半夏中微量元素的测定及半夏模糊聚类分析

申明金，曹洪斌，柴震

（1.川北医学院化学教研室，四川南充 637000； 2.川北医学院附属医院，四川南充 637000)

半夏中微量元素的测定及半夏模糊聚类分析

申明金1，曹洪斌1，柴震2

（1.川北医学院化学教研室，四川南充 637000； 2.川北医学院附属医院，四川南充 637000)

采用原子吸收分光光度法测定了20个不同产地半夏样品中Fe，Mn，Cu，Zn，Cr，Ca，Mg，Ni，Pb等9种元素的含量。由于不同产地的半夏中微量元素含量数据离散，根据一种或几种微量元素的含量难以评价药物的相似性，故以9种元素含量并结合Zn／Cu值和Ca／Mg值为指标，运用模糊聚类分析方法研究半夏药物的质量分类。结果显示，当阈值λ=0.55时，20个半夏样品聚为4类；当λ=0.65时，20个半夏样品聚为6类；当λ=0.70时，20个半夏样品聚为10类。半夏中微量元素含量丰富，微量元素的种类及含量与药物疗效密切相关。在高阈值λ上截取聚为一类的药物其组成与质量相似性较大，该研究为中药质量评价提供了一种新的方法。

半夏；微量元素；模糊聚类分析；原子吸收分光光度法

半夏是临床上常用的一种中药，具有治疗痰多咳嗽、胸脘痞闷等病症的功效。半夏含有多种化学成分，除含有生物碱、核苷、有机酸等有机成分之外，还含有多种微量元素［1］。中药中的微量元素尽管含量较低，却是中药药性物质的重要组成部分［2–3］，在现代中药药效研究中，分析测定中药中微量元素的种类、含量和元素含量的比例十分重要，这些数据也是中药生产和质量评价的重要指标。我国半夏主产于江苏、湖北和四川等地，由于各地土壤、气候等差异因素的影响，各地所产半夏中微量元素的含量、元素含量的比例存在明显的差异。笔者以20个产地的半夏样品为研究对象，采用火焰原子吸收分光光度法测定其中Fe，Mn，Cu，Zn，Cr，Ca，Mg，Pb的含量，并以这些元素的含量、Zn／Cu值和Ca／Ma值作为考察指标，采用模糊聚类分析方法研究药物的相似性，从微量元素整体反映的信息进行聚类比较，为该类中药药效研究和生产质量评价提供依据。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

原子吸收分光光度计：TAS–990型，北京普析通用仪器有限公司；

电热恒温鼓风干燥箱：101–1A型，上海东星建材试验设备有限公司；

电子分析天平：BS110S型，北京赛多利斯天平有限公司；

电子控温加热板：EGH–1型，上海新仪微波化学科技有限公司；

Fe，Mn，Cu，Zn，Cr，Ca，Mg，Ni，Pb空心阴极灯：日本Hitachi公司；

超纯水器：法国Millipore公司；

微型植物粉碎机：FZ102型，天津市泰斯特仪器有限公司；

Fe，Mn，Cu，Zn，Cr，Ca，Mg，Ni，Pb标准储备溶液：质量浓度均为100 µg／mL，阿拉丁试剂（上海）有限公司；

硝酸、高氯酸、硫酸：优级纯，成都艾科达化学试剂公司；

实验用水为超纯水，电阻率为18.1 MΩ·cm；

半夏样品分别采集于南充、遂宁等20个不同产地。

1.2 样品处理方法

将半夏样品以清水洗净，再以洗洁精清洗，然后用大量水洗净，用超纯水反复冲洗4～5次，在70℃恒温箱内烘干至恒重，粉碎后过180 µm(80目)筛并置于干燥器中备用。准确称取0.500 g样品于100 mL烧杯中，加入10 mL硝酸–高氯酸混酸（体积比为4∶1），放置过夜后在电炉上消化至冒白烟，消化液为无色或淡黄色近干时，加入适量超纯水，置于电子控温加热板上，于130℃赶酸30 min。冷却后将消解液转移至50 mL容量瓶中，用1%硝酸溶液清洗烧杯3次，清洗液移至容量瓶中，用超纯水定容，待测。用同样方法制备空白溶液。

1.3 仪器工作条件

Fe，Mn，Cu，Zn，Cr，Ca，Mg，Ni，Pb均采用空气–乙炔火焰原子吸收光度法测定，根据相关文献［4–6］选择各元素的分析波长、灯电流、狭缝、燃烧器高度等测定条件见表1。将Fe，Mn，Cu，Zn，Cr，Ca，Mg，Ni，Pb单元素标准储备液用1%硝酸溶液逐级稀释成系列标准溶液进行测定。

表1 仪器工作条件

2 结果与讨论

2.1 标准工作曲线

按照1.3仪器工作条件，准确吸取各元素的系列浓度标准溶液在对应的测定波长下进行吸光度测定。采用7点标准曲线法绘制各元素的标准工作曲线，结果见表2。

表2 线性方程与线性范围

2.2 加标回收试验与精密度试验

在已知各金属元素含量的半夏样品中分别加入一定量的Zn，Cu，Cr，Mn，Mg，Fe，Ni，Pb标准溶液，测定各金属含量后计算样品的加标回收率。在不同时间重复测定5次，计算测定结果的相对标准偏差。结果表明，本法回收率在96.45%～101.75%之间，测定结果的相对标准偏差为0.97%～1.87%，表明本方法精密度、准确度良好。

2.3 样品测定结果

按1.3仪器工作条件，测定半夏样品溶液的吸光度，由各元素的线性方程计算相应的浓度，同时利用空白试验进行校正。测定高含量元素需先将样品稀释到线性范围内再进行测定，20个不同产地半夏样品中的微量元素测定结果见表3。

2.4 半夏的模糊聚类分析

模糊聚类是一种广泛用于中药分类、药效研究的模糊数学方法。该法以样本之间的特征、相似性和亲疏程度为依据，通过建立模糊相似关系对客观事物进行分类［7］。从所测结果可知，20个产地半夏样品中微量元素含量数据具有较高的离散性。由于半夏含有多种药理成分，这些物质之间存在协同和拮抗两种作用，因而依据某一种或几种元素的含量并不能完全客观地对半夏进行分类和质量评价，其分类结果存在一定的模糊性，适合应用模糊聚类对其进行分类研究。应用模糊聚类方法，以半夏中9种元素的含量以及Zn／Cu和Ca／Mg含量比值等11个指标构建数据集X{xij}，i=20，j=11。

表3 不同产地半夏中微量元素含量测定结果

模糊聚类分析的步骤如下［8］。

(1)将数据集进行标准化处理以消除指标间因数据相差过大而产生的影响。

(2)利用标准化处理后的数据集X{xij}计算样本之间的相似程度rij以构成相似矩阵R={rij}，i=20，j=11。选择夹角余弦法计算相似系数。

(3)由于相似矩阵R不具传递性，需将其改造为等价矩阵以便进行聚类分析。改造的方法是对相似矩阵R进行合成运算。合成运算的法则采用最大、最小取值法，即：

式中：∨——在m个（rik∧rkj）中取最大值；

∧——在rik和rkj中取最小值。

当合成运算满足RL=R2L时，所得RL即为等价矩阵RT。

(4)选择合适的阈值λ对等价矩阵进行截取聚类，便可得到聚类分析结果。

对于模糊聚类分析，一般从较低的阈值开始进行截取聚类。阈值较小，所分类别数较少。但同一类中个别药物之间的相似程度可能较低。在较高阈值上进行截取聚，虽然所分类别数增多，但同一类中药物的相似程度较大。对20个半夏样本的11个指标数据进行模糊聚类分析，对所得模糊等价矩阵进行截取聚类，相似系数接近的药物聚为一类，其聚类结果如下。

当取阈值λ≤0.45时，20个产地的半夏样品聚为2类。除20#单独聚为一类外，其余产地的半夏样品聚为一大类。

当取阈值λ=0.55时，20个半夏样品聚为4类。其中1#～11#聚为一大类，13#～19#聚为一大类，12#和20#各自聚为一类。

当取λ=0.65时，20个半夏样品聚为6类。其聚类为： {1，2，3，5，10，14，18，19}； {6，7，8，9，11，15，16，17}；{4}；{12}；{13}；{20}。相比于较低的阈值，用较高的阈值对等价矩阵中的相似系数进行截取，大的聚类开始进一步细分。

当取λ=0.70时，20个半夏样品聚为10类。其聚类为：{1，2}；{3，5，10，14}；{18，19}；{6，7}；{8，9，11，15，17}；{4}；{12}；{13}；{16}；{20}。相比于较低的阈值，用较高的阈值对等价矩阵中的相似系数进行截取，大的聚类开始进一步细分。

当取λ=0.75时，20个半夏样品的聚类为：{18，19}；{6，7}；{8，9}；{11，15，17}；其余半夏样品各自聚为一类。

当取λ=0.80时，20个半夏样品的聚类为：{18，19}；{6，7}；其余半夏样品各自聚为一类。

当λ取值在0.85～0.95之间时，20个半夏样品的聚类为：{18，19}；其余半夏样品各自聚为一类。

当取λ＞0.95时，20个半夏样品各自聚为一类。

从以上的聚类结果可以看出不同产地半夏之间的相似程度，不同的截取阈值所得分类结果不同。在实际应用中可以根据相关要求选择合适的阈值进行聚类。

2.5 半夏模糊聚类分析结果验证

微量元素常和中药中的有机成分形成配合物而发挥作用，每一种微量元素都有其独特的作用。Pb是一种对人体危害比较严重的有毒金属，在中药材生产中必须严格控制；Ca能降低细胞膜的通透性，具有解毒、消炎、消肿及抗感染等作用［9–10］；Mg是多种酶的激活剂、参与蛋白质的合成并具有调节体温的作用，缺Mg则可引起可导致人体内K+浓度降低及机体虚弱、免疫力低下［11–12］；由于Ca和Mg之间的拮抗作用，高镁血症可引起低血钙；Ni能促进人体内铁的吸收，刺激红细胞再生和血液生长［13］；Cu是维持免疫系统正常功能不可缺少的元素，能够提高抵抗微生物感染能力［14］；Zn对维持细胞功能有重要作用，具有抗菌、抗病毒、增强免疫功能的作用［15–16］；Zn与Cu之间存在拮抗和协同两种作用，但过量的Zn会抑制机体对Cu的吸收［17］；Cr是维持正常胆固醇所必须的微量元素，也是由胰岛素参与的脂肪或糖的代谢所必须的微量元素［18］；Fe能有效促进人体血液循环和交换，有利于提高机体免疫功能和预防疾病的作用［19］；Mn元素具有提高免疫力、刺激抗毒素的合成等作用［20］。

从模糊聚类分析的原理可知，在较高阈值上截取聚为一类的半夏的相似程度较大。当在较高阈值0.75上截取聚类时，20个半夏样品的聚类为：{18，19}；{6，7}；{8，9}；{11，15，17}；其余半夏样品各自聚为一类。18#和19#半夏样品中Ca元素含量相对较低，药材中Ca／Mg值也相对较低，但Pb含量相对较高。两者产地分别为川西平原的广汉与绵竹，土壤类型主要是灰棕冲积水稻土。8#，9#，6#，7#，11#，15#和17#半夏的产地为四川盆地丘陵区，土壤类型主要为钙质紫色土。

以上地区所产半夏的相似性仍有一定的差别。8#与9#半夏分别产自三台和中江县，两地相邻、土壤类型和气候相同；6#与7#半夏同产自于盐亭县，各元素含量较为接近；11#，15#，17#半夏分别产自南充高坪区、嘉陵区和顺庆区，三者位置相邻、具有较高的气候和土壤类似性。以上聚类结果表明，气候、产地等环境因素对半夏药材中微量元素的吸收有一定的影响，因而与中药材的质量分类具有较为密切的联系。因此在中药种植生产中，选择气候、土壤合适的生产基地十分重要。

3 结论

中药中往往含有多种药效成分，多效性和整体平衡性是中药的特色，因而对中药质量的分类应从整体性的角度进行综合评价。半夏的药效和质量是由其所含多种药理成分协同作用的结果，元素的种类、含量、比值都会对半夏的药效和质量产生影响。因此，测定半夏中微量元素的含量对半夏药效研究和质量分类具有重要的意义。从测定结果可知，20个产地的半夏样品中，Ca，Mg，Fe元素含量差异较大，其它元素含量差异较小。由于元素之间功效的相互影响，半夏的质量分类中类别之间并没有一个截然的界限。运用模糊聚类分析来研究不同产地半夏的相似性，从微量元素整体的角度并考虑Ca／Mg和Zn／Cu含量比等因素，体现出中药中各微量元素之间的协同作用。模糊聚类分析方法给出的结果指明在一定程度上的类别归属，这样的分类结果更加符合实际情况。

［1］ 陈燕芹，刘红，张俊.反相高效液相色谱法同时测定半夏中尿苷鸟苷和腺苷［J］.医药导报，2013，32(12): 1 634–1 636.

［2］ 黄冬兰，陈小康，徐永群，等.溪黄草及其近缘种中微量元素含量的测定与分析［J］.光散射学报，2013，25(1): 103–108.

［3］ 向晖，潘晓丽，章从恩，等.金属微量元素的配合物在中药中的应用［J］.中药与临床，2013，4(5): 58–60.

［4］ 李峰，王黎，刘彦明，等.火焰原子吸收光谱法测定中成药中微量元素［J］.信阳师范学院学报：自然科学版，2006，19(4): 463–464.

［5］ 冯雷，吴冬青，安红钢，等. FAAS测定半夏12种金属元素的含量［J］.光谱实验室，2010，27(6): 2 346–2 349.

［6］ 张勇仓，刘兰，孙蕾.藏药珊瑚七十味丸中重金属含量的原子吸收分光光度法测定［J］.时珍国医国药，2015，27(1): 58–59.

［7］ 鲁红英，肖思和，杨尽.模糊聚类分析方法在土地整治分区中的应用［J］.成都理工大学学报：自然科学版，2014，41(1): 124–128.

［8］ 付云鹏，马树才. 基于模糊聚类分析的城市综合竞争力聚类［J］.河北科技师范学院学报，2015，29(3): 69–73.

［9］ 吴立洁，杨瑶珺，张子龙，等.8种止血类中药无机元素的含量特征与性味功效的关系［J］.中华中医药学刊，2014，32(10): 2 314–2 316.

［10］ 黄翔，王晓平，陈晓白.火焰原子吸收光谱法测定牛大力中矿质元素的含量［J］.安徽农业科学，2014，42(21): 6 984–6 985.

［11］ 多本加.四种补益药中微量元素含量的主成分分析［J］.武汉工程大学学报，2015，37(7): 30–32.

［12］ 李靖，徐娟，赵宇，等.微波消解–ICP–OES法测定麻竹中12种矿质元素含量的实验［J］.西南林业科学，2012，41(2): 99–101.

［13］ 包玉敏，张力，刘宇.原子吸收光谱法测定蒙药材冷蒿中微量元素［J］.药物分析杂志，2008，28(11): 1 858–1 860.

［14］ 袁琳，刘临.原子吸收分光光谱法测定车前草中微量元素［J］.微量元素与健康研究，2008，25(5): 20–21.

［15］ 周杰，黄群莲，胡莲. ICP–MS法测定6种矿物质类中药中微量元素含量［J］.云南中医学院学报，2015，38(6): 32–35.

［16］ 曾琦斐.中药党参中微量元素与氨基酸含量的测定［J］.中国医药导报，2010，7(19): 65–66.

［17］ 韩金土，刘彦明，等.原子吸收光谱法测定清热解毒中草药中的11种微量元素［J］.光谱学与光谱分析，2006，26(10): 1 931–1 934.

［18］ 茶叶中锰、铁、锌、铬等10种微量元素的快速测定［J］.广东微量元素科学，2012，19(8): 34–37.

［19］ 胡彩虹，唐思群，刘茜，等.4种解表类中药材中微量元素含量的测定［J］.园艺与种苗，2013，33(6): 23–25.

［20］ 朵兴红，吴开王勋.清热解毒类中草药的微量元素特征分析［J］.青海师范大学学报：自然科学版，2011，33(2): 53–55.

Determination of Trace Elements in Pinellia Ternate and Fuzzy Cluster Analysis of Pinellia Ternate

Shen Mingjin1, Cao Hongbin1, Chai Zhen2
(1. Department of Chemistry, North Sichuan Medical College, Nanchong 637000, China; 2. Affliated Hospital North Sichuan Medical College, Nanchong 637000, China)

The contents of Fe, Mn, Cu, Zn, Cr, Ca, Mg, Ni and Pb in pinellia ternate from twenty areas were determined by atomic absorption spectrophotometry. It was diffcult to evaluate the similarity of drug by the content of one or several trace elements in different growing areas. So the quality classifcation of the pinellia ternate from different areas was studied by using the fuzzy clustering analysis method based on the contents of 9 elements and the ratio of Zn／Cu and Ca／Mg. The results showed that twenty kinds of pinellia ternate were clustered into four classes when thresholdλwas 0.55; these pinellia ternate were clustered into six classes whenλwas 0.65 and clustered into ten classes whenλwas 0.70. The contents of trace elements in Pinellia Ternate were rich and the element type and content were closely related to the effcacy. It had high degree of quality similarity among Pinellia Ternates clustered into classes on the higher threshold, the study provides a new method for quality evaluation of traditional Chinese medicine.

pinellia ternate; trace element; fuzzy cluster analysis; atom absorption spectrophotometry

O651

：A

：1008–6145(2017)01–0029–04

10.3969／j.issn.1008–6145.2017.01.007

联系人：申明金；E-mail: shmj1970@163.com

2016–10–21