20种风药中7种无机元素含量及其相关性研究

CJI (Traditional Chinese Medicine) - - Chinese Journal Of Information On Tcm - 通讯作者:潘新波,E-mail:sinpo_pan@163.com

萨日娜 1,2,王丽霞 2,陈雯2,朱书强3,赵志正2,潘新波 4

1.甘肃省人民医院,甘肃 兰州 730000;2.中国中医科学院广安门医院,北京 100053;

3.甘肃省食品检验研究院,甘肃 兰州 730000;4.兰州市第二人民医院,甘肃 兰州 730000摘要:目的 探讨风药中 7 种无机元素的分布及其相关性。方法 采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定 20 种风药中锰(Mn)、锌(Zn)、铜(Cu)、铁(Fe)、钙(Ca)、镁(Mg)、钾(K)7 种元素的含量,采用 Spearman相关分析、主成分分析和系统聚类法进行分析和评价。结果 20种风药中微量元素Mn平均含量明显高于 Zn、Cu、Fe;Zn 含量与 Mn、Cu 具有显著正相关性(P<0.05,P<0.01);Mg 含量与Cu、Fe 具有显著相关性(P<0.05,P<0.01)。主成分分析结果表明,20 种风药中7种无机元素受3个主成分因子影响,Zn、Cu、Ca、K在各风药中分布较为广泛,Mn和 Mg在各风药中分布差异较大。系统聚类分析可将 20 种风药分为 4 类,第Ⅰ类包含 12 种风药,其中以解表药为多(6种),性味以辛、温为主;第Ⅱ类为单味药柴胡,Mn元素含量最高;第Ⅲ类6种风药中,解表药有3种;第Ⅳ类为单味药薄荷,性味为辛、凉。20种风药中,寒凉药中Mn、Ca、Mg、K平均含量高于温热药和平性药,温热药中Zn、Fe平均含量高于寒凉药和平性药,平性药中Cu平均含量高于温热药和寒凉药。结论 20种风药中7种无机元素分布及其与中药寒热药性具有一定的相关性。

关键词:风药;无机元素;电感耦合等离子体发射光谱仪;Sperman相关分析;主成分分析;系统聚类法

DOI:10.3969/j.issn.1005-5304.2018.05.020

中图分类号:R284.1 文献标识码:A 文章编号:1005-5304(2018)05-0090-06

Study on Correlation of Contents of 7 Kinds of Inorganic Elements in 20 Kinds of Wind-expelling Medicine

SA Ri-na1, 2, WANG Li-xia2, CHEN Wen2, ZHU Shu-qiang3, ZHAO Zhi-zheng2, PAN Xin-bo4

1. Gansu Provincial Hospital, Lanzhou 730000, China; 2. Guang'anmen Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100053, China; 3. Gansu Province Food Inspection Institute, Lanzhou 730000, China;

4. The Second People's Hospital of Lanzhou, Lanzhou 730000, China

Abstract: Objective To investigate the distribution and correlation of different inorganic elements in wind-expelling medicine. Methods The contents of Mn, Zn, Cu, Fe, Ca, Mg and K from 20 kinds of wind-expelling medicine were determined by inductively coupled plasma - optical emission spectrometry (ICP-OES) method. Spearman correlation analysis, principal component analysis and systematic cluster analysis were used for analysis and evaluation. Results The average content of Mn element in trace elements was significantly higher than that of Zn, Cu and Fe. Zn was positively correlated with Mn and Cu (P<0.05, P<0.01). Mg was significantly correlated with Cu and Fe (P<0.05, P<0.01). The results of principal component analysis showed that the seven inorganic elements in the

20 kinds of wind-expelling medicine were affected by three principal component factors. Zn, Cu, Ca, and K elements were widely distributed in the wind-expelling medicine. The distribution of Mn and Mg elements in each wind-expelling medicine was significant. The results of systematic cluster analysis showed that the medicine were clustered into four different groups. Group Ⅰ contained 12 kinds of wind-expelling medicine, and 6 kinds of these were the diaphoretics which property and flavor were pungent and warm. Group Ⅱ was Bupleuri Radix, which contained the highest content of Mn. Group Ⅲ contained 6 kinds of wind-expelling medicine, of which 3 kinds were the diaphoretics. Group Ⅳ was Menthae Haplocalycis Herba, which property and flavor were pungent and cool. The average contents of Mn, Ca, Mg, and K elements in cool-cold nature medicine were higher than those in the warm-hot

natural and the neutral medicine. The average contents of Zn and Fe in warm-hot natural medicine were higher than those in the cool-cold nature and the neutral medicine. The average content of Cu in the neutral medicine was higher than in the warm-hot natural and the cool-cold nature medicine. Conclusion The distribution of inorganic elements in 20 kinds of wind-expelling medicine has correlation with the cold-heat natural plants-based medicine.

Keywords: wind-expelling medicine; inorganic elements; inductively coupled plasma - optical emission spectrometry; Spearman correlation analysis; principal component analysis; systematic cluster analysis

风药作为中药传统分类的一大类别,其历史悠久、临床应用广泛,具有十分重要的治疗作用。古今众多医家对“风药”均有较多且经典的论述,最早见于金代张元素《医学启源》一书,其弟子李东垣的《脾胃论》则进一步较为详尽论述了风药对治疗脾胃病具有的发散郁热、升发阳气等功效,并依据张元素对药

物的五类归纳法[1],将“风升生”类药物(约20 味)加以归纳阐述。但后世医家对风药的定义都未给予明确的界定,随着近代对风药的著述专论逐渐增多,对风药这一原为“法象药理”名称的药物研究日趋系统完善。依据历代文献记载,风药具有风木属性,“在天为风,在地为木”,作用趋向为向上、向外。目前关于风药概念定义主要有2种:①祛风药,即祛除外感风邪类药物;②治风药,即祛除外风、平熄内风类

药物[2]。目前关于风药与无机元素方面的研究较少,本研究参照古今文献,依据具有“风升生”特性,并参照功效及治疗作用选择防己、羌活、白芷、秦艽、升麻、防风、独活等 20 种风药饮片进行研究,采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定锰(Mn)、锌(Zn)、铜(Cu)、铁(Fe)、钙(Ca)、镁

(Mg)、钾(K)7 种元素含量,探讨风药中不同无机元素的分布及其相关性。1 仪器与试药

PerkinElmer Optima 8000 ICP-OES,美国珀金埃

尔公司;HY-04型高速粉碎机,北京环亚天元机械技术有限公司; XPE105 型十万分之一电子天平, METTLER TOLEDO 公司;DHG-9240A 型恒温干燥

箱,上海楚定分析仪器有限公司;HG-12-4B 型马弗炉,上海禾工科学仪器有限公司。

55Mn、65Zn、64Cu、56Fe、24Mg 多元素混合标准溶液(国家有色金属及电子材料分析测试中心,批号

GSB04-1766-2004),100 µg/mL;40Ca、39K 单元素标准溶液(国家有色金属及电子材料分析测试中心,批号 GSB04-17-2009),1000 µg/mL;浓 HNO3(优级纯,烟台市双双化工有限公司);试验用水均为超纯水。

参照《中华本草》[3]和《中药学》[4]选择 20 种风药样品,包括解表药 11 种(羌活、白芷、荆芥、桂 枝、细辛、麻黄、升麻、葛根、防风、薄荷、柴胡),祛风湿药 4 种(防己、秦艽、威灵仙、独活),平肝熄风药 2 种(钩藤、天麻),化痰止咳药 1 种(天南星),活血化瘀药1 种(川芎),开窍药1 种(石菖蒲)。

20种中药饮片均为市售,来源于甘肃省人民医院中药房,经甘肃省人民医院郑修丽副主任药师鉴定,符合

2015 年版《中华人民共和国药典》(一部)[5]相关项下标准,样品信息见表1。

2 方法与结果2.1 仪器工作条件

等离子体射频功率为1.3 kW,等离子体气流量为

15 L/min,雾化气流量为 0.60 L/min,辅助气流量为

0.2 L/min;样品冲洗 30 s,延迟 0 s,轴向观测,重复测定 3次。各元素检测波长分别为:Mn 257.610 nm、Zn 206.200 nm、Cu 327.393 nm、Fe 238.204 nm、Ca

396.847 nm、Mg 285.213 nm、K 766.490 nm。

2.2 供试品溶液的制备

将 20 种样品用来水冲洗后,分别用去离子水冲

洗,烘干,粉碎,过筛(100目),恒重后置于干燥器中备用。采用干法灰化法消解干燥至恒重的样品:分别精密称取各样品约 2.000 0 g,置于坩埚中,加热炭

化后,移入马弗炉中,550 ℃至完全灰化。冷却至室温,取出,加1 mL硝酸湿润灰分,小火蒸干。550 ℃灼烧1h,放冷至室温。加入15 mL HNO3(1∶1),加热使灰分充分溶解,移入100 mL容量瓶中,用纯

化水反复洗涤坩埚3次,洗液并入容量瓶中,加水定容至刻度,摇匀,即得。用 HNO3(1∶1)混匀,作为空白溶液作灰化空白测定。

2.3 标准溶液的制备

2.3.1 混合标准溶液

取 100 µg/mL 多元素混合标准溶液(55Mn、65 Zn、

64Cu、56Fe、24Mg)1 mL,用 10%HNO3溶液定容至

10 mL,即得 10 µg/mL多元素混合贮备液;分别依次精密量取 10 µg/mL 多元素混合贮备液 200、400、600、

800、1000 µL,置 10 mL容量瓶中,然后用 10%HNO3溶液依次定容至刻度,得 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、

10.0 µg/mL 多元素混合标准溶液。

2.3.2 单元素标准溶液

分别依次取 1000 µg/mL 40Ca 单元素标准溶液

20、40、60、80、100 µL,置 100 mL容量瓶中,用

10%HNO3 溶液依次定容至刻度,得 0.2、0.4、0.6、

0.8、1.0 µg/mL 40Ca标准溶液;分别依次取1000 µg/mL

39K单元素标准溶液 200、400、600、800、1000 µL,置 100 mL 容量瓶中,用 10%HNO3溶液依次定容至刻度,得 2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 µg/mL 39K 标准溶液。

2.4 线性关系考察

采用 ICP-OES对上述各标准溶液进行测定,线性回归方程、相关系数及检测限见表 2。55Mn、65Zn、

64Cu、56 Fe、24 Mg、40 Ca的线性范围为 0.2~1.0 µg/mL,

39K 的线性范围为 2.0~10.0 µg/mL。

2.5方法学考察

2.5.1稳定性试验

取“2.2”项下防己供试品溶液,按“2.1”项下ICP-OES 工作条件,于 0、2、4、8、12、16、24 h分别测定,计算RSD,结果各元素的 RSD 在 0.60%~

4.7%之间。

2.5.2 精密度试验分别吸取混合标准溶液及单元素标准溶液各 1

份,按“2.1”项下条件,连续进样测定 6 次,计算 RSD,结果各元素的 RSD 在 0.99%~3.43%之间。

2.5.3 重复性试验

按“2.2”项下方法制备 6份防己供试品溶液,按

“2.1”项下条件进样测定,计算 RSD,结果各元素的 RSD 在 1.28%~4.51%之间。

2.5.4 加样回收率试验

精密称取6份防己药材粉末,每份约 1.000 0 g,

加入一定量的各元素标准溶液,按“2.2”项下方法制

备防己供试品溶液,按“2.1”项下 ICP-OES 工作条件,进样测定各元素含量,计算平均加样回收率及RSD。结果各元素平均加样回收率为 85.77% ~

107.49%,RSD 为 1.38%~4.31%。

2.6 含量测定结果采用外标法计算样品中各元素含量,结果见表3。对比 20 种风药中各元素的含量可以看出:常量元素Ca、Mg、K 中,K 元素含量最高,顺序依次为 K> Mg>Ca;薄荷 K 元素含量最高,柴胡 Mg 元素含量最高,钩藤Ca元素含量最高。微量元素中,Mn元素平均含量明显高于 Zn、Cu、Fe,顺序依次为 Mn> Fe>Zn>Cu;柴胡 Mn元素含量最高,天南星Fe 元素含量最高,威灵仙Zn含量最高,升麻Cu元素含量最高。

2.7相关性分析

采用 SPSS21.0 统计软件分别对上述各元素含量测定结果进行正态性检验(K-S法),结果显示Mn、Zn、Cu、Ca、Mg、K 含量测定结果服从正态分布, Fe含量测定结果不服从正态分布,因此采用Spearman等级相关分析法,结果见表4。分析结果显示,Zn与Mn、Cu 呈显著正相关(P<0.05,P<0.01);Mg 与Cu、Fe 有显著相关性(P<0.05,P<0.01),其中 Mg与 Cu 呈负相关,Mg与 Fe呈正相关。上述分析结果

表明,20种风药中的相关无机元素之间具有一定的相互作用,在一定程度上能够起到相互协同或相互拮抗的作用。

2.8主成分分析与综合评价

采用 SPSS21.0 统计软件对上述各元素测定结果进行主成分分析。

表 5显示,前3个特征值均大于1,累积方差贡献率为 66.321%,即 20 种风药中 7 种元素主要由 3个主成分客观解释。表 6 显示,Zn、Cu 元素的系数第 1主成分中载荷系数较大,是第1主成分的主要综合评价指标;第2主成分中 Mn、Mg元素的载荷系数较高,是第2主成分的重要决定因子;Ca、K元素在第 3主成分中载荷系数较高,为第3主成分的主要评价因子。可分别将3个主成分因子得分用数学模型表示,即:

Y1 = 0.212Mn + 0.423Zn + 0.571Cu + 0.037Fe - 0.177Ca -

0.240Mg-0.015K

Y2 = 0.545Mn + 0.116Zn - 0.158Cu + 0.029Fe + 0.037Ca +

0.565Mg+0.123K

Y3 = 0.047Mn + 0.077Zn - 0.197Cu - 0.426Fe + 0.581Ca -

0.007Mg+0.469K

分别计算上述3 个数学模型对应的得分(F1、F2、

F3),以 3 个主成分因子的贡献率为权数,线性加权求和计算得各风药中元素总因子综合得分(F)及综合排名顺序,结果见表7。

表 7显示,综合得分>0有 10种中药,分别为:柴胡、独活、升麻、威灵仙、防风、薄荷、川芎、石菖蒲、葛根及钩藤。其中,柴胡的综合得分排名第1,且第2 主因子的得分最高(3.733),Mn、Mg 是其第2主成分的特征性元素;升麻中第 1 主因子得分最高(2.821),表明 Zn、Cu 含量较高,且其综合得分排

名第 3;第 3 主因子得分最高(1.607)为独活,其Ca、K元素含量相对较高,综合排名得分第2。分别对 20 种风药中 3 个主成分因子得分进行分析,发现第 1主成分因子得分大于2、3主成分得分的中药有8味,第 2 主成分因子得分大于 1、3 主成分得分的中药有 4 味,第 3 主成分因子得分大于 1、2 主成分得分的中药有 8 味;F1得分最高且 F 排名前 10 位的中药有 3 味,F2得分最高且 F 排名前 10 位的中药有 1

味,F3得分最高且 F 排名前 10 位的中药有 6 味,结合各主成分中元素的载荷系数,可知 Zn、Cu、Ca、K在各风药中分布较为广泛,Mn、Mg元素在各风药中分布差异较大。

2.9 系统聚类分析

运用 SPSS21.0 统计软件,采用 Euclidean distance系数和 Within-groups linkage法以各元素含量对20 种

风药进行聚类分析[6-7],结果见图 1。

依据 20 种风药中 7 种元素含量形成的树状聚类图,并参照《中药学》[4]药性分类[寒凉(大寒、寒、微寒、凉、微凉)、温热(温、微温、热、大热)、平],可将 20种风药分为四大类:第Ⅰ类包含12 种风药,其中解表药6种(羌活、白芷、荆芥、桂枝、细辛、麻黄,性味辛、温),祛风湿药 3 种(防己、秦艽、威灵仙,性味分别为辛、寒,辛、平,辛、温),化痰止咳药1种(天南星,性味辛、温),平肝熄风药1种(钩藤,性味甘、凉),活血化瘀药 1 种(川芎,性味辛、温),可见第Ⅰ类药物性味以辛、温为主;第Ⅱ类为单味药柴胡,为解表药,性味辛、微寒,其Mn元素含量为20种风药中最高;第Ⅲ类包含6 种风药,解表药3种(升麻、葛根、防风,升麻、葛根性 味为辛、微寒,防风为辛、微温),祛风湿药1种(独活,性味为辛、微温),平肝熄风药 1 种(天麻,性味为甘、平),开窍药1种(石菖蒲,性味为辛、温);第Ⅳ类为单味药薄荷(解表药,性味为辛、凉)。

采用 SPSS21.0 统计软件分别以药物的寒热药性(温热、平、寒凉)为依据对 20 种风药中 7 种元素含量的均值进行对比分析,组间比较采用独立样本 t

检验,P<0.05表示差异有统计学意义,结果见表8。

12种温热药和6种寒凉药中7种元素含量的总均值高于 2种平性药,寒凉药中Mn、Ca、Mg、K 平均含量高于温热药和平性药,温热药中 Zn、Fe 平均含量高于寒凉药和平性药,平性药中 Cu 平均含量高于温热药和寒凉药,平性药中 Cu 平均含量与温热药比较差

异有统计学意义(P<0.05)。通过上述分析可知,风药中无机元素含量分布及其与中药寒热药性具有一定的相关性。 3 讨论现代药理研究表明,风药是一类具有多种药理作

用的药物,可抗炎、抗过敏、免疫调节[8],有效提高血管通透性,抑制血管炎性因子,改善凝血和循环机

制[9],在解热镇痛、抗惊厥及解除平滑肌痉挛、祛除内毒素、减轻局部水肿状态等方面效果显著。中草药主要是由有机成分和无机元素组成的,而其中无机元素与人体某些疾病密切相关,参与人体多种生理、生物反应,进而起到防病治病的作用,且无机元素对中药生物活性的表达和化学成分的形成具有重要作

用[10-12]。

本研究采用 ICP-OES 对 20 种风药中 Mn、Zn、Cu、Fe、Ca、Mg、K 共 7 种元素进行含量测定。结果表明,常量元素K平均含量明显高于Ca、Mg,微量元素 Mn 平均含量明显高于 Zn、Cu、Fe,不同类别风药的无机元素含量有明显差异;相关性分析结果表明,Zn 与 Mn、Cu 呈显著正相关(P<0.05,P<

0.01);Mg 与 Cu、Fe 有显著相关性(P<0.05,P<

0.01),其中 Mg 与 Cu 呈负相关,Mg与 Fe呈正相关;

通过主成分分析评价,20 种风药中 Zn、Cu、Mn、Mg、Ca、K是特征性评价因子,其中Zn、Cu、Ca、K 在各风药中分布较为广泛,Mn 和 Mg 在各风药中

分布差异较大,柴胡的无机元素主成分综合得分居首位,其Mn 元素含量最高,这与韩丽琴等[13]发现治疗呼吸系统疾病中草药中柴胡Mn含量最高的研究结果相一致。

综上所述,不同风药中所含元素差异明显,既可作为各风药之间区分的特征性元素,又可能是不同风药发挥主导治疗作用的元素。由于中草药中所含无机元素能与生物体内大分子形成酶,参与机体的调控活

动[12],因此,风药中各无机元素是其发挥功效和临床治疗作用的主要影响因素之一。研究显示,Zn、Cu、Fe 及 Mn 具有增强人体免疫功能等作用,Zn、Cu 及Mn 作为超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶等的活性中心,能够清除和抑制体内自由基;当Zn、Cu、Fe 及 Mn缺乏时,可导致免疫器官发生萎缩,从而使体液免疫和细胞免疫功能降低;Mn 参与机体能量代谢,是多种中药生物酶的活性中心;Zn 对正常免疫功能的维持有重要作用,缺Zn 会导致 T辅助细胞和抑制细胞比率下降,自然杀伤细胞功能改变,免疫功

能受损[14]。

值得一提的是,本研究通过对 20 种风药的系统聚类分析,发现7种无机元素含量分布与中药寒热药性具有一定的相关性,这也与中医辨证施治及风药的内在属性相吻合。此外,这一结果在一定程度上论证

了管竞环等[15]提出的“药物中各种无机元素含量水平是决定植物类中药四性的主要因素之一”的假说,也为无机元素与中药寒热药性的相关性深入研究提供了一定的参考依据。

由于本研究所选用的风药样本量及所测定的无机元素种类较少,对于无机元素与风药内在功效的相关性还有待进一步深入研究。

致谢:感谢中国中医科学院广安门医院张培宇主任医师给

予中医理论指导。 参考文献:

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(收稿日期:2017-09-15)

(修回日期:2017-10-22;编辑:陈静)

图 1 20种风药中7种无机元素聚类分析树状图

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