電感耦合等離子體原子發射光譜法測定不同產地山銀花金屬元素主成分及其聚類分析

申麗娟，丁恩俊，謝德體,*，陳 崗，吳 振

（1.西南大學資源環境學院，重慶 400716；2.西南大學圖書館，重慶 400716；3.重慶市中藥研究院，重慶 400065）

電感耦合等離子體原子發射光譜法測定不同產地山銀花金屬元素主成分及其聚類分析

申麗娟1，丁恩俊2，謝德體1,*，陳 崗3，吳 振3

（1.西南大學資源環境學院，重慶 400716；2.西南大學圖書館，重慶 400716；3.重慶市中藥研究院，重慶 400065）

采用電感耦合等離子體原子發射光譜儀，對全國7個主要產地的26個山銀花樣品中的10種金屬元素的含量進行定量分析，應用主成分分析和聚類分析對山銀花資源中金屬元素進行評價。結果表明：Pb、As、Fe、Ca、Zn、Mg、Mn、Cu、Cd、Cr的平均含量分別為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，可解釋實驗數據的88.58%；主成分分析將26個山銀花樣品劃分為4類，聚類分析顯示了相似的結果。研究得出山銀花中金屬元素的含量分布特征，為山銀花資源的品質評價和質量控制提供實驗依據。

山銀花；金屬元素；主成分分析；聚類分析；電感耦合等離子體發射光譜

山銀花（Flos Lonicerae）是灰氈毛忍冬（Lonicera macranthoides Hand.）、紅腺忍冬（Lonicera hypoglauca Miq.）和華南忍冬（Lonicera confusa DC.）或黃褐毛忍冬（Lonicera fulvotomentosa Hsuet S. C. Cheng）的干燥花蕾或帶初開的花[1]。山銀花為2010年中國藥典收載品種金銀花項下分離出的新增品種[2-3]。山銀花具有清熱解毒、涼散風熱的功效，常用于治療癰腫疔瘡、喉痹、熱毒血痢、風熱感冒、溫病發熱等[1]，同時山銀花還是重要的食品和保健品原料。國內外研究[4-5]發現產地環境對山銀花的活性成分（如綠原酸等）含量影響較大，但未將其金屬元素納入被影響因素進行分析。金屬元素作為食品和醫藥資源的藥性物質基礎的重要組成部分，對食品和醫藥的活性起著關鍵作用[5-6]。

通過物理學、化學和生物學方法，分析植物資源的微量元素組成、功效成分、同位素含量與比率、DNA圖譜等特征成分或指標，結合化學計量學研究，可建立起區分食用資源產地來源的特征指紋圖譜[7-12]。電感耦合等離子體原子發射光譜（inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry，ICP-AES）儀，可測定可食用植物資源中痕量和超痕量的金屬或非金屬元素，由于其檢測限低、分析速度快、可多元素同時分析等優點而備受研究者青睞[13-14]。由于各產地環境的不同（如地質、氣候、栽培方式等），植物資源元素組成也不同；利用ICPAES結合化學計量學方法評價植物資源特有的元素指紋數據，可以達到原產地保護的目的[15]。目前，化學計量方法結合ICP-AES技術已廣泛應用于保健食品和農產品質量評價領域[16-18]。主成分分析（principal component analysis，PCA）是將多個指標化為少數幾個綜合指標的一種統計分析方法，它可以起到降維作用，用少數幾個綜合指標來反映大量原始指標的主要信息，從而使問題簡化[19-20]。

本研究采用ICP-AES測定不同產地山銀花資源中Pb、As、Fe、Ca、Zn、Mg、Mn、Cu、Cd、Cr的含量，對山銀花資源的光譜數據應用PCA和聚類分析（cluster analysis，CA）進行研究，以期為山銀花資源的道地性鑒定和分類提供依據，同時也為山銀花資源的產業鏈開發和土壤金屬污染控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山銀花采集信息見表1，分別來自湖南溆浦和隆回、重慶秀山、四川通江和南江、貴州興義和遵義。

混合多元素標準溶液（Pb、As、Fe、Ca、Zn、Mg、Mn、Cu、Cd、Cr） 北京博德恒悅科貿有限公司；硝酸、鹽酸、高氯酸（均為國產分析純） 成都科龍化學品有限公司。

1.2 儀器與設備

DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海齊欣科學儀器有限公司；Optima 7000DV型全譜直讀電感耦合等離子體原子發射光譜儀 美國Perkin Elmer公司。

1.3 方法

1.3.1 山銀花中金屬元素含量測定

1.3.1.1 樣品預處理

實驗過程中所用玻璃器皿均用1%（V/V）稀硝酸浸泡24 h，除去雜質干擾，然后用蒸餾水沖洗，再用去離子水沖洗2～3遍，烘干備用。

收集的山銀花原料于70 ℃烘箱中烘干至恒質量，粉碎，過篩后備用。精確稱取山銀花樣品0.400 g于150 mL錐形瓶中，加入HNO3-HClO4（4∶1，V/V）20 mL，封口浸泡過夜，置于恒溫電熱板上加熱消解，保持樣品微沸，加熱至樣品呈無色透明或略帶黃色后，冷卻后加1 mL去離子水、1 mL硝酸（69.2%，V/V）、2 mL鹽酸（36.5%，V/V），在電熱板上繼續加熱成濕鹽狀態，取下錐形瓶，立刻加1 mL硝酸（69.2%），繼續加熱1 min，冷卻后轉移至50 mL的容量瓶中，用純水定容，備用。每個山銀花樣品濕法消解3次。

1.3.1.2 ICP-AES條件

入射功率1.3 kW；等離子氣流量15 L/min；輔助氣流量0.2 L/min；霧化氣流量0.8 L/min；檢測波長：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通過正交化線性變換，把數據變換到新的坐標系統中，使得這1數據的任何投影的第1大方差在第1個坐標（稱為第1主成分，PC1）上，第2大方差在第2個坐標（PC2）上，依次類推，將原來的變量壓縮，找出幾個互不相關的綜合因子（PCs）來代表原來眾多的變量，使這些綜合因子盡可能地反映原來變量的信息量[21]。每1個PC值按下式計算[22]：

1.4 數據統計分析

每個山銀花樣品濕法消解3次，測定后取平均值（n=3）。采用XLSTAT 2008進行相關性分析、PCA和CA。

2 結果與分析

2.1 山銀花資源中10種元素含量的測定結果

表1顯示了不同產地的26種山銀花資源中10種金屬元素的含量、變化范圍、平均值和標準差。以各元素的平均值來看，山銀花中10種元素的含量順序為：Ca＞Mg＞Mn＞Fe＞Zn＞Cu＞Cd＞Pb＞Cr＞As。影響山銀花中金屬元素成分含量變化的原因可能包括產地 環境、采收時間等[3-4]。2.2 相關性分析

表1 不同產地山銀花的金屬元素平均含量（n==33）Table1 Average contents of 10 metal elements in Flos Lonicerraaee ((n == 33)) mg/kg

續表1

金屬元素的相關性分析如表2所示，Fe、Ca、Mn、Cu與其他金屬元素都具有正相關性；Pb、As與其他金屬元素都具有正相關性（除Cd之外）；Zn、Mg與其他金屬元素都具有正相關性（除Cr之外）。按照Gong Shangji等[23]的相關性分類方法，同一類型中的元素顯著正相關。所以不同產地山銀花的金屬元素可以分為5類：Ⅰ類包括Fe、Ca、Mn、Cu；Ⅱ類包括Pb、As；Ⅲ類包括Zn、Mg；Ⅳ類和Ⅴ類分別僅包括Cd和Cr。

表2 山銀花中金屬元素含量的相關性矩陣TTaabbllee 22 CCoorrrreellaattiioonn mmaattrriixx ffoorr tthhee mmeettaall eelleemmeenntt ccoonntteennttss iinn Flos Lonicerraaee

2.3 山銀花資源中10種金屬元素含量的主成分和聚類分析

圖1描述了主成分分析初始解對原有變量總體描述情況，總方差的88.58%的貢獻來自前3個主成分，即1個3因子模型可解釋88.58%的實驗數據。前3個主成分的方差貢獻率分別為54.38%、27.03%、7.17%。前3個旋轉提取成分的得分和載荷因子如表3所示，每1列載荷值都是各個變量與主成分的相關系數，可以反映各指標對主成分貢獻的大小，絕對值越大表示效果越明顯，負號表示各指標對改變主成分具有減效果。PC1與Pb、Fe、Ca、Zn、Mg、Mn、Cu、Cd具有很好的正相關性；PC2與Pb、As、Cr具有很好的正相關性，而與Cd具有很好的負相關性；PC3僅與As具有很好的正相關性。

圖1 主成分分析的特征值和累計方差貢獻率Fig.1 Eigen values and cumulative variance contribution rates from principal component analysis

表3 前3個旋轉提取成分的得分和載荷因子Table3 Loadings and scores of the ?rst three rotated principal components

計算26個山銀花樣品的PCs值，分別以PC1為橫坐標、PC2為縱坐標，將26個樣品點分別標入坐標系中，即得到PCs得分的二維圖（圖2）。由圖2可知，每個點都是由原10維空間的樣品點降維映射而來，反映了26個樣品的分類情況。其中產自湖南溆浦和隆回的山銀花集中在下方區域，產自重慶秀山山銀花集中在右邊區域，產于四川通江和南江的山銀花集中在左邊區域，產于貴州興義和遵義的山銀花集中在上方區域。CA將山銀花樣品分為4類，顯示了與PCA相似的結果（圖3）。聚類結果在一定程度上反映了山銀花資源不同品種的金屬元素存在較大遺傳差異，植物的化學成分與植物的親緣關系之間有著一定的聯系，親緣關系相近的種類往往含有相同的化學成分。

實驗探究了山銀花資源中金屬元素的分布特征，一定程度上揭示了山銀花資源藥材道地性及分類鑒定特征。國內外研究[24-25]發現：決定植物金屬元素含量和分布的根本因素是其品種及產地、氣候、季節等其他因素，同種植物由于含有相同的生長基因，從土壤中吸取并最終積累在植物內的金屬元素在種類分布及含量上有一定規律，而這種規律被廣泛作為一些植物藥材道地性鑒別的依據。

圖2 主成分分析的PC1-PC2二維散點圖Fig.2 PCA score plot of PC2 vs. PC1

圖3 不同產地的山銀花的聚類分析Fig.3 Dendrogram of cluster analysis

3 結 論

本研究探明不同產地山銀花的金屬元素組成，促進了山銀花資源開發利用及品質評價。采用濕法消解、ICP-AES對不同產地山銀花中的10種金屬元素進行測定，并應用PCA和CA方法對測定結果進行分析，得出：1）在選定的條件下，各元素間相互干擾小，對測定結果無明顯影響；以金屬元素含量為指標、采用PCA和CA對山銀花不同產地樣品進行分類，可將重慶秀山、湖南（溆浦和隆回）、四川（通江和南江）、貴州（興義和遵義）等產地的山銀花樣品區分開來。2）微量元素對人體的生理功能具有特殊作用，其含量關系到人們的健康。金屬元素數量少、功能作用強，對許多生物活性分子起著關鍵的調控作用；因此，山銀花的清熱解毒等生理功效與高含量的多種金屬元素具有密切關系。3）以金屬元素含量為指標、采用CA對山銀花樣品進行分類，可將國內不同產地的山銀花品種區分開來，在一定程度上體現了山銀花資源的道地性，同時也為山銀花資源的產業鏈開發及其資源利用提供參考。

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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

國家科技重大專項課題(2012ZX07104-003）；“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD15B04-3）

申麗娟(1986—），女，博士研究生，研究方向為農業資源與環境。E-mail：ljshen0210@163.com

*通信作者：謝德體(1957—），男，教授，博士，研究方向為土壤肥力與生態、農業資源與環境。E-mail：xdt@swu.edu.cn