三七紅外光譜測定的不確定度研究

劉 芳，沈清清，陳紅惠，李 蕾，舒 燕

（1.文山學院 化學與工程學院，云南 文山 663099；2.文山學院 環境與資源學院，云南 文山 663099）

三七Panax Xotoginseng(Burk) F.H.Chen為五加科人參屬植物，主要以根入藥，是我國特有名貴中藥，具有降低血壓、抗血栓、保護神經、抗動脈粥樣硬化等作用，市場需求量較大[1]。為確保三七質量，傳統采用基原鑒定、顯微鑒定和理化鑒定等方法對其進行檢測。但基原鑒定要求檢測者要有豐富的經驗知識；顯微鑒別時特征的差別非常細微難以辨別；一般的理化鑒別只能反映個別活性成分的含量，不能完全反映出藥材質量的好壞。而許多現代分析法，比如色譜法、質譜法、生物 DNA技術等，要對藥材進行分離提取，比較麻煩難以大范圍推廣[2-3]。紅外光譜技術是一種能夠方便和快速獲取樣品化學信息的新技術，目前已用于對不同種中藥材和中成藥的快速鑒別[4-6]。

紅外光譜分析用于三七的鑒定方法簡單容易操作，但紅外譜圖的好壞往往是靠經驗來評判。為了尋找一種科學的評價方法，就需要借助于傳統分析化學中評價分析數據準確性的參數—誤差來分析譜圖的質量，希望能盡可能減小測量誤差，從而以最佳參數采集樣品光譜數據，提高測定光譜的質量[7]。但由于紅外光譜并不是單一的數據，因此對它誤差評定的方法不能單純的依靠以往對測量結果誤差的分析方法。測量不確定度是在誤差理論的基礎之上延伸出的新的表征測量結果的概念。它表示了重復性測量條件下得到的測量結果的分散性，它的結果跟測量方法、數據處理方法等有關系，而與具體的測量數值沒關系[8-9]。現將不確定度的概念應用到文山三七紅外光譜曲線重復性的表征中，以吸收度作為不確定度計算中的主要參數，將不同實驗條件下得到的不確定度結果和測定得到的光譜做對比。以便尋找到更適合三七紅外譜圖質量評價的數學模型。從而為三七品質鑒定的紅外光譜提供一個技術參考指標。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

IRpresstige-21 傅立葉紅外分光光度計（日本島津公司）；DHG-9076A型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海躍進區醫用光學器械廠）；HF-2壓片模具（天津博天勝達科技發展有限公司）；三七（購于文山州中藥材市場）、光譜純KBr（天津市光復精細化工研究所）。

1.2 實驗參數的選擇

通過多次重復性實驗發現影響三七紅外光譜測量結果的因素主要有測量環境、儀器參數設置和樣品的制備過程三個方面。其中樣品制備過程和儀器參數設置是主要影響因素，本文主要對這兩方面的誤差進行實驗測量及分析比較。

1.3 樣品制備及譜圖測定

將三七樣品與溴化鉀在90 ℃干燥12 h，然后分別在瑪瑙研缽內充分磨細、過篩。采用溴化鉀壓片法，將樣品與溴化鉀按一定比例混合后取適量裝入磨具，在一定的壓力下壓制適當的時間，得到樣品片，然后以純溴化鉀片為背景，選擇合適的測量參數進行測定。

2 數據處理

不確定度可以分成A類不確定度和B類不確定度兩種方法。B類不確定度是用非統計方法進行計算，根據經驗、常識、資料和假設的概率分布估計的標準偏差來表示。實驗中由于我們采用的是對觀測值進行了多次重復性觀測后，通過統計分析這一系列觀測值來進行評定，所以研究A類不確定度[10]。

實驗中每組進行了6次重復性測量，根據測量得到了6條紅外譜圖，獲取譜圖中的橫坐標為波數，用字母v表示，縱坐標表示的是樣品的吸收度，用字母a表示，同一譜線中的吸收度能看出該譜線的波動范圍。用表示同一測量條件下的6組譜圖的吸收度的總平均值，也就是最佳估計值和真值。Xi表示每一條譜線（1 868個數據點）吸收度的平均值，則A類的標準不確定度為：

相對標準不確定度為：

3 結果與討論

3.1 不同粒徑樣品的不確定度

在實驗中選用了120目、160目、200目、240目、280目5種不同的三七粒徑進行對比，分別計算了它們的不確定度，如表1。

表1 不同粒徑樣品的不確定度

從表1的結果可以看出，當選取的三七目數達到160目時，不確定度最小。將同一粒徑下測定6次得到譜圖放在一起進行對比，可以明顯的看出三七粒徑為160目時，譜圖的重復性最好，這與我們前面所計算的結果一致，見圖1。

圖1 不同粒徑的樣品測定六次的紅外光譜重疊圖

3.2 三七與溴化鉀不同配比的不確定度

實驗中選取了 1∶80、1∶100、1∶120、1∶140、1∶160五種三七與溴化鉀的比例關系進行了不確定度的計算，結果如表2所示。

表2 三七與溴化鉀不同配比的不確定度

從表2可以看出三七與溴化鉀的比例為1∶100時，不確定度最小，同一配比下測定6次的譜圖也是混合比例為1∶100時的重復性最好；同時通過表2可以看出，當它的不確定度越大時，其重復性越差。這說明我們所計算出來的不確定度的大小和譜圖的重復性是保持一致的，見圖2。

圖2 三七與溴化鉀不同配比測定六次的紅外光譜重疊圖

3.3 不同壓力的不確定度

選取了5種不同的壓片壓力進行對比，分別為40 kN、50 kN、60 kN、70 kN和80 kN。通過計算不確定度，從中選取最優的測量條件，如表3所示。

表3 不同壓力的不確定度

從表3中可以看出壓力達到70 kN時，它的不確定度最小，將同一壓力下測定6次得到的譜圖放在一起進行對比，同樣是壓力達到70 kN時，重復性最好，見圖3。

圖3 不同壓力測定六次的紅外光譜重疊圖

3.4 不同掃描次數下的不確定度

對同一樣品分別測定了5次、10次、15次、20次、25次五組不同掃描次數下的紅外光譜進行了6次重復性測量，并通過計算得出了它們的不確定度，如表4。

從表4中可以看出，當掃描次數為10次時，不確定度最小，測定6次得到的譜圖重復性也最好，見圖4。

圖4 不同掃描次數測定六次的紅外光譜重疊圖

3.5 不同分辨率下的不確定度

將儀器分辨率分別設為：1 cm-1、2 cm-1、4 cm-1、8 cm-1、16 cm-1對同一樣品進行6次重復性測量，通過計算得到它們的不確定度如表5所示。

表5 不同分辨率的不確定度

從表5的計算結果可知，當它的分辨率為2cm-1時，不確定度最小，測定6次的譜圖重復性也最好。

圖5 不同分辨率測定六次的紅外重疊圖

4 結論

依據實驗數據計算得出的不確定，與同一參數條件下多次測定的紅外譜圖重復性之間存在如下關系：不確定越小，同一條件下多次測定的外吸收光譜曲線重復性就越好。說明用不確定度來作為紅外吸收光譜質量評價的數學模型是可行的，可靠的。將不確定度的概念應用到紅外光譜曲線重復性的表征中，也使其從單一測量值的應用擴展到了多數據點的實驗曲線中來，為我們以后類似的評價提供了新思路。

通過實驗我們也獲得了三七紅外譜圖數據采集時的最優條件為：（1）三七粉末粒徑為160目；（2）三七與KBr的混合比例為1∶100；（3）壓片壓力70 kN；（4）掃描次數 10次；（5）分辨率 2 cm-1。可將此優化條件確定為三七紅外光譜測量時制樣的標準操作流程，以保證三七品質鑒別測量時的客觀一致性。