清热解毒类中草药中11种微量元素的主成分分析

清热解毒类中草药中11种微量元素的主成分分析

彭启志

彭启志（广西柳州食品药品检验所广西柳州545006）

【摘要】运用主成分分析法，结合SPSS13.0统计软件，对6种清热解毒类中草药中11种微量元素特征进行了研究，以Fe、Cu、Zn、Mn、Na、K、Ca、Mg、Cr、Ni和Pb为评价指标，对其进行了综合评价。结果表明，由第一、第二和第三主成分累计方差贡献率为88.764％。对清热解毒类中草药中常微量元素主成分分析的探讨为今后此类中药材的研究和开发提供科学依据和技术指导。

【关键词】主成分分析中草药清热解毒类微量元素

中草药是我国宝贵的医学财富，研究资料[1]表明微量元素是沟通动植物信息的桥梁，是决定中草药四性的主要因素之一。微量元素更是以其特有的生理功能、生物学作用和临床治疗等使其在人体生长发育、协助体内物质的运输、维持维生素活性、参与激素的生理作用、维持核酸正常代谢和疾病防治等方面起到了不可替代的作用。因此，研究和开发中草药中的微量元素是现代中医药临床的重要课题，它对阐明传统的药理、毒理及药品分类提供技术指导和科学依据；对鉴别药品真伪、中草药的结构和药效分析及其种植与综合利用开发等具有重要的意义。

近年来，主成分分析已广泛应用于微量元素分布特征的研究[2～4]。笔者在闫清华、杨理和杨利娟对6种清热解毒类中草药中的常微量元素含量测定结果的基础上，采用多元统计方法对其进行主成分分析研究，进一步探讨微量元素与清热解毒类中草药药效的关系，以便指导临床用药，并为该类中草药资源可持续利用与开发，科学化、规范化种植及其微量元素营养学和功效学的研究具有重要意义。

1主成分分析原理与步骤

主成分分析是一种降维或者把多个指标转化为少数几个综合指标的一种多元数理统计方法。假设有来自某个总体的N个样本，而每个样本测得P个指标数。这P个指标之间往往互有影响，需要从P个指标中去寻找少数几个综合性的指标，而这几个综合性的指标既能反映原来P个指标的信息，又能达到彼此互不相关。

其分析的基本步骤：对原始指标进行标准化处理；求标准化数据的相关系数矩阵；求相关系数的特征值、特征向量和方差的贡献率；根据方差贡献率大于85％的原则确定主成分分析的个数；求主成分分析的得分并计算综合得分。

2结果

2.1原始数据

本文数据采用闫清华等人所作《微波消解ICP-AES检测6种清热解毒类中草药中14种常微量元素》[5]一文数据。

2.2原始数据的标准化处理

对原始数据标准化为了消除原始数据之间量纲不同的影响，使标准化后的数据具有可比性并遵循正态分布规律(0,1)。

2.3计算相关系数矩阵

通过运行SPSS13.0软件可以得到11个变量的相关系数矩阵，详见表1。从表中的各相关系数可以看出：80%以上的数据的绝对值大于0.3，说明各变量间有较大的相关系数，因此，适宜用主成分分析法来研究变量之间的关系。

表1相关系数距阵

2.4主成分的确定

通过SPSS13.0软件求得相关系数的特征值和方差贡献率，详见表2。由表知：第1、2、3的主成分的累计方差贡献率为88.76％>85.0％。所以选3个主成分进行评价就可以了，它代表了清热解毒类中草药中微量元素含量的88.76％的信息量。

表2相关系数的特征值和方差贡献率(%)

2.5计算主成分的特征向量

从初始因子载荷矩阵计算出3个主成分的特征向量，详见表3。且得到这3个主成分与各个变量的线性方程分别为：

F1=0.8824Fe+0.9285Cu+0.9206Zn+0.2137Mn+0.1274Na+0.2876K+0.6897Ca+0.522Mg+0.8361Cr-0.0011Ni+0.3658Pb

F2=0.3230Fe+0.2033Cu+0.0124Zn-0.0757Mn+0.8113Na+0.2361K+0.6915Ca+0.8151Mg+0.4630Cr-0.7867Ni+0.8831Pb

F3=0.1867Fe+0.2443Cu+0.2080Zn+0.8832Mn-0.2519Na+0.8670K+0.1282Ca+0.1516Mg+0.1568Cr-0.3551Ni+0.0769Pb

表3规格化的特征向量表

2.6计算主成分得分及综合得分

将处理后各变量的标准化数据代入线性组合方程，计算出其主成分得分F1、F2、F3并排序，详见表4。以各主成分的贡献率为权数进行线性加权求和可得到清热解毒类中草药中微量元素的综合得分，计算综合得分表达式为：F=0.6029F1+0.17425F2+0.11049F3。

表4主成分得分及其排序

3结论与讨论

主成分分析的目的是将原始数据降维，以排除原始数据共存中相互重叠的信息。本文通过主成分综合得分评价可知，对这6种清热解毒类中草药中的Fe、Cu、Zn、Mn、Na、K、Ca、Mg、Cr、Ni和Pb的信息用三个主成分即可进行全面综合评价。并得出这6种清热解毒类中草药中蒲公英的综合评分最高，即其品质最好，其次是大青叶，板蓝根综合评分最低。

由表3知第一个主成分主要反映了Cu元素特征。Cu是参与免疫功能和生化代谢的重要因子，是血红蛋白合成的活性因子，具有抗炎消菌的作用，推测其在清热解毒中药中可与生物体内的酶、激素和微生素等生物活性物质有一定作用而使其发挥药效。同理推出第二个主成分主要反映了Pb元素特征。虽然Pb的检出可能是该类中药材生长的环境污染所致，但其对免疫系统的影响具有抑制和刺激的双重作用，这可能与此类中药材的清热润肺、化痰止咳功效相符。第三个主成分主要反映了Mn元素特征。Mn是人体必需的微量元素，且是公认的抑癌元素，因Mn与刺激红细胞生成素、促进造血功能、提高机体免疫力，刺激抗毒素的合成、参与人体糖脂肪代谢凝血机制等生理活动有关。

通过对这6种清热解毒类中草药中11种微量元素主成分分析知，与第一个主成分具有较高相关度的的元素还有Zn、Fe、Cr、Ca和Mg；Mg、Na、Ni、Ca和Cr与第二个主成分相关程度也较高；K与第三个主成分相关程度也较高。众所周知，K和Na对维持人体内液体渗透压和酸碱平衡起着重要作用。Ca除是构成骨质的主要成分外，还能降低毛细管壁的通透性和有抗炎、消肿作用。Mg是维持神经系统兴奋性的一种元素。Fe具有广泛的生物性作用和生理功能，是血红蛋白的重要组成部分；在造血和体内能量代谢方面有着重要的功能。Zn能加速创伤组织愈合、参与核酸和蛋白质的合成、影响细胞分裂、生长和再生、增强机体抗感染能力，从而达到抗炎抗菌的作用。Cr参与人体脂肪代谢，可提高造血功能的功效。正是这些微量元素与清热解毒药中有机成分协同或共同作用形成络合物和盐类，起到解热和抗菌作用。因此，建立在主成分分析基础上的综合评价这些清热解毒中草药中的常微量元素与中药功效的关系是科学的，并为以后此类中药材开发利用提供了科学的依据和理论基础。

参考文献

[1]马威,管竞环.植物类中药辛、甘、苦味的定量判别研究[J].微量元素与健康研究,2004,21(1):22-24.

[2]戴晓燕,盛振华,郝云云,等.不同产地大黄中微量元素含量的主成分分析及聚类分析[J].中华中医药杂志,2012,27(5):1445-1448.

[3]罗卉.11种中草药中微量元素的主成分分析[J].四川中医,2012,30(8):59-61.

[4]白吉庆,王小平,许建强.主成分分析用于太白药王茶中微量元素的含量[J].陕西中医,2011,32(10):1394-1397.

[5]闫清华,杨理,杨利娟.微波消解ICP-AES检测6种清热解毒类中草药中14种常微量元素[J].药物分析杂志,2011,31(7):1393-1396.