月季花的二維相關紅外光譜研究

摘要：利用傅里葉紅外光譜（FTIR）技術、化學計量學（主成分分析、聚類分析）結合二維相關紅外光譜對不同品種月季花進行鑒別分析。不同品種的月季花瓣的紅外光譜整體相似，主要由脂類、苷類及多糖類化合物的振動吸收組成。二階導數光譜在1 800～700 cm-1區域有較大差異，選取該范圍二階導數光譜用SPSS軟件實現主成分分析（PCA）以及系統聚類分析（HCA）。主成分分析中，前3個主成分占總方差的獻率為97.40%；系統聚類分析中，每一種月季花各自聚為一類，準確率達到100%。在二維相關光譜中，在1 330～1 700 cm-1和950～1 300 cm-1范圍內，不同品種月季花的自動峰、交叉峰的強度和位置具有顯著的差異。結果表明，應用傅里葉紅外光譜技術、化學計量學及二維相關紅外光譜技術可以快速有效的區分不同品種的月季。

關鍵詞：傅里葉紅外光譜；月季花（Rosa chinensis Jacq.）；聚類分析；主成分分析；二維相關紅外光譜

中圖分類號：O657.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）19-4995-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.19.024

Discrimination of Chinese Rose by Two-Dimensional Correlation Infrared Spectroscopy

YU Hai-chao，LIU Gang，OU Quan-hong，MA Dian-xu，LI Hui-mei

（School of Physics and Electronic Information， Yunnan Normal University，Kunming 650500，China）

Abstract：Fourier transform infrared（FTIR） spectroscopy，two-dimensional correlation infrared spectroscopy and chemometrics（principal component analysis，hierarchical cluster analysis） was applied to identify Chinese rose.Different varieties of infrared spectroscopy as a whole rose broadly similar，mainly made up of lipids and vibration absorbing compounds composed of polysaccharides. Chinese rose second derivative spectra are quite different in 1 800～700 cm-1 area，select the second derivative spectra of 1 800～700 cm-1 in the region as a major research area combining SPSS software principal component analysis（PCA） and hierarchical cluster analysis（HCA），The classification accuracy of PCA and HCA were 97.40% and 100% respectively.Two-dimensional correlation infrared spectroscopy technology was applied to study Chinese rose. The significant differences in the position，intensity of auto-peaks and cross peaks were observed in the range of 1 330～1 700 cm-1 and 950～1 300 cm-1. It is demonstrated that Fourier transform infrared spectroscopy，two-dimensional correlation infrared spectroscopy and chemometrics is a rapid and effective method for discriminating Chinese rose.

Key words： FTIR； Chinese rose； principal component analysis； hierarchical Cluster analysis； two-dimensional correlation infrared spectroscopy

月季花（Rosa chinensis Jacq.），屬薔薇科（Rosaceae），被子門植物，素有“花中皇后”的美稱，廣泛用于園藝美化。花色有朱紅、大紅、鮮紅、粉紅、金黃、橙黃、復色、潔白等八大色系。月季花具有很高的觀賞價值，劉林幸[1]對月季花在園林中的應用作了研究；孟小華等[2]對薔薇科植物的實名辨析以及在園林中的應用作了研究，月季應用于園林綠化，給人以賞心悅目的視覺享受。月季花瓣和根均可入藥，可以治療創傷性病痛、筋骨疼痛、跌打損傷以及傷腰膝腫痛。迄今，已對月季的化學成分進行了研究，王蕾等[3]對月季花的抗氧化活性及主要成分作了研究，其萃取液表現出了良好的抗氧化活性功效，而且不同月季花的抗氧化活性具有顯著差異；張沛等[4]采用色譜分離技術對月季花化學成分進行了研究，表明了月季花中含有脂類、糖類等化合物；王浩江等[5]利用比色法對月季花中的黃酮含量進行了測定。目前紅外光譜技術已用于植物的分類鑒別研究，如邱璐等[6]已用傅里葉紅外光譜技術結合主成分分析將薔薇科植物的親緣關系進行了研究。

二維相關紅外光譜引入了外界微擾，將光譜信號擴展到第二維上以提高光譜分辨率，已應用于植物種類鑒別，如Choong等[7]用傅里葉紅外光譜和二維相關紅外光譜對靈芝做了檢驗；馬芳等[8]采用二維相關紅外光譜對不同產地茯苓皮進行了研究；周志琴等[9]用二維相關紅外光譜檢測食用植物油品質。

紅外光譜（傅里葉紅外光譜、二維相關紅外光譜）技術結合化學計量學分析鑒定月季花品種的報道極少。蔡芳等[10]曾用紅外光譜法對藥用玫瑰的真偽進行辨別研究。本研究用紅外光譜技術、化學計量學分析及二維相關紅外光譜對不同種類的月季花進行了鑒別研究。

1 材料與方法

1.1 儀器設備

試驗所用光譜儀為美國PerkinElmer公司生產的Frontier型傅里葉變換紅外光譜儀，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數為16次；變溫附件為EUROTHERM 3216型溫控儀，測試溫度范圍50～120 ℃。

1.2 試驗材料

所測試花瓣樣品于2015年3月采自昆明市斗南花卉基地，見表1。將樣品風干，取干燥花瓣樣品放入瑪瑙研缽中研磨，加入溴化鉀攪磨均勻，壓片測紅外光譜。

1.3 光譜預處理及數據分析

所得到光譜均扣除背景，光譜處理使用OMNIC 8.0，進行基線校正、5點平滑處理、縱坐標歸一化處理；利用Origin 8.5軟件進行原始、二階導數光譜數據處理；運用SPSS軟件處理實現化學計量學分析，包括主成分分析（PCA）和系統聚類分析（HCA）；并采用清華大學分析中心編制的二維相關軟件進行二維相關光譜處理。

2 結果與分析

2.1 月季花的紅外光譜分析

圖1為六種月季花的原始光譜圖。圖譜的形狀大致相似，3 400 cm-1附近出現一個較寬的吸收峰，主要為羥基和氨基伸縮振動吸收；2 928 cm-1為亞甲基C-H的反對稱振動；1 731 cm-1附近的吸收峰歸屬為脂類中C=O伸縮振動[11]；1 700～1 600 cm-1范圍主要為蛋白質酰胺I帶C=O伸縮振動及芳香環骨架吸收振動的疊加區[12]；1 625 cm-1附近的吸收峰表明黃酮及苷類化合物的存在[13]；1 511 cm-1附近的峰為芳香環骨架的振動吸收；1 500～1 200 cm-1區域表現為蛋白質、木質素、脂肪酸和多糖的混合振動吸收區；1 446 cm-1附近的吸收峰為花色苷類物質中CH3基團不對稱變形振動以及氨基酸等化合物中的N-H變形振動的疊加峰[14，15]；1 440～1 400 cm-1范圍為蛋白質、纖維素中甲基和亞甲基對稱彎曲振動及CH3剪式振動的吸收區[16]；1 247 cm-1附近是木質素中苯羥基和羥酸類中C-O鍵的吸收振動疊加峰[17]；1 200～950 cm-1范圍內主要是多糖的吸收區；900～760 cm-1主要為糖類的吸收區[18]。綜上所述，月季花花瓣光譜主要由脂類、苷類、多糖及黃酮類化合物的吸收帶組成。

2.2 二階導數分析

一些重疊在一起的吸收峰在二階導數譜上可以被清晰地劃分開，便于分析。圖2是6種月季花二階導數紅外光譜圖，從圖中可以看出，在1 700、1 667、1 636 cm-1附近，c中出現較強的吸收峰，而其他的月季花吸收峰較弱；1 184 cm-1附近，b、f出現較弱的吸收峰，a、c、d、e未出現吸收峰；在1 052 cm-1附近，a、b、f有吸收峰的出現，c、d、e未出現吸收峰；在1 040 cm-1附近，b、f有較弱的吸收峰，其余的吸收峰較強；在834、760 cm-1附近，c有較強的吸收峰，其余的較弱，表明糖的含量有差異。從吸收峰的強弱來看，不同品種的月季花樣品中脂類、苷類、黃酮、糖等的含量有差異。

2.3 主成分分析

對6種月季花1 800～700 cm-1范圍的二階導數光譜做主成分分析。得到6種月季花的三維立體主成分得分圖，如圖3：其中PC1占總方差的貢獻率為88.17%，PC2占總方差的貢獻率為7.14%，PC3占總方差的貢獻率為2.08%，前3個主成分的累計貢獻率達到97.40%，涵蓋了樣品中的大部分信息。在圖3中，橫、縱、豎坐標分別表示3個主成分得分值，從圖中可以看出，大桃紅、粉玫瑰、黑玫瑰等玫瑰各自聚為一類，粉玫瑰分布和其他的玫瑰相比有點分散，但是每一個品種各自都聚到一起，整體效果比較好，分類正確率達100%。以上說明前3個主成分對6種不同品種月季花有較好的分類作用。

2.4 系統聚類分析

聚類分析是對研究對象進行分類的一種方法，利用距離表示樣本之間的相似性，距離越近則越相似，容易聚在一起。該研究采用歐氏距離平方和計算法：dij=對30個月季花樣品系統聚類分析結果如圖4所示，選用1 800～700 cm-1范圍二階導數譜，并使用SPSS軟件對該區域進行系統聚類分析，可以看出：在距離3以內月季花各自聚成一類；在距離5左右，蝴蝶玫瑰和淺粉玫瑰很好的聚集到了一起，說明親緣關系很接近；在距離20左右所有月季花品種聚為一類。該聚類分析中，聚類準確率為100%。結果表明系統聚類分析對6種月季花具有很好的分類作用。

2.5 二維相關譜分析

二維相關紅外光譜是利用外界微擾，將原始光譜在第二維上展開，以溫度為微擾因素獲取變化圖譜，并反映出被測樣品隨升溫變化過程中主體相似成分的動態變化規律，提高了紅外譜圖的分辨率[19-21]，而且提供了官能團之間結構信息的相關性，可用于鑒別和研究物質成分或基團之間的相互作用。二維相關紅外光譜同步譜中處于主對角線位置上的峰稱為自動峰，反映樣品中各化學基團對熱微擾的敏感程度，對熱微擾越敏感，自動峰強度越強。非主對角線位的峰稱為交叉峰，反映官能團之間可能存在著分子內或分子間的相互作用。對樣品進行二維相關紅外光譜分析，得到1 330～1 700 cm-1和950～1 300 cm-1的范圍內的二維光譜如圖5、圖6所示。2D-IR光譜表明，6種樣品的自動峰和交叉峰差異很大。

圖5為6種月季花在1 330～1 700 cm-1范圍的二維相關光譜，大桃紅和粉玫瑰分別出現了3個明顯的自動峰，大桃紅在1 627、1 558和1 449 cm-1處，其中1 627 cm-1處最強，形成的正交叉峰是（1 558， 1 627 cm-1），（1 449，627 cm-1）和（1 449，1 558 cm-1）；粉玫瑰在1 639 cm-1自動峰最強，1 559 cm-1和1 448 cm-1處較弱，各自動峰互相形成正交叉峰，其中（1 559， 1 639 cm-1）和（1 448，1 639 cm-1）最強；黑玫瑰1 628 cm-1處自動峰最強，1 448 cm-1其次，1 551、1 420、 1 400和1 359 cm-1處自動峰最弱，并且1 628、1 551、1 420 cm-1等自動峰之間形成明顯的正交叉峰，其中（1 448，1 628 cm-1）最強；蝴蝶玫瑰在1 619和1 449 cm-1處的自動峰最強，1 420和1 349 cm-1處自動峰最弱，并且1 639、1 619、1560、1 449、1 420和1 349 cm-1等自動峰之間形成明顯的正交叉峰，其中（1 449， 1 639 cm-1）、（1 449，1 619 cm-1）和（1 449，1 560 cm-1）最強；淺粉玫瑰1 639 cm-1處自動峰最強，1 449 cm-1處較強，出現在1 639、1 558、1 418和1 349 cm-1處的自動峰最弱，1 639、1 558和1 449 cm-1等自動峰之間形成明顯的正交叉峰，其中（1 449，1 639 cm-1）最強；維西莉亞在1 640和1 619 cm-1處自動峰最強，1 449 cm-1處自動峰較弱，1 406 cm-1處自動峰最弱，其中1 640、1 619和1 449 cm-1等自動峰之間形成明顯的正交叉峰，其中（1 449，1 640 cm-1）和（1 449， 1 619 cm-1）交叉峰最強。

圖6為6種月季花在950～1 300 cm-1范圍的二維相關紅外光譜，大桃紅和粉玫瑰均有1 257、1 149、1 100、1 079、1 060和1 010 cm-1自動峰出現，但是粉玫瑰988 cm-1的自動峰幾乎消失，大桃紅和粉玫瑰在以上自動峰均有明顯的正交叉峰出現；黑玫瑰在1 248 cm-1處的自動峰最強，1 210和1 070 cm-1處的自動峰較強，988 cm-1處最弱，1 248、1 210、 1 150 cm-1等自動峰之間形成正交叉峰，其中（1 070， 1 248 cm-1）和（1 071，1 210 cm-1）交叉峰最強；蝴蝶玫瑰在1 070 cm-1處自動峰最強，1 179和1 140 cm-1處最弱，1 250、1 197和1 140 cm-1等自動峰之間形成明顯的正交叉峰，其中（1 010，1 070 cm-1）交叉峰最強；淺粉玫瑰在1 070 cm-1處自動峰最強，1 140 cm-1處最弱，1 250、1 210和1 149 cm-1等自動峰之間形成明顯的正交叉峰，其中（1 018，1 049 cm-1）和（1 018，1 070 cm-1）交叉峰最強；維西莉亞在1 060 cm-1處自動峰最強，1 020和988 cm-1處最弱，1 260、1 150和1060 cm-1等自動峰之間形成明顯的正交叉峰，其中（1 060，1 260 cm-1）交叉峰最強；結合圖5和圖6可知，6種月季花中所含的熱敏物質不同，所以二維相關光譜中有多處差異，根據圖譜中自動峰的個數、強度和位置差異可以對不同品種的月季花進行有效鑒別。

3 討論

通過利用傅里葉紅外光譜技術、化學計量學分析及二維相關光譜分析對6種不同品種的月季花進行了鑒別。所得到的光譜比較相似，差異比較小，說明不同品種的月季花的化學成分較為相似，選取1 800～700 cm-1范圍，對該范圍進行二階導數光譜分析，運用SPSS軟件對其進行主成分分析及系統聚類分析，在主成分分析中，前3個主成分累計貢獻率達到97.40%，對6種不同品種月季花有較好的分類作用；在系統聚類分析中可以明顯地看出月季品種可以很好地各自聚為一類，聚類準確率達到100%。在二維相關分析中，根據圖譜中自動峰和交叉峰的個數、強度和峰的位置差異可以對月季花種類進行鑒別。綜上研究結果表明，傅里葉紅外光譜技術、化學計量學分析（主成分分析、系統聚類分析）及二維相關紅外光譜分析可用來鑒別不同品種的月季，這為以后的其他品種鑒別提供了一種快速、有效、安全、環保的方法，也對月季花的研究有重要意義。

參考文獻：

[1] 劉林幸.月季在園林綠化美化中的應用[J].園藝與種苗，2013， 5（6）：30-32.

[2] 孟小華，姜衛兵，翁忙玲.月季、玫瑰和薔薇名實辨析及園林應用[J].江蘇農業科學，2013，41（7）：173-176.

[3] 王 蕾，符 玲，敬林林，等.月季花抗氧化活性成分研究[J].高等學校化學學報，2012，33（11）：2457-2461.

[4] 張 沛，薛 瑩，青琳森，等.月季花的化學成分研究[J].中草藥，2010，14（41）：1616-1618.

[5] 王浩江，孫體健，曹曉峰.月季花中總黃酮含量測定[J].山西醫科大學學報，2007，38（4）：318-319.

[6] 邱 璐，李小勇，劉 鵬，等.九種薔薇科植物葉片的傅里葉紅外光譜與親緣關系分析[J].光譜學與光譜分析，2014，34（2）：344-349.

[7] CHOONG YEW-KEONG，SUN S Q，ZHOU Q，et al. Verification of ganoderma（lingzhi） commercial products by fourier transform infrared spectroscopy and two-dimensional IR correlation spectroscopy[J].Journal of Molecular Structure，2014，1069：60-72.

[8] 馬 芳，張 方，湯 進，等.不同產地茯苓皮藥材紅外光譜的識別[J].光譜學與光譜分析，2014，34（2）：376-381.

[9] 周志琴，陳 斌，顏 輝.二維相關近紅外光譜快速鑒別食用植物油種類[J].中國糧油學報，2011，9（26）：115-118.

[10] 蔡 芳，孫素琴，閆文蓉，等.紅外光譜法與藥用玫瑰真偽的分析與鑒定[J].光譜學與光譜分析，2009，9（29）：2429-2433.

[11] VARTANIAN EMMANUEL，BARRES ODILE，ROQUE C？魪LINE. FTIR spectroscopy of woods：A new approach to study the weathering of the carving face of a sculpture[J].Spectrochimica Acta A，2015，136：1255-1259.

[12] PRANITA JAISWAL，SHYAM NARAYAN JHA，ANJAN BORAH，et al. Detection and quantification of soymilk in cow-buffalo milk using attenuated total reflectance fourier transform infrared spectroscopy[J].Food Chemistry，2015，168：41-47.

[13] 孫素琴，周 群，陳建波.中藥紅外光譜分析與鑒定[M].北京： 化學工業出版社，2010.

[14] 羅庇榮，劉 剛，張玉賓，等.基于花瓣的傅里葉變換紅外光譜鑒別分類杜鵑屬植物[J].光譜學與光譜分析，2010，30（4）：943-948.

[15] Charlotte-Maria Orphanou. The detection and discrimination of human body fluids using ATR FT-IR spectroscopy[J].Forensic Science International，2015，125：10-16.

[16] 覃小玲，史艷財，李承卓.基于FTIR技術金花茶組植物物種鑒定研究[J].光譜學與光譜分析，2012，32（10）：2685-2689.

[17] 楊貫明，張敬華，鄒衛華，等.梧桐樹葉吸附銅離子前后紅外光譜分析比較[J].光譜實驗室，2006，23（2）：390-392.

[18] CHOONG YEW KEONG，SUN S Q，ZHOU Q，et al. Determination of storage stability of the crude extracts of Ganoderma lucidum using FTIR and 2D-IR spectroscopy[J].Vibrational Spectroscopy，2011（57）：87-96.

[19] 陳小康，黃冬蘭，孫素琴，等.粵北靈之的紅外光譜宏觀三級鑒定研究[J].光譜學與譜分析，2010，30（1）：78-82.

[20] 孫素琴，周 群，秦 竹.中藥二維相關紅外光譜鑒定圖集[M].北京：化學工業出版社，2003.

[21] 黃冬蘭，陳小康，徐永群，等.三七泡制前后的紅外光譜分析研究[J].光譜學與光譜分析，2014，7（34）：1849-1852.