聚類(lèi)分析法在中藥成分分析中的應(yīng)用

聚類(lèi)分析法在中藥成分分析中的應(yīng)用王兆基關(guān)錫耀摘要中成藥成分分析是一件艱巨且復(fù)雜的工作，文獻(xiàn)中多以薄層層析法為分析手段，雖然此法有成本低和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但在應(yīng)用上仍有不少的限制。本文介紹一種化學(xué)模式識(shí)別方法一一聚類(lèi)分析法，配合一個(gè)自編的電腦計(jì)算程序，可以比較簡(jiǎn)單且快捷地進(jìn)行中成藥成分分析。關(guān)鍵詞中成藥成分分析；聚類(lèi)分析法；氣相色譜圖COMPONENTANALYSISOFCHINESEPROPRIETARYMEDICINESBYCLUSTERANALYSISTECHNIQUEWangZhaojiGuanXiyao

(GovernmentLaboratory,HKSAR)ABSTRACTComponentanalysisofChineseproprietarymedicinesisacomplicatedanddifficulttask.Inliterature,thinlayerchromatographywasfrequentlyappliedfortheanalysisofproprietarymedicinesbecauseoflowcostandsimplicity.However,therearesomerestrictioninapplyingthistechniquetothecomponentanalysisofproprietarymedicines.Inthispaper,asimplepatternrecognitiontechniqueclusteranalysis,wasintroduced.Andwiththeuseofanin-housecomputerprogram,thetechniquecouldprovidearathersimpleandrapidmeansforthecomponentanalysis.KEYWORDSComponentanalysisofChineseproprietarymedicine;Clusteranalysis;Gaschromatogram中藥的應(yīng)用已有5000年歷史之久，主要以煎藥的形式服用，但近年來(lái)，有不少的中藥處方開(kāi)始以不同的成藥制劑方式來(lái)配制和銷(xiāo)售。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)字，市面上已有近4000種中成藥制劑出售，若要對(duì)這些中成藥制品進(jìn)行注冊(cè)和監(jiān)管，一套有效和快捷的成分分析方法是必須的。中成藥成分分析是一件艱巨且復(fù)雜的工作，文獻(xiàn)中多以薄層層析法作為分析手段，雖然此法有成本低和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用上仍有不少限制。例如須要掌握不同藥材的指標(biāo)成分，并要取得有關(guān)對(duì)照品作分析之用；另外，提取過(guò)程及層析分析系統(tǒng)會(huì)因不同的指標(biāo)成分而有所不同；再者，一般中成藥都由好幾種藥材合制而成，令其成分提取和分析更加復(fù)雜。因此，若要采用薄層層析法對(duì)4000種中成藥進(jìn)行成分分析，將會(huì)是一件非?；ㄙM(fèi)人力和時(shí)間的工作。本文建議應(yīng)用模式識(shí)別方法進(jìn)行中成藥成分分析，通過(guò)比較和分析中成藥樣本及藥材的氣相色譜數(shù)據(jù)，去辨別出樣本中是否含有某種中藥材成分。1儀器與試劑儀器:美國(guó)HewlettPackardHP5890A氣相色譜儀，HP7673A自動(dòng)進(jìn)樣器，HP3396積分儀；美國(guó)IBMPC340個(gè)人電腦。中藥材對(duì)照品:購(gòu)自中國(guó)藥品生物制品檢定所。中成藥樣品:購(gòu)自中國(guó)國(guó)貨公司。試劑:氯仿，磷酸氫鉀為分析純，水用重蒸餾水。2實(shí)驗(yàn)方法2.1樣品的提取取磨成粉末之中藥材或中成藥樣本1.0g，置于45ml離心試管中，加入10ml磷酸緩沖液(17.4g磷酸氫鉀KHPO溶于450ml水中)后搖勻，再加入25ml氯仿，高速均勻提取，后用離心機(jī)分離(2000r/min,15min)，移取氯仿提取液至250ml圓底燒瓶?jī)?nèi)，用氯仿重復(fù)提取2次，將氯仿提取液置于同一圓底燒瓶?jī)?nèi)，于真空中加熱(35?40°C)以揮發(fā)溶劑，殘余溶于1ml氯仿中作氣相色譜分析用。2.2氣相色譜條件毛細(xì)管色譜柱為美國(guó)SupelcoSPB-1，30mmX0.53mm；進(jìn)樣和檢測(cè)器溫度為柱溫：120C保持5min，然后以5C/min,加溫至280C，最后保持在280C中25min；檢測(cè)器為火焰電離檢測(cè)器；進(jìn)樣1心。3聚類(lèi)分析法聚類(lèi)分析法本身是一種屬于無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)系統(tǒng)的化學(xué)模式識(shí)別方法，在特征空間中直接尋找點(diǎn)群或其他可識(shí)別的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行樣本的歸類(lèi)。此法亦曾應(yīng)用于藥材的鑒別和分類(lèi)，應(yīng)用于中成藥成分分析。首先要選取合適的方法去提取藥材的特征數(shù)據(jù)，以多維特征空間表達(dá)出來(lái)，再把中成藥樣本所得數(shù)據(jù)投影到這個(gè)特征空間上，根據(jù)點(diǎn)群的分布進(jìn)行歸類(lèi)。在同一萃取及氣相色譜條件下，本法觀察所得不同藥材會(huì)得到不同特征色譜圖，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足聚類(lèi)分析的要求，分析程序如下：把有m個(gè)色譜峰的目標(biāo)藥材色譜圖表達(dá)于一個(gè)m維特征空間，然后把能與藥材色譜峰配對(duì)的中成藥色譜峰投影到這m維特征空間上，配對(duì)的準(zhǔn)則是看中成藥色譜峰的保留時(shí)間是否介于某目標(biāo)藥材色譜峰的保留時(shí)間加減1%的范圍內(nèi)。如此重復(fù)分析不同的中成藥樣本，按所得投影點(diǎn)群的分布，判斷哪些樣本含有這目標(biāo)藥材成分。但在應(yīng)用上，仍有其他需要考慮的地方。例如，若目標(biāo)藥材超過(guò)3個(gè)以上色譜峰，所對(duì)應(yīng)的特征空間會(huì)是一個(gè)高維空間，不易于觀察；另外，不是每一個(gè)色譜峰在藥材識(shí)別上有同樣貢獻(xiàn)，所以不能單單按目標(biāo)藥材色譜峰的數(shù)目去指定一個(gè)特征空間；再者，在分類(lèi)特征空間上的點(diǎn)群時(shí)，最好能有一個(gè)可以量化的準(zhǔn)則，而不是純粹靠主觀觀察。為此，本實(shí)驗(yàn)建議通過(guò)主成分分析方法分析一些實(shí)例樣本數(shù)據(jù)，去找出以不同目標(biāo)藥材色譜峰組合而成的主因子，作為新特征空間不同的方向。這樣，可以把原先的特征空間降維至二維或三維，便于觀察；另外，這些主因子可反映出不同目標(biāo)藥材色譜峰在識(shí)別功用上不同的貢獻(xiàn)；最后，通過(guò)測(cè)量同類(lèi)樣本投影點(diǎn)之間距離，可以計(jì)算出一些統(tǒng)計(jì)量作為判定標(biāo)準(zhǔn)。為要檢驗(yàn)以上方法的可行性，本實(shí)驗(yàn)選取8種常用的藥材，作為目標(biāo)藥材，另選取12種中成藥作為樣本。在制備實(shí)例樣本時(shí)，再選取5個(gè)藥材（甘草、天麻、叁七、白芍、黃芪）作樣本中附加的背景干擾。實(shí)例中共有15個(gè)不同樣本，各由3?6個(gè)藥材的提取液（從8個(gè)目標(biāo)藥材及另加的5個(gè)藥材中隨意選?。?，以不同比例混合組成。對(duì)應(yīng)每一個(gè)目標(biāo)藥材，實(shí)例樣本都可分成2組：A組樣本全都有這目標(biāo)藥材成分；而B(niǎo)組樣本中則沒(méi)有，見(jiàn)表1。表18種被選用作目標(biāo)藥材的中藥材名稱(chēng)及其在中成藥中使用率藥材名稱(chēng)藥材學(xué)名使用率（%）a當(dāng)歸RadixAngelicaeSinensis17.5川芎RhizomaChuanxiong11.2白術(shù)RhizomaAtractylodisMacrocephalae8.1陳皮PericarpiumCitriReticulatae7.5白芷RadixAngelicaeDahuricae7.4大黃RadixEtRhizomaRhei7.3五味子FructusSchisandrae7.0防風(fēng)RadixSaposhnikoviae6.8a：根據(jù)普查2053個(gè)中成藥的藥材成分而所得資料4數(shù)據(jù)處理對(duì)應(yīng)每一個(gè)目標(biāo)藥材，先組成一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣X如下:式中k是目標(biāo)藥材的色譜峰數(shù)目，m是實(shí)例中對(duì)應(yīng)這個(gè)目標(biāo)藥材的A組樣本數(shù)目，而n則是B組樣本數(shù)目。若第i個(gè)實(shí)例樣本中可找到有一個(gè)峰能與目標(biāo)藥材的第j個(gè)色譜峰配對(duì)的話，設(shè)X的值為該峰的峰面

積，否則設(shè)X的值為零。接著把矩陣X的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，得數(shù)據(jù)記為Z/，即其中再?gòu)木仃嘮方興未艾算協(xié)方差陣D,即從矩陣D求解其本征矩陣a從矩陣D求解其本征矩陣a其中及對(duì)應(yīng)本征矢量入，即D.a二入.a及a矩陣的每一個(gè)列稱(chēng)為一個(gè)主因子，而對(duì)應(yīng)此列的入值則為此主因子的方差貢獻(xiàn)份數(shù)。一個(gè)主因子的方差貢獻(xiàn)份數(shù)愈大，它在藥材識(shí)別上的貢獻(xiàn)就愈大。為要達(dá)到降維的效果，我們不必選取所有k個(gè)主因子，只須取前P個(gè)主因子使其累積方差貢獻(xiàn)份數(shù)百分比＞80%就可以，即Li+4e+'?'+AI?....,及a矩陣的每一個(gè)列稱(chēng)為一個(gè)主因子，立削）撬，/j<*.「十八］十’.十.煩然后把實(shí)例樣本投影到以這P個(gè)主因子所構(gòu)成的特征空間上，計(jì)算方見(jiàn)以下公式式中Y是第i個(gè)實(shí)例樣本的投影點(diǎn)與第l個(gè)主因子方向軸的距離，而X及a"則分別是X和a矩陣的對(duì)應(yīng)元素。最后，可以得到一幅如圖「的聚類(lèi)分析圖，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)B組實(shí)例樣本的投影點(diǎn)聚合成一個(gè)點(diǎn)群；而A組實(shí)例樣本的投影點(diǎn)則擴(kuò)散于這個(gè)點(diǎn)群以外的空間上，樣本中目標(biāo)藥材含量愈高，它的投影點(diǎn)離開(kāi)B組樣本的點(diǎn)群愈遠(yuǎn)。所以，由各B組實(shí)例樣本的投影點(diǎn)與其點(diǎn)群的中心點(diǎn)之間的距離h，可得距離均值及距離方差S等統(tǒng)計(jì)量，藉此可擬定一個(gè)范圍空間把包含與不包含這目標(biāo)藥材的兩芟樣本分隔開(kāi)。設(shè)一測(cè)試樣本在這特征空間的投射點(diǎn)與點(diǎn)群的中心點(diǎn)之間的距離j若J>芥I+2"&可判斷樣本為含有這個(gè)目標(biāo)藥材。5結(jié)果與討論文中采用的萃取方法，是參考美國(guó)藥典用于提取植物樣本中生物堿的方法，除了生物堿之外，植物中其他的有機(jī)化合物也會(huì)同時(shí)被提取出來(lái)，且選用的溶劑氯仿，有萃取能力強(qiáng)及易于濃縮等特點(diǎn)。致于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面，我們選用氣相色譜方法，是因?yàn)樗芴峁└呓馕龆鹊纳V圖，而且氣相色譜峰的重現(xiàn)性及精確性也非常好。數(shù)據(jù)處理方面，由于大量及復(fù)雜的矩陣運(yùn)算困難，所以利用美國(guó)MathWorks公司的MATLAB軟件（版本5.0）所提供的程序編寫(xiě)功能，自編一個(gè)聚類(lèi)分析用的程序。運(yùn)算上，用者只須輸入目標(biāo)藥材、實(shí)例樣本及中成藥樣本的色譜圖資料（色譜峰的保留時(shí)間和峰面積），就可以直接得到聚類(lèi)分析的結(jié)果，非常簡(jiǎn)單快捷。用此聚類(lèi)分析方法測(cè)試了12個(gè)中成藥樣本，結(jié)果詳見(jiàn)表2。結(jié)果顯示，此法的準(zhǔn)確度為67%?92%，平均為78%；而第1類(lèi)誤差和第2類(lèi)誤差的平均值則分別為11%和10%。第1類(lèi)誤差是指樣本標(biāo)明沒(méi)有某種目標(biāo)藥材，但分析結(jié)果卻認(rèn)為是有的；而第2類(lèi)誤差是指樣本標(biāo)明有某種目標(biāo)藥材，但分析結(jié)果卻認(rèn)為是沒(méi)有的。表212個(gè)中成藥樣本的聚類(lèi)分析結(jié)果中成藥白術(shù)大黃陳皮川芎當(dāng)歸白芷防風(fēng)五味子

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