申麗娟，丁恩俊，謝德體,*，陳 崗，吳 振

（1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716；2.西南大學(xué)圖書(shū)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(fā)射光譜法測(cè)定不同產(chǎn)地山銀花金屬元素主成分及其聚類(lèi)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(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716；2.西南大學(xué)圖書(shū)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(fā)射光譜儀，對(duì)全國(guó)7個(gè)主要產(chǎn)地的26個(gè)山銀花樣品中的10種金屬元素的含量進(jìn)行定量分析，應(yīng)用主成分分析和聚類(lèi)分析對(duì)山銀花資源中金屬元素進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的88.58%；主成分分析將26個(gè)山銀花樣品劃分為4類(lèi)，聚類(lèi)分析顯示了相似的結(jié)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(zhì)評(píng)價(jià)和質(zhì)量控制提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

山銀花；金屬元素；主成分分析；聚類(lèi)分析；電感耦合等離子體發(fā)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(kāi)的花[1]。山銀花為2010年中國(guó)藥典收載品種金銀花項(xiàng)下分離出的新增品種[2-3]。山銀花具有清熱解毒、涼散風(fēng)熱的功效，常用于治療癰腫疔瘡、喉痹、熱毒血痢、風(fēng)熱感冒、溫病發(fā)熱等[1]，同時(shí)山銀花還是重要的食品和保健品原料。國(guó)內(nèi)外研究[4-5]發(fā)現(xiàn)產(chǎn)地環(huán)境對(duì)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(jìn)行分析。金屬元素作為食品和醫(yī)藥資源的藥性物質(zhì)基礎(chǔ)的重要組成部分，對(duì)食品和醫(yī)藥的活性起著關(guān)鍵作用[5-6]。

通過(guò)物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)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(biāo)，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)研究，可建立起區(qū)分食用資源產(chǎn)地來(lái)源的特征指紋圖譜[7-12]。電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry，ICP-AES）儀，可測(cè)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(cè)限低、分析速度快、可多元素同時(shí)分析等優(yōu)點(diǎn)而備受研究者青睞[13-14]。由于各產(chǎn)地環(huán)境的不同（如地質(zhì)、氣候、栽培方式等），植物資源元素組成也不同；利用ICPAES結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法評(píng)價(jià)植物資源特有的元素指紋數(shù)據(jù)，可以達(dá)到原產(chǎn)地保護(hù)的目的[15]。目前，化學(xué)計(jì)量方法結(jié)合ICP-AES技術(shù)已廣泛應(yīng)用于保健食品和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域[16-18]。主成分分析（principal component analysis，PCA）是將多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，它可以起到降維作用，用少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)反映大量原始指標(biāo)的主要信息，從而使問(wèn)題簡(jiǎn)化[19-20]。

本研究采用ICP-AES測(cè)定不同產(chǎn)地山銀花資源中Pb、As、Fe、Ca、Zn、Mg、Mn、Cu、Cd、Cr的含量，對(duì)山銀花資源的光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用PCA和聚類(lèi)分析（cluster analysis，CA）進(jìn)行研究，以期為山銀花資源的道地性鑒定和分類(lèi)提供依據(jù)，同時(shí)也為山銀花資源的產(chǎn)業(yè)鏈開(kāi)發(fā)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(jiàn)表1，分別來(lái)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(biāo)準(zhǔn)溶液（Pb、As、Fe、Ca、Zn、Mg、Mn、Cu、Cd、Cr） 北京博德恒悅科貿(mào)有限公司；硝酸、鹽酸、高氯酸（均為國(guó)產(chǎn)分析純） 成都科龍化學(xué)品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

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

1.3 方法

1.3.1 山銀花中金屬元素含量測(cè)定

1.3.1.1 樣品預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用玻璃器皿均用1%（V/V）稀硝酸浸泡24 h，除去雜質(zhì)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(zhì)量，粉碎，過(guò)篩后備用。精確稱(chēng)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(guò)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(wú)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(xù)加熱成濕鹽狀態(tài)，取下錐形瓶，立刻加1 mL硝酸（69.2%），繼續(xù)加熱1 min，冷卻后轉(zhuǎn)移至50 mL的容量瓶中，用純水定容，備用。每個(gè)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(cè)波長(zhǎng)：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(guò)正交化線(xiàn)性變換，把數(shù)據(jù)變換到新的坐標(biāo)系統(tǒng)中，使得這1數(shù)據(jù)的任何投影的第1大方差在第1個(gè)坐標(biāo)（稱(chēng)為第1主成分，PC1）上，第2大方差在第2個(gè)坐標(biāo)（PC2）上，依次類(lèi)推，將原來(lái)的變量壓縮，找出幾個(gè)互不相關(guān)的綜合因子（PCs）來(lái)代表原來(lái)眾多的變量，使這些綜合因子盡可能地反映原來(lái)變量的信息量[21]。每1個(gè)PC值按下式計(jì)算[22]：

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

每個(gè)山銀花樣品濕法消解3次，測(cè)定后取平均值（n=3）。采用XLSTAT 2008進(jìn)行相關(guān)性分析、PCA和CA。

2 結(jié)果與分析

2.1 山銀花資源中10種元素含量的測(cè)定結(jié)果

表1顯示了不同產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)差。以各元素的平均值來(lái)看，山銀花中10種元素的含量順序?yàn)椋篊a＞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(chǎn)地 環(huán)境、采收時(shí)間等[3-4]。2.2 相關(guān)性分析

表1 不同產(chǎn)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(xù)表1

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

表2 山銀花中金屬元素含量的相關(guān)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(lèi)分析

圖1描述了主成分分析初始解對(duì)原有變量總體描述情況，總方差的88.58%的貢獻(xiàn)來(lái)自前3個(gè)主成分，即1個(gè)3因子模型可解釋88.58%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。前3個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為54.38%、27.03%、7.17%。前3個(gè)旋轉(zhuǎn)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(gè)變量與主成分的相關(guān)系數(shù)，可以反映各指標(biāo)對(duì)主成分貢獻(xiàn)的大小，絕對(duì)值越大表示效果越明顯，負(fù)號(hào)表示各指標(biāo)對(duì)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(guān)性；PC2與Pb、As、Cr具有很好的正相關(guān)性，而與Cd具有很好的負(fù)相關(guān)性；PC3僅與As具有很好的正相關(guān)性。

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

表3 前3個(gè)旋轉(zhuǎn)提取成分的得分和載荷因子Table3 Loadings and scores of the ?rst three rotated principal components

計(jì)算26個(gè)山銀花樣品的PCs值，分別以PC1為橫坐標(biāo)、PC2為縱坐標(biāo)，將26個(gè)樣品點(diǎn)分別標(biāo)入坐標(biāo)系中，即得到PCs得分的二維圖（圖2）。由圖2可知，每個(gè)點(diǎn)都是由原10維空間的樣品點(diǎn)降維映射而來(lái)，反映了26個(gè)樣品的分類(lèi)情況。其中產(chǎn)自湖南溆浦和隆回的山銀花集中在下方區(qū)域，產(chǎn)自重慶秀山山銀花集中在右邊區(qū)域，產(chǎn)于四川通江和南江的山銀花集中在左邊區(qū)域，產(chǎn)于貴州興義和遵義的山銀花集中在上方區(qū)域。CA將山銀花樣品分為4類(lèi)，顯示了與PCA相似的結(jié)果（圖3）。聚類(lèi)結(jié)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(xué)成分與植物的親緣關(guān)系之間有著一定的聯(lián)系，親緣關(guān)系相近的種類(lèi)往往含有相同的化學(xué)成分。

實(shí)驗(yàn)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(lèi)鑒定特征。國(guó)內(nèi)外研究[24-25]發(fā)現(xiàn)：決定植物金屬元素含量和分布的根本因素是其品種及產(chǎn)地、氣候、季節(jié)等其他因素，同種植物由于含有相同的生長(zhǎng)基因，從土壤中吸取并最終積累在植物內(nèi)的金屬元素在種類(lèi)分布及含量上有一定規(guī)律，而這種規(guī)律被廣泛作為一些植物藥材道地性鑒別的依據(jù)。

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

圖3 不同產(chǎn)地的山銀花的聚類(lèi)分析Fig.3 Dendrogram of cluster analysis

3 結(jié) 論

本研究探明不同產(chǎn)地山銀花的金屬元素組成，促進(jìn)了山銀花資源開(kāi)發(fā)利用及品質(zhì)評(píng)價(jià)。采用濕法消解、ICP-AES對(duì)不同產(chǎn)地山銀花中的10種金屬元素進(jìn)行測(cè)定，并應(yīng)用PCA和CA方法對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行分析，得出：1）在選定的條件下，各元素間相互干擾小，對(duì)測(cè)定結(jié)果無(wú)明顯影響；以金屬元素含量為指標(biāo)、采用PCA和CA對(duì)山銀花不同產(chǎn)地樣品進(jìn)行分類(lèi)，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(chǎn)地的山銀花樣品區(qū)分開(kāi)來(lái)。2）微量元素對(duì)人體的生理功能具有特殊作用，其含量關(guān)系到人們的健康。金屬元素?cái)?shù)量少、功能作用強(qiáng)，對(duì)許多生物活性分子起著關(guān)鍵的調(diào)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(guān)系。3）以金屬元素含量為指標(biāo)、采用CA對(duì)山銀花樣品進(jìn)行分類(lèi)，可將國(guó)內(nèi)不同產(chǎn)地的山銀花品種區(qū)分開(kāi)來(lái)，在一定程度上體現(xiàn)了山銀花資源的道地性，同時(shí)也為山銀花資源的產(chǎn)業(yè)鏈開(kāi)發(fā)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(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題(2012ZX07104-003）；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD15B04-3）

申麗娟(1986—），女，博士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源與環(huán)境。E-mail：ljshen0210@163.com

*通信作者：謝德體(1957—），男，教授，博士，研究方向?yàn)橥寥婪柿εc生態(tài)、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境。E-mail：xdt@swu.edu.cn