补气类中药矿质元素主成分分析和聚类分析研究

黄赛金，田　润，欧　苗，龚　灯，尹爱武

(1. 湖南工程学院 化学化工学院， 湘潭 411104；2．湖南中医药高等专科学校，株洲 412012；3. 湖南科技学院 生化学院，永州 425199)



补气类中药矿质元素主成分分析和聚类分析研究

黄赛金1，田润2，欧苗3，龚灯3，尹爱武3

(1. 湖南工程学院 化学化工学院， 湘潭 411104；2．湖南中医药高等专科学校，株洲 412012；3. 湖南科技学院 生化学院，永州 425199)

为了研究补气类中药矿质元素的分布特征，以主成分分析和聚类分析法对其矿质元素分布进行分析研究.主成分分析表明，第1 主成分F1与Ca、Mg、Fe、K、Al有较高正相关；第2主成分F2与Mg有较高正相关，与Fe、Al较高负相关；第3 主成分F3与Al有较高正相关，与Ca有较高负相关；第4主成分F4与K有较高负相关.聚类分析表明，当补气中药分为3类时，西洋参为一类，白术为一类，山药、大枣、生晒参、白扁豆、甘草、党参及黄芪7味中药归为一类.中药的补气作用与矿质元素分布有关.

主成分分析；聚类分析；补气；矿质元素

中药矿质元素的含量与分布与中药的品种密切相关，因此矿质元素常被用于中药的质量控制和中药药理研究的依据[1].但中药中矿质元素的含量分布较离散，因此不能仅从矿质元素的含量分布对中药的相似性进行比较.生晒参、党参、黄芪、白术、山药、白扁豆、甘草、西洋参、大枣为常见的药食同源类补气中药[2]，其各味补气能力强弱与归脏各不相同.主成分分析是将多个变量转换为少数几个不相关的综合指标的多元统计分析方法，这些少数综合指标能代表原变量的信息[3].聚类分析是依据观察对象某些特征对其进行分类的一种“物以类聚”数理统计方法，其广泛应用于生物学和医学分类问题的研究中[4].本文拟对9味药食同源补气中药进行主成分和系统聚类分析，找出矿质元素成分分布特征，揭示补气中药的补气功效与矿质元素之间的关系，以期为补气中药的质量控制及栽培提供理论支持.

1　仪器与药材

ICPQ-1000型电感耦合等离子体原子发射光谱仪(日本，岛津公司)，Milli-Q型水纯化系统(Millpore)，Sartorius 电子天平，硝酸、双氧水均为优级纯，标准工作溶液由国家标准物质研究中心购置的各种标准储备液稀释而成.

生晒参、党参、黄芪、白术、山药、白扁豆、甘草、西洋参、大枣购于广州清平药材大市场.

2　方法与结果

2.1测试样品的制备

将药材用蒸馏水洗净，用去离子水冲洗 3 次，晾干，置60 ℃烘干至恒重，粉碎，过100目筛备用.精确称取各备用药材0.5 g，加入1 mL H2O2和6 mL HNO3，于消化器上消化完全，用去离子水转移并定容至50 mL.空白采用同样方法消解，每种药材和试剂空白测定6次，实验结果取6次平均值.

2.2样品测定

矿质元素的测定采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定，测试条件为，功率1200 W，辅助气流量为0.5 L·min-1，积分时间90 s.

2.3中药矿质元素含量

用ICP-AES法，在选定的条件下测得各补气类中药矿质元素含量见表1，由表1可知各补阳类中药Ca、Mg、Fe、K、Al的含量相对较高，Zn、Mn、Cu、Pd、Ni的含量相对较低.

表1　补气类中药矿质元素含量

2.4主成分分析

用SPSS 17.0 软件对补阳类中药矿质元素10个变量进行主成分分析.矿质元素10个变量的相关系数矩阵见表2；数据相关阵的特征值及特征值方差供献率见表3；初始因子载荷矩阵见表4.

2.4.1相关系数矩阵

从表 2元素之间的相关系数可知，各元素两两之间有较大的相关性，因此可用主成分分析法来研究元素变量之间的关系.

表2　相关系数矩阵

2.4.2主成分的确定

从表3可知，第1、2、3、4 主成分的累计方差贡献率达到84.551%>80%.故前4个主成分能代表补阳类中药矿质元素含量84.551%的信息.

表3　数据相关阵的特征值及方差

2.4.3主因子模型的建立

由表4初始因子载荷矩阵表，建立主因子模型为，F1=0.509X1+0.437X2+0.425X3+0.827X4+0.157X5+0.709X6+0.708X7+0.644X8+0.613X9+0.770X10；F2=0.051X1+0.788X2+0.711X3-0.459X4+0.275X5-0.117X6+0.048X7-0.513X8+0.558X9-0.387X10；F3=-0.783X1-0.011X2+0.229X3+0.198X4+0.383X5-0.571X6+0.190X7+0.454X8+0.068X9+0.024X10；F4=0.143X1+0.240X2-0.359X3+0.012X4+0.817X5+0.153X6-0.475X7+0.140X8-0.071X9+0.023X10.从主因子模型可知，补阳药中药的第1 主成分F1在各矿质元素上有较高的正载荷，第1 主成分F1与Ca、Mg、Fe、K、Al元素有较高的正相关性；第2主成分F2在Mg、Zn、Pd元素上较高的正载荷，在Fe、Al元素上有较高的负载荷，第2主成分F2与Mg元素有较高的正相关性，F2与Fe、Al有较高的负相关性；第3主成分F3在Cu元素上较高的正载荷，在Ca元素上较高的负载荷，第3主成分F3与Cu元素有较高的正相关，F3与Ca元素有较高的负相关；第4主成分F4在Mn元素上较高的正载荷，在K元素上有较高的负载荷，第4主成分F4与K有较高的负相关.

表4　因子载荷矩阵

2.4.4主因子和综合主因子得分

由主因子模型，计算第l、2、3、4主成分分值；以特征值的贡献率大小为分配系数[5]，计算综合得分并排序，综合得分F=37.262%F1+21.548%F2+14.249%F3+11.492%F4，结果见表5.

表5　主因子和综合主因子得分

2.5聚类分析

对主成分分析筛选出特征值累计贡献率为84.551%的 4个主成分，进行系统聚类分析.特征元素标准化处理后以欧氏距离平方为测量准则、以组间连结法为组群合并准则，用SPSS17.0统计软件进行系统聚类分析，聚类分析树状图见图1.由树状图可知，当补阳为中药分为3类时，西洋参为一类，白术为一类，山药、大枣、生晒参、白扁豆、甘草、党参及黄芪7味中药归为一类.

3　讨　论

分析结果表明，不同的补气类中药其矿质元素的含量有一定的差异.结合主成分的特征值对方差的供献率、各元素在每一主成分载苛的正负、矿质元素在中药中的含量及矿质元素对人体健康的影响可以确定Mg含量与中药的补气作用最为密切.

[1] 范文秀, 冯晨．不同产地麦冬中锌、铜、锰、铁的比较研究[J]．广东微量元素科学, 2006，13(11):56-59．

[2] 高学敏．中药学[M]．北京: 中国中医药出版社, 2007．

[3] 许碌, 邵学广. 化学计量学方法[M]. 北京: 科学出版社, 2006: 130-133.

[4] 何清波, 苏炳华, 钱元．医学统计学及其软件包[ M]. 上海科学技术文献出版社, 2003： 285.

[5] 辛仁轩. 等离子体发射光谱分析[ M]. 北京: 化学工业出版社, 2005:155-156.

Study on Mineral Elements in Invigorating Qi of Chinese Tradition Medicine by Principal Component Analysis and Clustering Analysis

HUANG Sai-jin1,TIAN Run2,OU Miao3,GONG Deng3,YIN Ai-wu3

(1.College of Chemistry Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;2. Hunan Traditional Chinese Medical College, Zhuzhou 412012, China;3.Department of Chemistry and Biotechnology, Hunan University of Science and Engineering, Yongzhou 425199, China )

In order to study the distribution of mineral elements in invigoration qi of Chinese Tradition Medicine, principal components analysis and duster analysis are applied to its mineral elements distribution analysis. Principal components analysis indicate that the 1stprincipal factor(F1) has better positive correlation with the mineral elements of Ca, Mg, Fe, K and Al; the 2ndprincipal factor(F2) has better positive correlation with the mineral elements of Mg and negative correlation with the mineral elements of Fe and Al; the 3rdprincipal factor(F3) has better positive correlation with the mineral elements of Al and negative correlation with the mineral elements of Ca, and the 4thprincipal factor(F4) has better negative correlation with the mineral elements of K. It can be seen through analyzing dendrogram of clustering analysis that when the Chinese tradition medicines in invigorating qi are classified into 3 categories. American Ginseng and atractylodes are classified into 2 different categories; Chinese yam, Chinese date, White Ginseng, white hyacinth bean, glycyrrhiza, lanceolata and astragalus are classified into one category. The effect in invigorating qi of Chinese tradition medicine is related to the distribution of mineral elements.

principal component analysis; clustering analysis; invigorating qi; mineral elements

2016-03-28

湖南中医药管理局资助项目(2013FJ3004).

黄赛金(1982-)，女，硕士，讲师，研究方向：天然资源的开发与利用.

R284.1

A

1671-119X(2016)03-0069-04