全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 31(4)：559— 563 2011年 7月
DOI：10．3969／j．issn．1000—3142．2011．04．027
基于主成分分析和聚类分析的野生
战骨红外指纹 图谱 比较研究
韦记青 ，孔德鑫1，唐 辉 ，黄庶识 ，王满莲1，邹 蓉1
(1． 毳广西植物研究所，广西桂林54106；2．广西科学院生物物理实验室，南宁53003)
摘 要 ：利用傅里叶变换红外光谱仪检测不同产地战骨的红外光谱 ，并通过主成分分析模型 ，聚类分析以及
主成分载荷因子等化学计量学方法 ，对不同产地样本进行鉴别 ，找出不同产地样本化学组成的差异。结果表
明：(1)在主成分分析模型检测产地中广西平果县和扶绥县产地相距最近，在三维图上的距离也最 近，广西天
峨县与扶绥县和 田阳县相距较远 ，在散点图上的距离也较远 ；云南和贵州地理位置处于广西境外 ，在散点图上
的距离则偏离广西各地；(2)对主成分分析模型结果通过聚类分析验证表明二者的分析结果较一致，与主成分
三维散点图相比，聚类分析图能在各距离水平上对研究对象进行准确的划归；(3)通过提取 PCA模 型中 PC1
的载荷 因子，发现不同产地战骨样品化学组成的差异主要体现在柚皮素、香草酸、丁香酯素、多糖 、苷类 5种物
质成分含量的不同。
关键词：战骨 ；主成分分析 ；聚类分析 ；红外指纹图谱；化学成分
中图分类号：Q657．33 文献标识码 ：A 文章编号：1000—3142(2011)04-0559—05
Comparative study on
Premna fulva based
analVSlS and ■ ●
FH R fingerprint of wild
on principal component
cluster analysis
WEI Ji—QingI，KONG De-Xin ，TANG Hui ，HUANG Shu-Shi2，
WANG M an-Lian ，ZOU Rong
(1．Guangxi Institute of Botany，Guangxi Zhuang Autonomous Region and the Chinese Academy of Sciences，
Guilin 541006，China；2．Lab of Biophysics，Guangxi Academy of Sciences，Nanning 530003，China)
A~tmct：In order to identify and in-depth excavate the differences of chemical compositions in Pronna fulva from
different regions．inrared spectra of multi—region sampled individuals were detected using the fourier transform infra—
red spectroscopy．After that，chemometrics methods including principal component analysis，clustering analysis and
principal component loading factors were utilitied to pretreat original spectra data．The results showed that：(1)in 3
dimensional scatter maps，among the different samples，the distance between Pingguo and Fusui of Guangxi was nea—
rest，SO the natural consequence，the distances of the samples from these two places were nearest，while the real dis—
tance from Tiane to Fusui and Tianyang was further in Guangm，the distances of the samples among these three
places were also further in 3 dimensional scatter maps．In addition，geographical position of Yunnan and Guizhou were
far from Guangm，the results showed that scatter plot chart on distance were also deviated from Guangxi al around．
收稿 日期 ：2010—12 23 修回El期：2011-04~07
基金项目：广西自然科学基金(0991227)；广西科技攻关项目 (0815005—2 3)；广西科技创新能力建设项 目 (0992028—10)[Supported by the Natural
Science Foundati。n of Guangxi(0991227)；Key Technologies Research and Development Program of Guangxi(0815005—2 3)；Scientific and Technological
Innovation Capacity Building Foundation of Guangxi(0992028 1 0)]
作者简介：韦记青(1968)，女，广西桂林人，副研究员，主要从事经济植物的引种驯化研究工作 ，(Email)weijq@gxib．en。
56O 广 西 植 物 31卷
(2)The principal component analysis model results was verified by clustering analysis and had similar consequences,
while，as far as the two methods were concerned，they had individual characteristic，compared with the method of prin-
cipal component analysis，clustering analysis chart could be accurately classified the research objects on each d／stance
level。but it was difficult to directly reflect the interrelationship among research objects．．(3)Through extracting the
loading factor based on principal component analysis，the result indicated that the differences of quality of P．^ Z a—
mong different regions mainly represented in the different contents of chemical components including naringenin，va—
nilic acid，syrinaresiol，polysaccharide and ycosides．
Key words：Premna^ Z ；principal component analysis；cluster analysis；infrared fingerprint；chemical composition
战骨药材为马鞭草科植物黄毛豆腐柴(Premna
fulva)的干燥茎 ，别名土霸王 、穿云箭 ，是一种常用
的壮族药 ，具有活血散淤、强筋健骨、祛风止痛之功
效，主要分布在广西、云南和贵州等省区，是广西道
地药材(韦记青等，2010)。战骨药材主要含有木栓
酮、木栓醇、口一谷甾醇 、胡萝 卜苷 、柚皮素、香草酸、硬
酯酸、卢一谷 甾醇 (II)、熊果 酸 (III)、卢一胡 萝 b苷
(IV)、丁香酯 素 (II)等多种 化学 成分 (戴 春燕等 ，
2006，2007)。在抗脂质过氧化的药理模型中表明战
骨药材中黄酮类化合物柚皮素、洋芹素有不同程度
的抗 氧 化活 性 (黄 琼 等，2009)。此 外，陈 丽芬 等
(2008)对战骨药材总黄酮含量进行 了检测，蒋才武
等(2004)和黄祥远等(2007)分别研究了战骨药材的
生药学特征。然而，目前战骨药材来源仍然以采集
野生资源为主，而野生资源分布较零散，再加上受不
同产地生态环境因子 的影响 ，药材质量必然存在较
大差异 。因此 ，开展 战骨种质资源研究 ，深入探 讨
不同产地药材资源化学成分的差异，筛选化学成
分含量高的药材 ，对开展战骨人工引种驯化、良种
选育及野生资源 的有效保护和可持续利用均有重
要意义。
红外光 谱法 (fourier transform infrared spee—
troscopy，FTIR)有 整体特征性 强、取样量小 、简便
迅速、准确等特点。随着科技的发展，将红外光谱的
指纹特征与化学计量学相结合进行药材研究分析，
已经被 广泛 地应 用 于各个 研究 领 域 (程存 归 等，
2006；徐永群等 ，2002；张志祥等 ，2008)。这种方法
可以挖掘样品潜在 的化学成分信息 ，能够克服 由于
红外光谱固有的复杂性及 中药所含化合物的多样性
致使不同产地或不同栽培条件下中药材样本光谱的
细微差别 肉眼不能有效识别的困难。本文利用傅里
叶变换红外光谱仪检测 不同产地战骨的红外光谱 ，
对不 同产地样本进行鉴别 ，找 出样本化学组成 和产
地差异的信息 ，为战骨植物资源的评价提供简单有
效 的方法 。
1 材料与方法
1．1材料来源及前处理
战骨样本均为野生，分别于 2008年 9月采 自贵
州、云南以及广西扶绥 、平果、田阳和天峨县等，材料
经广西植物研究所韦霄研究员鉴定为战骨(P_． Z—
va)。取各产地战骨的茎 ，用毛刷去除泥沙，清洗干净
晾干，在 55℃下干燥 48 h至恒重 ，采用 中药粉碎机
粉碎后过200目筛，制成细粉储存于干燥器内备用。
1．2光谱采集及处理
采用美国 Thermo Nieolet公 司生产的 Nicolet
5700型傅里叶变换红外光谱仪，分辨率为 4 cm～，
扫描范围为 4 000～400 em- 。实验过程保 持在室
内温度 25℃左右，空气相对湿度 3O 左右，每个片
累积扫描次数 32次 ，扫描时扣除 H 0和 CO 的干
扰。精确称取各样 品 1．0 mg并分别与 200 mg溴
化钾(碎 晶)混合 研磨 充分均 匀 ，压制 成厚度 约 1
mm的透明锭片，然后放入红外光谱仪测定。每个
产地制备 15个样品片 ，每个样品片随机扫描 3个不
同的位置，获得 3个光谱图，取其平均谱图作为最后
的样品谱图 ，原始光谱数据先经过软件 0MNIC 8．0
软件进行基线校正 ，将预处理后 的光谱数据导人软
件 Unscrambler 9．7中，一阶导数处理后 ，进行标准
归一化 (Standard normal variate，SNV)处理 ，以去
除不同样本称量的差异(孔德鑫等，2011)。
2 结果与分析
2．1不同产地战骨茎红外光谱带的提取及其比较分析
从光谱归一化处理后不同产地战骨茎典型的红
外光谱特征可以看出，不同产地战骨茎的红外谱图
较为相似(图 1)。按 照吴瑾光 (1994)和翁诗甫
(2005)对谱带进行归属和分析 ：3 395 cm- 附近为战
骨中木栓醇、』3一谷 甾醇等一OH 伸缩振 动；此外，此
4期 韦记青等：基于主成分分析和聚类分析的野生战骨红外指纹图谱比较研究 561
区间还有水分中羟基和氨基酸中一NH 的伸缩振动。
2 922、1 460和 1 375 cm。附近为烷烃 CH。，CH 的
振动吸收，l 738 cm。左 右为酯类 C==0的振 动吸
收，1 653 cm。附近为 C—C的伸缩振动 ，在 1 604和
1 509 cm。附近为芳环的振动吸收，这些与战骨茎 中
柚皮素 、香草酸、丁香酯素等化合物的特征吸收相吻
合 ；1 241 ClTI 处为糖类、糖苷、脂类 中 C—C骨架 、C
— O—C及 P—O 的伸缩振 动峰 ，1 106、1 052、777
cm。等振动峰归属 为甾醇 、多糖和苷类 等化合物的
振动吸收。比较不 同产地 战骨 的平均光谱 ，发现不
同产地其化学成分具有复杂性和多样性 。澄清不同
产地战骨化学成分差异 ，需要进一步研究 。
4000 3500 3000 2500 2000 1 500 1 000
Wave number(era一’)
图 1 不同产地战骨茎的红外光谱图
Fig．1 FTIR spectra of stems of Premna
fulva from different regions
A．广西 扶绥 ；B．贵州 ；C．广西平果 ；D．广西 田阳；
E．广西天峨 ；F．云南 。
A．Fusui of Guangxi；B．Guizhou；C．Pingguo of Guangxi；
D．Tianyang of Guangxi：E．Tian’e of Guangxi；F．Yunnan．
2．2不同产地战骨茎光谱特征的主成分分析
为更加清晰地辨析不同产地战骨茎化学成分差
异 ，选取波段 1 800 600 cm 作为指纹特征光谱分
析区域 ，建立主成分分析模型进 行分析 。图 2是不
同产地战骨茎的红外光谱经过一介导数处理 、SNV
标准归一化以及主成分分析后 ，主成分 PC1、PC2、
PC3得分的三维散点图。第一主成分的方差贡献率
为 93．3 ，是最重要的成分 ，前 3个主成分 的累积
方差贡献率为 97．7 ，表示前 3个主成分可表达全
部信息的 97．7 ，只有 2．3 的信息丢失 ，所 以，前
三个主成分基本可 以显示出各产地战骨化学成分之
间的相似性关系。从排序 图上可看出 ，不 同产地战
骨红外光谱在排序三维图上 的位置关系与它们 间的
地理距离和相对地理位置有一定 的对应性 。如：在
产地中，广西的平果县和扶绥县产地相距最近，在三
维图上的距离也最近 ，广西天峨县与扶绥县及 田阳
县相距较远 ，在散点 图上 的距离也较远 ；云南和贵州
在地理上位于广西境外 ，在散点图上的距离也就偏
离广西各产地 ，产地相近 的产区战骨药材化学成分
比较相似 ，而产地相距较远 的地区战骨样本化学成
分差异较大。
4
图 2 不同产地战骨样品的主成分得分散点图
Fig．2 Scatter diagram of the main components in
P．fulva samples from different regions
RescaIed Di stance CI uste r Combi Re
CASE
Label Num
图 3 不同产地战骨样品化学成分
的红外光谱聚类分析图
Fig．3 Spectra diagram of the main components in
P．fulva samples from different regions
2．3不 同产地战骨茎光谱特征聚类分析
取不同产地样本的平均图谱，基于欧式距离，运
用 SPSS 11．5对战骨茎 的红外光谱进行分析 ，得到
表征 6个不同地区战骨化学成分的树 系图(图 3)。
6个产地战骨之间欧式距 离系数在 0～7．5之问变
动 ，当欧式距离系数在 2．5～5．5问，各测试样品可
划分为 4个表征群 ，广西扶绥县和平果县居群间的
距离系数最小，首先 聚在一起 ，它们环境条件相似 ，
化学成分的特征光谱较相似，然后他们再与广西 田
阳样本聚在一起 ；广 西天峨 、贵州 、云南等产地分化
∞ 州 叫 N 川 乏弓 №Ⅲ Ⅲ F P T T G Y
562 广 西 植 物 31卷
较大 ，分别归为一类 ，这种地理环境造成的数据差异
与战骨茎的主成分分析结果一致 。
2．4不同产地战骨茎光谱特征的载荷分析
为从 PCA模型中获取更多不同产地样本化学
组成差异的信息 ，提取 PCA模型的载荷 因子，在波
数 1 800~600 cm- 范围内，绘制载荷 因子图谱(图
4)。因为在 PCA的分析模型中，PC1是主要成分 ，
贡献率最大，达 93．3 ，因此，只探讨 PC1的载荷即
可说明不同产地战骨化学成分的差异。战骨结构成
分复杂 ，在整个波段范围内均有明显的吸收 ，某些不
太灵敏的吸收峰被掩盖 ，未能在图 1中表现出来 ，这
些峰在图 4中得 以体现 ，如 1 773、1 623、1 584、
1 419、1 339、1 283、1 175 cm～，这些 峰依次对应为
酰胺 、芳香酸酯、烯烃 、甾醇类 等物 质的特征 吸收 。
此外 ，对 PC1贡献较大的峰有 1 735、1 660、1 584、
1 512、1 497、1 472、1 320、1 175、1 014、975 cm～，这
些峰与战骨茎中柚皮素、香草酸、丁香酯素等化合物
的特征 吸 收有 密 切 的关 系；由于 PCI贡 献率 为
93．3 ，对 PCA模型的贡献最大 ，因而，不同产地战
骨样品化学组成的差异主要体现在柚皮素、香草酸、
丁香酯素、多糖、苷类 5种物质成分含量的不同。
- 14
⋯ 八l
V ： j ·器童l5
图 4 PCA鉴别模型的载荷因子
Fig．4 The loading factors of PCA identification model
3 结论与讨论
药用植物的红外光谱特征是其化学成分中含何
种官能团的叠加 ，不 同样品在植化组成上 的差异程
度可通过红外光谱特征体现出来。因此，对药用植
物化学成分有影响的外界因素，如 ：地域 、加工方法、
储存等可以从各 自的红外光谱上反映出其差异性。
将红外光谱与现代化学计量学，如主成分分析、聚类
分析、偏最小二乘法等方法相结合，可 以挖掘药材原
始光谱中潜在的化学成分差异信息。左康等(2007)
采用主成分分析法对 7个产地的虎杖植化组成上的
相似性进行聚类分析 ，表明虎杖样品在 4 000～700
cm。区域有相似的红外光谱特 征，而在 l 700～900
cm。区域不同产地的样品又存在一定的差异。徐永
群等(2002)用红外指纹图谱和主成分分析法 ，对来
自8个省的 74个山药样本道地与非道地性进行 了
聚类分析。张志祥等 (2008)应用 FTIR法测定了浙
江省 7个不同地区香果树茎和叶的红外光谱，并应
用主成分分析和聚类 分析 ，比较了 7个不同地理居
群香果树茎和叶在红外光谱图上 的差异程度 ，进而
分析其不同产地化学成分含量差异。
在这些理论基础上 ，本文利用傅里叶变换红外
光谱技术对不同产地战骨茎的化学成分进行鉴别、
指认 ，发现不同产地战骨的红外 光谱在三维 图上的
位置关系与相对地理位置有一定对应性，即：广西平
果县和广西扶绥产地相距最近 ，在三维图上 的距离
也最近 ，广西天峨县与扶绥县和田阳县相距较远，在
散点图上的距离也较远；云南 和贵州地理位置处于
广西境外，在散点图上的距离也就偏离广西各地；云
南 、河池与平果及扶绥产地相距较远 ，在三维散点图
上的距离也较大，表 明了产地相距较近的产区战骨
药材化学成分比较相近，产地相距较远 的产区战骨
样本化学成分差异较大，这种 由环境条件对药用植
物生长及其化学成分 累积影响的结果与左康等
(2007)对不同产地虎杖研究结果相似。
与主成分分析模 型相 比，聚类分析虽然不如主
成分三维图谱那样 能清楚表达样本间的相互关系，
但聚类分析图能在各距离水平上对研究象进行准确
划归。如：在三维散点排序 图中，贵州与天峨和田阳
的距离相差不明显 ，较难鉴别 贵州样品与广西地区
天峨县和田阳县样 品间差别时 ，聚类分析则体现出
优越性，可以表达出三者的关系。因此，将主成分分
析与聚类分析相结合，可准确判断出不同产地战骨
由于地理距离而引起的分化 。
通过提取 PCA模 型中 PC1的载荷 因子 ，在波
数 1 800～600 cm。范围内，绘制载荷因子图谱。发
现不同产地战骨样品化学组成的差异主要体现在柚
皮素、香草酸 、丁香酯素 、多糖 、苷类 5种物质成分含
量的不同。在此基础上 ，通过 比较原始图谱 中 1 660
cm- 和 1 512 cm 等处与黄酮类物质相关的特征吸
收峰峰强发现 ，各产地 样 品在上述 两处 的峰强在
0．413～O．591间变化，广西地 区以广西天峨产区样
4期 韦记青等 ：基于主成分分析和聚类分析的野生战骨红外指纹 图谱 比较研究 563
品的峰强最高 ，与云南省的样品相当 ，其次是广西田
阳和平果县 ，最低的是广西扶绥县 。此结果表明，不
同产地战骨黄酮含量以广西天峨县最高 ，广西扶绥
的最低 ，这与韦记青等 (2010)检测不同产地 总黄酮
含量结果相一致 。但是，此结论是借 助黄酮类物质
官能团的振动特征得出的，有待结合柚皮 素等黄酮
类物质标准品进行进一步分析考证 。
本文运用红外光谱和主成分分析模 型、聚类分
析及主成分分析 的载荷因子，可 以实现对 不同产地
野生战骨药材进行评价 ，并找 出了造成这些差异 的
主要成分 ，研究结果可对不 同产地战骨药材质量评
价提供参考，对其化学成分的研究有一定指导意义。
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