西藏天仙子不同部位的红外光谱特性

Infrared Spectral Characteristics of Different Parts of Hyoscyamus niger L. from Xizang

摘要

为实现西藏天仙子不同部位的鉴别和质量控制，通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）仪获得天仙子种子、根、茎、叶和果荚5个部位的原始红外光谱，利用OMNIC 9.0 软件预处理光谱，OriginPro2024软件绘制相关红外光谱图，IBM SPSS Statistics29.0聚类分析不同部位二阶导数红外光谱（1 800 ~ 600 cm^-1）。结果显示：西藏天仙子5个不同部位原始红外光谱和二阶导数红外光谱均存在显著差异。分析二阶导数红外光谱，种子和叶最相似（0.3 456），聚类分析种子自成一类；种子在1 752、1 741 cm^-1 处吸收峰尖锐且强，可区分种子与其他4个部位；根在1 632 cm^-1处吸收峰不明显，可区分种子和根；叶在1 387、 1 170 cm^-1 处吸收峰不明显，可区分种子和叶；种子在785、697 cm^-1处无明显吸收峰，可区分种子与茎和果荚。因此，通过红外光谱可实现天仙子5个不同部位的快速鉴别。本研究成果初步揭示了天仙子不同部位的化学信息，为不同部位鉴别提供了一种快速、简便、准确的方法，且为天仙子药材资源的质量控制与应用开发提供了依据。

Abstract

To achieve the identification and quality control of different parts of Hyoscyamus niger L. from Xizang, this study obtained the raw infrared spectra of five parts: seeds, roots, stems, leaves, and fruit pods, using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR). The spectra were preprocessed, using OMNIC 9.0 software, and the relevant infrared spectral graphs were plotted, using OriginPro 2024 software. Cluster analysis of the second derivative infrared spectra (1 800 ~ 600 cm^-1) was performed, using IBM SPSS Statistics 29.0. The results showed that there were significant differences between the original infrared spectra and the second derivative infrared spectra of the five different parts of Hyoscyamus niger L. The second derivative infrared spectra showed greatest similarity between seeds and leaves (coefficient: 0.3 456), whereas cluster analysis grouped the seeds into a distinct cluster. The absorption peaks of seeds at 1 752 and 1 741 cm^-1 were sharp and strong, allowing for their differentiation from the other four parts. The absence of an obvious absorption peak at 1 632 cm^-1 in the roots helped distinguish them from the seeds. For leaves, the absorption peaks at 1 387 and 1 170 cm^-1 were not obvious, allowing for differentiation of seeds from leaves. Additionally, the lack of significant absorption peaks for seeds at 785 and 697 cm^-1 enabled their differentiation from stems and fruit pods. Therefore, rapid identification of the five different parts of Hyoscyamus niger L. can be achieved through infrared spectroscopy. The findings of this study provide insights into the chemical information of different parts of Hyoscyamus niger L., with a fast, simple, and accurate method for identification and a basis for the quality control and application development of Hyoscyamus niger L. resources.

Graphical abstract

关键词

西藏 / 天仙子 / 傅里叶变换红外光谱法 / 药用部位

Key words

Xizang / Hyoscyamus niger L. / Fourier Transform Infrared Spectrometry / Medicinal parts

天仙子（Hyoscyamus niger L.）为茄科天仙子属莨菪的干燥成熟种子，又名莨菪、小天仙子等，为1年生或2年生草本植物，是一种重要的药用植物^[1]。全株被黏性腺毛，茎叶互生，花腋生，种子形态呈类扁肾形或扁卵形，直径约 1 mm，表面为棕黄色或灰黄色^[2]。其药用历史悠久，始见于《神农本草经》《本草图经》，性温，味苦、辛，有大毒，具有解痉、止痛、平喘、安神之功效，有极高的药用价值^[3]。在藏药、维药中可用于治疗胃痛、神经痛等疾病^[4]；在印度传统医药阿育吠陀体系中，常用来治疗帕金森等神经系统类疾病^[5]。随着现代研究的深入，天仙子主要用于治疗神经类疾病，如帕金森病，此外还可用于癌症治疗^[6]。查阅国内外天仙子相关文献，发现其主要以种子入药，主要研究种子的化学成分分析、药理作用等方面，如利用 HPLC 法测定天仙子中东莨菪碱和莨菪碱的含量等^[7,8]；《神农本草经》《新修本草》等典籍记载以种子入药，《本草纲目》中记载以根和叶入药^[1,9]；《中国藏药植物资源考订》记载以种子入药，叶同效；2020版《中国药典》以种子入药；英国药典记载其入药部位为带花全草或叶、果实（种子）、花，也有记载以带花全草、种子、叶分别入药的。可见，目前国内外对天仙子药用部位的认识并不统一，因此，对天仙子不同部位的化学组分进行研究，可为天仙子资源的质量控制和合理开发利用奠定基础。

西藏位于青藏高原西南部，拥有青藏高原典型的高原地貌、气候特征和生态环境，这种特殊的自然环境孕育了丰富的药用植物资源，研究表明西藏药用植物中有效成分含量高于大部分地区，大多具有显著的药用功效，如西藏、山东、河南、山西、四川丹参中丹参酮ⅡA的含量分别为0.58%、0.23%、0.21%、0.11%、0.09%^[10,11]。国内天仙子种子中生物碱含量，以新疆最高，西藏次之，分别为0.14%、0.12%^[12]，其根和叶均含有莨菪碱和东莨菪碱^[13,14]。可见，西藏天仙子具有显著的药用价值，对其化学成分进行研究，可为我国天仙子资源的开发利用提供依据，而目前未见对西藏天仙子种子、根、叶、茎、果荚5个部位化学成分的比对研究。

天仙子以托品烷类生物碱为主要成分，与曼陀罗、山莨菪、颠茄等茄科植物一同作为托品烷类生物碱的主要来源，可用于治疗解痉、抗神经退行性疾病等。中医用药讲究药材的整体性，药效通常是多成分协同作用的效果，且同一药材不同部位的化学成分差异也可能导致其药效的差异，如王鹤辰等^[15]发现中药小蓟不同部位的抗炎、促凝血的药效存在差异，因此对中药材不同药用部位化学成分进行考察也至关重要，这有助于全面评估中药资源的价值。但关于天仙子药材质量的研究多局限于单一的化学成分，对天仙子其他部位的研究也很少，如2020年版《中国药典》仅收载种子，以莨菪碱和东莨菪碱的含量作为质量评价指标，其质量评价较片面。

红外光谱根据波长分为近红外、中红外和远红外光谱，中红外光谱区域对应基频振动跃迁，出现信号的概率最高，信号强度最强；近红外光谱区域属于合频和倍频振动跃迁，相较于中红外光谱出现信号的概率低，信号强度弱，且吸收峰更宽。中药的红外光谱是中药中所有化学组分吸收峰的叠加，这会导致许多特征吸收峰不明显，难以直接观测。因而，相较于近红外光谱，中红外光谱的指纹特征更明显，更适合中药的鉴别与分析。FT-IR具有简便、快速、无损、成本低等特点，能够系统、整体地反映中药化学成分特征，已广泛应用于中药真伪、不同部位的鉴别^[16,17]。因此，文章利用FT-IR仪分析西藏天仙子5个不同部位的中红外光谱特征，以托品烷生物碱为关键成分，研究不同部位化学成分分布差异，在保证药效的前提下，为天仙子不同部位的鉴别及其他药用部位的开发利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

DNF910C 送风定温恒温箱，Mettler MS105DU 精密电子天平，IKA M20 研磨机，Nicolet is 50 红外光谱仪，红外线灯。

溴化钾为光谱纯，样品采集于西藏自治区林芝市西藏农牧大学科技园，经西藏农牧大学兰小中教授鉴定为茄科植物天仙子（Hyoscyamus niger L.）。将采集的天仙子样品分为种子、根、茎、叶和果荚5个部分，60 ℃ 恒温干燥，粉碎，过9号药典筛（孔径0.075 mm），保存备用。

1.2 试验方法

称取200 mg 溴化钾粉末于玛瑙研钵中，充分研磨混匀，120 ℃ 烘箱中干燥30 min 后，置于直径为13 mm 的压片模具中，使分布均匀，手动加压至（0.8×10⁶） kPa，保持压力约2 min，撤去压力并放气后，取出制成的供试片，目视检测，片子呈透明状，放置红外光谱仪上采集背景。

取样品粉末约1 mg，溴化钾细粉约200 mg （与样品的比约为200:1）作为分散剂，置玛瑙研钵中，同上操作步骤制成样品片，其样品应分布均匀，无明显的颗粒状样品。按以下条件进行检测：光谱范围 4 000 ~ 400 cm^-1，分辨率4 cm^-1，扫描次数32次，取平均光谱，扫描时扣除H₂O和CO₂的干扰，以空气为背景，每个样品扫描3组。用 OMNIC 9.0 红外分析软件进行光谱图平滑降噪、基线校正、归一化处理，求导数得到二阶导数红外光谱图及原始红外光谱的相似度计算。用 OriginPro 2024 软件绘制各红外光谱图，IBM SPSS Statistics 29.0 对不同部位二阶导数红外光谱（1 800 ~ 600 cm^-1）聚类分析，以分析样品光谱特征、化学成分，探讨种子与其他4个部位样品的相似性和差异性。

2 结果与讨论

2.1 西藏天仙子及药材不同部位红外光谱

2.1.1 西藏天仙子及药材不同部位原始红外光谱分析

红外光谱图以波数（wave number，cm⁻¹）为横坐标，透过率（transmittance，T）或吸光度（absorbance，A）为纵坐标。根据朗伯-比尔定律，在一定范围内，红外光谱图中组分的含量与吸光度成正比。中药红外光谱是分析中药中化学组分的类别和含量，因此在绘制中药红外光谱图时通常以吸光度（A）为纵坐标。西藏天仙子及药材不同部位的原始红外光谱图和叠加光谱图如下。

从图2中可以发现天仙子种子、根、叶、茎和果荚5个部位的原始红外光谱存在明显差异，5个部位吸收峰的位置相似，但种子的吸收峰峰形和强度相较于其他4个部位尖锐且强。从天仙子不同部位红外叠加光谱来看，除种子和根外，天仙子叶、茎、果荚3个部位的红外光谱在主要吸收峰位、峰形上较为相似。天仙子不同部位红外光谱在3 441 ~ 3 444、2 921 ~ 2 926、2 851 ~ 2 854、1 741 ~ 1 746、1 651 ~ 1 659、1 317 ~ 1 322、1 053 ~ 1 060、724 ~ 781 cm^-1 附近存在共有吸收峰，对西藏天仙子5个部位的共有吸收峰归属进行统计，结果见表1。

天仙子的入药部位为种子，以莨菪碱和东莨菪碱等托品烷类生物碱（含量约为0.06% ~ 0.1%）为主要有效成分^[18]，根和叶中也存在莨菪碱和东莨菪碱（含量分别为0.04%、0.002%）^[13,14]，茎和果荚中莨菪类生物碱化合物含量未见报道。3 009 cm^-1 （烯烃C－H伸缩振动）、2 926 cm^-1 （亚甲基C－H反对称伸缩振动）、2 854 cm^-1 （亚甲基C－H对称伸缩振动）、1 745 cm^-1（酯羰基C=O伸缩振动）、724 cm^-1 [长链（ⁿC>4）的C－H弯曲振动]为植物油脂的归属峰，种子的吸收峰尖锐且强，其他4个部位的吸收峰宽且弱，说明天仙子种子含有大量植物油脂类成分，这与相关研究天仙子种子含有大量植物油脂（脂肪酸含量为35 ~ 36.5%）^[3]结果一致。3 009 cm^-1 （C－H伸缩振动）、3 441 ~ 3 444 cm^-1 （羟基O－H伸缩振动，醇羟基）、2 921 ~ 2 926 cm^-1 和2 851 ~ 2 854 cm^-1 （亚甲基C－H反对称伸缩及对称伸缩振动，托烷环脂肪链）、1 741 ~ 1 746 cm^-1 （酯羰基C=O伸缩振动，酯基）、1 651 ~ 1 659 cm^-1 （苯环骨架双键C=C伸缩振动）、1 317 ~ 1 322 cm^-1 （氮杂环C－N的伸缩振动）、724 ~ 781 cm^-1 （C－H面外弯曲振动）为托品烷类生物碱的特征峰归属，3 009、1 654、724、780 cm^-1 为苯环的典型吸收峰，1 745 cm^-1 为莨菪碱的特征吸收峰。天仙子不同部位的红外光谱图均符合托品烷类生物碱的特征吸收峰，表明其含有托品烷类生物碱。天仙子种子在相应位置的吸收峰强度明显较其他部位强，且峰形更尖锐，说明天仙子种子生物碱含量较其他部位高，这与相关研究一致。

2.1.2 西藏天仙子及药材不同部位原始红外光谱相似度

通过 OMNIC 9.0 软件对西藏天仙子5个不同部位的原始红外光谱进行相似度分析（表2）。天仙子及药材不同部位原始红外光谱的相似度范围在0.2 457 ~ 0.8 711，说明天仙子药材不同部位的化学成分存在差异。不同部位之间两两相比结果显示，种子和叶的相似度是种子与其他部位相似度中最高的，为0.4 368；种子和根的相似度最小，为0.2 457；根与茎的相似度最高，为0.8 711。

2.2 西藏天仙子及药材不同部位二阶导数红外光谱

中药红外光谱是中药中全部化学组分的叠加光谱，二阶导数光谱可将原本重叠的吸收峰分离，增强谱图特征性，进而增强谱图的表观分辨率，可用于鉴别原红外光谱上不易区分的相似样本。罗霄等^[19]通过麦冬二阶红外光谱实现了不同部位的快速鉴别，王磊等^[16]通过山茱萸的中红外光谱及二维相关红外光谱实现了对不同产地山茱萸药材的快速鉴别。

2.2.1 西藏天仙子及药材不同部位二阶导数红外光谱分析

图3为西藏天仙子不同部位的二阶导数红外光谱，特征区的红外光谱吸收峰少，叶、茎和果荚的吸收峰十分相似，不易区分；指纹区（1 800 ~ 600 cm^-1）5个部位的吸收峰明显，特征性强，因此对指纹区进行分析，以鉴别天仙子5个不同部位。由图4可知，天仙子5个不同部位在1 614 ~ 1 617、1 471 ~ 1 472、1 170 ~ 1 177、1 115 ~ 1 117 cm^-1 附近存在共有峰，对应的波数和峰形基本一致，其余位置的吸收峰峰形和峰强差异明显，表明天仙子不同部位的化合物组分类似，但不同组分含量有差异。除种子外，其他4个部位的峰形和波数差异相对较小，这可能是因为种子含有大量植物油脂化合物，影响了相关化学组分基团的振动，导致峰形和峰强差异明显。种子在1 752 cm^-1 附近吸收峰尖锐、强度最强，在1 327、1 285、920 cm^-1 附近的吸收峰宽、强度中等，其余部位在相应位置的吸收峰弱；1 752 cm^-1 处的强吸收峰为酯基特征吸收峰，说明种子中含酯类化合物的成分明显高于其他部位；1 471 cm^-1 附近种子吸收峰尖锐、强度强，1 380 cm^-1 附近种子吸收峰尖锐、强度中等，其他4个部位在1 471、1 380 cm^-1 附近的吸收峰较宽、强度弱，依据上述6组峰可区分种子与其他4个部位。在1 634、1 615 cm^-1 附近，种子和果荚为强度较强、尖锐的双峰（对称），叶和茎吸收峰强度较种子和果荚弱，且不对称，而根在1 632 cm^-1 处吸收峰不明显，以此可以区分根与种子、根与其他4个部位、种子和果荚与叶和茎。在1 387、1 170 cm^-1 附近，叶吸收峰不明显，以此可区分叶与其他4个部位。茎和果荚在785 cm^-1 附近的吸收峰，其他3个部位吸收峰不明显，且果荚吸收峰强度较茎强；根、叶和果荚在697 cm^-1 附近的吸收峰，种子和茎在相应的位置吸收峰不明显，以此可区分茎和果荚与种子、根和叶，种子和茎与根、叶和果荚。因此，依据二阶导数光谱指纹区吸收峰的特征，可以实现天仙子5个不同部位的鉴别。

2.2.2 西藏天仙子及药材不同部位二阶导数红外光谱相似度

由表3可知，天仙子及药材不同部位二阶导数红外光谱的相似度范围在0.0 813~0.7 537，不同部位的相似度均低于0.800，说明天仙子药材不同部位的化学成分存在明显差异。不同部位之间两两相比结果显示，种子和叶最相似，相似度为0.3 456；种子和根的差异最大，相似度仅为0.1 726；叶与茎的相似度最高，相似度为0.7 365，与原始红外光谱的结果基本一致。2020版《中国药典》记载以种子入药，《中国藏药植物资源考订》记载天仙子以种子入药，叶同效。结合天仙子不同部位原始红外光谱相似度分析结果，叶相较于其他部位最有潜力作为该药材的又一入药部位，这有利于药材资源的合理利用。

2.2.3 天仙子及药材不同部位二阶导数红外光谱系统聚类分析

利用 IBM SPSS Statistics 29.0 对天仙子不同部位的二阶导数红外光谱数据进行系统聚类分析研究，二阶导数光谱在指纹区（1 800 ~ 600 cm^-1）的聚类图见图5。天仙子的5个不同部位样品进行聚类分析，在距离1以内，茎和根聚为1类，其他3个部位各聚为1类。在距离5以内，样品合并为3类，茎和根聚为1类，果荚和叶聚为1类，种子自成1类。在距离8以内，样品合并为2类，种子自成1类，其他4个部位聚为1类。在欧式距离为25时，天仙子不同部位聚成1类。聚类分析表明，西藏天仙子种子与根、叶、茎和果荚的差异较大。

3 结论

天仙子与曼陀罗、山莨菪、颠茄等茄科植物一同作为托品烷类生物碱的主要来源，具有解痉、抗神经退行及保护心血管等药理作用^[3]。本文应用傅里叶变换红外光谱技术对天仙子种子、根、叶、茎和果荚5个不同部位的红外光谱及其二阶导数红外光谱进行比对分析，结果表明，天仙子种子和其他4个部位的光谱图存在明显差异，二阶导数光谱相似度在0.0 813 ~ 0.7 537，种子和叶最相似，相似度为0.3 456；聚类分析种子自成1类，表明天仙子种子与其他4个部位的化学组分存在明显差异。结合相似度分析结果，叶与其他部位的化学谱相似性相对较高，提示其可能具有与其他部位（尤其是种子）类似的化学物质基础，值得作为潜在的药用部位进行进一步的药效学与毒理学研究。5个不同部位二阶导数指纹区红外光谱分析结果表明，种子在1 752 cm^-1 附近吸收峰尖锐、强度最强，在1 327、1 285、920 cm^-1 附近的吸收峰宽、强度中等，其余部位在相应位置的吸收峰弱，以此可区分种子与其他4个部位。在1 634、1 615 cm^-1 附近，种子和果荚为强度较强、尖锐的双峰（对称），叶和茎吸收峰强度较种子和果荚弱，且不对称，而根在1 632 cm^-1 处吸收峰不明显，以此可以区分根与种子、根与其他4个部位、种子和果荚与叶和茎。在1 387、1 170 cm^-1 附近，叶吸收峰不明显，以此可区分叶与其他4个部位。茎和果荚在785 cm^-1 附近的吸收峰，其他3个部位吸收峰不明显，且果荚吸收峰强度较茎强；根、叶和果荚在697 cm^-1 附近的吸收峰，种子和茎在相应的位置吸收峰不明显，以此可区分茎和果荚与种子、根和叶，种子和茎与根、叶和果荚。因此，依据二阶导数光谱指纹区吸收峰的特征，可以实现天仙子5个不同部位的鉴别。本研究成果揭示了天仙子不同部位的化学信息，为不同部位鉴别提供了一种快速、简单、准确的方法，且为天仙子药材资源的质量控制与应用开发提供了依据。

参考文献

[1] 李军,门启鸣,于昕雯,等.天仙子的本草考证及炮制历史沿革研究[J].中华中医药学刊,2010,28(11):2381-2384.

[2] 陈连庚,冯陈波,杨燕云,等.天仙子和南天仙子两种药材显微鉴别研究[J].中华中医药学刊.2015.33(02):322-323.

[3] 张梦田,王俊香,梁晓东,等.天仙子化学成分及药理作用研究进展[J].中成药,2024.46(07):2321-2326.

[4] 陈琦,李元,刘向明,等.«中国药典»毒性药材及饮片在少数民族地区使用情况分析[J].亚太传统医药,2019,15(03):26-30.

[5] Banjari I, Marček T, Tomić S, et al. Forestalling the epidemics of Parkinson's disease through plant-based remedies[J]. Frontiers in Nutrition, 2018, 5: 95.

[6] 王敏,李俊松.天仙子药理作用研究概述[J].长春中医药大学学报,2003,(01):56-57.

[7] 李岩,孟庆勇,赵欣,等.HPLC法测定天仙子东莨菪碱和莨菪碱的含量[J].新疆医科大学学报,2015.38(01);64-66.

[8] Piatti D, Marconi R, Angeloni S, et al. Simultaneous quantification of hyoscyamine and scopolamine using HPLC-DAD in four Solanaceae: Hyoscyamus niger, Datura stramonium, Atropa belladonna and Mandragora officinarum [J]. Natural Product Research, 2025, 39(3): 438-443.

[9] 张强,杨志友,王鹤羽,等.中药天仙子用法用量本草考证[J].亚太传统医药,2019.15(02):76-78.

[10] 芮亚培,邱刚.HPLC法测定绒毛鼠尾草中丹参酮ⅡA含量及提取工艺优化[J].江苏农业科学,2013,41(05):252-254.

[11] 戴瑶瑶,闫滨滨,杨健,等.不同产地丹参药材丹参酮类成分与土壤因子的相关性研究[J].中国中药杂志,2024,49(07):1793-1801.

[12] 王学成,梁莹,徐汉明.中药洋金花和天仙子的质量鉴别分析[J].内蒙古中医药.2017.36(12):106-107.

[13] Ahmadpour R, Zanjani B M, Garoosi G, et al. Ultrasound-assisted extraction of scopolamine and hyoscyamine from Hyoscyamus niger roots using central compost design[J]. Heliyon, 2024, 10(19).

[14] Mousavizadeh F S, Sarlak N, Ghorbanpour M, et al. Rapid Detection and Determination of Scopolamine in the Leaf Extract of Black Henbane (Hyoscyamus niger L.) Plants Using a Novel Nanosensor[J]. Journal of AOAC International, 2022, 105(6): 1730-1740.

[15] 王鹤辰,包永睿,王帅,等.中药小蓟不同药用部位体外抗炎、促凝血的作用研究[J].世界科学技术-中医药现代化,2019.21(03):413-418.

[16] 王磊,陈园杰,栗磊,等.基于中红外光谱和二维相关红外对不同产地山茱萸快速鉴别[J].光谱学与光谱分析,2025,45(03):761-767.

[17] 裴莉昕,何江龙、纪宝玉,等.伏牛山阴坡和阳坡的野生淫羊藿不同部位的红外光谱特性[J].理化检验-化学分册,2024,60(10):1047-1054.

[18] Begum A S. Bioactive non-alkaloidal secondary metabolites of Hyoscyamus niger Linn. seeds: A review[J]. Research Journal of Seed Science, 2010, 3(4): 210-217.

[19] 罗霄,张兴国,李坤伦,等.中药麦冬及植株不同部位红外光谱特性的实验研究[J].时珍国医国药,2015,26(10):2422-2423.

基金资助

西藏自治区科技厅基地与人才项目(XZ202501JD0026)

第四次全国中药资源普查西藏自治区中（藏）药资源普查(20200501-542301)

西藏农牧学院林学博士点（一期）(533325001)

无机化学课程思政内容体系的建构及教学策略研究－以西藏农牧学院为例(JG-24170)