主成分分析法生成對照指紋圖譜

主成分分析法生成對照指紋圖譜

1指紋圖譜的主成分和測點選擇《中藥指紋手冊》作為一種有效的中醫(yī)真實性鑒定和質(zhì)量控制，已成為國內(nèi)外廣泛使用的中藥質(zhì)量評價方法。當獲取了一批指紋圖譜樣本后,需要對這些指紋圖譜樣本進行相似度分析和評價,以便用于中藥質(zhì)量控制。在相似度評價過程中,需要生成對照指紋圖譜。目前生成對照指紋圖譜的方法主要有典型指紋圖譜選擇法和共有模式法。典型指紋圖譜選擇法選擇一個具有典型意義或代表性的指紋圖譜作為對照指紋圖譜。然而這樣產(chǎn)生的對照指紋圖譜并沒有包含指紋圖譜樣本的總體信息,只是該樣本的個體特征,因此有時不一定能夠很好的代表指紋圖譜樣本的總體特征。而且典型指紋圖譜的選取也具有一定的主觀性。共有模式法包括均值法和中位數(shù)法兩種方法。這兩種方法生成的對照指紋圖譜包含了原始指紋圖譜的樣本信息,但其對信息的概括難以量化評價。為此,本文從概括和綜合原始指紋圖譜樣本總體信息的角度出發(fā),提出采用主成分分析方法生成對照指紋圖譜。該方法基于最小二乘原則,能夠盡可能多得保留和概括指紋圖譜樣本的總體信息,具有較好的信息優(yōu)化性質(zhì)。對可能存在的異常樣本能夠方便觀察和及時發(fā)現(xiàn),并采取措施消除異常樣本的影響。將該方法用于痛必定粉和梔子色譜對照指紋圖譜的生成,結(jié)果表明:主成分分析法產(chǎn)生的對照指紋圖譜與均值法和中位數(shù)法的結(jié)果非常相近,是一種生成對照指紋圖譜的有效方法。2t1.2.3復合多波長的對照指紋圖譜將得到的色譜指紋圖譜樣本排列成數(shù)據(jù)矩陣,然后進行主成分分解,過程如式(1)所示:[x11x21?xn1x12x22?xn2???x1px2p?xnp]=ΤV′=[t1t2?tn][v′1v′2?v′n](1)式(1)左邊的數(shù)據(jù)矩陣中列表示樣本(其中(x11,x12,……,x1p)′=x1表示一色譜指紋圖譜數(shù)據(jù)序列,x11,x12,…,x1p表示指紋圖譜的色譜峰強度,可以是峰高,也可以是峰面積。本文采用峰面積。符號“’”表示矩陣或向量的位置,n為指紋圖譜的樣本數(shù)),行表示變量(p即為匹配后色譜峰的數(shù)目)。T和V分別表示得分矩陣和負載矩陣。因第一主成分t1保留和概括原始指紋圖譜樣本的信息最多,因此我們將t1作為對照指紋圖譜。實際上,t1可表示成:t1=Xv1=v11x1+v21x2+?+vn1xn(2)由式(2)可見,t1是原始圖譜數(shù)據(jù)的線性組合,其中v11,v21……vn1可以看成指紋圖譜樣本x1,x2……xn相應的權(quán),是在使t1盡可能多得保留原始樣本信息的前提下自動產(chǎn)生的,具有客觀性。將t1作為對照指紋圖譜與其他樣本比較時,若采用相關(guān)系數(shù)和夾角余弦評價相似度,t1的模長不會影響評價結(jié)果。但若采用距離系數(shù)進行評價時,t1的模長與原始指紋圖譜樣本的模長不在同一數(shù)量級,對評價結(jié)果會產(chǎn)生一定影響。可以對t1進行加權(quán)平均處理,即:tn1=(v11x1+v21x2+?+vn1x3)/(v11+v21+?+vn1)(3)這樣處理后,各個樣本相應權(quán)的和為1,與均值法類似。對于包含多個波長信息的色譜指紋圖譜,也可采用同樣的方法產(chǎn)生多波長對照色譜指紋圖譜。以三波長梔子色譜指紋圖譜為例,將數(shù)據(jù)按式(4)排列成矩陣形式。λ1={[x11y11?z11???x1py1p?z1p]λ2={[x21y21?z21???x2py2p?z2p]λ1={[x31y31?z31???x3py3p?z3p]=ΤV′=[t1t2?tn][v′1v′2?v′n](4)式(4)中,λ1,λ2和λ3分別表示3個不同的檢測波長,數(shù)據(jù)矩陣的列表示指紋圖譜樣本,每個樣本包含了多個波長的指紋圖譜信息。然后進行主成分分解,得到的第一主成分即為包含多個波長信息的對照指紋圖譜。3材料和方法3.1梔子藥材、品種痛必定粉針樣品由長春中醫(yī)學院提供。乙腈(Merck,色譜純),2次重蒸水,三乙胺(分析純,北京益利精細化學品有限公司)。梔子藥材為茜草科植物梔子GardeniajasminoidesEllis.的干燥成熟果實(產(chǎn)于江西,西南交通大學藥學系張興國副教授鑒定);乙腈、甲醇(Fisher公司,色譜純),甲酸(北京第二化工廠,分析純),二次蒸餾水(自制)。3.2供試品溶液的配制痛必定粉針處理:取注射用痛必定粉針內(nèi)容物約0.125g,精密稱定,加水溶解于10mL量瓶中,并用水稀釋至刻度,搖勻,即得供試品溶液。梔子樣品的處理:取粉碎后的梔子果實粉末0.1g,加入甲醇25mL,超聲處理20min,放冷,過濾,濾液離心10min,取上清液即得。3.3儀器和分析條件3.3.1疼痛必測分析：采用dionexhplc、p804元泵、170sdad紫外檢測器、chromeleonclient6.01，密度447。phenonxlunaods-c18，250mm4.6mm，5m流速:0.5mL·min-1;進樣量:20μL;柱溫:25°C;流動相:A為乙腈,B為0.01%三乙胺水溶液,梯度條件見表1。3.3.2色譜工作及色譜圖島津LC-2010高效液相色譜儀:2010四元梯度泵,DAD檢測器,Class-vp6.01色譜工作站。PhenomenexLunaODS-C18,250mm×4.6mmID,5μm。流速:0.8mL·min-1;進樣量:10μL;柱溫:25°C;流動相:A為0.3%甲酸水溶液,B為甲醇和乙腈(9∶1)。梯度條件見表1。3.3.3吸收峰的確定痛必定的檢測波長為280nm。梔子的波長選取:根據(jù)DAD檢測器在200～600nm全波長掃描圖,結(jié)果表明:環(huán)烯醚萜苷類在239nm處有最大吸收;綠原酸在220、246和329nm有3個吸收峰,其中246nm處最弱,329nm處最強;梔子中的藏紅花素類在250～260nm、320～340nm、400～500nm有3個吸收峰,其中250～260nm處吸收最弱,在400～500nm處有強吸收。為了使各組分達到吸收強、受干擾小的目的,選擇在240nm測定環(huán)烯醚萜苷類物質(zhì),330nm測定綠原酸(綠原酸在246nm有吸收,故240nm的色譜圖上亦有綠原酸的峰,但吸收較弱),440nm測定藏紅花素類物質(zhì)。4結(jié)果與討論4.1指紋圖譜的對照本文選取痛必定粉針(樣本數(shù)11)和梔子3個不同波長下的色譜指紋圖譜(樣本數(shù)為10)進行對照指紋圖譜的研究(典型圖譜見圖1,(B)中小圖是240nm局部圖譜的放大,以突出指紋圖譜特征)。積分面積為量化指標,數(shù)據(jù)處理采用藥典委員會推薦的相似度計算軟件,于IBM-PC機上運行。4.2痛景觀指數(shù)法和主成分分析方法的比較方法步驟:1)將11個痛必定色譜指紋圖譜樣本色譜峰面積數(shù)據(jù)排列成矩陣形式,如(1)式所示。矩陣中列表示指紋圖譜樣本,行表示以保留時間先后順序排列的匹配好的色譜峰面積。2)對(1)式所示矩陣進行主成分分析,得到的各主成分(即t1,t2等)。3)將t1按(3)式進行加權(quán)平均處理,得到tn1即為痛必定對照指紋圖譜。圖2(A)所示了步驟2得到的各主成分對原始指紋圖譜數(shù)據(jù)信息的貢獻率?？梢?第一主成分(t1)可以解釋原始數(shù)據(jù)信息的97.7%,能夠代表原始指紋圖譜的樣本總體。表2列出了痛必定粉針對照指紋圖譜不同生成方法的相互比較結(jié)果。由表2可見,3種方法產(chǎn)生的對照指紋圖譜彼此相近,特別是均值法和主成分分析法,所得結(jié)果幾乎一致。表3給出了痛必定粉針對照指紋圖譜的不同生成方法對樣本相似度評價結(jié)果的影響。可見,3種對照指紋圖譜的生成方法對樣本的相似度評價影響較小,所得結(jié)果基本一致。4.3多波長梔子指紋圖譜檢測多波長梔子對照指紋圖譜的生成方法與痛必定粉針相近,只是在第1步構(gòu)造數(shù)據(jù)矩陣時有所不同,即首先將每個梔子樣本的3個波長的色譜峰面積數(shù)據(jù)串連成列向量,然后按(4)式排列成矩陣形式。同樣列表示樣本,行表示色譜峰面積。經(jīng)主成分分解得到包含多波長梔子指紋圖譜信息的各個主成分對原始圖譜信息的貢獻率如圖2(B)所示?？梢?第1主成分(t1)對原始數(shù)據(jù)信息具有較好的概括能力(貢獻率為97.8%),能夠代表多波長梔子指紋圖譜總體。將t1按(3)式處理后得到tn1,與均值法和中位數(shù)法得到的多波長梔子對照色譜指紋圖譜的比較結(jié)果列于表4?？梢?3種方法所得結(jié)果還是非常相近的。我們也考察了不同方法生成的多波長梔子對照指紋圖譜相似度評價結(jié)果的影響(詳見表5)。由表5可見,樣本的相似度評價結(jié)果總體上比較相近,其中距離系數(shù)的評價結(jié)果受生成方法的影響相對較大。4.4綠色樣本投影圖分析若樣本總體中含有異常樣本,均值法或中位數(shù)法生成對照指紋圖譜時不易直接發(fā)現(xiàn)可能存在的異常樣本,而主成分分析法在生成對照指紋圖譜的同時可以方便地觀察和發(fā)現(xiàn)可能存在的異常樣本。根據(jù)本文所述的基本原理(見式1和4),通過負載矩陣和對應的特征值得到的投影圖可以觀察樣本的空間分布。我們以梔子為例,采用數(shù)字模擬的方法模擬了一個樣本11,投影圖如圖3所示。由圖3可見,樣本11離其他樣本較為疏遠,與其他樣本的夾角余弦平均值為0.5907,可能為異常樣本。我們可先將其剔除,然后再生成對照指紋圖譜,以消