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Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8549 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Multielementanalyse wird häufig zur Identifizierung der geografischen Herkunft von Pflanzen eingesetzt. Der Zweck dieser Studie bestand darin, die Machbarkeit einer Kombination von Chemometrie und Multielementanalyse zur Klassifizierung von Codonopsis Radix aus verschiedenen Produktionsregionen der Provinz Gansu (China) zu untersuchen. Insgesamt wurden 117 Codonopsis Radix-Proben aus 7 Landkreisen der Provinz Gansu gesammelt. Induktiv gekoppelte Plasmamassenspektrometrie (ICP-MS) wurde zur Bestimmung von 28 Elementen (39 K, 24 Mg, 44Ca, 27Al, 137Ba, 57Fe, 23Na, 88Sr, 55Mn, 66Zn, 65Cu, 85Rb, 61Ni, 53Cr, 51) verwendet V, 7Li, 208Pb, 59Co, 75As, 133Cs, 71 Ga, 77Se, 205Tl, 114Cd, 238U, 107Ag, 4Be und 202Hg). Unter den Makroelementen wies 39 K den höchsten Gehalt auf, wohingegen 23Na den niedrigsten Gehaltswert aufwies. Mikroelemente zeigten die Konzentrationsreihenfolge: 88Sr > 55Mn > 66Zn > 85Rb > 65Cu. Unter den Spurenelementen wiesen 53Cr und 61Ni einen höheren Gehalt auf und 4Be wurde nicht in allen Proben nachgewiesen. Die intraregionale Differenzierung wurde durch Hauptkomponentenanalyse (PCA), Clusteranalyse (CA) und überwachte Lernalgorithmen wie lineare Diskriminanzanalyse (LDA), k-nächste Nachbarn (k-NN), Support Vector Machines (SVM) und durchgeführt Zufällige Wälder (RF). Unter ihnen schnitt das RF-Modell mit einer Genauigkeit von 78,79 % am besten ab. Die Multielementanalyse in Kombination mit RF war eine zuverlässige Methode zur Identifizierung der Herkunft von Codonopsis Radix in der Provinz Gansu.

Codonopsis Radix wird normalerweise als Ersatz für teuren Ginseng verwendet, der eines der am häufigsten verwendeten traditionellen chinesischen Arzneimittel ist1. Codonopsis Radix hat verschiedene medizinische Eigenschaften, wie z. B. immunmodulatorische2, krebsbekämpfende3, gastrointestinale Schutzwirkung4, antidiabetische5 und regulierende Wirkung auf die Darmflora6. Aufgrund seiner guten ernährungsphysiologischen Eigenschaften ist Codonopsis Radix auch ein wichtiger Nahrungsstoff für Tee, Wein, Suppe, Pflaster, Brei usw.7 Als chinesischer Heilstoff mit demselben Ursprung wie Medizin und Lebensmittel ist Codonopsis Radix in Asien äußerst beliebt Länder wie China, Japan, Südkorea, Singapur usw.8. China ist ein bedeutender Produzent und exportiert hochwertige Codonopsis Radix in andere Länder. In China wird Codonopsis Radix in den Provinzen Gansu, Shanxi, Sichuan, Hubei, Yunnan und Chongqing angebaut. Unter ihnen ist Codonopsis Radix aus den Produktionsgebieten von Gansu von guter Qualität und hohem Preis. Einige Landkreise im Südosten der Provinz Gansu sind die wichtigsten Produktionsgebiete von Codonopsis Radix in China und machen mehr als 80 % der Gesamtproduktion aus, wie Weiyuan, Lintao, Longxi, Zhang, Min, Tanchang und Wen9. Die einzigartigen natürlichen Bedingungen dieser Orte sind die Garantie für die Produktion von Codonopsis Radix von hoher Qualität, wie z. B. Höhenlage, Boden, Niederschlag und Sonnenschein10. Die Zusammensetzung anorganischer Elemente in Pflanzen wird durch genetische und umweltbedingte Faktoren beeinflusst. Bodenzusammensetzung und Klimaschwankungen können den Elementgehalt in Pflanzen beeinflussen11. Daher ist es notwendig, die endgültigen Expressionsniveaus der Elemente in Codonopsis pilosula zu verstehen. Die diesbezüglichen Untersuchungen sind jedoch begrenzt.

In den letzten Jahren legen Verbraucher immer mehr Wert auf die geografische Rückverfolgbarkeit und Authentizität von Kräutern, da diese Aspekte zu Indikatoren für deren Qualität und Sicherheit geworden sind12. Daher ist es für die Wirtschaft der Provinz Gansu von großer Bedeutung, den geografischen Ursprung von Codonopsis Radix sicherzustellen. Es gab jedoch keinen Bericht über die Rückverfolgbarkeit der Herkunft von Codonopsis Radix.

Die Multielementanalyse wird üblicherweise zur Rückverfolgbarkeit der Herkunft von Pflanzen eingesetzt, da anorganische Elemente während des Stoffwechselprozesses nicht metabolisiert werden und eng mit den Boden- und Klimaumgebungen der Pflanzgebiete verknüpft sind. Die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) ist eine stabile und effektive Methode zur Bestimmung mehrerer Elemente mit höheren Empfindlichkeiten als herkömmliche Methoden13,14,15. Der Elementgehalt in Kombination mit Chemometrie wurde als leistungsstarkes Instrument zur Differenzierung der geografischen Herkunft von Pflanzen verwendet16,17. Richter et al. verwendeten Techniken des maschinellen Lernens und ICP-MS, um die geografische Herkunft von weißen Spargelproben aus Polen, China, den Niederlanden, Griechenland, Deutschland, Spanien und Peru erfolgreich vorherzusagen18. Canizo et al. gelang die Klassifizierung von Trauben, die in verschiedenen Weinbergen in der Provinz Mendoza (Argentinien) erzeugt wurden, basierend auf Multielementanalyse und chemometrischen Techniken10. Daher könnte es eine robuste Strategie sein, die geografische Herkunft von Codonopsis Radix in der Provinz Gansu zu unterscheiden.

Ziel dieser Studie war (1), den Gehalt von 28 Elementen (39 K, 24 Mg, 44 Ca, 27 Al, 137 Ba, 57 Fe, 23 Na, 88 Sr, 55 Mn, 66 Zn, 65 Cu, 85 Rb, 61 Ni, 53 Cr, 51 V, 7 Li, 208 Pb) zu analysieren , 59Co, 75As, 133Cs, 71 Ga, 77Se, 205Tl, 114Cd, 238U, 107Ag, 4Be und 202Hg) in 117 Codonopsis Radix-Proben aus 7 Landkreisen der Provinz Gansu mittels ICP-MS; (2) Bewertung des Potenzials der Multielementanalyse in Kombination mit chemometrischen Werkzeugen zur Unterscheidung von Codonopsis-Radix-Proben anhand ihrer geografischen Herkunft.

Die Validierung der ICP-MS-Methode wurde anhand von Linearität, Empfindlichkeit, Genauigkeit und Präzision bewertet (siehe Online-Ergänzungstabelle S1). Die beobachteten R2-Werte im Bereich von 0,9931 bis 1,0000 und der experimentelle F-Wert, der über dem tabellierten kritischen F liegt, lassen darauf schließen, dass die Linearität der analytischen Kurven gut war. Die Empfindlichkeit wird durch Nachweis- (LOD) und Quantifizierungsgrenzen (LOQ) bestimmt, die den neuesten Empfehlungen von IUPAC19 entsprechen, wobei α und β (die Fehler vom Typ I bzw. II anzeigen) als Standardwert von 0,05 gelten. Mit Ausnahme von 4Be und 107Ag waren die LOQ-Werte der übrigen Elemente in den Codonopsis Radix-Proben in dieser Studie alle niedriger als ihre natürlichen Werte. Da für Codonopsis Radix keine zertifizierten Proben verfügbar sind, wurde die Genauigkeit der Methode durch die Analyse von Codonopsis Radix-Proben (n = 3) bestimmt, die vor dem Mikrowellenaufschluss auf ihre nativen Konzentrationen angereichert wurden. Die durchschnittliche Rückgewinnungsrate der meisten chemischen Substanzen liegt im akzeptablen Bereich (85–115 %), was darauf hindeutet, dass der Verlust während des Verdauungsprozesses nicht offensichtlich oder nahezu vernachlässigbar ist. Es wurde festgestellt, dass die relativen Standardabweichungswerte (RSD) für die Elemente weniger als 10 % betragen. Daher bestätigten die Ergebnisse der Qualitätsparameter, dass die verwendeten Methoden den für die Anwendung analytischer Methoden erforderlichen Standards entsprechen.

Die in der vorliegenden Studie analysierten Elemente wurden entsprechend ihrem Gehalt in Makro (≥ 100 μg/g), Mikro (10 ~ 100 μg/g) und Spuren (< 10 μg/g) eingeteilt. Der Gesamtgehalt von 7 Makroelementen in 117 Codonopsis Radix-Proben aus verschiedenen Landkreisen wurde in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Reihenfolge des durchschnittlichen Gehalts an Makroelementen war wie folgt: 39 K > 24 Mg > 27Al > 44Ca > 57Fe > 137Ba > 23Na, von ähnlichen Trends, die in den Studien von Bai et al20 beobachtet wurden. Unter ihnen waren K, Ca, Na, Mg und Fe für den normalen menschlichen Stoffwechsel unerlässlich. Sie waren wichtig für den osmotischen Druckausgleich, die enzymatische Reaktion und die Hämatopoese21,22. Die mittleren Werte betrugen 11.000 μg/g für 39 K, 1600 μg/g für 24 Mg, 370 μg/g für 44Ca, 240 μg/g für 57Fe, 170 μg/g für 23Na. Somit könnte Codonopsis Radix als Nahrungsergänzungsmittel verwendet werden, um den Körper mit wichtigen Mineralstoffen, insbesondere K, zu versorgen. Überraschenderweise ist der Gehalt an K-Element in Codonopsis Radix weitaus höher als der in einigen chinesischen Kräutermedikamenten wie Rhizoma Coptidis23 und Ephedrae herba16. und sogar höher als bei einigen K-reichen Früchten, wie z. B. Feigen24. Darüber hinaus wurde im Vergleich mit dem Bericht von Sun et al. festgestellt, dass der Gehalt an Mg und Fe in der Chinesischen Engelwurz aus dem Kreis Min viel höher ist als der in Codonopsis Radix und der Gehalt an Na niedriger ist als der in Codonopsis Radix25. Es zeigte sich, dass die Absorptionsfähigkeit verschiedener medizinischer Materialien gegenüber den Metallelementen im gleichen Boden unterschiedlich sein kann. Al und Ba waren keine wesentlichen Bestandteile des menschlichen Körpers und eine übermäßige Aufnahme war schädlich für das Nerven- und Nierensystem26. Der mittlere Gehalt an 27Al und 137Ba betrug in allen Proben von Codonopsis Radix 400 bzw. 207 μg/g und war damit höher als bei einigen gemeldeten traditionellen chinesischen Arzneimitteln, wie z. B. Atractylodes Macrocephala Koidz17 und Rhizoma Coptidis23. Darüber hinaus wurden in den Proben aus Wen County die höchsten Gehalte an 39 K, 44 Ca, 24 Mg, 57 Fe, 27 Al und 137 Ba gefunden, was möglicherweise mit der Fülle an Mineralelementen im lokalen Boden zusammenhängt.

Der Gehalt an 5 Mikroelementen in 117 Codonopsis Radix-Proben aus verschiedenen Landkreisen ist in Tabelle 2 angegeben. Der mittlere Gehalt an Mikroelementen in den analysierten Codonopsis Radix-Proben zeigte die Reihenfolge: 88Sr > 55Mn > 66Zn > 85Rb > 65Cu. Unter ihnen sind Zn und Mn wesentliche Elemente des menschlichen Körpers. Zn war wichtig für das Wachstum und die geistige Entwicklung von Kindern27. Mn spielt eine Schlüsselrolle im Immunsystem und gilt auch als starkes Antioxidans28. Der mittlere Gehalt an 55Mn und 66Zn betrug 26 bzw. 21 μg/g. Der Gehalt des Elements Mn war niedriger als der mittlere Gehalt an Mn in 39 von Gyamfi berichteten traditionellen chinesischen Arzneimitteln, und der Gehalt an Zn ist etwas höher29. Der höchste Gehalt von 55 Mn wurde in Proben aus dem Landkreis Wen gefunden, der höchste Gehalt von 66 Zn wurde im Landkreis Zhang gefunden. In einem bestimmten Konzentrationsbereich ist Cu ein essentielles Element, das mit den prosthetischen Gruppen verschiedener Enzyme in Verbindung steht und an wichtigen Redoxreaktionen beteiligt ist. Sobald jedoch ein Überschuss an Cu im Körper vorhanden ist, führt dies zu neurodegenerativen Erkrankungen und einer Beeinträchtigung der Leberfunktion30. Der im Green Trade Standard of Importing and Exporting Medicinal Plants and Prepareds (WM-T2-2004) festgelegte zulässige Grenzwert beträgt 20 ug/g. Der 65Cu-Gehalt in 117 Codonopsis Radix-Proben lag zwischen 2,2 und 9,6 μg/g, mit einem durchschnittlichen Gehalt von 5,4 μg/g. Der Cu-Gehalt aller Proben in dieser Studie lag innerhalb der zulässigen Grenze und der höchste Gehalt wurde in Proben aus dem Kreis Wen gefunden. Sr und Rb sind keine essentiellen Elemente, die mittleren Werte von 88Sr und 85Rb in den analysierten Codonopsis Radix-Proben betrugen 48 bzw. 6,8 μg/g. Der höchste 88Sr-Gehalt wurde in Proben aus dem Kreis Wen gefunden und der höchste 85Rb-Gehalt wurde im Kreis Tanchang gefunden. Unter ihnen war der Gehalt an Sr viel höher als der von Rhizoma Coptidis23 und Chinesischer Angelika25 in China und niedriger als der einiger Heilkräuter in der Türkei14.

Der Gehalt an 15 Spurenelementen in 117 Codonopsis Radix-Proben aus verschiedenen Landkreisen ist in Tabelle 3 aufgeführt. Dazu gehören einige essentielle Spurenelemente wie Cr, Ni, Se, V und Co, bei denen es sich um essentielle Nährstoffe handelt, die als Cofaktoren im Stoffwechsel und anderen Bereichen wirken biologische Prozesse. Chrom ist beispielsweise wichtig für die Verwertung von Glukose31. Selen ist ein wichtiger Bestandteil des Enzyms Glutathionperoxidase32. Es wird angenommen, dass Nickel als Cofaktor für die Eisenaufnahme aus dem Darm während physiologischer Prozesse fungiert33. Vanadium ist ein Enzym-Cofaktor im Hormon-, Glukose-, Lipid-, Knochen- und Zahnstoffwechsel34. Kobalt ist ein wichtiger Bestandteil von Vitamin B1235. Der durchschnittliche Gehalt an 53Cr, 61Ni, 51 V, 77Se und 59Co betrug 1,2, 1,0, 0,7, 0,2 bzw. 0,1 ug/g. Die höchsten Gehalte an 61Ni, 51 V, 59Co und 77Se wurden alle in den Proben aus Wen County gefunden, und der höchste 53Cr-Gehalt wurde in Min County gefunden. Der Gehalt an den ungiftigen Spurenelementen 7Li, 71 Ga, 133Cs und 107Ag wurde ebenfalls bestimmt und ihr durchschnittlicher Gehalt betrug 0,3, 0,1, 0,09 bzw. 0,002 ug/g. Der Gehalt an Ni, V, Co, Se, Li, Cs und Ag stimmte gut mit den von Bai et al.20 angegebenen Werten überein, und der Gehalt an Ga war niedriger.

Giftige Spurenelemente, darunter As, Cd, Hg, Pb, U und Tl, gelten als toxische Umweltverschmutzung und ihr Gehalt muss sorgfältig überwacht werden, insbesondere in Kräutern. Der mittlere Gehalt an toxischen Spurenelementen in allen analysierten Codonopsis Radix-Proben war in der folgenden Reihenfolge: 208Pb > 75As > 114Cd > 205Tl > 202Hg > 238U, und die Werte betrugen 0,3, 0,2, 0,04, 0,05, 0,03 und 0,02 ug/g , jeweils. Diese toxischen Elemente können irreversible Schäden am Nerven-, Verdauungs- und Immunsystem, an der Lunge, den Nieren, der Haut und den Augen verursachen36. Basierend auf dem Green Trade Standard für den Import und Export von Heilpflanzen und -präparaten (WM-T2-2004) betrugen die zulässigen Grenzwerte für Pb, As, Cd und Hg für TCM 5,0, 2,0, 0,3 bzw. 0,2 μg/g . Die höchsten Werte von 208Pb, 75As, 114Cd und 202Hg in allen Codonopsis Radix-Proben der Studie betragen 0,6, 0,4, 0,4, 0,05 μg/g. Nach dem Vergleich wurde festgestellt, dass 117 Codonopsis Radix-Proben einen Gehalt von 208Pb, 75As und 202Hg aufwiesen, der unter dem zulässigen Grenzwert lag. Der Gehalt an 114Cd in 4 Proben aus dem Kreis Wen überschritt jedoch die zulässigen Grenzwerte. Es wurde festgestellt, dass der Gehalt an 208Pb-, 75As-, 114Cd- und 202Hg-Elementen in den analysierten Codonopsis Radix aus Gansu-Produktionsgebieten im Allgemeinen niedriger war als der Gehalt dieser Schwermetallelemente in anderen Kräutern, wie z. B. Argy Wormwood Leaf, Morinda Root, Zedoray Rhizom, indische Krappwurzel37, was möglicherweise mit dem Boden, dem Klima und der geringeren Schwermetallbelastung der Pflanzflächen zusammenhängt. Der Gehalt an Cr, As und Pb war niedriger als die von Kong38 angegebenen Werte.

Ein Kruskal-Wallis-Test nach Bonferroni-Korrektur wurde zunächst durchgeführt, um den Gehalt an Elementen mit signifikanten Unterschieden in Codonopsis-Radix-Proben aus sieben Landkreisen der Provinz Gansu in China zu untersuchen (angezeigt durch p < 0,05). Die p-Werte zeigten, dass der Gehalt von 27 Elementen (4Be wurde nicht nachgewiesen) in Codonopsis Radix signifikante Unterschiede aufwies. Daher hatten alle Elemente einen großen Einfluss auf die Herkunftsklassifizierung für ein oder mehrere Herkunftspaare (siehe Online-Ergänzungstabelle S2). Die Boxplots zeigten die Inhaltsprofile der Schlüsselelemente mit höherer Bedeutung in Codonopsis Radix aus verschiedenen Landkreisen (siehe ergänzende Abbildung S1 online). Für die Elemente 55Mn, 44Ca, 24 Mg, 208Pb und 238U werden die höchsten Werte in Proben aus dem Kreis Wen beobachtet. Die Werte von 71 Ga für Proben aus den Landkreisen Wen und Tanchang sind deutlich höher als in anderen Landkreisen. 66Zn ergab höhere Gehalte in Proben aus dem Kreis Zhang. In Proben aus dem Landkreis Zhang wurde festgestellt, dass der Gehalt an 55Mn und 208Pb sehr niedrig ist. In Proben aus den Kreisen Min, Tanchang und Zhang wurde festgestellt, dass der Gehalt an 88Sr niedrig ist. 85Rb ergab niedrigere Werte für Proben aus Min County.

Um einen Überblick über den Datensatz zu erhalten und die Unterschiede zwischen Codonopsis Radix-Proben aus verschiedenen Landkreisen zu visualisieren, wurde zunächst eine PCA mit allen 27 Elementen mit signifikanten Unterschieden (p < 0,05) durchgeführt. Der gesamte Informationsgehalt einer bestimmten Anzahl von Hauptkomponenten wurde durch den kumulierten Prozentwert (%) der Gesamtvarianz dargestellt. Die ersten beiden Hauptkomponenten (PCs) machten 56,1 % aus (PC1 machte 46,3 % und PC2 9,8 % aus). Abbildung 1 zeigt PC1-PC2-Score und Belastungsdiagramme. Wie in Abb. 1a gezeigt, gab es eine große Überlappung zwischen den Bewertungen, die Codonopsis Radix-Proben unterschiedlicher Herkunft entsprachen. Dennoch zeigten Codonopsis-Radix-Proben aus dem Landkreis Wen positive Ergebnisse für den betrachteten PC1 und unterschieden sich von Proben aus den Landkreisen Zhang und Min mit negativen Werten für PC1.

Bewerten Sie (a) und laden Sie (b) Diagramme der ersten Hauptkomponente (PC1) gegenüber der zweiten Hauptkomponente (PC2).

Wie in Abb. 1b gezeigt, war PC1 stark mit den Werten 57Fe, 27Al, 71 Ga, 75As, 133Cs, 77Se und 59Co assoziiert. Codonopsis Radix-Proben mit negativen PC1-Werten deuteten auf einen geringeren Gehalt dieser Elemente hin. Andererseits waren 88Sr, 23Na, 61Ni und 53Cr die Hauptvariablen von PC2. Eine positive Bewertung entsprach einem höheren Gehalt an 88Sr und 23Na und negative Bewertungen deuteten auf einen höheren Gehalt an 61Ni und 53Cr hin.

Verwendung der Pearson-Korrelation als Ähnlichkeitsmaß, kombiniert mit hierarchischem Clustering, um eine Heatmap zu erstellen. Innerhalb der Elemente 27Al, 57Fe, 51 V, 59Co, 75As, 71 Ga und 77Se wurden starke Korrelationen beobachtet, was darauf hindeutet, dass die jeweiligen Gehaltsprofile ziemlich ähnlich waren (siehe ergänzende Abbildung S2 online). Um die Generierung übermäßiger Daten zu vermeiden, wurde die Heatmap neu berechnet und enthielt nur eines der stark verwandten Elemente. Wie in Abb. 2 dargestellt, zeigte das horizontale Baumdiagramm der Proben von Codonopsis Radix eine vollständig getrennte Gruppe von Proben aus dem Kreis Wen. Proben aus anderen Landkreisen bildeten keine getrennten Cluster. Aus den Inhaltsprofilen konnten Hinweise auf Schlüsselelemente im Zusammenhang mit der Provenienzdifferenzierung extrahiert werden. Es weist nicht nur einen hohen Gehalt an essentiellen Elementen wie 44Ca, 24 Mg, 39 K auf, sondern auch toxische Elemente wie 208Pb und 114Cd für die Codonopsis Radix-Proben aus dem Kreis Wen.

Cluster-Heatmap, die die Elementkonzentrationen in Codonopsis Radix-Proben zeigt. Die Farbskala zeigt den Konzentrationsbereich von niedrig (blau) bis hoch (rot) an.

Um die Codonopsis Radix-Proben nach ihrer geografischen Herkunft zu kategorisieren, wurde eine schrittweise LDA durchgeführt. Im ersten Schritt wurde der gesamte Datensatz untersucht, um die Codonopsis Radix-Proben weit zu trennen. Wie in Abb. 3a dargestellt, erklärten die ersten beiden kanonischen Diskriminanzfunktionen (DFs) 64,74 % der Varianz. Die aufgezeichneten Daten zeigten, dass Codonopsis Radix-Proben aus dem Kreis Wen eine eigenständige Gruppe bildeten. Während Proben aus den Landkreisen Lintao, Weiyuan, Longxi, Min, Zhang und Tanchang mit undeutlicher Trennung geclustert waren. Um die Genauigkeit der Proben in der Nähe zu bestimmen, wurde der Elementgehalt dieser Landkreise separat aufgezeichnet. Wie in Abb. 3b gezeigt, wurden Codonopsis Radix-Proben aus den Landkreisen Min und Zhang offensichtlich getrennt. Allerdings häuften sich die Proben von Lintao, Weiyuan, Longxi und Tanchang. Bei weiterer Verfolgung dieses Ansatzes wurden Proben aus den Kreisen Lintao, Weiyuan, Longxi und Tanchang getrennt gruppiert, wobei die Trennung in Abb. 3c unklar war.

Streudiagramm der ersten beiden Diskriminanzfunktionen der linearen Diskriminanzanalyse von Codonopsis Radix-Proben nach ihrer geografischen Herkunft. (a) Daten aus allen Regionen, (b) Daten aus Lintao, Weiyuan, Longxi, Min, Zhang und Tanchang, (c) Daten aus Lintao, Weiyuan, Longxi und Tanchang.

Um eine prädiktive Klassifizierungsanalyse durchzuführen, wurde die Datenmatrix zufällig in einen Trainingssatz (70 % der Objekte der gesamten Datenmatrix) und einen Testsatz (30 %) aufgeteilt. Zur Berechnung des Klassifikators wurde ein Trainingssatz mit bekannter Klassenzugehörigkeit verwendet. Der Testsatz enthielt Objekte, die nicht im Training enthalten waren, und verfügte über eine bekannte Klassenzugehörigkeit, um das erstellte Modell zu überprüfen.

In dieser Arbeit wurden vier chemometrische Modelle, nämlich LDA, k-NN, SVM und RF, ausgewählt und getestet, um Codonopsis Radix-Proben nach ihrer geografischen Herkunft zu klassifizieren. Die LDA-, k-NN-, SVM- und RF-Methoden mussten einige Parameter optimieren, ein Modell erstellen und es dann als Vorhersagewerkzeug evaluieren. Jedes Modell wurde mithilfe einer k-fachen Kreuzvalidierung am Trainingssatz trainiert, um verschiedene Klassifikatoren zu erstellen. Dieser Vorgang wurde n-mal wiederholt, daher muss jede Teilmenge mindestens einmal getestet werden. In dieser Arbeit wird die Anzahl der Nachbarn k für k-NN ausgewählt; Anzahl der bei jeder Aufteilung ausgewerteten Variablen (mtry) und Anzahl der Bäume (ntree) für RF; und Straffaktor C und ε der ε-unempfindlichen Verlustfunktion für SVM wurden unter Verwendung einer zehnfachen Kreuzvalidierungstechnik berechnet, die fünfmal wiederholt wurde, wobei die maximale Genauigkeit ausgewählt wurde.

Sobald der beste Wert für jedes Modell ausgewählt wurde, werden die Sensitivität (Proben, die zu dieser Kategorie gehören und korrekt in diese Kategorie klassifiziert wurden), die Spezifität (Proben, die nicht zur modellierten Kategorie gehören und korrekt als nicht zur Probe gehörend klassifiziert) und die Die mittlere Genauigkeitsrate wurde für die Bewertung der mit chemometrischen Methoden erzielten Klassifizierung berücksichtigt. Die Ergebnisse, die die Leistung der verschiedenen Klassifizierungsmethoden angeben, sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Gemäß der Analyse von Tabelle 4 konnte festgestellt werden, dass die vier chemometrischen Methoden unterschiedliche Erfolgsgrade bei der Vorhersage von Testproben zeigten. Die Reihenfolge der erfolgreichen Erkennungsrate war wie folgt: RF > SVM > LDA > k-NN. RF zeigte die beste Leistung bei der Unterscheidung der Codonopsis Radix-Proben anhand ihrer geografischen Herkunft mit einer Gesamtkategorisierungsgenauigkeit von 78,79 %. Für Codonopsis Radix-Proben aus den Landkreisen Wen, Min, Zhang und Tanchang wurden hervorragende Ergebnisse mit 100 % genauen Vorhersagen erzielt. Allerdings konnte die Herkunft der Codonopsis Radix aus Weiyuan, Lintao und Longxi nicht genau vorhergesagt werden, was möglicherweise an der Nähe der drei Produktionsgebiete und ähnlichen natürlichen Bedingungen und Bodentypen liegt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Studie gewählte Elementaranalyse auf Basis von ICP-MS im Vergleich zu anderen Elementartechniken höhere Anschaffungs- und Wartungskosten verursacht. Andererseits ist die gleichzeitige Bestimmung mehrerer Elemente bei niedrigen Nachweisgrenzen möglich. Darüber hinaus ergab die ICP-MS-Untersuchung keine wesentlichen Nachteile hinsichtlich der Analysezeit oder der Kosten im Vergleich zu weiter etablierten Identifizierungsmethoden. Daher ist unsere auf ICP-MS in Kombination mit chemometrischer Analyse basierende Technologie ein leistungsstarkes Werkzeug für die ursprüngliche Rückverfolgbarkeit und Identifizierung medizinischer Materialien, was mit den in vielen Studien berichteten Ergebnissen übereinstimmt39,40,41. In der aktuellen Studie wurde die Differenzierung anhand der Elementzusammensetzung für Codonopsis Radix aus sieben Kreisen der Provinz Gansu als zuverlässig und zufriedenstellend befunden. Unter allen statistischen Tests erwies sich RF als der erfolgreichste zur Herkunftsdifferenzierung der analysierten Proben. Unsere Ergebnisse könnten eine neue Strategie für die Rückverfolgbarkeit der Herkunft chinesischer Kräutermedizin liefern. Es sollte betont werden, dass die 117 Codonopsis Radix-Proben dieser Studie alle zum optimalen Erntezeitpunkt geerntet wurden. Abgesehen davon, dass Proben aus dem Kreis Wen längere Wachstumsjahre aufwiesen, hatten die Proben aus den anderen sechs Produktionsgebieten die gleichen Wachstumsjahre. Zur weiteren Analyse müssen weitere Proben gesammelt werden, um zu untersuchen, ob die Wachstumsperiode und die Ernteperiode den Gehalt an Elementen in Codonopsis beeinflussen.

Insgesamt wurden 117 Codonopsis Radix-Proben aus sieben Landkreisen der Provinz Gansu (China) gesammelt: Lintao (35,39 N, 103,88 E), Weiyuan (35,17 N, 104,19 E), Longxi (34,98 N, 104,61 E), Zhang (34,87 N). , 104,48E), Min (34,41 N, 104,04E), Tanchang (34,06 N, 104,38E), Wen (32,95 N, 104,70E) während der Erntesaison 2019 (Abb. 4). Die Proben aus Lintao, Weiyuan, Longxi, Zhang, Min und Tanchang wurden als Codonopsis pilosula (Franch.) Nannf identifiziert. Die Proben aus Wen wurden als Codonopsis pilosula Nannf.var identifiziert. modesta (Nannf.) LT Shen. Die Codonopsis Radix-Proben wurden alle von Herrn Xicang Yang von der Abteilung für Pharmazie des angegliederten Krankenhauses der Gansu-Universität für Chinesische Medizin identifiziert. Alle Proben wurden dem gleichen Prozess des Reibens, Schwitzens und Trocknens unterzogen, um getrocknetes Codonopsis Radix zu erhalten. Die Experimente in dieser Studie wurden gemäß den einschlägigen Richtlinien und Vorschriften des Landwirtschaftsministeriums der Volksrepublik China durchgeführt.

Geografische Standorte und Anzahl der in dieser Arbeit untersuchten Codonopsis Radix (erstellt von RB in ArcGIS Pro, https://www.esri.com/zh-cn/arcgis/products/arcgis-pro/resources).

Zum Aufschluss der Proben wurde hochreine Salpetersäure (65 %) der Firma Merck (Darmstadt, Deutschland) verwendet. Reinstwasser (18,2 MΩ·cm spezifischer Widerstand bei 25 °C) wurde aus einem Wasseraufbereitungssystem Milli Q (Millipore, Deutschland) erhalten. Zertifizierte Multielement-Standardlösungen (39 K, 24 Mg, 44Ca, 27Al, 137Ba, 57Fe, 23Na, 88Sr, 55Mn, 66Zn, 65Cu, 85Rb, 61Ni, 53Cr, 51 V, 7Li, 208Pb, 59Co, 75As, 133Cs, 71 Ga, 77Se, 205Tl, 114Cd, 238U, 107Ag, 4Be) wurde von Inorganic Ventures (USA) gekauft. Die monoelementare Standardlösung Quecksilber (202Hg) wurde vom Institute of Metrology, China, bezogen.

Der getrocknete Codonopsis Radix (Wassergehalt ≤ 16,0 %) wurde 2 Stunden lang in einem Ofen bei 60 °C gebacken, mit einer Pulverisiermaschine gemahlen und in den Plastiktüten aufbewahrt. Etwa 300 mg der Proben wurden genau in ein PTFE-Aufschlussgefäß eingewogen. 3 ml konzentriertes HNO3 und 1 ml konzentriertes H2O wurden in das Gefäß gegeben und etwa 20 Minuten gewartet, bevor das Gefäß geschlossen wurde. Der Aufschluss von Codonopsis Radix wurde mit dem mikrowellenunterstützten Aufschlusssystem MARS (CEM, Vereinigtes Königreich) durchgeführt. Das Aufschlussverfahren war wie folgt: (1) 900 W bei 110 °C für 10 Minuten; (2)1200 W bei 200℃ für 16 Minuten; (3) 1200 W bei 240℃ für 25 Minuten; (4) 0 W für 40 Minuten zum Abkühlen. Nach dem Abkühlen den Inhalt der Röhrchen in einen Messkolben überführen und mit doppelt destilliertem Wasser auf 50 ml auffüllen. Blindversuche (n = 3) wurden auf die gleiche Weise durchgeführt.

Die ICP-MS-Analyse wurde auf einem Agilent 7900-Gerät (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA) durchgeführt. 28 Elemente (39 K, 24 Mg, 44 Ca, 27 Al, 137 Ba, 57 Fe, 23 Na, 88 Sr, 55 Mn, 66 Zn, 65 Cu, 85 Rb, 61 Ni, 53 Cr, 51 V, 7 Li, 208 Pb, 59 Co, 75 As, 133 Cs, 71 Ga, 7 7Se , 205Tl, 114Cd, 238U, 107Ag, 202Hg und 9Be) bestimmt. Die Frequenzleistung betrug 1300 W. Die Kollisions-, Träger- und Plasmagasdurchflussrate betrugen jeweils 5,00, 1,17 und 15,00 L/min. Die Sprühkammertemperatur betrug 2 °C. Die Kollisionszelle wurde mit einer Heliumflussrate von 5,5 ml/min betrieben, um polyatomare Interferenzen auszuscheiden. 209Bi, 115In, 103Rh, 72Ge und 45Sc wurden als interne Standards zur Korrektur von Matrixeffekten und Instrumentendrift verwendet.

Zunächst wurde die Konzentration aller Elemente mit LOD und LOQ verglichen. 4Be wurde nicht in allen Proben nachgewiesen. Es wurde festgestellt, dass die 107Ag-Konzentration einen Wert aufwies, der unter dem LOD lag, was bedeutete, dass in einigen Codonopsis Radix-Proben kein 107Ag nachweisbar war. Um Schwierigkeiten bei der Anwendung der logarithmischen Funktion zu vermeiden, wurde die Konzentration des 107Ag-Elements unterhalb der LOD auf den LOD-Wert statt auf Null gesetzt.

Drei Kopien aller Proben wurden gemittelt und der Logarithmus des durchschnittlichen Gehalts der Elemente zur Basis 10 (log10) wurde für die Datenanalyse verwendet. Die Datenmatrix bestand aus 27 Spalten (Be wurde nicht nachgewiesen) und 117 Zeilen für die chemometrische Analyse. Die Spalten stellten den Inhalt der Elemente dar und die Zeilen entsprachen jeder Probe. Die Varianzanalyse (ANOVA) wurde verwendet, um die Unterschiede im Elementgehalt der Proben zu vergleichen, wobei p < 0,05 das Signifikanzniveau darstellte. Zur Reduzierung der Dimensionalität und zur Visualisierung des Datensatzes wurde eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) durchgeführt. Basierend auf der Pearson-Korrelation wurde eine hierarchische Clusteranalyse (HCA) durchgeführt, um Merkmalsähnlichkeiten im Datensatz zu erkennen.

Vier chemometrische Methoden wurden durchgeführt, um verschiedene Modelle zur Klassifizierung von in den Provinzen Gansu angebauten Codonopsis Radix nach ihrer Herkunft zu bewerten: lineare Diskriminanzanalyse (LDA), k-Nearest Neighbor (k-NN), Support Vector Machine (SVM) und Random Forest (RF). LDA ist eine Klassifizierungsmethode, die darauf abzielt, das Verhältnis der Varianz zwischen Klassen zur Varianz innerhalb der Klasse zu maximieren, um eine maximale Trennbarkeit zu erreichen. Die von LDA erstellte Entscheidungsgrenze wird als Diskriminanzfunktion bezeichnet und ist eine lineare Kombination der Variablen, die Kategorien am besten unterscheiden können42. k-NN ist eine Klassifizierungstechnik, die den euklidischen Abstand verwendet, um die k Proben (Nachbarn) zu berechnen, die der Testprobe im Merkmalsraum am nächsten liegen, und dann ihre Kategoriebezeichnung auf die am häufigsten vorkommende Kategoriebezeichnung festzulegen Nachbarn gefunden43. SVM ist eine leistungsstarke Methode zum Erstellen von Klassifikatoren. Ziel ist es, eine Entscheidungsgrenze zwischen zwei Klassen zu schaffen, sodass Beschriftungen auf der Grundlage eines oder mehrerer Merkmalsvektoren vorhergesagt werden können44. RF besteht aus einer großen Anzahl einzelner Entscheidungsbäume, die als Ensemble fungieren. Jeder einzelne Baum im Zufallswald gibt eine Klassenvorhersage aus und die Klasse mit den meisten Stimmen wird zur Vorhersage des Modells45. Alle grundlegenden statistischen und multivariaten Analysen wurden mit der R-Softwareversion R 3.6.3 durchgeführt.

Das Elementzusammensetzungsprofil wurde zum ersten Mal im Detail für Makro-, Mikro- und Spurenelemente in den Codonopsis Radix-Proben aus sieben Kreisen der Provinz Gansu untersucht. Unter den Makroelementen hatte 39 K den höchsten und 23Na den niedrigsten Gehalt. Unter den Mikroelementen wurde festgestellt, dass die Gehaltsreihenfolge 88Sr > 55Mn > 66Zn > 85Rb > 65Cu ist. Unter den Spurenelementen wiesen 53Cr und 61Ni einen höheren Gehalt auf. Die Gehalte an toxischen Spurenelementen 208Pb, 75As und 202Hg lagen in allen Proben unter dem zulässigen Grenzwert. Und auch 114Cd lag mit Ausnahme der vier Proben aus den Landkreisen Wenxian unter dem zulässigen Grenzwert. Statistische Analysen der Daten mittels RF haben die Codonopsis Radix-Proben aus den Produktionsgebieten Wenxian, Minxian, Zhangxian, Tanchang und Weiyuan (oder Lintao oder Longxi) erfolgreich klassifiziert. Die optimalen Parameter dieses Modells sind vorzugsweise ntree = 1000 und mtry = 16.

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Diese Arbeit wurde vom National Key Research and Development Program of China (2018YFC1706300, 2018YFC17063003), den Major Projects in Gansu Province (21ZD4FA013), dem People's Livelihood Special Project des Technical Innovation Guide Plan of Gansu Province (20CX4FK014) und der Talent Innovation unterstützt und Unternehmertumsprojekt von Lanzhou (2017-RC115, 2020-RC-41).

School of Pharmacy am State Key Laboratory of Applied Organic Chemistry (SKLAOC), Lanzhou University, Lanzhou, 730000, China

Ruibin Bai, Yanping Wang, Jingmin Fan, Jingjing Zhang, Wen Li und Fangdi Hu

Nationales technisches Forschungszentrum für gelatinebasierte traditionelle chinesische Medizin, Dong-EE-Jiao Co., Ltd., Liaocheng, 252052, China

Yan Zhang

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Alle Autoren haben zur Konzeption und Gestaltung der Studie beigetragen. RB: Konzeptualisierung; Datenkuration; Methodik; Schreiben – Originalentwurf; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. YW: Untersuchung; Formale Analyse; Schreiben – Originalentwurf. JF: Untersuchung; Ressourcen. YZ: Aufsicht; Ressourcen. JZ: Methodik; Software. WL: Ressourcen. FH: Fördermittelakquise; Projektverwaltung; Ressourcen; Formale Analyse; Konzeptualisierung; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Fangdi Hu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 03. Dezember 2021

Angenommen: 04. Mai 2022

Veröffentlicht: 20. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12556-z

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