部分可解释机器学习方法的高光谱人参产地识别和分析

人参是传统中药材中的贵重品种,具有较高的经济价值。人参生长的地域性很强,不同产地人参有效成分含量存在差异,人参因“道地”与否,会导致其质量、医学效用和经济价值的差异,因此人参产地识别的意义重大。目前常通过磨粉提取等制备,再采用化学或光学等多种手段检验人参产地,但会造成样本破坏。而基于外观性状或芦头特征的鉴别,因主观性差异不能作为标准化的识别方法。如何用高精度、无损、快速检测识别的方法,对人参的产地进行识别分析,是该研究的主要立足点。通过采用高光谱成像技术,对已知产地信息的人参样本,通过获取从400~2 500 nm的反射光谱,经过基于白板的绝对和相对辐射校正处理,构建了高光谱反射率数据集。采用随机森林的机器学习方法,构建了基于高光谱数据的全光谱人参产地识别模型,并对不同尺度的地域划分规则分别开展了产地识别精度验证,发现不同产地的人参光谱有明显区别。其中东三省与否的产地识别精度,可以达到98.2%。同时利用随机森林基于决策树构建的优势,获得了人参产地识别的光谱重要性结果,为专用轻量化仪器研发指明特征光谱。高光谱人参产地识别研究作为严格的无损检测方式,将对人参等道地药材的产地识别、药材图谱指纹认知和挖掘、药材鉴定和质量评价等提供理论支撑和技术手段。     

基于LIBS技术人参样品聚类分析及重金属检测研究

人参作为东北地区重要的经济作物,是著名的"东北三宝"之一。随着社会经济的快速发展,人们对于养生保健产品的重视度和需求量也随之提高。目前,市场所售人参存在农残超标、品质较差和种类混乱的现象,而且含有重金属元素的人参对于食用者会造成极大的危害。传统人参识别方法主要是根据人参基源、性状、显微和理化特性对人参进行生药研究,但是这些方法存在人为因素影响、繁琐复杂的样品预处理和二次污染的问题,不能实现可靠快速检测。基于激光诱导击穿光谱技术(LIBS)结合主成分分析法(PCA)对人参产地和人参部位进行聚类分析,以及对人参重金属元素进行定量分析。采集吉林省5个产地6种人参的LIBS光谱数据(200～975 nm),通过对光谱进行平均值预处理,利用PCA算法对光谱数据进行降维、聚类分析,实现人参产地快速聚类识别、同一产地的园参与林下参的聚类识别以及同一株人参的不同部位聚类识别。实验结果发现,由于同株人参不同部位的元素含量区别不大,造成人参主干和参须部位聚类效果不佳,对于6种人参可实现较好的分类效果。最后对人参样品中重金属元素Pb和Cr进行了定量分析,计算得到人参中Pb和Cr元素的检测限(LOD)分别为9.55和10.86 mg·kg~(-1),去一交互均方根误差(RMSECV)分别为0.011和0.023 Wt.%。结果表明LIBS结合PCA算法对于人参分类和重金属检测具有较好的应用前景。     

二维核磁共振波谱归属人参二醇的NMR谱线

人参二醇是构成人参皂甙的三种甙元之一,具有较高的生物活性,对它的生理活性和药理作用研究证明:人参二醇具有一定的抗肿瘤作用,本文报道用异核COSY、COLOC-S等2D NMR方法归属人参二醇的¹³C和¹H化学位移.     

近红外光谱技术对人参药材人参皂苷含量测定及产地识别的研究

以东北三省6个产地的74份人参样品为研究对象,采集其近红外光谱,以多元散射校正原始光谱;采用超高效液相色谱技术,建立样品中人参皂苷Rg₁,Rb₁,Re的含量测定方法,以样品中这三种皂苷的总量作为参考值,在6 001～4 007和10 000～8 786 cm-1建模区间,采用偏最小二乘法建立了人参样品中人参皂苷近红外定量模型,交叉验证均方根误差为0.115,预测均方根误差为0.167,相关系数分别为0.947 7和0.915 3。同时对近红外原始光谱进行多元散射校正和Savitzky-Golay平滑处理,以8 531～7 559 cm-1谱段对人参样品进行产地识别,结果表明,74份样品可分为3类,分别对应辽宁、吉林和黑龙江产区,校正模型判正率为96%,预测模型判正率达90%。2010版《中国药典》以人参样品中人参皂苷Rg₁,Rb₁,Re的总量作为评价人参质量的化学指标,该工作所建立的近红外预测人参样品三种皂苷总量的方法快速、准确,可用以评价人参样品的质量。     

不同光质对人参愈伤组织生长及皂苷含量的影响

人参主要依靠大田栽培,耗时长,利用植物组织培养技术不仅可以缩短育种年限,还可以用来生产次生代谢产物。在组织培养中,光质对于药用植物次生代谢产物的影响受到了人们广泛关注。以人参愈伤组织为试材,采用超高效液相色谱法,研究了不同光质（包括红光、红蓝光、蓝光、绿光、黄绿光）对人参愈伤组织生长状态、总皂苷及9种皂苷单体Rg1,Re,Rf,Ro,Rb1,Rc,Rb2,Rb3,Rd含量的影响。结果表明：绿光加速人参愈伤组织老化,促进次生代谢产物的积累,而蓝光对人参愈伤组织生长有促进作用;红光和绿光对总皂苷作用不明显,且蓝光、红蓝光（1∶1）、黄绿光（1∶1）对人参皂苷转化与合成起到明显的抑制作用;与对照组相比,绿光处理后Rg1、Rf含量均偏高,其含量分别为4.063和1.194 mg·g-1,对Rg1、Rf人参皂苷单体含量有促进作用。表明不同光质对人参愈伤组织生长及皂苷含量有不同的影响,可以通过绿光处理来获得人参单体皂苷Rg1和Rf。该研究旨在探究光质对人参愈伤组织生理生化的影响,提高人参皂苷含量,为工业化生产提供理论依据。     

人参总皂甙近红外光谱及定标建模分析

采用近红外光谱分析技术对人参进行了光谱及定量分析。对人参的原始漫反射吸收光谱采用二阶导数、散射校正、相关分析等多种光谱解析手段,研究了人参中的主要成分总皂甙的光谱吸收特性,并结合偏最小二乘回归法对人参总皂甙进行了定标建模分析。分析结果精度高,定标标准差(RMSEC)为0.154％,相关系数为0.982 8。     

用傅立叶变换红外光谱法研究核辐照对人参粉成分的影响

本文采用傅立叶变换红外光谱(吸收光谱、二阶导数谱及差谱)法对经不同剂量核辐照的人参粉进行了对比研究.辐照剂量不高于9 kGy时,人参粉样品的化学成分几乎没有发生变化;人参粉样品经15kGy及以上的辐照剂量辐照后,可能产生新的化学成分,表明采用辐照剂量不高于9 kGy的核辐照杀灭人参粉污染的微生物和各种寄生虫卵是可行的;...     

三个原人参二醇型单糖链配糖体的NMR信号全指定

从三七(Panax notoginseng)根总皂甙的弱酸水解产物中分离得到三个原人参二醇型单糖链配糖体.通过光谱方法,鉴定其结构分别为人参皂甙Rg5,20(R)-人参皂甙-Rg3与20(S)-人参皂甙Rg3.应用2D NMR技术,对它们的¹H和¹³C化学位移进行了全归属。     

人参叶总皂苷大孔树脂分离纯化工艺的近红外光谱在线监测模型及其含量测定

利用近红外(NIR)光谱技术研究并建立可在线监测人参叶皂苷类成分的大孔树脂分离纯化工艺的方法。建立人参皂苷Rg₁,Re和Rb₁的高效液相色谱(HPLC)含量测定方法,收集人参叶提取物的40%乙醇大孔树脂洗脱液,采集其近红外光谱信息,并用已建立的HPLC法测定其中人参皂苷Rg₁,Re和Rb₁的含量,结合偏最小二乘法(PLS)建立上述三种成分及人参总皂苷的定量分析模型。建模过程中,以决定系数(R2),交叉验证均方根误差(RMSECV)为指标,确定用于建模的最优近红外波段和光谱预处理方法,结果表明人参皂苷Rg₁,Re,Rb₁及人参总皂苷模型的最佳建模波段均为12 000.8~7 499.8 cm-1,R2分别为0.988 7,0.960 3,0.990 5和0.970 1,RMSECV分别为0.059 7,0.072 2,0.004 88和0.075 5。将1个批次的人参叶提取物大孔树脂分离纯化工艺样品用于验证人参总皂苷定量分析模型的预测性能,总皂苷的NIR预测值和HPLC测定值的相关系数为0.992 8,平均预测回收率为100.52%,表明所建的模型预测效果良好。该法快速、简便、准确,可用于生产工艺过程中人参总皂苷的含量测定和质量控制。     

用自旋标记研究人参皂甙对血卟啉光敏作用的影响

本文首次合成和使用自旋标记的血卟啉氮氧自由基,研究了人参皂甙对HPD光敏作用的影响。发现在含水或含有人血清白蛋白的体系中,人参皂甙均具有明显的抑制HPD光氧化作用和促进HPD光还原氮氧自由基的作用。这可能与人参皂甙具有阻断或者清扫HPD敏化产生的¹O₂有关系。因此,人参皂甙在缓解HPD光敏毒性,保护正常组织不受损伤方面可能具有重要的意义。     

用荧光探针法研究茶叶花粉黄酮对氧自由基致鼠红细胞膜氧化损伤的保护作用

应用1,6-二苯基-1,3,5-已三烯(DPH)为荧光探针,超氧阴离子自由基和羟基自由基致鼠红细胞膜氧化损伤为模型,研究了茶叶花粉黄酮对鼠红细胞膜氧化损伤的影响.结果表明,超氧阴离子自由基和羟基自由基均能引起鼠红细胞膜脂质过氧化反应,脂质过氧化产物丙二醛含量显著升高,膜脂流动性下降.将鼠红细胞膜预先用茶叶花粉黄酮处理后,膜脂的MDA含量明显下降,呈现剂量与效应关系,膜脂流动性显著提高,表明茶叶花粉黄酮对超氧阴离子自由基和羟基自由基引起的鼠红细胞膜的氧化损伤有保护作用.     

荧光偏振法研究脉冲电场对酿酒酵母细胞膜流动性影响

以DPH(1,6-二苯基-1,3,5-己三烯)为荧光探剂,采用荧光偏振法探讨了脉冲电场(0～25 kV·cm-1,0～266 ms)对酿酒酵母细胞膜流动性影响。经5 kV·cm-1电场处理后,酿酒酵母细胞膜的流动性显著减小,并且随电场强度和处理时间的增加而减小;通过平板计数法和紫外分光光度计法分别检测了脉冲电场对酿酒酵母细胞存活对数及膜通透性影响。结果显示,5 kV·cm-1虽然只能使少量的酵母致死,却能使酵母细胞膜的通透性显著增加,膜流动性显著降低。并且细胞的存活率随电场强度增大而减小,细胞膜的通透性随电场强度增大而增大。这表明细胞膜的流动性降低与细胞膜的通透性升高成正相关,与细胞的存活率成负相关。由此推测脉冲电场在对酿酒酵母灭菌过程中,细胞膜是其作用的一个关键位点,膜流动性减小,细胞膜通透性增强,是细胞死亡的主要原因。     

荧光偏振光谱法探测光动力过程中癌细胞膜的流动性

以DPH作荧光探剂,用荧光偏振光谱法研究了金属酞菁配合物苯硫基钛菁锌(C₅₆H₃₂N₈S₄Zn)在光动力过程中,不同光照时间对乳腺癌细胞膜流动性的影响。实验结果表明,经光照激发光敏剂金属酞菁后,荧光标记团的偏振度增大,癌细胞膜流动性降低,微黏度升高。说明这是光动力治疗的疗效所在。用酶联免疫检测(MTT法)不同光照时间对细胞存活的影响,结果显示癌细胞最低存活率与膜流动性降低成正相关。这表明光动力过程在一个相近的程度影响癌细胞膜的流动性和增殖,提示光动力过程可能通过影响细胞膜流动性引起细胞增殖变化,即细胞膜是光动力作用的一个位点。     

基于荧光光谱技术研究食用豆油的生物效应

采用FLS900荧光光谱仪对食用豆油的老鼠全血溶液与正常全血溶液进行了荧光光谱对比分析,得到了食用豆油以及正常老鼠血液的光谱特征差异.实验结果表明,当采用407 nm的激光激励全血溶液时,会发出峰值分别位于515 nm、556 nm和610 nm处的荧光.食用豆油的血液荧光强度比正常血液的荧光强度小,其荧光偏振度也小于正常血液的偏振度.分析认为长期食用豆油导致血细胞表面积变小,即发光面积变小,引起荧光强度减小;体积变小,使得分子的旋转能力增强,发射荧光记忆入射光的能力减弱,去偏效果明显增强,因而荧光偏振度变小.研究结果表明,长期食用豆油后能有效使人体血液粘度减小,改善血液循环,为食用油的营养价值分析及指导人们正确食用油脂提供参考.     

基于荧光光谱技术研究食用豆油的生物效应

采用FLS900荧光光谱仪对食用豆油的老鼠全血溶液与正常全血溶液进行了荧光光谱对比分析,得到了食用豆油以及正常老鼠血液的光谱特征差异.实验结果表明,当采用407nm的激光激励全血溶液时,会发出峰值分别位于515nm、556nm和610nm处的荧光.食用豆油的血液荧光强度比正常血液的荧光强度小,其荧光偏振度也小于正常血液的偏振度.分析认为长期食用豆油导致血细胞表面积变小,即发光面积变小,引起荧光强度减小;体积变小,使得分子的旋转能力增强,发射荧光记忆入射光的能力减弱,去偏效果明显增强,因而荧光偏振度变小.研究结果表明,长期食用豆油后能有效使人体血液粘度减小,改善血液循环,为食用油的营养价值分析及指导人们正确食用油脂提供参考.     

A Study on Analysis of Labeling Efficiency Depending on Mixing Time in Asan Medical Center Red Blood Cell Labeling Method

The aim of this study was to overcome the shortcomings of technetium-99m red blood cell labeling, such as the requirement of additional time, and to maintain a stable labeling efficiency by reducing the mixing time for technetium-99m red blood cell labeling in the Asan Medical Center red blood cell labeling method developed by this hospital. Thirty patients, who underwent an examination using technetium-99m red blood cell labeling in the nuclear medicine department from April to September 2012, were selected randomly. Blood samples (5 mL per patient) were mixed with acid citrate dextrose, and 1-mL aliquots were taken to make four blood samples. The Asan Medical Center red blood cell labeling method was used for labeling. In this case, the mixing time was set to 5, 10, 15, and 20 min before calculating the efficiency of each labeling. The difference depending on the mixing time was compared. According to the technetium-99m red blood cell labeling efficiency depending on the mixing time in the Asan Medical Center red blood cell labeling method, the efficiency of each labeling was 92 ± 5%, 96 ± 5%, 97 ± 5%, and 98 ± 5% for 5, 10, 15, and 20 min, respectively. Overall, the labeling efficiency was relatively low when the mixing time was 5 min, whereas there was no significant difference in labeling efficiency when the mixing time was longer than 5 min. In conclusion, the Asan Medical Center red blood cell labeling method can provide an environment that is more conducive to the combination of red blood cell with technetium-99m pertechnetate than the previous modified labeling method because the Asan Medical Center red blood cell labeling method removes blood plasma in an additional centrifugation process.     

人脑脊液中的光偏振及荧光特性

本工作对基本正常人的脑脊液和有神经系统疾病的人脑脊液进行了光偏振及荧光物理特性的测量,对脑脊液的荧光5450Å进行荧光平均寿命测量,并在Ar激光4880Å的监控下,测量了荧光5450Å的强度与照射时间的关系,得到了一些有益的提示。除此之外,我们还测量了OH键Raman带在振动频率Δv=3392cm-1的退偏度,退偏度POH=0,计算了吸收振子和被辐射振子之间的夹角,证明了在人的脑脊液分子中的OH键振动是完全对称的振动,其极化强度是各向同性的。     

应用荧光探针研究菠菜叶绿体膜对低强度电磁场的辐射敏感性

应用ANS渗入菠菜叶绿体膜后的ANS荧光光谱和光合细胞Chla荧光参数的变化研究了菠菜叶绿体膜对辐射功率密度为5 mW·cm-2以下的300 MHz低强度电磁场的辐射敏感性。研究发现,在1～5 mW·cm-2的低强度电磁场作用下,菠菜叶绿体ANS荧光光谱的位置没有明显变化,但ANS荧光强度明显增大,表明低强度电磁场使菠菜叶绿体膜流动性变小。1～5 mW·cm-2低强度电磁场的作用还使菠菜叶绿体发出的Chla荧光参数F₀减小,f_V／F₀,F_V／F_m和ΔF_V／T增大,F_VI／F_V减小,表明低强度电磁场使菠菜叶绿体膜发生了光系统Ⅱ(PSⅡ)无活性中心向有活性中心的转变,PSⅡ潜在活性提高、光合电子传递过程加快,原初光能转换效率增强。菠菜叶绿体膜ANS荧光和Chla荧光对低强度电磁场的这种辐射敏感性说明了低强度电磁场能对菠菜光合作用系统产生非热效应,并且,菠菜光合细胞有可能通过PSⅡ活性中心异质性的转变来适应电磁辐射增强的环境。     

Investigation of acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation by fluorescence

Photophysical techniques have potential for the development of optical sensors in monitoring and controlling fermentors. In the particular case of acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation, carried out by bacteria of the speciesClostridium acetobutylicum, we have developed two studies based on fluorescence spectroscopy. First, we measured the intrinsic fluorescence of NADH related to bacteria metabolism, leading to a linear relationship between the NADH specific fluorescence and the specific rate of butyric acid production. At the same time, we have correlated enzymatic activities (acetate kinase, butyrate kinase, acetoacetate decarboxylase) with NADH specific fluorescence. Second, we studied the fluorescence polarization of extrinsic DPH (1,6-diphenyl-1,3,5-hexatriene) related to membrane fluidity. A simultaneous increase in both DPH anisotropy (order parameter increase) and butanol production is observed. Even though these results seem contradictory, because of the well-known fluidizing effect of butanol on lipids, they can be explained by a homeoviscous response ofC. acetobutylicum to the presence of butanol during fermentation. Thus the apparent changes in fluidity could be the result of the adaptative membrane alteration.     

DMANS在聚合物中的荧光性质

本文研究了DMANS(4-二甲胺基-4′-硝基二苯乙烯)在聚苯乙烯和改性聚苯乙烯中的荧光性质。测量了两类样品的吸收光谱、荧光光谱、荧光强度和荧光寿命,讨论了介质对荧光性质影响的机理。