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中药金礞石红外指纹图谱相似度分析

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2024年5月10日发(作者:燕晟睿)

第31卷,第10期 

2 0 1 1年1 0月 

光谱学与光谱分析 Vo1.31,No.10,pp2715—2718 

October,2011 Spectroscopy and Spectral Analysis 

中药金礞石红外指纹图谱相似度分析 

王 栋,王永禄,郭 啸,王益群,王伯涛 

南京工业大学药学院,江苏南京211816 

摘要分析金礞石红外指纹图谱的相似度,建立金礞石药材质量的红外指纹图谱评价方法。用傅里叶变 

换红外光谱仪测定金礞石药材样品的红外光谱,以共有模式建立金礞石的对照红外指纹图谱,采用相关系 

数法和夹角余弦法计算药材样品红外指纹图谱与对照指纹图谱的相似度。19件样品中,符合《中国药典》规 

定者红外指纹图谱与对照指纹图谱的相似度(相关系数法)均在0.94以上,不符合《中国药典》规定者,其相 

似度均在0.94以下;部分样品虽然来源符合中国药典规定,但根据传统经验鉴别认为质量较差者,其相似 

度值比质量较好者要低些。金礞石的红外指纹图谱可以用于金礞石药材的质量评价,其相似度值的大小可 

作为金礞石药材质量的评价指标。 

关键词金礞石;红外指纹图谱;相关系数;夹角余弦;相似度 

文献标识码:A DOI:10.3964/j.issn.1000—0593(2011)10—2715—04 中图分类号:0657.3 

究在金礞石药材红外吸收光谱的基础上,采用指纹图谱的分 

引 言 

金礞石为矿物中药,收载于历版《中国药典》,临床上多 

用于顽痰胶结,咳逆喘急,癫痫发狂,烦躁胸闷,惊风抽搐 

析方法,计算药材样品红外指纹图谱与对照指纹谱的相似 

度 ,以期探索金礞石的红外指纹图谱与药材质量之间的 

内在联系,可望建立金礞石的红外指纹图谱评价金礞石药材 

质量的方法。 

等症[1]。但就市场流通商品药材和临床应用的饮片来看,其 

质量差异明显,一定程度上影响了临床用药的安全有效性。 

而在目前,对金礞石药材的鉴定,仍然依赖于经验鉴别,缺 

1实验仪器及材料 

美国Nicolet iS10傅里叶变换红外光谱仪,天津天光光 

少具体的理化分析方法和测定指标,客观上为金礞石药材的 

纷杂状况提供了存在环境。金礞石的红外吸收光谱表现为典 

学仪器厂HY-12型红外压片机,玛瑙研钵。溴化钾(光谱 

纯),国药集团化学试剂有限公司。 

型的层状硅酸盐类红外光谱特征,可表征其基本化学结构和 

组成_2]。但不同的金礞石样品之间其红外吸收光谱的拓朴图 

形大体一致,直接用金礞石红外吸收光谱特征以评价药材的 

质量状况尚有一定困难。然而,药材的红外吸收光谱为其各 

种成分红外吸收的叠加,具有一定的指纹性[3],因此,本研 

金礞石药材收集于全国各地,共19批,均为市售商品。 

经外观性状和薄片显微鉴定及经验鉴别,其中4件样品不符 

合《中国药典》规定,l5件样品符合《中国药典》规定,其中6 

件样品质量较好。见表1。 

Table 1 List of samples information 

收稿日期:2010—12—11,修订日期:201卜04一O5 

基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2008BAI551300)资助 

作者简介:王栋,1986年生,南京工业大学药学院硕士研究生 

e-mail:hywbt@sina.CO1TI 

e-mail:dongwang86@163.CON 

*通讯联系人 

2716 光谱学与光谱分析 第31卷 

,。u玛雌皇目砷q是 

1 2 34 56 78 9Ol2 3 4 5 

1:“√”符合《中国药典》规定;“×”不符合《中国药典》规定;2:“☆”质量好。 

为特征值,根据各个数据点位置所对应的吸收强度值的差异 

2实验方法及结果 

取礞石样品细粉少量,至玛瑙研钵中,加KBr粉末做分 

散剂,研磨均匀,取适量研细后的粉末平铺于红外压片模具 

进行相似度的分析。这种计算方法可以最大限度地将不同样 

品吸收峰强度和位置的差异都体现出来,所得相似度的大小 

不仅反映了样品间化学成分上的差异,也反映了各自结构特 

点的不同。因此,极大地提高了样品问的可比性和比较分析 

的精度。 

有关中药指纹图谱相似度的计算方法【 ,目前常用的 

有两种:一种是相关系数法,另一种是向量夹角余弦法。利 

用相关系数可以确定两种属性之问的关系,也可以对不同批 

中,以20 MPa压力压制1 min,取出,对光检视,以样片均 

匀,半透光为佳。将制备好的样片置于红外光谱仪中测定红 

外光谱。测定区域为4 000 ̄400 cm~ ,扫描16次,分辨率4 

cm 。样品扫描完成后,通过仪器自带软件扣除背景,并进 

行基线校j} 和自动平滑处理。 

次样品的同种属性进行相似度比较,计算公式如下 

” 

金礞 样晶的红外光谱如图1。 

>:(Xi~X )(Yi~y1) 

相关系数一— =i=1========== 

/> ((x 一 ) ((Yi— ) ) 

向量夹角余弦法是将中药指纹谱数据视为多维空间中的 

向量,使指纹谱的相似性问题转化为多维空间中的两个向量 

问的相似性问题。目前在中药指纹图谱研究中较为常见,计 

算公式如下 

∑XiYi 

16 

夹角余弦 i=1 

l9 

以上两种计算方法各有特点,为了比较二者在全谱相似 

度分析方面的差异,本课题中红外图谱的相似度均采用两种 

方法计算。 

Fig.1 Infrared spectra of Lapis Micae Aureum samples 

l~10:JC01 ̄JClO,11~19:JSOl~JSo9 

4金礞石红外指纹图谱相似度分析 

4.1对照红外指纹图谱的建立 

相似度计算原理和方法 

以金礞百药材的整个红外光谱图为分析对象,对样品的 

全谱进行了相似度分析。即在计算时,并不是以部分明显的 

在进行相似度分析之前,先以共有模式建立金礞石的对 

照红外指纹图谱。选择外观性状符合《中国药典》规定,并且 

经传统经验鉴定质量较好的6批样品:JC01,JCO3,JC04, 

JCo7,JCo8和JCO9,以其吸收强度的平均值为对照指纹图 

吸收峰作为比较对象,而是将仪器所测定的每个数据点均作 

谱的吸收强度,最终得到的红外图谱如图2。 

第1O期 光谱学与光谱分析 2717 

u乌鼻lI昌砷垦-L 

∞ ∞ ∞ ∞ 蚰 ∞ 

3 400 2 900 2400 l 900 1 400 900 400 

Wave number/cm一 

Fig.2 Reference infrared spectra 

of Lapis Micae Aureum 

4.2样品指纹图谱相似度分析 

将金礞石样品的红外图谱与得到的对照红外指纹图谱进 

行相似度分析,分别采用相关系数法和夹角余弦法进行计 

算。结果见表2和表3。 

Table 2 Results of similarity of infrared spectra of 

samplse by correlation coefficient method 

1:按相关系数从大到小依次排列;2:“√”符合《中国药典》规定; 

“×”不符合《中国药典》规定;“☆”质量好。 

5结果与讨论 

5.1 采用相关系数法进行相似度分析可用于药材质量评价 

由表2和表3可以发现,用向量夹角余弦法计算相似度 

时,不同样品的计算结果极为接近,且与样品的质量状况没 

有明显的关系,不利于样品间的比较;而用相关系数法计算 

时,其结果则有较为明显的差异,且相似度的大小与样品的 

质量状况密切相关:经经验鉴定合格的样品,其红外图谱与 

对照图谱的相似度均在0.94以上,且经经验鉴别质量较好 

的6批样品,其相似度均大于0.98;经经验鉴定为伪品的4 

批样品,其相似度则小于0.94。可见采用相关系数法对金礞 

石红外指纹图谱进行全谱相似度分析时,其结果可以准确地 

反映出金礞石样品的实际质量状况,因此可用于药材的质量 

评价。 

Table 3 Results of similarity of infrared spectra of 

samplse by the included angle cosine method 

1:按向量夹角余弦从大到小依次排列;2:“√”符合《中国药典》规 

定;“x”不符合《中国药典》规定,“☆”质量好。 

5.2采用全谱分析法提高相似度分析结果准确度及样品间 

可比性 

目前对于中药指纹图谱的研究,以色谱图较为常 

见_g。 。中药色谱图所反映的是药材中成分及含量的信息, 

在进行相似度计算时通常先要进行谱峰匹配,然后以各色谱 

峰的强度或面积为比较对象,因此其相似度的大小可以体现 

出样品问化学成分和含量的差异情况。但是对于药材的红外 

光谱图,其吸收峰的强度与位置不仅与化学键类型有关,还 

反映了药材的结构特点。在对红外图谱进行相似度分析时, 

如果按照色谱图的处理方法进行计算,则会人为造成吸收峰 

信息的缺失,使得计算结果的准确性和可信度降低,不利于 

相似样品间的比较。目前中药材红外图谱的比较分析多采用 

共有峰率和变异峰率双指标序列分析法l1 ,主要是以吸收 

峰的有无来进行相似性评价,这种分析方法适用于吸收峰较 

为复杂的样品,对于吸收峰较少的样品则有一定的局限性。 

从金礞石的红外光谱图中可以看出,其吸收图谱拓扑结构简 

单,吸收峰较少,因此也不适用双峰指标法进行相似度评 

价。本研究采用全谱分析法,有效地避免了以上问题,提高 

了相似度分析结果的准确度和金礞石样品问的可比性。 

5.3两种相似度计算方法 

2718 光谱学与光谱分析 第31卷 

本研究所采用的两种相似度计算方法均较为简单,因此 

品图谱吸收强度值所占表格为B2 ̄B7470,对照指纹图谱吸 

收强度值所占表格为C2 ̄C7470,则用相关系数法计算相似 

度时,公式为:correl(B2:B7470,C2:C7470);采用夹角余弦 

法计算相似度时,公式为:sumproduct(B2:B7470,C2: 

C7470)/sqrt(sumsq(B2:B7470)*sumsq(C2:C7470))。对照 

可以利用Excel 2010的数据处理功能来实现。先通过仪器自 

带软件将红外光谱数据保存为“.CSV”格式,然后导入到Ex— 

ce1中,将吸收波数列为Excel表中第一列,以后各列依次为 

要计算的样品的吸收强度。由于样品的红外图谱均在相同的 

实验条件下得到,因此图谱中数据的取样点和取样频率是一 

指纹图谱的建立也可以用Excel的average函数进行计算。 

致的,不须再进行谱峰匹配,可直接用于相似度计算。如样 

[1]The Pharmacopoeia Commission of the People’s Republic of China(国家药典委员会).Chinese Pharmacopoeia of the People’s Republic of 

China Part 1(中华人民共和国药典一部).Beijing:Chemical Industry Press( ̄京:化学工业出版社),2010.207. 

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[103 ZHANG Yian—qiu,H()NG Jin-bo(张艳秋,洪金波).Chinese Traditional and Herbal Drugs(中草药),2007,38(7):1084. 

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志),2005,30(1):16. 

Similarity Analysis of FTIR of Lapis Micae Aureum 

WANG Dong,WANG Yong-lu,GU(1)Xiao,WANG Yi-qun,WANG Bo-tao 

School of Pharmaceutical ciSence,Nanjing University of Technology,Naniing 211816,China 

Abstract Similarity analysis of FrIR of Lapis Micae Aureum was carried out to find out the relationship between similarity of 

infrared spectra and the quality of medicine samples.and try to provide a new method for its quality assessment.FrIR was used 

to analyze Lapis Micae Aureum samples.Then 6 samples with good quality were picked up to establish a reference infrared spec— 

tra bv their infrared spectra.Correlation coefficient method and the included angle cosine method were used to calculate the simi一 

1arity between sample's infrared spectra and the reference infrared spectra.For all those 19 samples with characters in accord— 

ance with Ck P,the similarity is above 0.94,and for the others the similarity is 1ess than 0.94.AIthough some samples’source 

meets the requirement of Ch.P,but with poor quality by traditional experience,the similarity is lower than those of good quali— 

ty.It was concluded that the similarity of infrared spectra of Lapis Micae Aureum is closely related to the quality of medicines. 

As a resuh。similarity analysis of FrIR of Lapis Micae Aureum is reliable,and can be used for its quality assessment. 

Keywords Lapis Micae Aureum;FTIR;Correlation;Cosine;Similarity 

*Corresponding author (Received Dec.1l,2010;accepted Apr.5,2011) 

2024年5月10日发(作者:燕晟睿)

第31卷,第10期 

2 0 1 1年1 0月 

光谱学与光谱分析 Vo1.31,No.10,pp2715—2718 

October,2011 Spectroscopy and Spectral Analysis 

中药金礞石红外指纹图谱相似度分析 

王 栋,王永禄,郭 啸,王益群,王伯涛 

南京工业大学药学院,江苏南京211816 

摘要分析金礞石红外指纹图谱的相似度,建立金礞石药材质量的红外指纹图谱评价方法。用傅里叶变 

换红外光谱仪测定金礞石药材样品的红外光谱,以共有模式建立金礞石的对照红外指纹图谱,采用相关系 

数法和夹角余弦法计算药材样品红外指纹图谱与对照指纹图谱的相似度。19件样品中,符合《中国药典》规 

定者红外指纹图谱与对照指纹图谱的相似度(相关系数法)均在0.94以上,不符合《中国药典》规定者,其相 

似度均在0.94以下;部分样品虽然来源符合中国药典规定,但根据传统经验鉴别认为质量较差者,其相似 

度值比质量较好者要低些。金礞石的红外指纹图谱可以用于金礞石药材的质量评价,其相似度值的大小可 

作为金礞石药材质量的评价指标。 

关键词金礞石;红外指纹图谱;相关系数;夹角余弦;相似度 

文献标识码:A DOI:10.3964/j.issn.1000—0593(2011)10—2715—04 中图分类号:0657.3 

究在金礞石药材红外吸收光谱的基础上,采用指纹图谱的分 

引 言 

金礞石为矿物中药,收载于历版《中国药典》,临床上多 

用于顽痰胶结,咳逆喘急,癫痫发狂,烦躁胸闷,惊风抽搐 

析方法,计算药材样品红外指纹图谱与对照指纹谱的相似 

度 ,以期探索金礞石的红外指纹图谱与药材质量之间的 

内在联系,可望建立金礞石的红外指纹图谱评价金礞石药材 

质量的方法。 

等症[1]。但就市场流通商品药材和临床应用的饮片来看,其 

质量差异明显,一定程度上影响了临床用药的安全有效性。 

而在目前,对金礞石药材的鉴定,仍然依赖于经验鉴别,缺 

1实验仪器及材料 

美国Nicolet iS10傅里叶变换红外光谱仪,天津天光光 

少具体的理化分析方法和测定指标,客观上为金礞石药材的 

纷杂状况提供了存在环境。金礞石的红外吸收光谱表现为典 

学仪器厂HY-12型红外压片机,玛瑙研钵。溴化钾(光谱 

纯),国药集团化学试剂有限公司。 

型的层状硅酸盐类红外光谱特征,可表征其基本化学结构和 

组成_2]。但不同的金礞石样品之间其红外吸收光谱的拓朴图 

形大体一致,直接用金礞石红外吸收光谱特征以评价药材的 

质量状况尚有一定困难。然而,药材的红外吸收光谱为其各 

种成分红外吸收的叠加,具有一定的指纹性[3],因此,本研 

金礞石药材收集于全国各地,共19批,均为市售商品。 

经外观性状和薄片显微鉴定及经验鉴别,其中4件样品不符 

合《中国药典》规定,l5件样品符合《中国药典》规定,其中6 

件样品质量较好。见表1。 

Table 1 List of samples information 

收稿日期:2010—12—11,修订日期:201卜04一O5 

基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2008BAI551300)资助 

作者简介:王栋,1986年生,南京工业大学药学院硕士研究生 

e-mail:hywbt@sina.CO1TI 

e-mail:dongwang86@163.CON 

*通讯联系人 

2716 光谱学与光谱分析 第31卷 

,。u玛雌皇目砷q是 

1 2 34 56 78 9Ol2 3 4 5 

1:“√”符合《中国药典》规定;“×”不符合《中国药典》规定;2:“☆”质量好。 

为特征值,根据各个数据点位置所对应的吸收强度值的差异 

2实验方法及结果 

取礞石样品细粉少量,至玛瑙研钵中,加KBr粉末做分 

散剂,研磨均匀,取适量研细后的粉末平铺于红外压片模具 

进行相似度的分析。这种计算方法可以最大限度地将不同样 

品吸收峰强度和位置的差异都体现出来,所得相似度的大小 

不仅反映了样品间化学成分上的差异,也反映了各自结构特 

点的不同。因此,极大地提高了样品问的可比性和比较分析 

的精度。 

有关中药指纹图谱相似度的计算方法【 ,目前常用的 

有两种:一种是相关系数法,另一种是向量夹角余弦法。利 

用相关系数可以确定两种属性之问的关系,也可以对不同批 

中,以20 MPa压力压制1 min,取出,对光检视,以样片均 

匀,半透光为佳。将制备好的样片置于红外光谱仪中测定红 

外光谱。测定区域为4 000 ̄400 cm~ ,扫描16次,分辨率4 

cm 。样品扫描完成后,通过仪器自带软件扣除背景,并进 

行基线校j} 和自动平滑处理。 

次样品的同种属性进行相似度比较,计算公式如下 

” 

金礞 样晶的红外光谱如图1。 

>:(Xi~X )(Yi~y1) 

相关系数一— =i=1========== 

/> ((x 一 ) ((Yi— ) ) 

向量夹角余弦法是将中药指纹谱数据视为多维空间中的 

向量,使指纹谱的相似性问题转化为多维空间中的两个向量 

问的相似性问题。目前在中药指纹图谱研究中较为常见,计 

算公式如下 

∑XiYi 

16 

夹角余弦 i=1 

l9 

以上两种计算方法各有特点,为了比较二者在全谱相似 

度分析方面的差异,本课题中红外图谱的相似度均采用两种 

方法计算。 

Fig.1 Infrared spectra of Lapis Micae Aureum samples 

l~10:JC01 ̄JClO,11~19:JSOl~JSo9 

4金礞石红外指纹图谱相似度分析 

4.1对照红外指纹图谱的建立 

相似度计算原理和方法 

以金礞百药材的整个红外光谱图为分析对象,对样品的 

全谱进行了相似度分析。即在计算时,并不是以部分明显的 

在进行相似度分析之前,先以共有模式建立金礞石的对 

照红外指纹图谱。选择外观性状符合《中国药典》规定,并且 

经传统经验鉴定质量较好的6批样品:JC01,JCO3,JC04, 

JCo7,JCo8和JCO9,以其吸收强度的平均值为对照指纹图 

吸收峰作为比较对象,而是将仪器所测定的每个数据点均作 

谱的吸收强度,最终得到的红外图谱如图2。 

第1O期 光谱学与光谱分析 2717 

u乌鼻lI昌砷垦-L 

∞ ∞ ∞ ∞ 蚰 ∞ 

3 400 2 900 2400 l 900 1 400 900 400 

Wave number/cm一 

Fig.2 Reference infrared spectra 

of Lapis Micae Aureum 

4.2样品指纹图谱相似度分析 

将金礞石样品的红外图谱与得到的对照红外指纹图谱进 

行相似度分析,分别采用相关系数法和夹角余弦法进行计 

算。结果见表2和表3。 

Table 2 Results of similarity of infrared spectra of 

samplse by correlation coefficient method 

1:按相关系数从大到小依次排列;2:“√”符合《中国药典》规定; 

“×”不符合《中国药典》规定;“☆”质量好。 

5结果与讨论 

5.1 采用相关系数法进行相似度分析可用于药材质量评价 

由表2和表3可以发现,用向量夹角余弦法计算相似度 

时,不同样品的计算结果极为接近,且与样品的质量状况没 

有明显的关系,不利于样品间的比较;而用相关系数法计算 

时,其结果则有较为明显的差异,且相似度的大小与样品的 

质量状况密切相关:经经验鉴定合格的样品,其红外图谱与 

对照图谱的相似度均在0.94以上,且经经验鉴别质量较好 

的6批样品,其相似度均大于0.98;经经验鉴定为伪品的4 

批样品,其相似度则小于0.94。可见采用相关系数法对金礞 

石红外指纹图谱进行全谱相似度分析时,其结果可以准确地 

反映出金礞石样品的实际质量状况,因此可用于药材的质量 

评价。 

Table 3 Results of similarity of infrared spectra of 

samplse by the included angle cosine method 

1:按向量夹角余弦从大到小依次排列;2:“√”符合《中国药典》规 

定;“x”不符合《中国药典》规定,“☆”质量好。 

5.2采用全谱分析法提高相似度分析结果准确度及样品间 

可比性 

目前对于中药指纹图谱的研究,以色谱图较为常 

见_g。 。中药色谱图所反映的是药材中成分及含量的信息, 

在进行相似度计算时通常先要进行谱峰匹配,然后以各色谱 

峰的强度或面积为比较对象,因此其相似度的大小可以体现 

出样品问化学成分和含量的差异情况。但是对于药材的红外 

光谱图,其吸收峰的强度与位置不仅与化学键类型有关,还 

反映了药材的结构特点。在对红外图谱进行相似度分析时, 

如果按照色谱图的处理方法进行计算,则会人为造成吸收峰 

信息的缺失,使得计算结果的准确性和可信度降低,不利于 

相似样品间的比较。目前中药材红外图谱的比较分析多采用 

共有峰率和变异峰率双指标序列分析法l1 ,主要是以吸收 

峰的有无来进行相似性评价,这种分析方法适用于吸收峰较 

为复杂的样品,对于吸收峰较少的样品则有一定的局限性。 

从金礞石的红外光谱图中可以看出,其吸收图谱拓扑结构简 

单,吸收峰较少,因此也不适用双峰指标法进行相似度评 

价。本研究采用全谱分析法,有效地避免了以上问题,提高 

了相似度分析结果的准确度和金礞石样品问的可比性。 

5.3两种相似度计算方法 

2718 光谱学与光谱分析 第31卷 

本研究所采用的两种相似度计算方法均较为简单,因此 

品图谱吸收强度值所占表格为B2 ̄B7470,对照指纹图谱吸 

收强度值所占表格为C2 ̄C7470,则用相关系数法计算相似 

度时,公式为:correl(B2:B7470,C2:C7470);采用夹角余弦 

法计算相似度时,公式为:sumproduct(B2:B7470,C2: 

C7470)/sqrt(sumsq(B2:B7470)*sumsq(C2:C7470))。对照 

可以利用Excel 2010的数据处理功能来实现。先通过仪器自 

带软件将红外光谱数据保存为“.CSV”格式,然后导入到Ex— 

ce1中,将吸收波数列为Excel表中第一列,以后各列依次为 

要计算的样品的吸收强度。由于样品的红外图谱均在相同的 

实验条件下得到,因此图谱中数据的取样点和取样频率是一 

指纹图谱的建立也可以用Excel的average函数进行计算。 

致的,不须再进行谱峰匹配,可直接用于相似度计算。如样 

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Similarity Analysis of FTIR of Lapis Micae Aureum 

WANG Dong,WANG Yong-lu,GU(1)Xiao,WANG Yi-qun,WANG Bo-tao 

School of Pharmaceutical ciSence,Nanjing University of Technology,Naniing 211816,China 

Abstract Similarity analysis of FrIR of Lapis Micae Aureum was carried out to find out the relationship between similarity of 

infrared spectra and the quality of medicine samples.and try to provide a new method for its quality assessment.FrIR was used 

to analyze Lapis Micae Aureum samples.Then 6 samples with good quality were picked up to establish a reference infrared spec— 

tra bv their infrared spectra.Correlation coefficient method and the included angle cosine method were used to calculate the simi一 

1arity between sample's infrared spectra and the reference infrared spectra.For all those 19 samples with characters in accord— 

ance with Ck P,the similarity is above 0.94,and for the others the similarity is 1ess than 0.94.AIthough some samples’source 

meets the requirement of Ch.P,but with poor quality by traditional experience,the similarity is lower than those of good quali— 

ty.It was concluded that the similarity of infrared spectra of Lapis Micae Aureum is closely related to the quality of medicines. 

As a resuh。similarity analysis of FrIR of Lapis Micae Aureum is reliable,and can be used for its quality assessment. 

Keywords Lapis Micae Aureum;FTIR;Correlation;Cosine;Similarity 

*Corresponding author (Received Dec.1l,2010;accepted Apr.5,2011) 

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