多元統(tǒng)計分析方法在中藥質(zhì)量評價中的應用

多元統(tǒng)計分析方法在中藥質(zhì)量評價中的應用

【關鍵詞】多元

摘要：介紹了各種多元統(tǒng)計分析方法的基本原理及其在中藥質(zhì)量評價中的應用進展。

關鍵詞：中藥；質(zhì)量評價；多元統(tǒng)計分析

我國中藥材資源豐富，種類繁多，來源復雜，品種混亂，同物異名，同名異物現(xiàn)象多見。商品市場上除正品外，尚有代用品、偽品和混淆品，來源不同的藥材，質(zhì)量差異很大，勢必影響臨床的療效，所以對中藥質(zhì)量的評價尤為重要。過去基本上是以傳統(tǒng)的性狀鑒定和顯微鑒定確定真?zhèn)危岳砘b定評價優(yōu)劣。近年來發(fā)展起來一種新的技術――模式識別，它是根據(jù)物質(zhì)所含的化學成分，利用TLC、UV、IR、HPLC、GC、MS等方法獲得其化學數(shù)據(jù)，然后利用數(shù)學思想和方法對該類數(shù)據(jù)進行特征提取，對藥材進行分析、決策和判斷。此種方法迅速發(fā)展，逐漸取代了傳統(tǒng)的中藥材鑒定法。模式識別所用的方法較多，但最常用的為統(tǒng)計學方法，它是以數(shù)學上決策理論為基礎，建立統(tǒng)計學識別模型，找出規(guī)律性認識。

1多元統(tǒng)計分析方法在中藥質(zhì)量評價中的應用

11聚類分析在中藥質(zhì)量評價中的應用

聚類分析法是數(shù)值分類學的新的分支，它是對一組尚無明確分類的樣本，根據(jù)它們所表現(xiàn)的變量特征，按相似程度的大小加以歸類，其目標是在模式空間中找到客觀存在的類別。按聚類目的不同，可將聚類分析法分為R型聚類法和Q型聚類法。

其原理為：對任一含m個指標的樣本，可定義為m維空間的點，在m維空間中的任意兩點其相似性可用“距離”度量,定義為“dij”，若將任一樣本看作一類,其類間相似性可用歐氏距離DE表示：DE=dij=［∑mi=1(xil-xjl)2］1/2，式中：l=1，2，…m，表示樣本的指標數(shù)；i，j表示樣本序號；xil,xjl表示樣本各指標。系統(tǒng)聚類法即對n個樣本計算出兩兩間的距離dij，并從中找出距離最小的兩類Gp與Gq，合并成一個新類Gr，重新計算新類與其他各類間的距離，再將距離最小的兩類合并，重復以上過程至所有樣本聚為一類為止。定義類Gk與Gr的距離Drk有以下遞推公式:D2rk=αpD2pk+αqD2qk+βD2pq+γ|D2pk-D2qk|，式中參數(shù)αp,αq,β,γ取值不同對應不同的系統(tǒng)聚類方法。

該法除常用于中藥系列品種的分類外，還可以廣泛的引用于真?zhèn)舞b別、成分淺析、質(zhì)量評價、新舊工藝或不同炮制方法比較、尋找代用品及擴大藥用新資源等方面［1~7］，使中藥研究跨進現(xiàn)代電腦量化分析的新階段。

馬英麗等［8］用甲醇回流提取黃芪中的皂苷類成分，以氯仿甲醇水為展開劑，采用雙波長薄層掃描法，在λs=390nm，λr=590nm下，對18個產(chǎn)地的黃芪樣品進行了定量分析，以黃芪甲苷為指標成分，選用中位數(shù)法進行聚類，用余弦法計算樣品間的相似性程度。結果系統(tǒng)聚類分析將樣品分為3類，大多數(shù)產(chǎn)地的黃芪被聚為1類或2類，即質(zhì)量較好或一般。表明，蒙古黃芪和膜莢黃芪被列為優(yōu)質(zhì)品，該結果與《中華人民共和國藥典》2000年版將蒙古黃芪和膜莢黃芪列入正品相一致。王繼國等［9］建立了10種中藥血竭樣品的HPLC指紋圖譜，并把HPLC指紋圖譜信息進行數(shù)據(jù)化及數(shù)據(jù)標準化處理，用重疊率與相關系數(shù)兩個參數(shù)，從兩個方面定量的對這10種樣品的HPLC指紋圖譜進行了相似性評價；在此基礎上用系統(tǒng)聚類分析法定性的對這10種樣品進行了分類和鑒別，從而建立了一種相對完善的中藥血竭的化學模式識別技術，為中藥血竭的質(zhì)量評價和分類鑒別提供了一個很好的方法和思路。田蘭等［10］采用HPLC對32個白術樣品進行測定，將樣品分析中所獲得的32個樣品的45個特征，采用系統(tǒng)聚類分析和逐步判別分析，進行白術的化學模式識別的研究。將32個樣品分為優(yōu)等品、一般品和偽品3個等級，優(yōu)質(zhì)品集中于浙江、湖南、四川一帶，而北方的白術質(zhì)量一般。這樣就建立了評價白術真?zhèn)蝺?yōu)劣的新方法。徐永群等［11］以赤芍的紅外指紋圖譜為依據(jù)，采用主成分分析法對來自18個產(chǎn)地的赤芍進行了聚類分析?？蓪?8個產(chǎn)地大致分為6類，這一分類與地理位置有較明顯的對應關系，同一區(qū)域內(nèi)赤芍的性能較為相似，可作為傳統(tǒng)中醫(yī)界對赤芍藥材質(zhì)量評價的依據(jù)。劉謙光等［12］運用模糊動態(tài)聚類分析法對來源于美國、加拿大及我國的共14種不同產(chǎn)地的西洋參樣品質(zhì)量進行了模糊識別研究。結果與權威部門認定的具有法定地位的西洋參產(chǎn)地進行驗證、核對，取得了較為一致的結果。

12判別分析在中藥質(zhì)量評價中的應用

判別分析是在已知研究對象分成若干類型(或組別)并已取得各種類型的一批已知樣品的觀測數(shù)據(jù)，在此基礎上根據(jù)某些準則建立判別式，然后對未知類型的樣品進行判別分類，而聚類分析是在一批給定樣品要劃分的類型事先并不知道，正需要通過聚類分析來給以確定類型。正因為如此，判別分折和聚類分析往往聯(lián)合起來使用，所以判別分析是要求先知道各類總體情況才能判斷新樣品的歸類，當總體分類不清楚時，可先用聚類分析對原來的一批樣品進行分類，然后再用判別分析建立判別式以對新樣品進行判別。

于承浩等［13］對六味地黃丸及其模擬樣品在290nm下進行薄層掃描分析,將所得特征數(shù)據(jù)利用聚類分析方法進行分類,用逐步判別分析方法優(yōu)選特征數(shù)據(jù)、建立判別函數(shù),并對分類結果進行檢驗。結果表明，樣品及模擬品被分為4類,分類合理,判別函數(shù)回判準確率為100%。從而說明了聚類判別分析方法可較好地評價六味地黃丸的質(zhì)量。張亮等［14］采用反相HPLC法對六味地黃丸缺味藥模擬方的浸出物進行分析，選取9個色譜峰的峰面積與內(nèi)標峰面積之比值作為樣本特征變量，通過169個訓練集樣本建立了其中3種缺味藥的Bayes法和PRIMA法判別分析數(shù)學模型。結果3種缺味藥4種模式的平均正確識別率Bayes法和PRIMA法均為100%，對169個預示集樣本的平均預示率Bayes法為100%,PRIMA法為%。表明Bayes法和PRIMA法能對六味地黃丸3種缺味藥進行準確識別。

13主成分分析法在中藥質(zhì)量評價中的應用

根據(jù)在初選的特征量間可能存在的相關性，找到一種空間變換方式，通過對原始特征變量進行線性組合，形成若干個新的特征矢量，要求它們之間相互正交，它既保留了原始指標的主要信息，且又互不相關。這樣一種從眾多原始指標之間相互關系入手，尋找少數(shù)綜合指標以概括原始指標信息的多元統(tǒng)計方法成為主成分分析。其數(shù)學模型為：設有m個指標X1，X2，…，Xm，欲尋找可以概括這m個指標主要信息的綜合指標Z1，Z2，…，Zm。從數(shù)學上講，就是尋找一組常數(shù)ai1，ai2，…，aim，使這m個指標的線性組合：Z1=a11X1＋a12X2＋…＋a1mXmZ2=a21X1＋a22X2＋…＋a2mXmZm=am1X1＋am2X2＋…＋ammXm能夠概括m個原始指標X1，X2，…，Xm的主要信息(其中，各Zi互不相關)。這些矢量即稱為主成分。該方法就是根據(jù)樣本特點，選取與問題最相關的特征來參與分類的。近年來主成分分析法在中藥質(zhì)量鑒別分析中應用比較廣泛［15-17］。

張耀奇等［18］運用氣相色譜法結合主成分分析對16種蒼術及類似品、30種相關成藥進行了研究。該方法是將氣相色譜分離得到去除雜質(zhì)峰的整個色譜圖化分成237個時間通道，凡在時間通道內(nèi)不出峰就以“0”表示，出峰的以實際峰面積表征。由此，每一樣本均可用一個237維的向量表示，采用shannon信息量方程計算每一時間通道的信息量，最后選取信息量最大的十幾個通道作為分類特征。結果顯示，蒼術和白術有明顯區(qū)別；茅蒼術和北蒼術雖為藥典規(guī)定的正品蒼術，但就揮發(fā)性化學成分來看，兩者有明顯區(qū)別；北蒼術和關蒼術區(qū)別不大。三種相關成藥，以三妙丸較有特征，有別于其它兩種。孫紅祥等［19］從常用的10種天南星藥材中選取與抗腫瘤、鎮(zhèn)咳祛痰作用相關的13種成分作為評價指標，并運用主成分分析方法從這13個指標中提取了4個主因子，其累積貢獻率達％，能較近似的代表原始數(shù)據(jù)所反映的信息，得到權重系數(shù)較大的X1、X2、X4、X7、X8、X11和X12等7個指標，然后再采用模糊數(shù)學的方法對這些藥材的質(zhì)量進行綜合評價。結果表明，一把傘南星最佳，其次為象頭花和掌葉半夏，粗序南星質(zhì)最劣。因此，應用主成分分析和模糊數(shù)學方法建立的數(shù)學模型進行中藥材的質(zhì)量評價是可行的。馬齡等［20］采用氣相色譜法對中藥吳茱萸脂肪酸進行了分析測定，根據(jù)測定的數(shù)據(jù)用主成分分析法進行特征壓縮、提取，將代表諸樣品特征的點即“星”顯示在半圓形極坐標上構成星座圖，根據(jù)“星”所屬的星座和所走的路徑，對18種不同品種、不同產(chǎn)地的吳茱萸進行自然分類，為中藥吳茱萸的品種鑒別和質(zhì)量優(yōu)選提供了依據(jù)。張亮等［21］利用主成分分析法對32個不同品種來源的中藥石斛樣品質(zhì)量進行了研究，該法直接用藥材粉末的氯仿浸出液的紫外光譜數(shù)據(jù)進行分析，以每一波長與特定波長的吸光度比值作為分類指標，用Shannon信息理論對全部樣品計算每一波長通道的信息量，選取信息量最大的10個通道用作分類特征，取得了滿意的分類結果，為從化學角度研究中藥質(zhì)量提供了一種新的方法。曾明等［22］應用主成分分析法對來源于不同產(chǎn)地的野葛及葛屬的其它8種植物進行了化學模式識別研究，為葛屬植物的藥材質(zhì)量評價及分類提供了依據(jù)。王秀坤等［23］運用主成分分析法及非線性映射技術，對來源于全國各地的40份苦參藥材質(zhì)量進行了化學模式識別研究，取得了與傳統(tǒng)鑒定較為一致的結果。

14逐步回歸分析在中藥質(zhì)量評價中的應用

逐步回歸分析［24］是進行雙向篩選的一種方法，當引入一個自變量進入方程后，要對方程中的每一個自變量作基于偏回歸平方和的F檢驗，看是否需要剔除一些退化為“不顯著”的自變量，以確保每次引入新變量之前方程中只包含有“顯著”作用的自變量。這一雙向篩選過程反復進行，直到既沒有自變量需要引入方程，也沒有自變量從方程中剔除為止，從而得到一個局部最優(yōu)的回歸方程。

到目前為止，此種方法在中藥質(zhì)量評價中應用的比較少。張漢明等［25］為了考察化學成分與藥理活性之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立合理的化學模式識別方程，因此選擇了葛根的有效成分總黃酮、葛根素、大豆苷元、大豆苷、3′甲氧基葛根素及多糖的含量和葛根清熱解表功效有關的抗內(nèi)毒素活性強度為化學和藥理指標，運用逐步回歸法建立了回歸方程，同時采用Bayers判別分析法對來自全國不同產(chǎn)地的葛根及同屬的其它植物進行了模式識別研究。結果黃酮類成分未進入方程，而多糖與抗內(nèi)毒素活性呈顯著的負相關；6因素和單因素的判別正確率分別為％、％。本研究也為中藥材質(zhì)量評價提供了一個新的依據(jù)。

15典型相關分析在中藥質(zhì)量評價中的應用

典型相關分析是研究變量之間相關關系的一種統(tǒng)計分析方法，它揭示兩組隨機變量之間的線性相關情況。是從整體上把握兩組指標之間的相互關系，分別在兩組變量中提取有代表性的兩個綜合變量U1、V1，利用這兩個綜合變量之間的相關性在一定程度上反映了原來兩組指標之間的整體相關性。

孫立新等［26］收集不同科屬、不同產(chǎn)地的板藍根樣品27個、大青葉樣品5個。對樣品的化學成分進行高效液相色譜分析，獲得反映樣品整體化學特征的數(shù)據(jù)，同時選擇體外抑菌藥理指標進行藥理活性測定。用典型相關分析揭示了化學信息和藥理指標之間的相關關系，尋找與藥理指標密切相關的化學成分，用ISODATA聚類分析技術將32個樣品劃分為5類。結果用此方法評價板藍根、大青葉的質(zhì)量，結果良好，正確率為90．6％。

2小結

多元統(tǒng)計分析方法運用在中藥質(zhì)量評價中，具有較強的科學性，在鑒定中藥的真?zhèn)魏唾|(zhì)量優(yōu)劣方面的研究工作已取得了可喜的進展，但現(xiàn)在多以單一方法為主，這樣不容易把樣品的特征信息完全表現(xiàn)出來。所以應該使多種統(tǒng)計方法聯(lián)合運用，從而更可觀的反映中藥的質(zhì)量，以達到中藥質(zhì)量全面控制的目的。相信多元統(tǒng)計方法會成為中藥質(zhì)量評價的一種科學的、全面地、準確的方法。

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