全 文 ：收稿日期:2013-08-11; 修订日期:2014-02-25
基金项目:广东省科技计划项目( No． 2006B35630010) ;
广东省韶关市科技计划项目( No． 201009) ;
广东省韶关市科技计划项目( No． 2012CX /N13)
作者简介:黄冬兰( 1983-) ，女( 汉族) ，广东韶关人，韶关学院化学与环境
工程学院讲师，硕士学位，主要从事天然产物分析技术的开发研究工作．
溪黄草及其近缘种中微量元素的
主成分分析和聚类分析研究
黄冬兰，徐永群，陈小康
(韶关学院化学与环境工程学院，广东 韶关 512005)
摘要:目的 以溪黄草及其近缘种的微量元素含量为聚类分析的对象，研究了火焰原子发射法和原子吸收光谱法结合聚
类分析法对溪黄草及其近缘种进行分类的可行性。方法 采用火焰原子发射法和火焰原子吸收法测定溪黄草及其近缘
种中 K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu等 7 种微量元素的含量，基于上述的测定结果，对数据进行标准化处理后，采用 SPSS 主成
分分析法和聚类分析法对其进行分类研究。结果 表明用该法可实现对溪黄草及其近缘种植物的鉴别，总符合率达 87%
( 14 /15) 。结论 火焰原子发射法和火焰原子吸收光谱法与聚类分析法相结合可为判别溪黄草及其近缘种提供一种新的
方法。
关键词:溪黄草; 微量元素; 主成分分析; 聚类分析
DOI标识:doi: 10． 3969 / j． issn． 1008-0805． 2014． 07． 042
中图分类号:Q657． 3 文献标识码:A 文章编号:1008-0805( 2014) 07-1640-03
Principal Component and Cluster Analysis of Trace Elements in Ｒabdosia iophanthoides
and Its Ｒelative Species
HUANG Dong-lan，XU Yong-qun ，CHEN Xiao-kang
( School of Chemistry and Environmental Engineering ，Shaoguan University，Shaoguan 512005，China)
Abstract: Objective With the trace elements content data of Ｒabdosia iophanthoides and its relative species as the object，the
feasibility of classification of Ｒabdosia iophanthoides and its relative species was studied by using AES and AAS coupled with clus-
ter analysis method． Methods The contents of trace elements K，Na，Ca，Mg，Fe，Mn and Cu in Ｒabdosia iophanthoides and its rel-
ative species were determined by AES and AAS． Based on the data of trace elements contents，the principal component analysis
and cluster analysis of SPSS were applied to study the classification of Ｒabdosia iophanthoides and its relative species after the data
was standardized treatment． Ｒesults The result showed that Ｒabdosia iophanthoides and its relative species can be distinguished
by this method，whose accuracy of classification is 87% ( 14 /15) ． Conclusion AES and AAS coupled with cluster analysis were
proved to be a new method to distinguish Ｒabdosia iophanthoides and its relative species．
Key words: Ｒabdosia iophanthoides; Trace elements; Principal components analysis; Cluster analysis
溪黄草为广东民间习用草药，多用于清热利湿、凉血散淤、治
急性黄疸肝炎、急性胆囊炎等症，并成为成药消炎利胆片、胆石通
胶囊及复方胆通胶囊的原料之一［1］。《中药大辞典》拟定其来源
为线纹香茶菜 Ｒabdosia iophanthoides 一种，但是目前临床上使用
的溪黄草除正品线纹香茶菜外，还有狭基线纹香茶菜 Ｒ． iophan-
thoides var． gerardianus、纤花线纹香茶菜 Ｒ． iophanthoides var．
graciliflorus及溪黄草 Ｒabdosia serra 等多种近缘种植物［2］。溪黄
草及其近缘种的外形和化学成分均比较相似，按传统方法很难将
其准确鉴别，为了确保用药准确有效，建立溪黄草及其近缘种快
速、有效的鉴别方法是非常必要的。微量元素是中药药性物质基
础的重要组成部分，其具有含量低、功能大的特点，且对许多生物
分子的活性起到关键调控的作用［3］。因此，随着对中药化学成
分研究的深入，微量元素的研究已成为科研工作者研究的热点。
相关研究表明，中药本身所含微量元素具有一定的规律性，且这
种规律可作为中药鉴别分类的依据［3］。但中药本身所含的微量
元素除与品种有关外，也受到当地的土壤、水质及气候条件等因
素的影响，测定结果比较复杂，仅靠人工分析难以找出微量元素
分布的规律性。目前，化学计量学在处理原子吸收光谱法所获得
的庞大数据中发挥着重要作用，因此将原子吸收光谱法与化学计
量学相结合进行中药材的模式识别，也日益成为一种快速鉴别中
药材的有效途径［4 ～ 8］。本文采用火焰原子发射法和火焰原子吸
收光谱法测定了溪黄草及其近缘种 K，Na，Ca，Mg，Fe，Mn 和 Cu
共 7 种微量元素的含量，并对溪黄草及其近缘种的光谱数据进行
了主成分分析和聚类分析研究，为快速有效鉴别溪黄草及其近缘
种提供了方法参考。
1 器材
1． 1 样品的采集 溪黄草及其近缘种样品的来源及编号见表 1。
1． 2 试剂 K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn和 Cu的标准溶液(北京有色金
属研究总院)，使用时按需要逐级稀释，HNO3，HClO4，2． 5% CsCl2
溶液，2． 5%KCl溶液，试剂均为优级纯。实验用水为去离子水经
石英亚沸蒸馏器蒸馏的二次蒸馏水。
1． 3 仪器 AA －7000 原子吸收分光光度计(岛津国际贸易有限
公司);箱式电阻炉(上海实验仪器厂);电热板(江苏金坛市佳美
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仪器厂);电子天平(梅特勒 －托利多仪器上海有限公司);DFT
－ 50 中药粉碎机(温岭市林大机械有限公司);所用玻璃仪器均
用(1 + 5)硝酸浸泡过夜，用水反复冲洗，最后用蒸馏水冲洗干
净。
表 1 溪黄草及其近缘种样品列表
编号 植物名种 拉丁种名 采集地 药用部位及功效
1 线纹香茶菜 Ｒ． Iophanthoides 清远阳山
全草入药，治疗急性黄疸
性肝炎，急性胆囊炎，咽喉炎，
妇科病，瘤行麻风，尚可解
草乌中毒［9］
2 线纹香茶菜 Ｒ． Iophanthoides 韶关乳源 同 1
3 线纹香茶菜 Ｒ． Iophanthoides 韶关曲江 同 1
4 线纹香茶菜 Ｒ． Iophanthoides 广西贺州 同 1
5
狭基线
纹香茶菜
Ｒ． Iophanthoides
var． gerardianus
韶关乐昌
根或全草入药，
治疗急性黄疸性肝炎，
急性胆囊炎，并可驱蛔虫［9］
6
狭基线
纹香茶菜
Ｒ． Iophanthoides
var． gerardianus
韶关南雄 同 5
7
狭基线
纹香茶菜
Ｒ． Iophanthoides
var． gerardianus
韶关曲江 同 5
8
狭基线
纹香茶菜
Ｒ． Iophanthoides
var． gerardianus
韶关仁化 同 5
9
狭基线
纹香茶菜
Ｒ． Iophanthoides
var． gerardianus
广西贺州 同 5
10
狭基线
纹香茶菜
Ｒ． Iophanthoides
var． gerardianus
广西贺州 同 5
11
纤花线
纹香茶菜
Ｒ． Iophanthoides
var． graciliflorus
韶关曲江
全草入药，治疗急性胆囊炎，
黄疸性肝炎［9］
12 纤花线纹香茶菜
Ｒ． Iophanthoides
var． graciliflorus
韶关仁化 同 11
13 溪黄草 Ｒabdosia serra 韶关翁源
全草入药治疗急
性肝炎，急性胆囊炎，跌
打瘀肿等症［9］
14 溪黄草 Ｒabdosia serra 韶关曲江 同 13
15 溪黄草 Ｒabdosia serra 韶关曲江 同 13
2 方法
2． 1 样品微量元素含量测定 上述溪黄草及其近缘种药材用去
离子水洗净，在 60 ～ 70℃条件下烘干，粉碎后过 100 目筛，放在
干燥器中保存备用。准确称取 3． 0000 g干燥后的溪黄草样品于
50ml的瓷坩埚中，在电炉上加热炭化至不再冒烟变成白色残留，
放入马弗炉中升温到 500℃灰化 5h。取出，冷却。加入 3． 0ml浓
硝酸，于电热板上加热消解至澄清透明近干为止，冷却后转移并
定容到 25． 00ml的比色管中，同时备一份空白溶液做对照。用火
焰原子发射法测定 K、Na 的含量，用火焰原子吸收光谱法测定
Ca，Mg，Fe，Mn，Cu的含量，同时做空白实验。
2． 2 主成分分析和聚类分析 应用 SPSS16． 0 统计软件对上述测
得的微量元素数据进行标准化处理，然后用 SPSS16． 0 软件包中
的因子分析程序对处理后的数据进行主成分分析，再对所提取的
主成分数据使用层次聚类法进行聚类分析，从而将溪黄草及其近
缘种进行分类鉴别。
3 结果与讨论
3． 1 样品中微量元素的测定结果 按选定的最佳的实验条件，
分别测定各系列标准溶液，计算绘制标准工作曲线，算出回归方
程和相关系数，结果见表 2。结果表明在试验的工作范围内，各
元素标准曲线的线性关系良好。在此基础上按照各元素的测定
条件，对 15 个溪黄草及其近缘种样品中的 K、Na，Ca，Mg，Fe，Mn，
Cu直接进行测定，每一份样品液平行测定 5 次，取其平均值。由
标准曲线方程计算各样品中金属元素的含量，测定结果见表 3。
表 2 线性回归方程及相关系数
元素 线性回归方程 相关系数 检出限 /μg·ml －1
K A = 0． 662 24C + 0． 015 795 0． 999 0 0． 001 4
Na A = 0． 164 63C + 0． 005 009 0． 998 4 0． 0053 6
Ca A = 0． 058 64C － 0． 001 489 1． 000 0 0． 0007 9
Mg A = 0． 580 56C － 0． 001 8619 0． 999 7 0． 026 4
Fe A = 0． 052 730C + 0． 008 00 0． 999 5 0． 015 3
Mn A = 0． 124 13C + 0． 007 0857 0． 999 7 0． 012 3
Cu A = 0． 117 02C + 0． 003 924 0． 999 8 0． 016 9
表 3 15 种溪黄草及其近缘种微量元素含量测得结果
μg·g － 1
编号 植物名种 K Na Ca Mg Fe Mn Cu
1 线纹香茶菜 13421 5886 8958 3321 328． 5 40． 35 12． 21
2 线纹香茶菜 9983 5273 5066 2262 128． 6 70． 03 11． 43
3 线纹香茶菜 10942 6083 5724 2414 99． 77 63． 11 12． 01
4 线纹香茶菜 10370 3623 8729 2353 123． 2 44． 95 14． 71
5 狭基线纹香茶菜 23733 6185 4088 2251 166． 1 70． 77 12． 66
6 狭基线纹香茶菜 16013 4525 6093 2773 119． 6 56． 16 13． 13
7 狭基线纹香茶菜 19429 5323 8903 2313 163． 8 117． 3 12． 37
8 狭基线纹香茶菜 17133 3815 7205 2541 131． 2 44． 45 12． 17
9 狭基线纹香茶菜 10612 6215 14809 3930 428． 7 175． 8 15． 70
10 狭基线纹香茶菜 10779 4636 4039 1593 306． 1 999． 70 16． 10
11 纤花线纹香茶菜 13063 5708 1148 2330 220． 9 199． 2 15． 73
12 纤花线纹香茶菜 20033 4322 1094 4350 332． 5 91． 51 19． 13
13 溪黄草 10571 2833 4478 1543 146． 3 128． 6 8． 64
14 溪黄草 11000 3593 2767 1589 405． 8 280． 4 13． 29
15 溪黄草 17371 2853 6862 2491 686． 2 82． 68 11． 65
n =5
3． 2 回收率实验 为了考察方法的准确性，进行了加标回收率
实验。在已知含量的样品中分别加入一定量的 Ca，Mg，K，Na，
Fe，Mn，Cu的标准溶液测定其回收率及精密度，结果见表 4。结
果表明，加标回收率为 89． 3% ～ 100． 0%，ＲSD为 0． 2% ～ 3． 7%，
说明该方法准确、可靠。
表 4 回收率与相对标准偏差
元素
样品
/μg·ml － 1
加入量
/μg·ml － 1
测定值
/μg·ml － 1
平均回收率
(%)
ＲSD
(%)
K 479． 4 320． 0 801 100． 0 3． 7
Na 125． 45 200． 0 316． 44 95． 5 1． 0
Ca 57． 80 60． 0 111． 38 89． 3 0． 9
Mg 34． 66 32． 0 64． 16 92． 2 0． 3
Fe 20． 07 8． 0 27． 85 97． 2 0． 2
Mn 7． 56 8． 0 14． 85 91． 1 3． 2
Cu 2． 44 2． 0 4． 21 98． 0 0． 8
n =3
3． 3 主成分分析
3． 3． 1 数据处理 为了消除原始数据之间的量纲影响，使得数据
具有可比性，需要对原始数据进行预处理。本文应用 SPSS16． 0
统计软件包中的因子分析程序对原始数据作标准化处理，即对同
一变量减去其均值，再除以标准差，然后再对标准化处理后的数
据进行主成分分析和聚类分析。
3． 3． 2 相关系数的特征值和方差贡献率 主成分分析的目的之
一就是用尽可能少的因子来描述多种指标或因素之间的关系，在
选择主成分的过程中，主成分的特征值及贡献率是选择主成分的
依据［3］。表 5 描述了主成分分析初始解对原有变量总体描述情
况。从表 5 可以看到前 4 个主成分累计得分为84． 843% ＞ 80%，
所以前 4 个主成分能代表溪黄草及其近缘种微量元素含量
84． 843%的信息。
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表 5 特征值和方差贡献率
主成分 特征值 方差贡献率(%) 累计方差贡献率(%)
1 1． 973 28． 181 29． 828
2 1． 557 22． 240 55． 386
3 1． 225 17． 496 72． 127
4 1． 185 16． 926 84． 843
表 6 是方差最大正交法对因子载荷矩阵旋转后的结果，从表
中可以看出第 1 主成分在变量 Mg(0． 694)、Cu(0． 918)元素上有
高的载荷系数。第 2 主成分在变量 K(0． 780)、Mn(－ 0． 810)在
第 2 主因子上有高的载荷系数。由于总方差 50%以上的贡献来
自第 1 和第 2 个主成分，因此可以认为 Mg、Cu、K、Mn 是溪黄草
及其近缘种的特征微量元素。
表 6 方差最大化旋转后的因子载荷矩阵
元素
主成分
1 2 3 4
K 0． 237 0． 780 － 0． 327 0． 0364
Na 0． 473 0． 0208 0． 282 － 0． 709
Ca － 0． 0112 － 0． 0112 0． 930 0． 0137
Mg 0． 694 0． 471 0． 429 0． 0510
Fe 0． 301 － 0． 0446 0． 176 0． 855
Mn 0． 277 － 0． 810 － 0． 338 0． 130
Cu 0． 918 － 0． 109 － 0． 168 0． 0 613
3． 4 聚类分析 对所筛选出的特征值累计贡献率为 84． 843%的
4 个主成分进行系统聚类分析，每两个样本间用 Average linkage
法连接，得聚类分析图(见图 1)。
从图 1 可知，在距离水平为 8． 2 时，样本层次聚类分析将 15
个样品聚为 4 类时，样本 1 ～ 8、11、12 号聚为一类，样本 13 ～ 15
号聚为一类，样本 9 号单独为一类，样本 10 号单独为一类。线纹
香茶菜(1 ～ 4 号)、狭基线纹香茶菜(5 ～ 8 号)、纤花纹线香茶菜
(11 ～ 12 号)聚为一类 CladeⅠ，说明三者具有较近的近缘关系。
而当阈值较小时，CladeⅠ(样本 1 ～ 8、11、12 号)又细分为三类，
它们分别为线纹香茶菜(1 ～ 4 号)、狭基线纹香茶菜(5 ～ 8 号)、
纤花纹线香茶菜(11 ～ 12 号)，说明三者的微量元素含量存在差
异性。但广西贺州产的狭基线纹香茶菜 CladeⅢ、CladeⅣ(9、10
号)与韶关产的狭基线纹香茶菜(5 ～ 8 号)的微量元素含量上差
异较大，这说明植物微量元素的含量与其产地具有相关性，产地
地理环境和距离越近其亲缘关系也越近。溪黄草 CladeⅡ(13 ～
15 号)聚为一类，说明溪黄草与线纹香茶菜、狭基线纹香茶菜的
微量元素差异较大，这可能是由于植物本身对微量元素有选择性
富集的功能而引起的。
该聚类分析的结果在一定程度上还反映了各分类群间的亲
缘关系。除广西贺州产的狭基纹线香茶菜外，线纹香茶菜、狭基
线纹香茶菜和纤花线纹香茶菜均聚在一起，说明三者具有较近的
亲缘关系。而溪黄草与线纹香茶菜、狭基线纹香茶菜、纤花线纹
香茶菜之间明显分为两大类，说明溪黄草与线纹香茶菜、狭基线
纹香茶菜、纤花线纹香茶菜之间的亲缘关系远。在传统分类学
上，溪黄草与线纹香茶菜、狭基线纹香茶菜、纤花线纹香茶菜同属
于香茶菜属 Isodon，但分属于香茶菜组(Sect． Amethstoides Benth．)
和皱叶香茶菜组(Sect． Isodon)［9］，聚类分析结果与它们所处的
传统分类学位置相符合。由图 1 可知，线纹香茶菜与其近缘种的
亲缘关系由近到远依次是:狭基纹线香茶菜、纤花纹线香茶菜、溪
黄草。因此，民间以狭基线纹香茶菜作为线纹香茶菜入药具有一
定的依据，至于其临床上是否能作为线纹香茶菜等同使用，仍有
待作进一步的研究。
图 1 溪黄草及其近缘种微量元素聚类分析
4 结论
用火焰原子发射法和火焰原子吸收光谱法测定了溪黄草及
其近缘种 K，Na，Ca，Mg，Fe，Mn和 Cu等 7 种微量元素的含量，通
过主成分分析和聚类分析对溪黄草及其近缘种进行分类研究，总
符合率达 87%(14 /15)。实验结果表明，溪黄草及其近缘种中微
量元素的含量与植物本身密切相关，微量元素的聚类分析可以为
判别溪黄草及其近缘种提供一种新的方法。
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