基于主成分分析的中药微量元素含量研究

黄丽娟，刘晓慧，李海朝

（青海民族大学化学化工学院，青海西宁810007）

基于主成分分析的中药微量元素含量研究

黄丽娟，刘晓慧，李海朝∗

（青海民族大学化学化工学院，青海西宁810007）

应用主成分分析法，计算了23种中药中微量元素之间的相关矩阵、载荷矩阵及各因子的综合得分，结果表明各主成分其主要作用的元素分别是：第1主成分是Fe；第2主成分是Se和As；第3主成分是Ni和Cu。其中各微量元素的因子得分和主成分分析可以用于这23种中药药材的综合质量评价，为中药药理研究提供了一定的理论依据。

主成分分析；中药；微量元素；主成分

中药中含有许多人体所需要的微量元素，而且这些微量元素与中药的功效有一定的关系。在我国的中医学里面历来有“地道药材”一说，认为生长在不同产地的药材质量是有一定差异的。为了能够更好更科学地评价生产自不同产地中药的质量，我们选择了5种来自山东不同地方的中药，即丹参、黄芩、大叶青、半夏、怀牛膝，以所选中药中的10种微量元素为变量，利用主成分分析方法对这些生长在不同产地的中药进行综合评价，得到中药的质量排名，以期对中药的科学栽培以及地道药材的开发提供参考依据。

1 主成分分析原理

主成分分析（Principle Component Analysis）是利用降维的思想来处理数据的一种多元统计方法，为了解决数据之间量纲不同的问题，对原始数据进行标准化处理，在保留大部分的原始数据信息的前提下，在多个变量中选出几个综合变量来表征原始数据的信息[1-2]。

2 山东不同产地的5种中药微量元素的主成分分析

2.1 原始数据

本论文中所选择的23个中药样品采自山东的不同地方，其中的铜（Cu）、锌（Zn）、钴（Co）、镍（Ni）、铁（Fe）、锰（Mn）、硒（Se）、铬（Cr）、砷（As）、钛（Ti）等10种微量元素的含量数据都来自文献[3]，见表1。

表1 中药中的微量元素含量（ppm）

2.2 原始数据的标准化处理

为了消除原始数据之间量纲不同的影响，对原始数据进行标准化数据处理，结果见表2。

表2 标准化数据

2.3 结果与分析

根据的特征值与方差贡献率可以确定主成分的个数，根据表3可知，前3个因子的贡献率分别为53.198%，17.544%，11.823%，当主成分的个数为3时，前3个因子的累计贡献率可达到82.565%（大于80%），即可以通过前3个因子来解释23个不同地方的中药的82.565%的信息含量，即可以前3个因子作为主成分进行主成分分析。

由载荷系数矩阵表（表4）中可知，Fe元素在第一主成分上有较高的载荷，说明第1主成分主要反映了Fe元素的信息；Se元素和As元素在第2主成分上有较高的载荷，说明第2主成分主要反映了Se元素和As元素的信息；Ni元素和Cu元素在第3主成分上有较高的载荷，说明第3主成分主要反映了Ni元素和Cu元素的信息，根据各元素在不同主成分上的载荷，可确定Fe、Se、As、Ni、Cu等5种元素为来自山东不同产地的23种中药样品的特征元素。

表3 特征值及方差贡献率

表4 主成分载荷系数矩阵

2.4 不同产地中药的综合评价

根据中药中微量元素的载荷矩阵可以得出各主成分的得分及排名，并以各因子的贡献率作为权重进行线性加权求和，因而得出各中药的综合得分，如表5所示。

各因子得分函数：

由表5可知，排在前3名的是产自临沂的丹参、菏泽的大叶青与青岛的黄芩；排在第4到第7位的是产自青岛的大叶青、济南的丹参、泰安的丹参与莱阳的丹参；排名在第8到第10位的是青岛的怀牛膝、济南的黄芩和泰安的大叶青，这10种中药样品中Fe、Se、As、Ni、Cu等这5种元素含量均较高，而济南的半夏、青州的半夏与泰安的半夏排名相对较后，分别为第20、21与23名，而这3种中药样品中Fe、Se、As、Ni、Cu等这5种元素含量均较低；可能这几种元素含量高低与我们所选中药样品质量有一定的相关性。

表5 主成分得分与排名

3 讨论

微量元素与疾病的发生、发展、预后和转归关系密切，倘若机体内微量元素含量太少的话，机体需要通过食物来补充，因为微量元素不能通过机体自身合成；若机体内微量元素含量高于正常值范围的话，也有可能由于毒性作用而引发疾病；故只有微量元素含量在正常范围之内，才能够使机体的生长发育处于良好的状态[4]。

根据主成分分析的结果可以看出，第1主成分与微量元素铁元素关系比较密切。铁元素是构成血红素的重要元素，较肝、脾和血液中含量最多，若铁元素摄入量不足，容易导致缺铁性贫血、红血球和血红蛋白含量减少、注意力不集中；反之，若铁元素含量过多，则容易引起呕吐，胃肠道出血等情况[4-5]。第2主成分主要与微量元素硒元素和砷元素有关。研究表明，硒元素具有抗癌的作用，人体内硒元素含量较低或缺少的话，容易患脑溢血、贫血、心脏病、高血压等多种疾病，如果通过适量补硒元素不但可以预防肝病、肿瘤等的发生，还可以提高人体的免疫能力[6]；倘若人体内硒元素过量，则可直接导致中毒，表现为四肢麻木无力，指甲、毛发脱落，低血压，贫血等症状[7]。含砷元素的中药被广泛的应用于一些肿瘤与白血病的治疗，具有显著疗效[8]。第3主成分与微量元素镍元素和铜元素相关程度较高。镍元素参与色素与细胞激素的代谢，具有生血、激活酶以及形成辅酶等生理功能，镍元素缺乏时会引起肾衰、肝硬化、磷脂质代谢异常以及尿毒等症状；含量过多时会导致骨癌、皮肤炎、白血病、肺癌及鼻咽癌等疾病[9]。

综上所述，以主成分分析的方法对不同产地中药微量元素的质量评价与疗效分析比较科学，一方面可以为我们更好的研究中药的药理提供一定理论依据，另一方面以期对中药的科学栽培以及地道药材的开发提供参考依据。

[1]张朋,张静佳,杨玉良,等.12种饮用干花中微量元素主成分的分析 [J].武汉工程大学学报,2015,37(10):1-4.

[2]刘晓慧,赵英,廖志明,等.11个不同产地枸杞子中微量元素和黄酮的主成分分析[J].河南师范大学学报(自然科学版)，2015(4):79-83.

[3]黄寅墨,袁久荣,石俊英,等.山东不同产地的五种中药微量元素含量研究[J].山东中医杂志,1992(4):36-37.

[4]朱嫣峰.微量元素缺乏对儿童健康的影响[J].医学理论与实践,2016,29(12):1643-1644.

[5]黄作明,黄珣.微量元素与人体健康[J].微量元素与健康研究,2010,27(6):58-62.

[6]陈秀宇.几种人体必需微量元素与人体健康[J].福建师大福清分校学报,2006(2):94-96.

[7]胡亦群,宁慧青.人体必需微量元素过量对健康的影响[J].科技创新与生产力,2008,172(5):44-45.

[8]钟秀倩,钟俊辉.微量元素与人体健康[J].现代预防医学,2007,34(1):61-63.

[9]夏敏.必需微量元素与人体健康[J].广东微量元素科学,2003,10(1):11-16.

〔责任编辑 杨德兵〕

Content of Trace Elements of Traditional Chinese Medicine by Principal Components Analysis

HUANG Li-juan,LIU Xiao-hui,LI Hai-chao∗
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Qinghai University for Nationalities，Xining Qinghai，810007）

Principal component analysis is used to calculate the correlation matrix,load matrix and comprehensive score of the 23 kinds of trace elements in traditional Chinese medicine.Results showed that the first main principal component is Fe;The second main components are Se and As;The third main components are Ni and Cu.Each factor of principal component analysis and factor score of each trace element can be used for the comprehensive quality evaluation,23 kinds of traditional Chinese medicine of which provides a theoretical basis for the study of traditional Chinese medicine’s pharmacological and efficacy.

principal component analysis;traditional chinese medicine;trace element;main component

O641

A

1674-0874(2017)05-0038-04

2017-04-18

国家自然科学基金[30760195]；青海省自然科学基金[2015-JZ-909]

黄丽娟（1993-），女，安徽旌德县人，硕士，研究方向：分析化学。∗李海朝，教授，通信作者。