《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Simultaneous multi-component quantification and geographical origin discrimination of Taraxaci Herba using near-infrared spectroscopy combined with chemometrics
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本研究利用近红外光谱（NIRS）结合化学计量学方法对蒲公英叶（Taraxaci Herba）进行快速质量评估。通过HPLC测定三种活性成分（CHA、CA、LUT）含量，UV-Vis测定总黄酮和总酚。采用GA、GWO和mgFPA优化波长选择，PLSR建模实现高效定量分析，同时通过PCA、PLS-DA和KNN成功鉴别不同地理来源，方法准确可靠，为中药质量控制提供新途径。
韩毅|吕佩琳|王峰|陈超
广东药科大学中医学院，中国广州510006
摘要
本研究旨在利用近红外光谱（NIRS）结合化学计量学方法对蒲公英草（Taraxaci Herba，简称TH）进行快速质量评估。首先，收集了不同批次的TH样品，并通过高效液相色谱法（HPLC）测定了其中菊苣酸（CHA）、咖啡酸（CA）和木犀草素（LUT）的含量；总黄酮类（TFs）和总酚类（TPs）则通过紫外-可见光（UV–Vis）光谱法进行测定。其次，使用近红外光谱仪获取NIR光谱数据，并进行了异常值去除和光谱预处理。具体来说，通过遗传算法（GA）、灰狼优化算法（GWO）和改良的全局花粉算法（mgFPA）选择了具有信息量的波长。最后，应用偏最小二乘回归（PLSR）定量分析了上述成分含量与NIR光谱之间的关系。对于定性分析，采用了无监督的主成分分析（PCA）方法以及有监督的偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和k近邻（KNN）方法来区分样品的地理来源。结果表明，优化后的PLSR模型对所有五种分析物都具有出色的预测性能（R2≥0.90，RPD≤3）。此外，TH样品的地理来源分类准确率达到100%。因此，本研究提供了一种高效且可靠的质量评估和控制方法。
引言
蒲公英草（TH）是指Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.、Taraxacum borealisinense Kitam.或其他同属植物的干燥全株。它广泛分布于北半球的温带和亚热带地区。在中国，TH主要分布在东北、华北、西北、中部、西部和西南地区，同时也见于朝鲜、蒙古和俄罗斯等国家[1]。作为一种典型的药用和可食用植物，TH因其富含多种维生素和矿物质而常被用作食品原料[2][3]。中医认为TH具有清热解毒、消肿散结、促进排尿和缓解尿痛的功效。现代药理学研究也表明，TH具有多种生物活性，如抗肿瘤、抗炎、抗菌、降血糖和抗氧化作用[4][5][6]。TH含有多种化学成分，主要包括酚酸、黄酮类、萜类和多糖[7][8]。这些化学成分是其药理活性的基础。其中，菊苣酸（CHA）、咖啡酸（CA）和木犀草素（LUT）与TH的生物活性密切相关[9]。它们的化学结构如图1所示。CHA是TH中最丰富的活性化合物之一，先前的研究已证实其对骨关节炎具有治疗潜力[10]。此外，TH的根提取物富含CA和CHA，在果蝇模型和乳腺癌细胞实验中表现出显著的抗肿瘤和抗转移效果[11]。据报道，LUT能够抑制乳腺癌细胞的增殖和迁移，并调节多个关键癌相关基因[12]。
然而，2025版《中华人民共和国药典》将CHA含量≥0.30%作为TH的唯一质量控制指标，这未能充分体现其多种成分协同发挥药理作用的特点。此外，TH的质量受产地、气候和土壤等多种因素的影响。不同地区的TH在化学成分和含量上存在差异，从而导致质量和市场价格的不同。例如，甘肃省的TH通常被认为品质更优，价格也更高[13]。因此，补充测定TH中的多种代表性活性成分（如CHA、CA、LUT）以及总黄酮类（TFs）和总酚类（TPs），并进行产地追溯研究，对于实现科学的质量评估和控制具有重要意义。目前，TH中CHA、CA和LUT含量的测定主要依靠高效液相色谱法（HPLC）[14]，而TFs和TPs的测定则主要使用紫外-可见光（UV–Vis）光谱法[15]。地理来源的区分依赖于人工经验或基于成分差异的化学分析。这些传统方法在实际应用中存在一些局限性，如样品制备复杂、耗时较长、可能损坏样品、溶剂使用量大，且人工鉴定具有主观性且缺乏重复性[16]。因此，迫切需要一种快速、无损且准确的分析方法，以实现TH中多种成分的同时定量分析和产地鉴定。
近红外光谱（NIRS）的工作范围位于可见光和中红外光之间，波数范围为12,500–4000 cm?1。NIR区域对应于有机分子中含氢官能团（如O–H、N–H、C–H）的倍频和组合振动。通过对样品进行NIR扫描，可以获得与这些含氢官能团相关的特征光谱信息。NIRS具有操作简便、分析快速和准确度高的优点。此外，它还具有非破坏性测量、无需化学试剂、可同时分析多种成分、环境友好和成本低廉等优点。因此，在中药领域，NIRS不仅用于成分的快速定量[17][18]，还用于区分地理来源[19]和验证材料真实性[20]，显示出其在中药质量评估中的巨大潜力。此外，NIRS还广泛应用于农业[21]、食品科学[22]等多个领域。由于NIR光谱中存在大量重叠的宽吸收带，且信号易受湿度、温度和颗粒大小等因素的影响，通常需要将其与化学计量学结合使用。化学计量学在NIR分析中的主要作用包括光谱预处理、变量选择和多元统计建模，旨在提高模型的稳定性和预测准确性。
文献综述显示，关于TH的NIRS研究较少。仅有一篇文章结合偏最小二乘回归（PLSR）对包括TH在内的多种药用植物提取物中的TFs和TPs进行了定量分析[23]。然而，尚未有系统研究利用NIRS同时定量多种生物活性单体并进行产地区分。因此，本研究采用NIRS系统比较了四种光谱预处理方法和三种通过仿生群智优化的波长选择方法。开发了定量模型，以快速、无损且准确地测定TH中单体成分（CHA、CA、LUT）和总成分（TFs、TPs）的含量，并能够可靠地区分地理来源。这项工作为TH的质量控制和产地追溯提供了新的技术方法和理论支持。
仪器和试剂
使用配备积分球漫反射系统的TANGO近红外光谱仪（Bruker，德国），并配合OPUS软件进行NIR光谱采集。其他主要仪器包括高效液相色谱系统（LC-20A，Shimadzu，日本），配备LC-20AT泵、SPD-M20A紫外检测器、SIL-20A自动进样器和CTO-20A柱 oven，以及Kromasil C18（ODS）柱（250 mm × 4.6 mm，5 μm）；以及一台UV–Vis光谱仪
NIR光谱特征
图2显示了TH样品在11,500–4000 cm?1范围内的原始NIR光谱。近红外光谱属于分子振动光谱，主要反映了含氢官能团（如C–H、O–H、N–H）的伸缩振动引起的倍频和组合吸收。图2中所有光谱曲线呈现出一致的趋势，表明样品具有相似的主要化学组成。然而，在吸收程度上存在差异
结论
本研究建立了一种将NIRS与化学计量学方法相结合的新方法，实现了TH样品中总成分（黄酮类和酚类）和单体化合物（CHA、CA、LUT）的快速、无损定量。此外，利用NIRS开发的定性区分模型成功根据四个地理来源对TH样品进行了分类。
然而，也存在一些局限性需要考虑。主要是样本量有限和地理范围有限
CRediT作者贡献声明
韩毅：方法学研究、数据收集、初稿撰写。吕佩琳：数据收集。王峰：指导监督。陈超：指导监督、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了广东省自然科学基金（编号：2016A030313837）和广东省高校重点平台与重大科研项目（编号：2022ZDZX2035）的财政支持。
