基于主成分分析的中藥微量元素含量研究

黃麗娟，劉曉慧，李海朝

（青海民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，青海西寧810007）

基于主成分分析的中藥微量元素含量研究

黃麗娟，劉曉慧，李海朝?

（青海民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，青海西寧810007）

應(yīng)用主成分分析法，計(jì)算了23種中藥中微量元素之間的相關(guān)矩陣、載荷矩陣及各因子的綜合得分，結(jié)果表明各主成分其主要作用的元素分別是：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這23種中藥藥材的綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)，為中藥藥理研究提供了一定的理論依據(jù)。

主成分分析；中藥；微量元素；主成分

中藥中含有許多人體所需要的微量元素，而且這些微量元素與中藥的功效有一定的關(guān)系。在我國(guó)的中醫(yī)學(xué)里面歷來(lái)有“地道藥材”一說(shuō)，認(rèn)為生長(zhǎng)在不同產(chǎn)地的藥材質(zhì)量是有一定差異的。為了能夠更好更科學(xué)地評(píng)價(jià)生產(chǎn)自不同產(chǎn)地中藥的質(zhì)量，我們選擇了5種來(lái)自山東不同地方的中藥，即丹參、黃芩、大葉青、半夏、懷牛膝，以所選中藥中的10種微量元素為變量，利用主成分分析方法對(duì)這些生長(zhǎng)在不同產(chǎn)地的中藥進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到中藥的質(zhì)量排名，以期對(duì)中藥的科學(xué)栽培以及地道藥材的開(kāi)發(fā)提供參考依據(jù)。

1 主成分分析原理

主成分分析（Principle Component Analysis）是利用降維的思想來(lái)處理數(shù)據(jù)的一種多元統(tǒng)計(jì)方法，為了解決數(shù)據(jù)之間量綱不同的問(wèn)題，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，在保留大部分的原始數(shù)據(jù)信息的前提下，在多個(gè)變量中選出幾個(gè)綜合變量來(lái)表征原始數(shù)據(jù)的信息[1-2]。

2 山東不同產(chǎn)地的5種中藥微量元素的主成分分析

2.1 原始數(shù)據(jù)

本論文中所選擇的23個(gè)中藥樣品采自山東的不同地方，其中的銅（Cu）、鋅（Zn）、鈷（Co）、鎳（Ni）、鐵（Fe）、錳（Mn）、硒（Se）、鉻（Cr）、砷（As）、鈦（Ti）等10種微量元素的含量數(shù)據(jù)都來(lái)自文獻(xiàn)[3]，見(jiàn)表1。

表1 中藥中的微量元素含量（ppm）

2.2 原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

為了消除原始數(shù)據(jù)之間量綱不同的影響，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

2.3 結(jié)果與分析

根據(jù)的特征值與方差貢獻(xiàn)率可以確定主成分的個(gè)數(shù)，根據(jù)表3可知，前3個(gè)因子的貢獻(xiàn)率分別為53.198%，17.544%，11.823%，當(dāng)主成分的個(gè)數(shù)為3時(shí)，前3個(gè)因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率可達(dá)到82.565%（大于80%），即可以通過(guò)前3個(gè)因子來(lái)解釋23個(gè)不同地方的中藥的82.565%的信息含量，即可以前3個(gè)因子作為主成分進(jìn)行主成分分析。

由載荷系數(shù)矩陣表（表4）中可知，F(xiàn)e元素在第一主成分上有較高的載荷，說(shuō)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主成分上有較高的載荷，說(shuō)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主成分上有較高的載荷，說(shuō)明第3主成分主要反映了Ni元素和Cu元素的信息，根據(jù)各元素在不同主成分上的載荷，可確定Fe、Se、As、Ni、Cu等5種元素為來(lái)自山東不同產(chǎn)地的23種中藥樣品的特征元素。

表3 特征值及方差貢獻(xiàn)率

表4 主成分載荷系數(shù)矩陣

2.4 不同產(chǎn)地中藥的綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)中藥中微量元素的載荷矩陣可以得出各主成分的得分及排名，并以各因子的貢獻(xiàn)率作為權(quán)重進(jìn)行線性加權(quán)求和，因而得出各中藥的綜合得分，如表5所示。

各因子得分函數(shù)：

由表5可知，排在前3名的是產(chǎn)自臨沂的丹參、菏澤的大葉青與青島的黃芩；排在第4到第7位的是產(chǎn)自青島的大葉青、濟(jì)南的丹參、泰安的丹參與萊陽(yáng)的丹參；排名在第8到第10位的是青島的懷牛膝、濟(jì)南的黃芩和泰安的大葉青，這10種中藥樣品中Fe、Se、As、Ni、Cu等這5種元素含量均較高，而濟(jì)南的半夏、青州的半夏與泰安的半夏排名相對(duì)較后，分別為第20、21與23名，而這3種中藥樣品中Fe、Se、As、Ni、Cu等這5種元素含量均較低；可能這幾種元素含量高低與我們所選中藥樣品質(zhì)量有一定的相關(guān)性。

表5 主成分得分與排名

3 討論

微量元素與疾病的發(fā)生、發(fā)展、預(yù)后和轉(zhuǎn)歸關(guān)系密切，倘若機(jī)體內(nèi)微量元素含量太少的話，機(jī)體需要通過(guò)食物來(lái)補(bǔ)充，因?yàn)槲⒘吭夭荒芡ㄟ^(guò)機(jī)體自身合成；若機(jī)體內(nèi)微量元素含量高于正常值范圍的話，也有可能由于毒性作用而引發(fā)疾病；故只有微量元素含量在正常范圍之內(nèi)，才能夠使機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育處于良好的狀態(tài)[4]。

根據(jù)主成分分析的結(jié)果可以看出，第1主成分與微量元素鐵元素關(guān)系比較密切。鐵元素是構(gòu)成血紅素的重要元素，較肝、脾和血液中含量最多，若鐵元素?cái)z入量不足，容易導(dǎo)致缺鐵性貧血、紅血球和血紅蛋白含量減少、注意力不集中；反之，若鐵元素含量過(guò)多，則容易引起嘔吐，胃腸道出血等情況[4-5]。第2主成分主要與微量元素硒元素和砷元素有關(guān)。研究表明，硒元素具有抗癌的作用，人體內(nèi)硒元素含量較低或缺少的話，容易患腦溢血、貧血、心臟病、高血壓等多種疾病，如果通過(guò)適量補(bǔ)硒元素不但可以預(yù)防肝病、腫瘤等的發(fā)生，還可以提高人體的免疫能力[6]；倘若人體內(nèi)硒元素過(guò)量，則可直接導(dǎo)致中毒，表現(xiàn)為四肢麻木無(wú)力，指甲、毛發(fā)脫落，低血壓，貧血等癥狀[7]。含砷元素的中藥被廣泛的應(yīng)用于一些腫瘤與白血病的治療，具有顯著療效[8]。第3主成分與微量元素鎳元素和銅元素相關(guān)程度較高。鎳元素參與色素與細(xì)胞激素的代謝，具有生血、激活酶以及形成輔酶等生理功能，鎳元素缺乏時(shí)會(huì)引起腎衰、肝硬化、磷脂質(zhì)代謝異常以及尿毒等癥狀；含量過(guò)多時(shí)會(huì)導(dǎo)致骨癌、皮膚炎、白血病、肺癌及鼻咽癌等疾病[9]。

綜上所述，以主成分分析的方法對(duì)不同產(chǎn)地中藥微量元素的質(zhì)量評(píng)價(jià)與療效分析比較科學(xué)，一方面可以為我們更好的研究中藥的藥理提供一定理論依據(jù)，另一方面以期對(duì)中藥的科學(xué)栽培以及地道藥材的開(kāi)發(fā)提供參考依據(jù)。

[1]張朋,張靜佳,楊玉良,等.12種飲用干花中微量元素主成分的分析 [J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2015,37(10):1-4.

[2]劉曉慧,趙英,廖志明,等.11個(gè)不同產(chǎn)地枸杞子中微量元素和黃酮的主成分分析[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015(4):79-83.

[3]黃寅墨,袁久榮,石俊英,等.山東不同產(chǎn)地的五種中藥微量元素含量研究[J].山東中醫(yī)雜志,1992(4):36-37.

[4]朱嫣峰.微量元素缺乏對(duì)兒童健康的影響[J].醫(yī)學(xué)理論與實(shí)踐,2016,29(12):1643-1644.

[5]黃作明,黃珣.微量元素與人體健康[J].微量元素與健康研究,2010,27(6):58-62.

[6]陳秀宇.幾種人體必需微量元素與人體健康[J].福建師大福清分校學(xué)報(bào),2006(2):94-96.

[7]胡亦群,寧慧青.人體必需微量元素過(guò)量對(duì)健康的影響[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力,2008,172(5):44-45.

[8]鐘秀倩,鐘俊輝.微量元素與人體健康[J].現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué),2007,34(1):61-63.

[9]夏敏.必需微量元素與人體健康[J].廣東微量元素科學(xué),2003,10(1):11-16.

〔責(zé)任編輯 楊德兵〕

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

國(guó)家自然科學(xué)基金[30760195]；青海省自然科學(xué)基金[2015-JZ-909]

黃麗娟（1993-），女，安徽旌德縣人，碩士，研究方向：分析化學(xué)。?李海朝，教授，通信作者。