川黃柏中微量元素的主成分分析和聚類分析

1、川黃柏中微量元素的主成分分析和聚類分析        【摘要】     目的研究不同產(chǎn)地及生長年限川黃柏微量元素的含量及分布特征。方法采用ICP-AES法，對不同產(chǎn)地（巴中、宜賓與滎經(jīng)）的川黃柏中16種微量元素的含量及川黃柏不同生長年限元素含量的變化（滎經(jīng)）進(jìn)行測定，以微量元素含量為指標(biāo)，用SPSS主成分分析法和聚類分析法對川黃柏中的特征元素進(jìn)行分析。結(jié)果川黃柏的特征元素為Al，Ca，S，F(xiàn)e，Mn，Ni，Pb，Cd，不同產(chǎn)地川黃柏的微量元素呈現(xiàn)明顯的地域性差異。結(jié)

2、論為川黃柏藥材道地性研究及鑒定提供了科學(xué)依據(jù)。     【關(guān)鍵詞】  川黃柏 微量元素 ICP-AES 主成分分析 聚類分析    Principal Component Analysis and Cluster Analysis of Trace Elements in  Phellodendron chinense Schneid.XU Min, WAN Deguang(The Third People's Hospital of Chengdu，Chengdu 610031，Chi

3、na; Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, Chengdu 610072, China)Abstract:ObjectiveTo study the contents and distribution of trace elements of Phellodendron chinense Schneid. gathered in different growth years and from different habitats in Sichuan.  MethodsThe samples were determi

4、ned by means of ICP/AES. The principal components analysis and cluster analysis of SPSS were applied for the study of characteristic elements. ResultsThe analysis results showed that Al，Ca，S，F(xiàn)e，Mn，Ni，Pb，and Cd might be the characteristic elements in Phellodendron chinense Schneid. The results of clu

5、ster analysis showed that the samples could be clustered reasonably into three groups and the elemental distribution characteristics are related to the habitats of Phellodendron chinense Schneid.ConclusionThe results provide scientific basis for research and identification of Phellodendron chinense

6、Schneid.Key words:Phellodendron chinense Schneid.；  Trace elements；  ICP/AES；  Principal component analysis；  Cluster analysis    黃柏為蕓香科植物黃皮樹Phellodendron chinense Schneid.的干燥樹皮，習(xí)稱“川黃柏”，具有清熱燥濕、瀉火除蒸、解毒療瘡等功能1，是四川著名的道地藥材之一，臨床上應(yīng)用廣泛，在醫(yī)藥工業(yè)中作為提取小檗堿的原料之一。目前川黃柏道地性的研究主要集中在生物

7、堿含量上，多以黃柏藥材中某一成分的檢出與否作為鑒別手段，而通過川黃柏微量元素的分布規(guī)律對道地藥材地域性的研究報道較少，因此我們借助ICP-AES法和化學(xué)計量學(xué)等現(xiàn)代研究手段，進(jìn)一步研究川黃柏的道地性成因及有關(guān)因子對川黃柏內(nèi)在品質(zhì)的影響，為川黃柏規(guī)范化栽培技術(shù)研究、原產(chǎn)地保護(hù)以及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)提供理論依據(jù)。1  儀器與試藥1.1  儀器美國熱電儀器公司IRIS Advantage 1000 電感耦合等離子體光譜儀；韓國Human 公司 Human power純水處理系統(tǒng)；所有器皿均用20%硝酸浸泡，用高純水沖洗備用。1.2  試劑和標(biāo)準(zhǔn)溶液各單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液均購自國家標(biāo)準(zhǔn)

8、物質(zhì)中心；標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)楊樹葉（GBW07604）也購自國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心；電子級HNO3。其它試劑如HClO4均為優(yōu)級純。1.3  樣品來源滎經(jīng)產(chǎn)黃柏采自四川省滎經(jīng)縣，宜賓產(chǎn)黃柏委托宜賓市藥檢所彭章明采集，巴中產(chǎn)黃柏和市售黃柏（產(chǎn)自湖北）委托成都中醫(yī)大惠康中藥飲片有限公司 收購。樣品經(jīng)四川省藥品檢驗所黎躍成主任藥師鑒定為川黃柏。1.4  樣品前處理藥材清洗泥沙后，用自來水沖洗，再用去離子水沖洗，晾干，80烘干，6 h，粉碎過40目篩，再于80烘1 h，置干燥器中備用。2  方法    參照徐敏等川黃柏有效化學(xué)元素的分析研究（待發(fā)表）文中

9、方法。2.1   樣品處理方法將試樣在60下干燥后，準(zhǔn)確稱取0.5 g試樣，加入5 ml電子級HNO3，1 ml優(yōu)級純HClO4，低溫消解，過濾，定容至25 ml。同時處理空白試樣。2.2   ICP-AES測定工作條件RF功率 1 150W ；RF頻率 27M；輔助氣流量（L·min-1）：Low；載氣流量（L·min-1）或壓力（MPa）：27；冷卻氣流量（L·min-1）：20；樣品提升速率（ml·min-1）：2.0； 積分時間：10 s（>260 nm）,  15 s（2.3 

10、質(zhì)量控制分析選用國家一級標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)楊樹葉（GBW07604）按測定工作條件進(jìn)行質(zhì)控分析。結(jié)果見表1。    表1  楊樹葉（GBW07604）標(biāo)樣分析結(jié)果（略）從表1中可知，除個別元素外，測定值與標(biāo)準(zhǔn)值基本一致，說明本方法的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。3  方法與結(jié)果3.1   試樣分析將樣品按標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測試條件進(jìn)行試樣分析。結(jié)果見表2。結(jié)果表明，川黃柏中有益宏量元素的含量：鈣>磷>鎂；必需微量元素：鐵>錳>鋅>銅>釩>鉻>鎳；有害元素：微量元素鋁>鋇>鉛。表2 

11、; 川黃柏試樣分析結(jié)果（略）n=2;1-市售川黃柏  2-巴中川黃柏  3-宜賓川黃柏  4-滎經(jīng)川黃柏（6年生）  5-滎經(jīng)川黃柏（8年生）   6-滎經(jīng)川黃柏（10年生）表3   主成分分析初始解對原有變量總體描述（略）3.2  川黃柏微量元素的主成分分析從測定結(jié)果來看，不同產(chǎn)地、生長期的川黃柏中各種元素的含量數(shù)據(jù)離散，利用化學(xué)計量學(xué)中的主成分分析和模糊聚類方法進(jìn)行分析，可以把離散的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，以便對樣品的相似性進(jìn)行明確的評價。本研究應(yīng)用SPSS11.0統(tǒng)計軟件包中的因子分析程序，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)

12、準(zhǔn)化處理后進(jìn)行主成分分析和聚類分析。    計算16個變量之間的相關(guān)系數(shù)矩陣，結(jié)果表明大部分相關(guān)系數(shù)大于0.3，所有的變量都至少和一個不同變量線性相關(guān)。表3描述了主成分分析初始解對原有變量總體描述情況，從表3中可以看到總方差的94.1%的貢獻(xiàn)來自前3個主成分。表4，5分別是成分負(fù)荷矩陣和方差極大法對成分負(fù)荷矩陣旋轉(zhuǎn)后的結(jié)果，從表5 中可看到第1主成分和Al，S，Mn，Cd的高度正相關(guān)。第2主成分表現(xiàn)出和Ni，Pb的高度正相關(guān),和Ca，F(xiàn)e的高度負(fù)相關(guān).而總方差50%以上的貢獻(xiàn)來自第1和第2主成分,所以可以認(rèn)為Al，Ca，S，F(xiàn)e，Mn，Ni，Pb，Cd是川黃柏的特

13、征微量元素。     旋轉(zhuǎn)方法（Rotation Method）: Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化最大方差法（Varimax with Kaiser Normalization）3.3  數(shù)據(jù)預(yù)處理將Al，Ca，S，F(xiàn)e，Mn，Ni，Pb，Cd等8個特征微量元素的含量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本文采用 變換，即將Xij變?yōu)閆ij，計算公式如下。經(jīng)Z變換后的標(biāo)準(zhǔn)化值構(gòu)成一個新的數(shù)據(jù)陣Z(n×P)。    Zij=Xij-jSj,i=1,2,n,j=1,2,p    j=1nni=1Xij,Sj=1n-1ni=

14、1(Xij-j)2    式中，Zij為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的測定值，X為原始測定值，i，j分別表示數(shù)據(jù)矩陣中樣本的行列，n表示行數(shù)。各變量在分類過程中影響相同。表4  成分矩陣（略）表5  成分負(fù)荷矩陣（略）3.4  聚類分析將特征元素的標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果以平方歐氏距離為度量準(zhǔn)則、以組間連結(jié)法（between-group linkage）為組群合并準(zhǔn)則，用SPSS11.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。結(jié)果見圖1。圖1  川黃柏特征微量元素聚類分析圖    聚類分析結(jié)果：不同生長年限的滎經(jīng)產(chǎn)川黃柏聚為一類，與宜

15、賓、巴中產(chǎn)黃柏微量元素含量上差異較大，市售黃柏產(chǎn)自湖北而呈現(xiàn)出和川黃柏明顯的地域差異。4  小結(jié)    分析結(jié)果表明，川黃柏中有益宏量元素的含量：鈣>磷>鎂；必需微量元素：鐵>錳>鋅>銅>釩>鉻>鎳；有害元素：微量元素鋁>鋇>鉛。川黃柏中宏量元素鈣、磷、鎂和微量元素鐵、錳、鋅、銅及鉻對人體均起有益的作用，是不可缺少的必需元素。鋁、鋇、鉛未達(dá)致毒水平。    微量元素的分布及含量的差異是道地藥材的奧秘之一，種質(zhì)是影響道地藥材中微量元素含量的主要因素。不同產(chǎn)地、不同生長年限的川黃柏微量元素含量經(jīng)聚類分析后看出，不同生長年限的滎經(jīng)產(chǎn)川黃柏聚為一類，與宜賓、巴中產(chǎn)黃柏微量元素含量上差異較大，市售黃柏產(chǎn)自湖北和川黃柏地域差異更大，這說明了不同地域的川黃柏在微量元素含量上是有差異的，且這種差異又是有一定規(guī)律的，它能夠在一定程度上反映出道地藥材地域性差異，為川黃柏的道地性研究提供了一種新的方法。    主成分分析確定的特征元素Al