青海高原牦牛骨和牦牛角中微量元素的化学计量分析

青海高原牦牛骨和牦牛角中微量元素的化学计量分析 青海高原牦牛骨和牦牛角中微量元素的化 学计量分析 面北虐业掌握2011,20(5):59—63 ActaAgriculturaeBoreali—occidentalis 青海高原牦牛骨和牦牛角中微量元素的化学计量分析 周利兵 (黔西南民族职业技术学院,贵州兴义562400) 摘要:通过主成分分析,因子分析和聚类分析,对青海高原牦牛骨,牦牛角中微量元素进行,为开发利 用牦牛骨和牦牛角资源提供科学依据.第1主成分主要包含牦牛骨中矿物质元素91.026的信息,前3主 成分主要包含牦牛角中微量元素99.228的信息.结果明,通过化学计量学研究,能对青海牦牛骨,牦牛 角品质做出科学评价. 关键词:牦牛骨;牦牛角;微量元素;化学计量;主成分分析;因子分析;聚类分析 中图分类号:0654文献标志码:A文章编号:1004—1389(2011)05—0059-05 ChemometricalResearchoftheTraceElementsin BoneandHornofYakinQinghaiPlateau ZHOULibing (QianxinanVocationalandTechnicalCollegeforNationalities,XingyiGuizhou562400,Ch ina) Abstract:ThetraceelementsintheboneandhornofYakinQinghaiplateauweremeasuredand ana— lyzedthroughtheprincipalcomponentanalysis,factoranalysisandclusteranalysis,toprovid esome scientificbasisforutilizationoftheboneandhornresourcesofQinghaiYak.Thefirstprincipal com— ponentsmainlycontain91.026%informationofmineraIelementsinQinghaiYak'Sbone.Thethree principalcomponentsmainlycontain99.228informationoftraceelementsinQinghaiYak'shorn. ThechemometricalresearchofthetraceelementsinYak'SboneandhorninQinghaiplateaucanmake afairandscientificevaluation.Thequantitativeandqualitativeevaluationoftraceelementsopeneda newareaofcomprehensiveevaluationinQinghaiYak'Sboneandhorn,andlaidthesolidfoundation forfuturedevelopmentandutilizationofYak'Sboneandhornresources. Keywords:Yak'Sbone;Yak'Shorn;Traceelement;Chemometrics;Principalcomponentanalysis; Factoranalysis;Clusteranalysis 青海省具有丰富的牦牛骨和牦牛角资源.传 统藏医,蒙医和西北高原中医都将青藏高原特有 的牦牛骨,牦牛角作为珍贵的药材.近几年来,中 藏药微量元素的研究越来越受到人们重视.藏医 药学经典着作《晶珠本草》记载,青海牦牛骨,牦牛 角有祛寒,增热量,生胃火,治胃寒等功效.因此, 本研究通过对牦牛骨中K,Na,Ca,Mg,P,Fe, Cu,Zn,Mn,Ni等元素和牦牛角中Cu,Zn,Fe, Mn,Co,Se等人体必需有益微量元素的主成分分 析,因子分析和聚类分析口],综合评价青海高原牦 牛骨和不同地区牦牛角中微量元素,为大规模合 理开发青海高原牦牛骨,牦牛角资源,以及为青海 牦牛骨,牦牛角的药物功效学及其微量元素的研 究提供依据. 1材料与方法 1.1材料 选取青海高原牦牛骨4个部位(头骨,肋骨, 肢骨,脊椎骨)中K,Na,Ca,Mg,P,Fe,Cu,Zn, Mn,Ni等主要矿物质元素和青海海北州,海南州 收稿日期:201003—20修回日期:2010—0529 作者简介:周利兵,男,硕士,副教授,从事计算机化学,计量学和统计学研究.E-mail:zhoulibing7802@sina.com 西北农业 (共和县和贵南县),玉树州,黄南州牦牛角中cu,用SPSS16.0进行主成分分析,从牦牛骨,牦 zn,Fe,Mn,Co,Se等微量元素作为分析样本.牛角相关系数矩阵(表1,表2)可以看出,85以 原始数据取自参考文献[34].上数据的绝对值大于0.30,各变量两两之间有较 1.2方法大的相关系数,因此,适宜用主成分分析法来研究 应用SPSS16.0统计软件对数据进行主成分变量之间的关系.从牦牛骨,牦牛角相关系数的 分析,在主成分分析的基础上进行因子分析.提特征根和方差贡献率(表3,表4)可以看出,牦牛 取主成分数据使用层次聚类法进行聚类分析.骨第1主成分累计贡献率达91.026(>859/6), 2结果与分析襄嵩 2.1主成分分析牦牛角前3主成分累计贡献率达99.228(> 2.1.1原始数据化对原始数据进行标准85),特征根一3.284>1.0000,z一1.584> 化,即对同一变量减去其均值,再除以标准差,以1.0000,.一1.085>1.0000,故选前3主成分, 消除原始数据之间的量纲影响,使标准化后的数据它代表青海高原不同地区牦牛角中cu,zn,Fe, (以z表示)具备可比性,并遵从正态分布规律.Mn,Co,Se等微量元素99.228的信息. 表1牦牛骨相关系数矩阵 K1.000 Na0.910l_000 【:a0.8340.8651.O00 Mg0.9850.966—0.8891.000 P0.8480.9250.987—0.916l_000 Fe0.8860.9910.9150.9530.9651.000 Cu0.9720.9460.938—0.9910.9490.9511.000 Zn0.9640.8810.676—0.9370.7200.8240.8901.000 M130.8540.9760.9330.9320.9780.9960.9380.7741.000 Ni0.807—0.78O0.9850.842—0.945—0.838—0.9070.6250.8581.000 表2牦牛角相关系数矩阵 Table2CorrelationcoefficientmatrixaboutYak'Shorn 2.1.2牦牛骨,牦牛角初始因子载荷阵分析牦 牛骨第1主成分变量的初始因子载荷值为K (0.949),Na(0.970),Ca(0.947),Mg (一0.987),P(0.969),Fe(0.978),Cu(0.994), Zn(0.868),Mn(0.970),Ni(一0.901).对初始 因子载荷阵进行分析,每1载荷量表示主成分与 对应变量的相关系数,第l主成分在前1O个指标 前的系数比较大,显然几乎反映牦牛骨中矿物质 元素K,Na,Ca,Mg,P,Fe,Cu,Zn,Mn,Ni的所 有信息.牦牛角初始因子载荷阵见表5,表5中 每1载荷量表示主成分与对应变量的相关系数, 第1主成分在Mn(0.977),Co(0.768),Se (0.936)指标前的系数比较大,第2主成分在Zn (0.736),Fe(0.977)指标前的系数比较大,第3 主成分在Cu(0.762)指标前的系数比较大,显然 几乎反映青海高原不同地区牦牛角中Cu,Zn, Fe,Mn,Co,Se等微量元素的所有信息. 2.1.3主成分得分及综合得分牦牛角前3主 成分向量值见表6.牦牛骨主成分向量值为K (0.315),Na(0.321),Ca(0.314),Mg (一0.327),P(0.321),Fe(0.324),Cu(0.329), Zn(0.288),Mn(0.321),Ni(一0.299),根据主成 分计算公式可以得到第1主成分(F)与原1O项 指标的线性组合如下: 5期周利兵:青海高原牦牛骨和牦牛角中微量元素的化学计量分析?61? Fl一0.315ZK+0.321ZN+0.314Zc一 0.327ZM+0.321ZP十0.324ZF+0.329Zcu+ 0.288Zz+0.321ZM一0.299ZN. 计算综合主成分值(F),F一0.91026F,并 排名(表7). 根据主成分计算公式可以得到前3主成分 (F,F.和F.)与原6项指标的线性组合如下: Fl一一0.3521Zc一0.3675Zz+ 0.0613ZF+0.5391ZM+0.4238Zc.+0.5165Zse; 表3牦牛骨相关系数的特征根和方差贡献率 Table3Characteristicrootofthecorrelationcoefficientand thevariancecontributionrateaboutYak'Sbone 表4牦牛角相关系数的特征根和方差贡献率 Table4Characteristicrootofthecorrelationcoefficientand thevariancecontributionrateaboutYak'Shorn 表5牦牛角初始因子载荷阵 Table5ComponentmatrixaboutYak'Shorn F2===一0.0326Zc+0.5848Zz+0.7763ZF+ 0.1359ZM一0.0302Zc.+0.1859Zs;F3— 0.7315Zc一0.0912Zz+0.1526ZF.+0.1】90 ZM+0.6115Zc.一0.2102Zs 计算综合得分,F一0.54735F+ 0.26407F2+0.18086F.,并排名(表8). 2.2因子分析 在主成分分析的基础上对牦牛角进行因子分 析,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,即 进行因子分析.由于从牦牛骨初始因子载荷矩阵 中可以看出各系数与变量之间关系的化学本质, 可不必进行初始因子载荷矩阵方差最大正交因子 旋转. 因子分析的目的之一是鉴别有实际意义的因 子,从经过旋转后的旋转因子矩阵得到有意义的 因子(表9). 2.3聚类分析 聚类分析是数理统计的一种方法,适合于试 样归属不清楚的情况,其中心思想是首先定义试 样之问的距离,在各自成类试样中,将距离最近 的2类合并,重新计算新类与其他类间的距离, 并按最小距离归类,重复此过程,每次减少1类, 直到所有的试样成为1类为止.采用样本聚类分 析,欧氏矩离测量,每2样本问用Averagelink— age法连结,按顺序作图(图l,图2). 表6牦牛角主成分向量 Table6PrincipalcomponentvectoraboutYak'Shorn 表7牦牛骨主成分值和综合主成分值 Table7Principalcomponentvalues,integratedvalues ofprincipalcomponentsaboutYak'Sbone 西北农业 表8牦牛角主成分值和综合主成分值 Table8Principalcomponentvalues,integratedvaluesofprincipalcomponentsaboutYak'sh orn 地区RegionF 海北卅IHaibeiprefecture 海南州共和县Hainanprefecture(republican) 海南州贵南县Hainanprefecture(Guinan) 玉树州Yushuprefecture 黄南州Huangnanprefecture 表9牦牛角旋转后的因子载荷阵 Table9Rotatedcomponentmatrix 样本 CASE 按序号归类LabelNum 样本CASE肢骨Limbbone3 肋骨Rib4 脊椎骨Vertebrae2 头骨Skull1 按序号归类 LabelNam 海北州Haibeiprefecture1 黄南州Huangnanprefecture5 海南州贵南县Hainanprefecture(Guinan)3 玉树州Yushuprefecture4 海南州共和县Hainanprefecture(republican)2 图1牦牛骨层次聚类分析树形图 Fig.1Thetreeofhierarchicalclustering analysisaboutYak'sbone 图2牦牛角层次聚类分析树形图 Fig.2ThetreeofhierarchicalclusteringanalysisaboutYak'shorn 3结论与讨论 3.1由表1可知,牦牛骨中K与Na,Ca,P,Fe, Cu,Zn,Mn相关极显着,Fe与Mn相关极显着, Mg与Cu,K呈显着负相关.由表2可知,牦牛 角中Mn与Co,Se显着相关,Fe与Zn显着相关. 3.2牦牛骨中第1主成分几乎包含矿物质元素 K,Na,Ca,Mg,P,Fe,Cu,Zn,Mn,Ni的所有信 息.牦牛角中第1主成分主要包含Mn,Co,Se的 信息,第2主成分主要包含Zn,Fe的信息,第3 主成分主要包含Cu的信息.牦牛骨中的常量元 素K,Na,Ca,Mg含量非常丰富,说明牦牛骨可 作为良好的补Ca,补K剂.青海高原牦牛骨和不 同地区牦牛角中微量元素Mn,Fe,Zn,Cu,Ni, Co,Se非常丰富.Mn有多种生理功能,它参与 蛋白质的合成,促进甲状腺和性腺激素的分泌,有 助于脂肪和糖类的新陈代谢,抵抗自由基对细胞 的侵害,具有良好的抗衰老功效.Mn是公认的 抑癌元素,是人体内各酶的组成成分,Mn参与造 血,氧化还原,钙磷代谢,生长发育等过程,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 缓解疲劳和神经过敏症状,促进身心健康.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,又是许多酶的组成成分和 氧化还原反应酶的激活剂.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,促进毛发,皮肤,指甲等健康生 长,有助于增强记忆力和提高智力.从本研究可 看出牦牛骨和牦牛角可作为良好的补Fe,补Zn 剂.Co对蛋白质的新陈代谢有一定作用,还可促 进部分酶的合成,并有助于增强其活性,促进肠胃 和骨髓的健康,微量元素Co的缺乏会直接影响 V生理功能的发挥,易导致贫血症,老年痴呆 症,性功能障碍等疾病的发生.Se是参与免疫功 能的一种重要元素,对免疫功能具有营养和调节 作用.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 5期周利兵:青海高原牦牛骨和牦牛角中微量元素的化学计量分析 某些药物结合具有抗风湿作用. 3.3由主成分向量值可知,Cu的第1主成分向 量值最大;由表6可知,牦牛角中Fe的第1主成 分值最大.说明青海高原牦牛骨中微量元素Cu 的影响最大,不同地区牦牛角中微量元素Fe的 影响最大,Cu,Fe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.缺Cu使骨 的矿化出现障碍而引起老年骨质疏松症.Fe参 与造血,是红细胞中血红素的重要成分,从牦牛骨 中摄取Fe,可防止缺Fe性贫血.由表7可知,青 海牦牛头骨,脊椎骨,肢骨,肋骨含有的矿物质元 素表现为头骨>脊椎骨>肢骨>肋骨,头骨和脊 椎骨中的矿物质元素较丰富,且头骨中的矿物质 元素含量远高于肋骨.由表8可知,青海高原不 同地区牦牛角中微量元素含量高低表现为海南州 共和县>玉树州>海北州>海南州贵南县>黄南 州.海南州共和县和玉树州牦牛角中微量元素较 丰富,且海南州共和县的牦牛角中微量元素含量 远高于黄南州.由表9可知,F在指标Mn,Co, Se上有较大的载荷,F在指标Cu上有较大的载 荷,F.在指标Zn,Fe上有较大的载荷.用主成分 聚类的定量分析方法对青海高原牦牛骨和不同地 区牦牛角进行综合评价并分类,所得结论客观,可 信,较有说服力,利用得到的主成分指标组成新矩 阵,作为聚类分析的样本矩阵,原理清晰,计算简 单,大大减少了计算工作量. 从图1可以看出,当样本层次聚类分析聚成 3类时,样本1(头骨)是一类,Fe,Cu,Zn,Mn这 些人体必需的有益微量元素在所有样本中最高; 样本2(脊椎骨)为一类,Fe,Cu,Zn,Mn这些人体 必需的有益微量元素在所有样本中占中间;样本 3(肢骨),样本4(肋骨)为一类,Fe,Cu,Zn,Mn这 些人体必需的有益微量元素在所有样本中最低. 从图2可以看出,当样本聚为3类时,海南州共和 县为1类,该地区牦牛角中Fe,Mn,Se含量在所 有的样本中最高;玉树州聚为一类,该地区的牦牛 角中Fe,Mn,Se含量在所有的样本中占中间;海 北州,海南州贵南县,黄南州为一类,该地区牦牛 角中Fe,Mn,Se含量在所有的样本中最低.这与 主成分分析结果一致.用聚类分析方法.的优 越性在于可以把离散的数据标准化处理后,对样 品的相似性进行评价.由聚类分析图可见,组内 牦牛骨和牦牛角中微量元素谱存在相似性,为进 一 步开展青海高原牦牛骨,牦牛角资源研究提供 依据.应用化学计量学中的主成分分析,因子分 析和聚类分析方法?8对青海高原牦牛骨和不同 地区海北州,海南州共和县,海南州贵南县,玉树 州,黄南州牦牛角中微量元素进行综合分析,一方 面找出青海牦牛骨中K,Na,Ca,Mg,P,Fe,Cu, Zn,Mn,Ni等矿物质元素之间的关系,第1主成 分主要包含牦牛骨中矿物质元素91.026的信 息,揭示青海牦牛骨主要矿物质元素依第1主成 分的分布特征,找出青海高原牦牛角中Cu,Zn, Fe,Mn,Co,Se等微量元素之问的关系,揭示青海 高原牦牛角中Cu,Zn,Fe,Mn,Co,Se等微量元素 依前3主成分的分布特征;另一方面,化学计量学 方法能对青海高原牦牛骨和不同地区牦牛角品质 做出科学评价,为以后青海高原牦牛骨和牦牛角 资源的开发利用奠定基础. 参考文献: [1]董林,许禄.二维小波变换与子窗口因子分析法结合用 于含噪声HPLC,DAD数据的解析EJ].高等学校化学, 2005,26(6):1O39—1042. 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