引言

光谱成像技术是一种图谱合一的技术,目前在

遥测遥感、生物与化学分析[1]、医学诊断[2]、刑事侦

查技术以及军事等方面已得到了应用。光谱成

像技术不但能绘制光谱曲线,而且可记录图像中每[3][4]个像素的光谱信息。因此,光谱成像技术是光谱分析与图像分析的有机结合,在信息提取技术方面比起一般光谱仪有很大的优势。另一方面,一般的光谱分析仪器收集的是试样的统计平均信息,对试样的均匀性要求较高,当试样是液体或气体时,试样收稿日期:2009-10-26　修回日期:2009-11-27

基金项目:国家自然科学基金(60908038))男,,E-:ic

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的非均匀性对检查结果的影响不大,但当试样是固体时,试样的空间非均匀性可能导致检测结果出现严重的偏差或丧失大量有用信息。要解决这些问题,最自然的办法便是光谱成像技术了。比如,该技术在中药材的检测领域,了解活性成份空间位置分布对于药物的设计具有重要意义。

目前,国内对中药材常用的研究分析方法以色谱法和光谱法为主[5-6],而使用光谱成像技术对中药材的检测与鉴别还未见报道。由于色谱法与光谱法均需将样品经粉碎、萃取、过滤、蒸干等操作,因而存在耗时长、成本高、程序复杂,测试过的样品因化学污染而无法重新使用等缺点。本文采用的荧光光谱检测系统直接用药材饮片进行检测,无需复杂的化学处理过程,简便、快捷、无损,从拍摄到结果显示,仅需数十分钟。

本文以西洋参与桔梗为例。西洋参市场需求大,价格昂贵,不法商人常用桔梗的植物根加工后假冒西洋参,欺骗消费者[7]。由于桔梗和西洋参的饮片外形相似,均呈纺锤形、圆锥形或圆柱形,颜色均为淡黄色或黄白色[5],用肉眼难以区分,往往容易使消费者上当受骗。使用光谱成像检查法,获取其光谱特征曲线,通过计算相关系数的差异,从而鉴别出西洋参与桔梗。实验表明,该方法简单、易行、有效。

EF-180C带滤色片单波长紫外线灯,发射波长为254nm。单色器采用美国CRI公司的VariSpec多光谱液晶可调滤光片(LCTF),置于样品与检测系统之间,筛选出特定波长的光信号。LCTF波长范围选取400nm～680nm,响应时间为50ms,接受半角宽度为7.5°。检测系统包括镜头、黑白工业摄像机、图像采集卡。最后由计算机进行图像信息的处理。

检测的基本原理为:中药材样品在吸收紫外光能后,发出荧光,不同药材发出的荧光不同,但一般每种药材发出的荧光都含多种波长,是宽谱光,经LCTF后被分作若干个窄带光谱,由摄像机获取单波长下的光谱图像。光谱进入CMOS转换为电信号,经图像采集卡并保存在计算机中。LCTF以5nm的间隔进行波长扫描,配合摄像机的同步拍摄,连续采集光谱图像,最后得到一组由57幅图像组成的光谱立方体,其原理如图2所示。在计算机中,利用Matlab软件进行图像信息的处理,获取光谱曲线等我们所需的信息。

1　光谱成像实验

1.1　系统组成及原理

光谱成像检测系统如图1

所示。

图2　光谱成像示意图

Fig.2　Schematicdiagramofspectralimaging

由于拍摄是在可见光波段进行的,而样品的荧光非常微弱,背景光会带来很大的干扰。因此,整个图像的采集过程始终在一个密闭的暗室里进行,以最大程度地减少背景噪声。

整套系统简单、稳定,无需机械扫描装置。实验前对该检测系统进行光谱稳定性测试,检测已定标的低压汞灯的可见光谱和氦氖激光器的光谱,连续测试10次,测试结果与标称值之差均小于0.3nm,标准差为0.27nm,说明该系统是比较稳

图1　光谱成像系统装置框图

Fig.1　Blockdiagramofthespectralimagingsystem

[8]

定的,能够满足实验要求。1.2　分析方法

在获取了光谱照片之后,我们要得到的是以波长为横坐标,荧光强度为纵坐标的光谱曲线。因此,该检测系统由4部分组成:激发光源、单色器、检测系统和图像处理系统。

(

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置,不可避免会存在随机噪声。所以,必须首先对每一幅图像都进行去噪处理。这里,我们用点检测的方法,将某1个像素点与它四周8个像素点的灰度值差异较大的点视为噪点,并将它去掉。然后,在非零灰度的检测区域作灰度平均,作为该对应波长上的荧光强度值。每份样品均检测5次,得到5条曲线,最后再取平均值。

对于获取的光谱曲线,分别与标准品的光谱曲线进行相关系数的计算,本文所介绍的系统用于中药材的鉴别,光谱曲线的相关程度是判定的重要标准,相关系数的计算表达式为

n

出现波谷。图4为西洋参标准品的一阶导数光谱图,一阶导数光谱的零点对应原始光谱的极值。导数光谱峰形锐,提高了光谱分辨率。

R=

∑(X

i=1ni=1

i

--X)(Yi--Y)

n

(1)

图3　西洋参特征光谱曲线图

Fig.3　Characteristicspectralcurvesof

Panaxquinquefolii

-2-2

∑(Xi-X)∑(Yi-Y)

式中:-X是样品荧光亮度的期望值;-Y是西洋参标准品荧光亮度的期望值;Xi为样品各波长点上的荧光亮度值;Yi为西洋参标准品各波长点上的荧光亮度值。

对于一些亲缘关系较近的中药材,由于成分相差不大,常出现光谱曲线相似或相近的现象,难以鉴别。导数光谱法可以解决峰位重叠的问题,此法是将荧光强度对波长求导数,将导数值对波长作图,即得导数光谱图。进行导数处理可以提高光谱分辨率,对于较难区别的中药材样品,采用导数光谱法可排除原图谱中某些干扰,从而达到较好的鉴别效果。同样,对样品的导数光谱也分别与西洋参对照品的导数光谱曲线进行相关系数的计算。

本文以鉴别西洋参为例,西洋参对照品(批号:120997-200608)由中国药品生物制品检定所提供。首先获取西洋参对照品的特征曲线,并以此为参照的标准。另外,取8份样品(其中包括西洋参正品及伪品桔梗),其来源及采集时间如表1所示,分别获取其光谱曲线,然后与对照品进行相关系数的计算。对样品和标准品求一阶导数光谱,再进行相关系数的计算,从而判别真假西洋参。

i=1

图4　西洋参的一阶导数光谱图

Fig.4　Firstorderderivativespectralcurves

ofPanaxquinquefolii

8种不同市售来源的被检样品的特征光谱曲线如图5所示。其中红色加粗曲线为西洋参标准品的特征光谱。从波形的对比上看,西洋参正品的光

2　结果与分析

2.1　指纹图谱辨析

图3为西洋参标准品连续拍摄5次后经拟合的荧光光谱曲线。从图中可看到,谱线在495nm和

图5　8种样品与西洋参标准品的特征光谱曲线图　Fig.5　Characteristicsspectralcurveof11kinds

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谱曲线与标准品的光谱曲线峰形相似,均具有双波峰的的峰形,而桔梗的特征光谱曲线与西洋参已有较明显区别。

2.2　相关系数计算

为进一步鉴别样品,我们归一化各样品的特征光谱曲线,并分别与西洋参标准品作相关系数的计算。表1为各样品原始光谱和一阶导数光谱与西洋参标准品的原始光谱和一阶导数光谱的相关系数计算结果。

表1　各样品与西洋参标准品的相关系数计算结果Table1　Correlationcoefficientofeachsample

andthePanaxquinquefolii

样品西洋参??西洋参??西洋参??西洋参??西洋参??桔梗??桔梗??桔梗??

样品与标准品原始

光谱的相关系数

0.96450.97250.95870.98520.91930.74610.69840.7693

一阶导数光谱的相关系数0.71050.81920.85980.93500.73750.38690.29930.4613

3)光谱成像检测法克服了化学方法耗时长、成本高、程序复杂及测试过的样品因化学污染而无法重新使用等缺点,直接用药材饮片进行在体检测,简便、快捷、无损。由于多数中药的荧光组分都可在不经分离的情况下直接进行测定,因此该方法对中药的真伪鉴别和定性鉴定能提供一定的帮助。此外,该方法也可用于中药材等级的评定以及基源相近的中药材分类等方面的检测。

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品的原始光谱相关系数均大于0.91,一阶导数光谱相关系数均大于0.71。而桔梗药材样品与西洋参标准品的原始光谱相关系数均小于0.76,一阶导数的光谱相关系数刚均小于0.46,由此表中的数据显示为依据,很好地区分了西洋参与桔梗。

3　结论

1)本实验建立了光谱成像检测技术的西洋参图谱鉴别方法。该方法获取了西洋参的特征光谱与一阶导数光谱,具有良好的系统稳定性。选取了一批西洋参药材的正品与伪品,将它们的指纹图谱与西洋参标准品的指纹图谱作比较,判断峰形的相似关系,从而鉴别出西洋参的正品与伪品。

2)西洋参的特征光谱在495nm和530nm处有2个较明显的荧光波峰,在505nm处出现波谷,具有双波峰特征。而伪品桔梗的特征光谱不具此特点。在谱线的相似度方面,西洋参正品与标准品的荧光光谱曲线相关系数均大于0.91,一阶导数光谱相关系数均大于0.71,而伪品桔梗与西洋参标准品的原始光谱相关系数均小于0.76,一阶导数的光谱相关系数刚均小于0.46。对于未知检品,配合计算

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