川黄柏中微量元素的主成分分析和聚类分析

【摘要】 　　目的研究不同产地及生长年限川黄柏微量元素的含量及分布特征。方法采用ICP-AES法，对不同产地（巴中、宜宾与荥经）的川黄柏中16种微量元素的含量及川黄柏不同生长年限元素含量的变化（荥经）进行测定，以微量元素含量为指标，用SPSS主成分分析法和聚类分析法对川黄柏中的特征元素进行分析。结果川黄柏的特征元素为Al，Ca，S，Fe，Mn，Ni，Pb，Cd，不同产地川黄柏的微量元素呈现明显的地域性差异。结论为川黄柏药材道地性研究及鉴定提供了科学依据。

【关键词】 川黄柏 微量元素 ICP-AES 主成分分析 聚类分析

　　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 determined 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，Fe，Mn，Ni，Pb，and Cd might be the characteristic elements in Phellodendron chinense Schneid. The results of cluster 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 Schneid..

　　Key words:Phellodendron chinense Schneid.； Trace elements； ICP/AES； Principal component analysis； Cluster analysis

　　黄柏为芸香科植物黄皮树Phellodendron chinense Schneid.的干燥树皮，习称“川黄柏”，具有清热燥湿、泻火除蒸、解毒疗疮等功能［1］，是四川著名的道地药材之一，临床上应用广泛，在医药工业中作为提取小檗碱的原料之一。目前川黄柏道地性的研究主要集中在生物碱含量上，多以黄柏药材中某一成分的检出与否作为鉴别手段，而通过川黄柏微量元素的分布规律对道地药材地域性的研究报道较少，因此我们借助ICP-AES法和化学计量学等现代研究手段，进一步研究川黄柏的道地性成因及有关因子对川黄柏内在品质的影响，为川黄柏规范化栽培技术研究、原产地保护以及产业化开发提供理论依据。

　　1 仪器与试药

　　1.1 仪器美国热电仪器公司IRIS Advantage 1000 电感耦合等离子体光谱仪；韩国Human 公司 Human powerⅢ纯水处理系统；所有器皿均用20%硝酸浸泡，用高纯水冲洗备用。

　　1.2 试剂和标准溶液各单元素标准溶液均购自国家标准物质中心；标准参考物质杨树叶（GBW07604）也购自国家标准物质中心；电子级HNO3。其它试剂如HClO4均为优级纯。

　　1.3 样品来源荥经产黄柏采自四川省荥经县，宜宾产黄柏委托宜宾市药检所彭章明采集，巴中产黄柏和市售黄柏（产自湖北）委托成都中医大惠康中药饮片有限公司 收购。样品经四川省药品检验所黎跃成主任药师鉴定为川黄柏。

　　1.4 样品前处理药材清洗泥沙后，用自来水冲洗，再用去离子水冲洗，晾干，80℃烘干，6 h，粉碎过40目筛，再于80℃烘1 h，置干燥器中备用。

　　2 方法

　　参照徐敏等《川黄柏有效化学元素的分析研究》（待发表）文中方法。

　　2.1 样品处理方法将试样在60℃下干燥后，准确称取0.5 g试样，加入5 ml电子级HNO3，1 ml优级纯HClO4，低温消解，过滤，定容至25 ml。同时处理空白试样。

　　2.2 ICP-AES测定工作条件RF功率 1 150W ；RF频率 27M；辅助气流量（L·min-1）：Low；载气流量（L·min-1）或压力（MPa）：27；冷却气流量（L·min-1）：20；样品提升速率（ml·min-1）：2.0； 积分时间：10 s（>260 nm）, 15 s（<265 nm）

　　2.3 质量控制分析选用国家一级标准参考物质杨树叶（GBW07604）按测定工作条件进行质控分析。结果见表1。

　　表1 杨树叶（GBW07604）标样分析结果（略）

　　从表1中可知，除个别元素外，测定值与标准值基本一致，说明本方法的测量数据准确、可靠。

　　3 方法与结果

　　3.1 试样分析将样品按标准物质的测试条件进行试样分析。结果见表2。结果表明，川黄柏中有益宏量元素的含量：钙>磷>镁；必需微量元素：铁>锰>锌>铜>钒>铬>镍；有害元素：微量元素铝>钡>铅。

　　表2 川黄柏试样分析结果（略）

　　n=2;1-市售川黄柏 2-巴中川黄柏 3-宜宾川黄柏 4-荥经川黄柏（6年生） 5-荥经川黄柏（8年生） 6-荥经川黄柏（10年生）

　　表3 主成分分析初始解对原有变量总体描述（略）

　　3.2 川黄柏微量元素的主成分分析从测定结果来看，不同产地、生长期的川黄柏中各种元素的含量数据离散，利用化学计量学中的主成分分析和模糊聚类方法进行分析，可以把离散的数据标准化处理，以便对样品的相似性进行明确的评价。本研究应用SPSS11.0统计软件包中的因子分析程序，对原始数据进行标准化处理后进行主成分分析和聚类分析。

计算16个变量之间的相关系数矩阵，结果表明大部分相关系数大于0.3，所有的变量都至少和一个不同变量线性相关。表3描述了主成分分析初始解对原有变量总体描述情况，从表3中可以看到总方差的94.1%的贡献来自前3个主成分。表4，5分别是成分负荷矩阵和方差极大法对成分负荷矩阵旋转后的结果，从表5 中可看到第1主成分和Al，S，Mn，Cd的高度正相关。第2主成分表现出和Ni，Pb的高度正相关,和Ca，Fe的高度负相关.而总方差50%以上的贡献来自第1和第2主成分,所以可以认为Al，Ca，S，Fe，Mn，Ni，Pb，Cd是川黄柏的特征微量元素。

　　旋转方法（Rotation Method）: Kaiser标准化最大方差法（Varimax with Kaiser Normalization）
　　3.3 数据预处理将Al，Ca，S，Fe，Mn，Ni，Pb，Cd等8个特征微量元素的含量进行标准化处理。本文采用Ｚ 变换，即将Xij变为Zij，计算公式如下。经Z变换后的标准化值构成一个新的数据阵Z(n×P)。

　　Zij=Xij-jSj,i=1,2,…,n,,j=1,2,…,p

　　j=1nni=1Xij,Sj=1n-1ni=1(Xij-j)2

　　式中，Zij为标准化处理后的测定值，X为原始测定值，i，j分别表示数据矩阵中样本的行列，n表示行数。各变量在分类过程中影响相同。

　　表4 成分矩阵（略）

　　表5 成分负荷矩阵（略）

　　3.4 聚类分析将特征元素的标准化处理结果以平方欧氏距离为度量准则、以组间连结法（between-group linkage）为组群合并准则，用SPSS11.0统计软件进行系统聚类分析。结果见图1。

　　图1 川黄柏特征微量元素聚类分析图

　　聚类分析结果：不同生长年限的荥经产川黄柏聚为一类，与宜宾、巴中产黄柏微量元素含量上差异较大，市售黄柏产自湖北而呈现出和川黄柏明显的地域差异。

　　4 小结

　　分析结果表明，川黄柏中有益宏量元素的含量：钙>磷>镁；必需微量元素：铁>锰>锌>铜>钒>铬>镍；有害元素：微量元素铝>钡>铅。川黄柏中宏量元素钙、磷、镁和微量元素铁、锰、锌、铜及铬对人体均起有益的作用，是不可缺少的必需元素。铝、钡、铅未达致毒水平。

　　微量元素的分布及含量的差异是道地药材的奥秘之一，种质是影响道地药材中微量元素含量的主要因素。不同产地、不同生长年限的川黄柏微量元素含量经聚类分析后看出，不同生长年限的荥经产川黄柏聚为一类，与宜宾、巴中产黄柏微量元素含量上差异较大，市售黄柏产自湖北和川黄柏地域差异更大，这说明了不同地域的川黄柏在微量元素含量上是有差异的，且这种差异又是有一定规律的，它能够在一定程度上反映出道地药材地域性差异，为川黄柏的道地性研究提供了一种新的方法。

　　主成分分析确定的特征元素Al，Ca，S，Fe，Mn，Ni，Pb，Cd为进一步建立川黄柏无机元素指纹图谱提供了重要依据。聚类分析对多个指标的综合效应作出评价，在没有先验知识的情况下进行分类的，可以使数据结果更具有客观性，从而使其分类结果更科学。因此本研究从微量元素的角度为川黄柏药材道地性研究及鉴定的深入研究提供了科学依据。

【参考文献】
　　［1］ 国家药典委员会.中国药典，Ⅰ部［S ］.北京：化学工业出版社，2005：214.