全 文 ：中国农学通报 2011,27(19):129-132
Chinese Agricultural Science Bulletin
0 引言
龙胆科龙胆属（Gentiana）植物全世界约有 400余
种，分布于欧洲、亚洲、澳大利亚北部、新西兰及整个北
美，并沿安第斯山脉达合恩角和美洲北部。中国有
247种，分布遍及全国，主要生长于高山、流石滩、高山
草甸和灌丛中[1]。青藏高原具有丰富的龙胆科植物花
资源。龙胆花，清肝胆实火，泄下焦湿热，主治头胀头
痛，目赤肿痛，耳聋耳肿，口苦肋痛；湿热黄疸，小便淋
第一作者简介：周利兵，男，1978年出生，江苏宿迁人，副教授，硕士，从事计算机化学、计量学和统计学研究，通信地址：562400贵州省兴义市富民路
75号黔西南民族职业技术学院医药系，E-mail：zhoulibing7802@sina.com。
收稿日期：2011-04-21，修回日期：2011-05-30。
青藏高原龙胆科植物花中微量元素化学计量学研究
周利兵，姜紫勤
（黔西南民族职业技术学院，贵州兴义 562400）
摘 要：综合评价青藏高原龙胆科植物花中6种微量元素。采用因子分析和聚类分析方法对青藏高原龙
胆科植物花中的微量元素含量数据进行分析，找出了龙胆科植物花中Ca、Mg、Cu、Fe、Mn、Zn等6种微
量元素之间的关系，运用化学计量学方法，结合MATLAB2010软件，对青藏高原龙胆科植物花中微量元
素和中药功效进行研究。第一公共因子F1在指标Cu、Fe、Mn上有较大的载荷，第二公共因子F2在指标
Ca、Mg上有较大的载荷，第三公共因子F3在指标Zn上有较大的载荷。青藏高原龙胆科植物花中6种微
量元素含量高低顺序为：麻花秦艽花>云雾龙胆花>线性龙胆花>蓝玉簪龙胆花>黄管秦艽花>管花秦艽
花。该研究为大规模合理开发青藏高原龙胆科植物花资源，以及为青藏高原龙胆科植物花的药物功效
学和微量元素的研究提供科学的依据和理论基础。
关键词：青藏高原；龙胆科植物花；微量元素；因子分析；聚类分析；化学计量学
中图分类号：S1 文献标志码：A 论文编号：2011-1171
Chemometrics Research on the Trace Elements in Flowers of Gentianaceae
from Qinghai-Tibet Plateau
Zhou Libing, Jiang Ziqin
(Qianxi’nan Vocational and Technical College for Nationalities, Xingyi Guizhou 562400)
Abstract: The study aimed to comprehensively evaluate 6 kinds of trace elements of flowers of Gentianaceae
in Qinghai-Tibet Plateau. The factor analysis and cluster analysis methods were used to analyze the data of
trace elements in flowers of Gentianaceae from Qinghai-Tibet Plateau and find the relationship between 6
kinds of trace elements including Ca, Mg, Cu, Fe, Mn and Zn. Combining with MATLAB2010, the
chemometrics methods were made on the trace elements of flowers of Gentianaceae and the efficacy of
traditional Chinese medicine. The first commonality factor F1 had greater load on the indexes of Cu, Fe and Mn,
and the second commonality factor F2 had greater load on the indexes of Ca and Mg, and the third commonality
factor F3 had greater load on the index of Zn. Six kinds of trace elements in flowers of Gentianaceae in the order
were manual twist Gentiana flowers >Gentian nubigena Edgew>linear Gentian flowers>hosta blue Gentian
flowers>yellow tube Gentiana flowers>tube flowers Gentiana flowers. The study provided the scientific base
and theoretical foundation for the relation development of flowers of Gentianaceae resource and for the research
of medication efficiency and trace elements．
Key words: Qinghai-Tibet Plateau; flowers of Gentianaceae; trace elements; factor analysis; cluster analysis;
chemometrics
中国农学通报 http://www.casb.org.cn
痛，阴肿阴痒，带下；热病惊风抽搐 [2]。《别录》：“除胃
中伏热，时气湿热，热泄下痢，去肠中小虫，益肝胆气，
止惊惕。”近年来随着“元素医学”的兴起和生物无机
化学的发展，龙胆科植物花药材中微量元素的研究越
来越受到人们重视，人们对中药中的微量元素进行了
广泛的研究，并逐渐认识到中药中的微量元素进入人
体后，将会对人体的健康起着十分重要的作用。因
此，龙胆科植物花中微量元素和中药功效之关系研究
具有重要的现实意义。
王宁[3]指出龙胆属植物化学成分主要分为裂环烯
醚萜甙类、口山酮甙类、黄酮类、三萜类 4大类，其
次还含有生物碱、挥发油、多糖等多种成分。胡凤祖
等 [4]采用高效液相色谱法，对青藏高原上 9种龙胆科
植物中的 3种有效成分齐墩果酸、芒果甙和当药黄素
进行了分离和分析，对研究青藏高原生物多样性，发
现和扩大新药源具有十分重要的意义。张兴旺等 [5]
测定了 6种龙胆科植物花中微量元素的含量，为龙胆
花药材的合理药用及进一步的开发利用提供了一定
依据。
综上所述，到目前为止，国内外已研究过许多种
龙胆科植物的有机化学成分和对无机化学成分含量
进行测定，而对龙胆科植物中微量元素和中药功效化
学计量学研究就更少了。本文采用化学计量学方法
中的因子分析和聚类分析方法，结合国际上最先进的
MATLAB软件，挖掘出龙胆科植物花中微量元素和
中药功效之间的隐含信息。这些研究为以后大规模
合理开发龙胆科植物资源以及为微量元素和中药功
效研究提供科学依据和理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料来源
选取青藏高原龙胆科植物花云雾龙胆、管花秦
艽、线性龙胆、黄管秦艽、麻花秦艽、蓝玉簪龙胆花中
Ca、Mg、Cu、Fe、Mn、Zn等 6种微量元素作为分析样
本（n=6，表示平行测定６次，单位：mg/kg），原始数据
来自文献[5]。
1.2 研究方法
1.2.1 因子分析 因子分析法是寻求少数的几个因子
来综合反映全部因子的大部分信息，变量虽然较原始
变量少，但所包含的信息量却占原始信息的 85%以
上，这些新变量分析本质问题可信度很高，而且这些
新的变量彼此间互不相关，消除了多重共线性。因子
分析步骤：（1）应用MATLAB2010软件对数据进行因
子分析。原始数据处理，对原始数据标准化，即对同
一变量减去其均值，再除以标准差，以消除原始数据
之间的量纲影响，使标准化后的数据具备可比性。设
在一个问题中有 n个体，对每一个个体测定了 p个指
标，为避免指标量纲的影响，对原始数据作标准化处
理：Yij＝(xij-xj)/sj，(i=1,2,…,n；j=1,2,…,p)，其中Yij为标
准化处理后的数据，xij为原始数据，xj为 n个样本第 j
个指标的均值，sj表示样本的标准差；（2）求相关系数
矩阵；（3）求相关系数矩阵的特征根和方差贡献率；
（4）对旋转后的因子载荷矩阵进行分析；（5）计算因子
得分及综合因子得分[6]。
1.2.2 聚类分析 聚类分析是对研究对象进行分类，把
所有的个案归类在不同的类中，使同一类中个体有较
大的相似性，不同类中个体有较大的差异。
1.2.3 数据处理 应用MATLAB2010软件对数据进行
因子分析。提取主因子后，将主因子数据使用层次聚
类方法进行。
2 结果与分析
2.1 因子分析
2.1.1 因子分析过程（1）标准化处理后数据如表 1所
示。（2）用MATLAB2010进行因子分析，得到青藏高
原 6种龙胆科植物花中微量元素的相关系数矩阵（表
2）。从表 2的各相关系数可以看出，各变量两两之间
有较大的相关系数，各变量至少与 1个以上的其他变
量有较大的相关系数，因此，适宜用因子分析法来研
究变量之间的关系。且可知，Ca与Mg相关极显著，
Mn与Cu、Fe显著相关。
2.1.2 相关系数的特征根和方差贡献率 相关系数的特
表1 原始数据经标准化后的数据
样品
云雾龙胆花
管花秦艽花
线性龙胆花
黄管秦艽花
麻花秦艽花
蓝玉簪龙胆花
ZCa
-0.8362
-0.7994
0.3527
-0.0609
1.8188
-0.4751
ZMg
-0.7532
-1.1428
0.5627
0.4004
1.5187
-0.5858
ZCu
1.5694
-0.3670
0.1342
-1.4985
-0.1696
0.3316
ZFe
1.8389
-1.0793
-0.4482
0.1871
-0.4657
-0.0329
ZMn
1.3173
-1.4187
-0.1635
-0.7246
0.8193
0.1702
ZZn
-0.2363
-0.3655
1.0474
-1.3699
-0.3774
1.3017
·· 130
周利兵等：青藏高原龙胆科植物花中微量元素化学计量学研究
征根和方差贡献率见表3。从表3可知，前3个主因子
累计贡献率达到96.301%>85%，故选前3个主因子，它
代表了青藏高原龙胆科植物云雾龙胆、管花秦艽、线性
龙胆、黄管秦艽、麻花秦艽、蓝玉簪龙胆花中Ca、Mg、
Cu、Fe、Mn、Zn 6种微量元素96.301%的信息。
2.1.3 因子旋转 在主成分分析的基础上，对因子载荷
矩阵进行 4次方最大化正交旋转，使各原变量在各公
共因子上的载荷两极分化。因子分析的目的之一是鉴
别有实际意义的因子（表4）。且可知，Mn旋转后的因
子载荷值最大，说明青藏高原龙胆科植物花中微量元
素Mn的影响最大。
2.1.4 计算因子得分 因子得分和综合因子得分完全由
MATLAB2010专业软件编程，程序自动运行得到，见
表5，由表5可知，青藏高原龙胆科植物花云雾龙胆、管
花秦艽、线性龙胆、黄管秦艽、麻花秦艽、蓝玉簪龙胆花
中含有Ca、Mg、Cu、Fe、Mn、Zn 6种微量元素高低顺序
为：麻花秦艽花>云雾龙胆花>线性龙胆花>蓝玉簪龙
胆花>黄管秦艽花>管花秦艽花。
2.2 聚类分析
聚类分析是数理统计的一种方法，先对原始数据
进行标准化处理，然后用 3个主因子聚类的定量分析
方法对青藏高原龙胆科植物云雾龙胆、管花秦艽、线性
龙胆、黄管秦艽、麻花秦艽、蓝玉簪龙胆花中Ca、Mg、
Cu、Fe、Mn、Zn6种微量元素进行综合评价并分类。本
文采用主因子聚类分析，在方法上采用欧氏矩离测量，
每两样本间用Average linkage法连结，按顺序作图得
图1。聚类分析树图见图1。由图1可见，样本层次聚
类分析聚成 3类时，线性龙胆花、蓝玉簪龙胆、管花秦
艽花是一类，黄管秦艽花、麻花秦艽花为一类，云雾龙
胆花为一类。说明青藏高原龙胆科植物花样品中的微
量元素谱存在相似性，为进一步开展龙胆科植物花的
药理研究提供了依据。在因子分析[7-8]的基础上对青藏
高原龙胆科植物花样品进行聚类分类识别是可行的。
所得结论客观、可信、有说服力。
3 结论与讨论
（1）由表 4可知，第 1公共因子 F1在指标Cu、Fe、
Mn上有较大的载荷。Cu是人体必需微量元素之一，
参与人体生命活动。人和动物都需要Cu制造红细胞
和血红蛋白，Cu与血的代谢有关，现代医学发现Cu与
某些药物结合具有抗风湿作用。缺Cu使骨的矿化出
现障碍而引起老年骨质疏松症。Fe是人体必需的微
量元素之一，是人体发育的“建筑材料”，是血红蛋白的
重要组成部分和血液中输送氧和交换氧的重要元素，
表2 相关系数矩阵
Ca
Mg
Cu
Fe
Mn
Zn
Ca
1.000
Mg
0.952
1.000
Cu
-0.269
-0.348
1.000
Fe
-0.335
-0.203
0.602
1.000
Mn
0.286
0.278
0.714
0.701
1.000
Zn
-0.072
-0.140
0.490
-0.127
0.188
1.000
表3 相关系数的特征根和方差贡献率
主因子
1
2
3
4
…
特征根
2.576
2.039
1.163
0.190
…
贡贡献率%
42.939
33.977
19.385
3.161
…
累计贡献率%
42.939
76.916
96.301
99.462
…
表4 旋转后的因子载荷阵
变量
Ca
Mg
Cu
Fe
Mn
Zn
1
-0.062
-0.025
0.801
0.900
0.925﹡
0.089
2
0.990
0.980
-0.258
-0.249
0.337
-0.062
3
0.019
-0.107
0.469
-0.276
0.135
0.972
表5 因子和综合因子分值
样品
云雾龙胆花
管花秦艽花
线性龙胆花
黄管秦艽花
麻花秦艽花
蓝玉簪龙胆花
F1
1.7899
-1.1768
-0.2775
-0.5488
0.1793
0.0339
F2
-0.7548
-1.0336
0.4365
0.0698
1.7238
-0.4416
F3
-0.3801
-0.0562
1.0149
-1.5969
-0.1047
1.1230
F
0.4551
-0.9007
0.2346
-0.5415
0.6672
0.0853
排名
2
6
3
5
1
4
C A S E 0 5 10 15 20 25
Label Num
线性龙胆花
蓝玉簪龙胆
管花秦艽花
黄管秦艽花
麻花秦艽花
云雾龙胆花
3
6
2
4
5
1
图1 层次聚类分析的树形图
·· 131
中国农学通报 http://www.casb.org.cn
又是许多酶的组成成分和氧化还原反应酶的激活剂。
Mn是公认的抑癌元素，是人体内各酶的组成成分，参
与造血过程,氧化还原，钙磷代谢,促进生长发育等功
能，可促使骨骼和结缔组织正常生长和形成，维持体内
血压值、血糖和血脂含量的正常，维护中枢神经系统功
能，加强脑部功能，有助于提高记忆力，并且还能够缓
解疲劳和神经过敏症状，促进身心健康。第 2公共因
子F2在指标Ca、Mg上有较大的载荷。Ca、Mg、具有多
种特殊的生理功能，它能激活体内多种酶，抑制神经异
常兴奋性，维持核酸结构的稳定性，参与体内蛋白质的
合成、肌肉收缩及体温调节。第 3公共因子F3在指标
Zn上有较大的载荷。Zn是人体内抗自由基物质的主
要成分，具有抑制脂质过氧化物对组织的损伤和抗氧
化作用，它们均有抗衰老的作用。Zn有许多药理作
用，参与体内200余种酶的合成与激活，参与体内蛋白
质、DNA和RNA合成，调节体液酸碱度，促进胶原蛋
白的生成，令毛发、皮肤、指甲等健康生长，有助于增强
记忆力和提高智力。Fe、Mn、Zn是人体内抗自由基物
质的主要成分，具有抑制脂质过氧化物对组织的损伤
和抗氧化作用，它们均有抗衰老的作用。（2）从因子分
析和聚类分析分析结果可知，麻花秦艽花中微量元素
含量最高，说明青藏高原龙胆科植物花作为药材，从微
量元素含量方面看，麻花秦艽花质量最好，云雾龙胆花
次之，黄管秦艽花、管花秦艽花最差。这比文献[5,9-10]分
析结果更具有说服力。本文的创新之处是利用化学计
量学方法阐明龙胆科植物花中微量元素含量高低，从
一个侧面反应相应药材的质量好坏，挖掘出隐含在龙
胆科植物花中微量元素和中药功效之间的关系，弥补
了以往研究龙胆科植物在这一领域的空白。（3）应用化
学计量学[11-15]方法中的因子分析和聚类分析方法对对
青藏高原龙胆科植物花中Ca、Mg、Cu、Fe、Mn、Zn的含
量数据进行了综合分析，找出了龙胆科植物花中 6种
微量元素之间的关系，对微量元素和生理功能进行科
学研究，为大规模合理开发利用龙胆科植物花资源，以
及为青藏高原龙胆科植物花的药物功效学和微量元素[16]
的研究提供科学的依据和理论基础。
参考文献
[1] 中国科学院中国植物志编辑委员会.中国植物志[M].北京:科学出
版社,1988, 62 (14) :61-222.
[2] 南京中医药大学编.中药大辞典（第二版）[M].上海:上海科学技术
出版社,2006,869-871.
[3] 王宁,周乐.龙胆属植物化学成分研究概况[J].陕西林业科技,2001,
(3):71-78.
[4] 胡凤祖,宋娅莉,刘梅,等.青藏高原龙胆科植物药用有效成分的高
效液相色谱分析[J].色谱,2003, 21(1):63-65.
[5] 张兴旺,梅丽娟,等.微波消解-FAAS法测定6种龙胆科植物花中微
量元素的含量[J].光谱实验室,2010,27 (4):1610-1613.
[6] 周利兵.青海高原地木耳中微量元素的化学计量学研究[J].安徽农
业科学,2010,38(17):8936-8937.
[7] 武德传,周冀衡,等.湖南和云南烤烟单料烟感官质量因子分析[J].
中国烟草学报,2010,16 (1):27-30.
[8] 程滨,赵永军,等.生态化学计量学研究进展[J].生态学报,2010,30
(6):1628-1637.
[9] 管竟环,汤学军,薛莎.植物类中药微量元素含量区间尺的制定及
意义[J].微量元素与健康研究, 1995,12(2):22-26.
[10] 汤学军,管竟环,薛莎.中药微量元素含量区间尺最佳分级问题的
探讨[J].广东徽量元家科学,1995,2(5):16-19.
[11] 周利兵,姜紫勤,吴启勋.青海地区植物白刺叶中微量元素的主成
分分析和聚类分析[J].安徽农业科学,2010,38(13):6649-6650.
[12] 周利兵.青海牦牛骨主要矿物质元素的主成分分析[J].云南民族大
学学报,2006,15(2):141-149.
[13] 周利兵.青海高原地木耳中微量元素的综合评价[J].微量元素与
健康研究,2007,24(1):24-25.
[14] 周利兵.青海地区植物白刺叶中微量元素的主成分分析[J].微量元
素与健康研究,2006,23(5):25-27.
[15] 许国根,许萍萍.化学化工中的数学方法及MATLAB实现[M].北
京:化学工业出版社,2008,117-126.
[16] 乔延江.中药微量元素研究 [J].中华微量元素科学,1995, 2(2):
247-248.
·· 132