电感耦合等离子体原子发射光谱法测定不同产地山银花金属元素主成分及其聚类分析

申丽娟，丁恩俊，谢德体,*，陈 岗，吴 振

（1.西南大学资源环境学院，重庆 400716；2.西南大学图书馆，重庆 400716；3.重庆市中药研究院，重庆 400065）

电感耦合等离子体原子发射光谱法测定不同产地山银花金属元素主成分及其聚类分析

申丽娟1，丁恩俊2，谢德体1,*，陈 岗3，吴 振3

（1.西南大学资源环境学院，重庆 400716；2.西南大学图书馆，重庆 400716；3.重庆市中药研究院，重庆 400065）

采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪，对全国7个主要产地的26个山银花样品中的10种金属元素的含量进行定量分析，应用主成分分析和聚类分析对山银花资源中金属元素进行评价。结果表明：Pb、As、Fe、Ca、Zn、Mg、Mn、Cu、Cd、Cr的平均含量分别为0.25、0.065、77.9、3 277.1、31.0、2 244.7、319.9、14.6、0.31、0.217 mg/kg；主成分分析得出3因子模型，可解释实验数据的88.58%；主成分分析将26个山银花样品划分为4类，聚类分析显示了相似的结果。研究得出山银花中金属元素的含量分布特征，为山银花资源的品质评价和质量控制提供实验依据。

山银花；金属元素；主成分分析；聚类分析；电感耦合等离子体发射光谱

山银花（Flos Lonicerae）是灰毡毛忍冬（Lonicera macranthoides Hand.）、红腺忍冬（Lonicera hypoglauca Miq.）和华南忍冬（Lonicera confusa DC.）或黄褐毛忍冬（Lonicera fulvotomentosa Hsuet S. C. Cheng）的干燥花蕾或带初开的花[1]。山银花为2010年中国药典收载品种金银花项下分离出的新增品种[2-3]。山银花具有清热解毒、凉散风热的功效，常用于治疗痈肿疔疮、喉痹、热毒血痢、风热感冒、温病发热等[1]，同时山银花还是重要的食品和保健品原料。国内外研究[4-5]发现产地环境对山银花的活性成分（如绿原酸等）含量影响较大，但未将其金属元素纳入被影响因素进行分析。金属元素作为食品和医药资源的药性物质基础的重要组成部分，对食品和医药的活性起着关键作用[5-6]。

通过物理学、化学和生物学方法，分析植物资源的微量元素组成、功效成分、同位素含量与比率、DNA图谱等特征成分或指标，结合化学计量学研究，可建立起区分食用资源产地来源的特征指纹图谱[7-12]。电感耦合等离子体原子发射光谱（inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry，ICP-AES）仪，可测定可食用植物资源中痕量和超痕量的金属或非金属元素，由于其检测限低、分析速度快、可多元素同时分析等优点而备受研究者青睐[13-14]。由于各产地环境的不同（如地质、气候、栽培方式等），植物资源元素组成也不同；利用ICPAES结合化学计量学方法评价植物资源特有的元素指纹数据，可以达到原产地保护的目的[15]。目前，化学计量方法结合ICP-AES技术已广泛应用于保健食品和农产品质量评价领域[16-18]。主成分分析（principal component analysis，PCA）是将多个指标化为少数几个综合指标的一种统计分析方法，它可以起到降维作用，用少数几个综合指标来反映大量原始指标的主要信息，从而使问题简化[19-20]。

本研究采用ICP-AES测定不同产地山银花资源中Pb、As、Fe、Ca、Zn、Mg、Mn、Cu、Cd、Cr的含量，对山银花资源的光谱数据应用PCA和聚类分析（cluster analysis，CA）进行研究，以期为山银花资源的道地性鉴定和分类提供依据，同时也为山银花资源的产业链开发和土壤金属污染控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

山银花采集信息见表1，分别来自湖南溆浦和隆回、重庆秀山、四川通江和南江、贵州兴义和遵义。

混合多元素标准溶液（Pb、As、Fe、Ca、Zn、Mg、Mn、Cu、Cd、Cr） 北京博德恒悦科贸有限公司；硝酸、盐酸、高氯酸（均为国产分析纯） 成都科龙化学品有限公司。

1.2 仪器与设备

DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱 上海齐欣科学仪器有限公司；Optima 7000DV型全谱直读电感耦合等离子体原子发射光谱仪 美国Perkin Elmer公司。

1.3 方法

1.3.1 山银花中金属元素含量测定

1.3.1.1 样品预处理

实验过程中所用玻璃器皿均用1%（V/V）稀硝酸浸泡24 h，除去杂质干扰，然后用蒸馏水冲洗，再用去离子水冲洗2～3遍，烘干备用。

收集的山银花原料于70 ℃烘箱中烘干至恒质量，粉碎，过筛后备用。精确称取山银花样品0.400 g于150 mL锥形瓶中，加入HNO3-HClO4（4∶1，V/V）20 mL，封口浸泡过夜，置于恒温电热板上加热消解，保持样品微沸，加热至样品呈无色透明或略带黄色后，冷却后加1 mL去离子水、1 mL硝酸（69.2%，V/V）、2 mL盐酸（36.5%，V/V），在电热板上继续加热成湿盐状态，取下锥形瓶，立刻加1 mL硝酸（69.2%），继续加热1 min，冷却后转移至50 mL的容量瓶中，用纯水定容，备用。每个山银花样品湿法消解3次。

1.3.1.2 ICP-AES条件

入射功率1.3 kW；等离子气流量15 L/min；辅助气流量0.2 L/min；雾化气流量0.8 L/min；检测波长：220.4（Pb）、193.7（As）、238.2（Fe）、317.9（Ca）、206.2（Zn）、285.2（Mg）、257.6（Mn）、327.4（Cu）、229.8（Cd）、267.7（Cr）nm。

1.3.2 PCA

PCA通过正交化线性变换，把数据变换到新的坐标系统中，使得这1数据的任何投影的第1大方差在第1个坐标（称为第1主成分，PC1）上，第2大方差在第2个坐标（PC2）上，依次类推，将原来的变量压缩，找出几个互不相关的综合因子（PCs）来代表原来众多的变量，使这些综合因子尽可能地反映原来变量的信息量[21]。每1个PC值按下式计算[22]：

1.4 数据统计分析

每个山银花样品湿法消解3次，测定后取平均值（n=3）。采用XLSTAT 2008进行相关性分析、PCA和CA。

2 结果与分析

2.1 山银花资源中10种元素含量的测定结果

表1显示了不同产地的26种山银花资源中10种金属元素的含量、变化范围、平均值和标准差。以各元素的平均值来看，山银花中10种元素的含量顺序为：Ca＞Mg＞Mn＞Fe＞Zn＞Cu＞Cd＞Pb＞Cr＞As。影响山银花中金属元素成分含量变化的原因可能包括产地 环境、采收时间等[3-4]。2.2 相关性分析

表1 不同产地山银花的金属元素平均含量（n==33）Table1 Average contents of 10 metal elements in Flos Lonicerraaee ((n == 33)) mg/kg

续表1

金属元素的相关性分析如表2所示，Fe、Ca、Mn、Cu与其他金属元素都具有正相关性；Pb、As与其他金属元素都具有正相关性（除Cd之外）；Zn、Mg与其他金属元素都具有正相关性（除Cr之外）。按照Gong Shangji等[23]的相关性分类方法，同一类型中的元素显著正相关。所以不同产地山银花的金属元素可以分为5类：Ⅰ类包括Fe、Ca、Mn、Cu；Ⅱ类包括Pb、As；Ⅲ类包括Zn、Mg；Ⅳ类和Ⅴ类分别仅包括Cd和Cr。

表2 山银花中金属元素含量的相关性矩阵TTaabbllee 22 CCoorrrreellaattiioonn mmaattrriixx ffoorr tthhee mmeettaall eelleemmeenntt ccoonntteennttss iinn Flos Lonicerraaee

2.3 山银花资源中10种金属元素含量的主成分和聚类分析

图1描述了主成分分析初始解对原有变量总体描述情况，总方差的88.58%的贡献来自前3个主成分，即1个3因子模型可解释88.58%的实验数据。前3个主成分的方差贡献率分别为54.38%、27.03%、7.17%。前3个旋转提取成分的得分和载荷因子如表3所示，每1列载荷值都是各个变量与主成分的相关系数，可以反映各指标对主成分贡献的大小，绝对值越大表示效果越明显，负号表示各指标对改变主成分具有减效果。PC1与Pb、Fe、Ca、Zn、Mg、Mn、Cu、Cd具有很好的正相关性；PC2与Pb、As、Cr具有很好的正相关性，而与Cd具有很好的负相关性；PC3仅与As具有很好的正相关性。

图1 主成分分析的特征值和累计方差贡献率Fig.1 Eigen values and cumulative variance contribution rates from principal component analysis

表3 前3个旋转提取成分的得分和载荷因子Table3 Loadings and scores of the ☒rst three rotated principal components

计算26个山银花样品的PCs值，分别以PC1为横坐标、PC2为纵坐标，将26个样品点分别标入坐标系中，即得到PCs得分的二维图（图2）。由图2可知，每个点都是由原10维空间的样品点降维映射而来，反映了26个样品的分类情况。其中产自湖南溆浦和隆回的山银花集中在下方区域，产自重庆秀山山银花集中在右边区域，产于四川通江和南江的山银花集中在左边区域，产于贵州兴义和遵义的山银花集中在上方区域。CA将山银花样品分为4类，显示了与PCA相似的结果（图3）。聚类结果在一定程度上反映了山银花资源不同品种的金属元素存在较大遗传差异，植物的化学成分与植物的亲缘关系之间有着一定的联系，亲缘关系相近的种类往往含有相同的化学成分。

实验探究了山银花资源中金属元素的分布特征，一定程度上揭示了山银花资源药材道地性及分类鉴定特征。国内外研究[24-25]发现：决定植物金属元素含量和分布的根本因素是其品种及产地、气候、季节等其他因素，同种植物由于含有相同的生长基因，从土壤中吸取并最终积累在植物内的金属元素在种类分布及含量上有一定规律，而这种规律被广泛作为一些植物药材道地性鉴别的依据。

图2 主成分分析的PC1-PC2二维散点图Fig.2 PCA score plot of PC2 vs. PC1

图3 不同产地的山银花的聚类分析Fig.3 Dendrogram of cluster analysis

3 结 论

本研究探明不同产地山银花的金属元素组成，促进了山银花资源开发利用及品质评价。采用湿法消解、ICP-AES对不同产地山银花中的10种金属元素进行测定，并应用PCA和CA方法对测定结果进行分析，得出：1）在选定的条件下，各元素间相互干扰小，对测定结果无明显影响；以金属元素含量为指标、采用PCA和CA对山银花不同产地样品进行分类，可将重庆秀山、湖南（溆浦和隆回）、四川（通江和南江）、贵州（兴义和遵义）等产地的山银花样品区分开来。2）微量元素对人体的生理功能具有特殊作用，其含量关系到人们的健康。金属元素数量少、功能作用强，对许多生物活性分子起着关键的调控作用；因此，山银花的清热解毒等生理功效与高含量的多种金属元素具有密切关系。3）以金属元素含量为指标、采用CA对山银花样品进行分类，可将国内不同产地的山银花品种区分开来，在一定程度上体现了山银花资源的道地性，同时也为山银花资源的产业链开发及其资源利用提供参考。

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Principal Component Analysis and Cluster Analysis of Metal Elements in Flos Lonicerae from Different Areas Using Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry

SHEN Li-juan1, DING En-jun2, XIE De-ti1,*, CHEN Gang3, WU Zhen3
(1. College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China; 2. Library of Southwest University, Chongqing 400716, China; 3. Chongqing Academy of Chinese Materia Medica, Chongqing 400065, China)

The contents of 10 metal elements (Pb, As, Fe, Ca, Zn, Mg, Mn, Cu, Cd and Cr) in 26 Flos Lonicerae samples collected from 7 different main growing regions were determined by inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry. The metal elements in Flos Lonicerae were analyzed by principal component analysis (PCA) and cluster analysis (CA). The results showed that the average contents of Pb, As, Fe, Ca, Zn, Mg, Mn, Cu, Cd and Cr in Flos Lonicerae were 0.25, 0.065, 77.9, 3 277.1, 31.0, 2 244.7, 319.9, 14.6, 0.31 and 0.217 mg/kg, respectively. A three-factor model was obtianed by PCA, which could explain 88.58% of the experimental data.Tweenty-six Flos Lonicerae samples were classi ed into four groups by PCA, which were similar to CA results. The regional characterization of metal elements provided references for quality evaluation and identification of Flos Lonicerae.

Flos Lonicerae; metal elements; principal component analysis; cluster analysis; inductively coupled plasmaatomic emission spectrometry

TS201.2

A

1002-6630（2014）02-0173-04

10.7506/spkx1002-6630-201402032

2013-03-25

国家科技重大专项课题(2012ZX07104-003）；“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD15B04-3）

申丽娟(1986—），女，博士研究生，研究方向为农业资源与环境。E-mail：ljshen0210@163.com

*通信作者：谢德体(1957—），男，教授，博士，研究方向为土壤肥力与生态、农业资源与环境。E-mail：xdt@swu.edu.cn