1、应用红外光谱分辨广玉兰叶与枇杷叶李叔元 上海市行知中学 上海 摘要：自然界中总有几种外形非常相似但功效作用截然不同的植物，仅通过肉眼难以识别其种类，由于枇杷叶和广玉兰叶外形过于相似，且生长区域相近，常有人误把广玉兰叶当作枇杷叶煮水，因此，作者采集大量数据并分析，运用红外光谱分析法精准高效分辨出二者。关键词：红外光谱分析、显微结构、枇杷叶、广玉兰叶应用红外光谱分辨广玉兰叶与枇杷叶1一、 研究背景不同的植物有不同的功效，药用价值与经济价值也差异巨大，要准确识别出各种植物需要大量的专业知识，对于一般人来讲，如何准确有效的识别各种植物呢？除了对植物叶片外形的识别，似乎没有更有效的方法。为了解决这个问题
2、，特研究本课题，旨在找出植物的内在差别，以后发展到利用手机摄像头及专用 APP 软件来准确识别不同的植物种类。由于作者尚处在高中阶段，无法做大量的专门的研究，故本文选择两种外形非常相似但功效作用截然不同的植物叶片，这两种植物仅通过外形难以准确区分，但在光谱的帮助下就会出现明显的不同。经过筛选，作者决定采用枇杷叶与广玉兰叶作为研究对象（此两种植物叶片，药用价值区别很大，在我国的北方地区也不常见这两种植物，所以用起来不容易分辨） ，如图 1 所示。如果取得阶段性成果，此方法再逐渐推广到所有植物，最终目的就是任何人拿出手机通过摄像头及软件就能准确识别所有的植物。图 1(a)枇杷叶图 1(b)广玉兰叶
3、二、 研究的目的和意义枇杷叶为蔷薇科植物枇杷的叶子，有清肺止咳，和胃利尿，止渴的功效；而广玉兰叶作为木兰科广玉兰的叶子，对人体无保健或治疗作用。相对一般市面药品、保健品而言，枇杷叶可以从树上直接采摘，无需额外花销，所以许多人在感冒咳嗽的时候选择去摘些枇杷叶煮水喝，以缓解或治疗疾病。但是由于枇杷叶和广玉兰叶外形过于相似，且生长区域相近，除非经验丰富者，否则很难通过外形辨别出来，故常有人误把广玉兰叶当作枇杷叶煮水，虽然广玉兰叶没有剧烈毒性，但是服用没有任何作用，应用红外光谱分辨广玉兰叶与枇杷叶2会耽误治疗，甚至误导食用者。现辨别二者的方法多是通过外形上极细微的差别来判断，普通人无法准确识别。分析广
4、玉兰和枇杷是两种不同的植物，应该在光谱曲线上有明显的区别，所以运用红外光谱可以精准高效分辨出二者，为人们提供简单、便利、准确的方法。三、 理论基础叶片的分子结构会影响叶片在红外波段的光谱曲线，枇杷叶主要含有挥发油、三萜类、倍半萜类、黄酮类；广玉兰叶主要含有生物碱、糖甙和倍半萜类。两者分子结构差异较大。查阅大量文献后发现，绿色植物叶片在红外波段的光谱曲线还受植物叶片结构控制1，显微结构和分子结构不同的叶片光谱曲线有明显差异，可以依据此曲线的差异来判断两种植物的叶片。枇杷叶和广玉兰叶显微结构如下23： 表 1 枇杷叶和广玉兰叶的显微结构特点枇 杷 叶 显 微 结 构 广 玉 兰 叶 显 微 结 构
5、上 表 皮 细 胞 扁 方 形 ， 外 线 厚 的 角 质 层 ；下 表 皮 有 少 量 非 腺 毛 ， 气 孔 也 可 见 。上 表 皮 细 胞 长 方 形 ， 露 在 空 气 一 面 发 生 角质 化 ， 由 两 层 细 胞 组 成 ， 下 表 皮 表 皮 毛 较多 ， 气 孔 居 多栅 栏 组 织 3-4列 细 胞 。 栅 栏 组 织 1-2层 细 胞海 绵 组 织 疏 松 海 绵 组 织 疏 松 ， 且 不 规 则主 脉 管 束 外 韧 型 ， 近 环 状 ， 中 柱 鞘 纤 维束 排 成 不 连 续 的 环 ， 周 围 有 薄 壁 细 胞 ，主 脉 及 叶 肉 中 均 散 有 粘 液
6、 细 胞 ， 并 含 草酸 钙 方 晶 及 族 晶 。主 脉 周 围 均 为 基 本 组 织 ， 有 螺 纹 导 管 ， 侧脉 周 围 有 一 层 厚 壁 细 胞应用红外光谱分辨广玉兰叶与枇杷叶3四、 实验仪器及数据采集方法4.1 实验仪器采用复享光纤光谱仪 NIR2500参数设定：积分时间 50；平均次数 20，平滑度 24.2 利用可见光谱在研究过程中得到工作站研究员王少伟老师的全力指导，原计划是使用可见光光谱分辨植物，后运用同一光谱仪分别测定新鲜枇杷叶（绿）与新鲜广玉兰叶（绿） ，发现读出数据所示曲线相差很小。然而这的确是两种不同植物，我认为理应有不同，在确定仪器正常后，在老师指导下发出
7、猜想：可见光光谱中的数据变化是否只与检测物表面颜色有关。于是又现场采摘新鲜月桂叶（绿） 、新鲜黄杨叶（绿） 、新鲜石楠叶（红）和枯石楠叶（黄） ，运用可见光光谱测定后发现月桂叶、黄杨叶数据与之前的枇杷叶、广玉兰叶数据曲线几乎一致，而新鲜石楠叶和枯石楠叶的数据则与其他不同，且各自不同，于是可以得出结论，可见光光谱数据变化只与检测物表面颜色有关由此可得可见光光谱曲线无法区分颜色相近的植物。在指导老师建议下采用近红外光谱分别测定广玉兰叶与枇杷叶，得到文章中的结果，即波长 1440.02nm1739.75nm 之间两种光谱曲线差异明显。依此能比较明显的区分出琵琶叶和广玉兰叶两种植物。4.3 利用红外光
8、谱对常见的枇杷叶和广玉兰叶进行大量采样，最终枇杷叶和广玉兰叶各选择 14 片叶子作为样品。同时由于一片叶子中黄酮的分布不均匀，数据可能会根据位置不同有所偏差；又因为叶片较大，于是将每一片叶子分割为 7 个样本小样逐一进行检测，以期各生长周期的叶片的每个位置都能被测量到并获得有效数据。这样枇杷叶和广玉兰叶就有了 14*7=98 个检测小样，波长选取 883.36nm 到 2636.37nm 之间，均匀地选取 256个波长点。在不同的波长下，对每个样本进行检测，得到数据总样。数据总样如下表应用红外光谱分辨广玉兰叶与枇杷叶42。表 2 样品测量光谱数据WaveLengthLightBK Sample
9、BKLightSourceWork 2 pp11 pp12 pp13 pp14883.36 19483.6 19483.6 429.25 180.4 15.75 155.95 154.09 166.67 167.73890.5 20523.4 20523.4 566.95 166.13 8.67 155.08 152.35 158.83 159.82897.63 19822.17 19822.17 545.89 166.54 9.41 149.66 147.23 154.63 156.43904.75 19490.84 19490.84 575.62 163.4 8.12 147.5 144.
10、94 151.76 153.44911.86 19837.61 19837.61 597.69 159.73 8.14 143.38 141.16 148.19 150.05918.97 19525.27 19525.27 622.97 154.8 8.14 139.76 137.47 145.26 145.97926.06 19004.82 19004.82 643.37 150.44 8.01 136.41 135.26 141.52 142.56933.15 20020.74 20020.74 708.03 145.03 9.02 132.74 130.93 136.79 138.619
11、40.23 20416.89 20416.89 773.77 136.8 8.88 126 125.47 130.63 132.39947.3 20012.93 20012.93 844.84 130.47 8.1 120.06 119.44 124.19 126.4954.36 19868.36 19868.36 921.53 123.32 8 114.24 113.67 117.3 120.34961.42 20379.31 20379.31 1024.95 117.65 7.54 109.17 108.23 111.99 114.65968.46 20161.55 20161.55 11
12、09.12 111.57 7.01 104.58 103.46 107.18 109.7975.5 20280.78 20280.78 1214.95 108.15 7.27 102.09 99.97 103.37 106.25982.53 20223.24 20223.24 1314.99 104.34 7.3 99.62 96.97 100.44 103.29989.56 19836.36 19836.36 1416.44 101.64 7.18 97.21 94.49 98 100.85996.57 19364.41 19364.41 1503.86 98.83 7.86 94.8 92
13、.12 95.61 98.531003.58 19973.82 19973.82 1623.17 96.12 7.84 92.03 89.36 92.57 95.481010.58 20022.06 20022.06 1726.09 93.11 7.68 89.4 86.65 89.73 92.761017.57 20579.37 20579.37 1880.48 89.74 7.84 86.42 83.71 86.9 89.851024.56 21157.36 21157.36 2040.45 86.73 7.78 84.19 81.58 84.47 87.71031.54 20706.42
14、 20706.42 2162.36 84.21 7.48 82.21 79.18 82.12 85.551038.51 20161.17 20161.17 2357.54 81.89 7.57 80.53 77.72 80.54 84.041045.47 20275.39 20275.39 2593.59 79.96 7.55 78.69 75.97 78.96 82.281052.43 19032.74 19032.74 2729.09 78.91 7.53 77.88 75.17 77.76 81.14应用红外光谱分辨广玉兰叶与枇杷叶5数据详见附表附属文件原始数据五、数据分析与结论对每个波
15、长下所测的数据进行分析。先对每个波长的所有样品的光强度取平均值，获得两种植物测量平均值曲线如图 3 所示。图 3 不同波长下枇杷叶与广玉兰叶的光谱图观察图 3，发现两种叶子在波长在 1440.02nm1739.75nm 下差异显著，因此对这个波段进行详细研究，截取图 3 中波长 1440.02nm1739.75nm 部分制成图 4，图 4 波长在 1440.02nm1739.75nm 下的光谱光谱图如图 4 所示。在这个波段期间两者光谱曲线差异非常明显，依此能比较明透射率 波长（nm）透射率 波长（nm）应用红外光谱分辨广玉兰叶与枇杷叶6显的区分出枇杷叶和广玉兰叶两种植物。数据分析详见附属文件
16、数 据整理分析。应用红外光谱分辨广玉兰叶与枇杷叶7六、 展望在肉眼下难以区分的两种植物叶子，在红外光谱曲线下，经过数据整理、分析就能找到其明显的差别，进而达到科学区分不同植物的目的。由此得到启发，各种植物的红外光谱是有差异的，每一种植物对应于一个特性光谱。属于不可见光的部分，无法被肉眼识别，但是手机能识别的波长范围较广，经过安装特殊软件的手机就应该可以识别近红外波段的波长。由于时间精力所限，研究只能暂时告一段落，下一步计划逐渐推广到 3 种甚至更多种植物，收集其红外光谱，并存储到数据库中。通过数据库比对，识别大部分常见的植物。最终，开发出合适的 APP 软件，装在手机上就能准确的识别各种植物。应用红外光谱分辨广玉兰叶与枇杷叶8参考文献1金仲辉. 绿色植物反射光谱的特征及其在监测农作物生长中的应用J. 物理, 1993, 22(11):673-6782骆海莺, 林远灿. 石楠叶与其混淆品枇杷叶的比较鉴别J. 海峡药学, 2013, 25(3):37-38.3柳占东, 乔秀琴, 齐桂莲 . 玉兰、荷花玉兰茎叶解剖特点J. 首都师范大学学报(自然科学版), 1986(2):39-42.
