质谱技术(四)在中药成分与质量控制中的应用
中药成分鉴定中药成分鉴定主要关注中药活性物质的发现及结构鉴定
其中,次级代谢产物如芳香类、生物碱、萜类、甾体类和长链脂肪族类成分等,往往是中药发挥其治疗作用的物质基础,因此,对中药次级代谢物的研究至关重要。但中药次级代谢产物研究存在已知物种类和数量有限,未知物浓度低,且分离、发现和鉴定困难等问题。
其中,次级代谢产物如芳香类、生物碱、萜类、甾体类和长链脂肪族类成分等,往往是中药发挥其治疗作用的物质基础,因此,对中药次级代谢物的研究至关重要。但中药次级代谢产物研究存在已知物种类和数量有限,未知物浓度低,且分离、发现和鉴定困难等问题。
(1)次级代谢物的定性分析: 质谱的高分辨率为定性的准确性提供了保障。FT - ICR 是目前为止质量准确度和分辨率最高的质谱仪,在蛋白组学、代谢组学等对复杂生物样品的分析研究中起到很大作用。Han 等比较了FT - ICR 直接进样法与液相色谱- FT - ICR 质谱联用法对中药苦碟子注射液中化学成分的发现和鉴定能力。两种方法可检测到包括酚酸、核苷、黄酮和倍半萜内酯等在内的42 种一致
的化合物,直接进样虽比液质联用分析少测出5 种成分,但其分析时间只需2 min,说明两种方法定性效果相当,但直接进样法有效缩短了分析时间,适用于中药成分的高通量、快速识别鉴定。Xu 等采用LC - QTOF 技术,发展了一种新的定性策略,对吴茱萸汤中的化合物进行了定性研究。采用先进的数据处理方法,经过质量精确筛选、质量缺失过滤、碎片过滤及干扰离子过滤,去除假阳性,使定
性结果更加准确可靠。35 min 内即可对23 种吴茱萸碱及其类似生物碱、12 种类柠檬苦素、17 种姜辣素、38 种人参皂苷、15 种黄酮、16 种有机酸、14 种生物碱和5 种皂角苷等168 种化合物进行定性。二维色谱- 质谱联用,适合于中药复杂次级代谢物的定性分析。全二维GC-MS 通过调制器将不同分离机制的两根气相色谱柱进行偶联,极大地增强了分析灵敏度、分辨率和峰容量,全二维气相色谱的族分离特性,有利于中药未知化合物的定性。如Qiu 等利用全二维气相色谱- 飞行时间质谱法鉴定出人参中36 种萜类化合物,建立了人参药材的萜类图谱。二维LC-MS 与一维LC-MS 相比,具有更强的分辨能力,Li 等发展了LCxLC - QTOF - MS 的方法,用于白花蛇舌草提取物中黄酮和环烯醚萜苷的分析,可实现黄酮醇苷、酰化黄酮醇苷和环烯醚萜苷及一些新的黄酮类化合物的准确鉴定。
(2) 次级代谢物的定量分析: 通过定量准确的三重四极杆质谱或者高分辨质谱等技术,可达到对有限数量中药次级代谢物的靶向分析,从而极大地提高了分析灵敏度和选择性,且抗干扰能力强,可对中药单一成分,某一类成分或者多种类成分进行准确定量。金石蚕苷为传统中药广东紫珠药材的主要活性成分,Qian 等首先采用10%三氯乙酸进行蛋白沉淀法对给药后大鼠血浆的金石蚕苷进行有效提取,再使用超高效液相色谱,以含0. 1% 甲酸的纯水溶液和乙腈作为流动相,Waters 公司的BEH C18色谱柱( 2. 1 mm × 100 mm,1. 7 μm) 进行分离,最后通过四极杆- 飞行时间质谱进行检测,建立了大鼠血浆中金石蚕苷的稳定、准确、快速的分析方法。结果显示,金石蚕苷的线性范围为50 ~ 10 000ng /mL,相关系数均大于0. 99,且日内和日间精密度均小于7. 97%,准确度范围为7. 00%~ 3. 36%。此方法为大鼠血浆中金石蚕苷的药代动力学研究提供了技术支撑。Nardin 等使用在线固相萃取前处理,利用高分辨Q - Orbitrap 质谱全扫描结合自动二级扫描方式,在140 000 分辨率的条件下,对中药提取物中的生物碱类化合物( 包括经过标准物质验证的35 种,通过质量数、保留规律及参考文献裂解规律进行确认的48 种生物碱,以及通过文献信息、精确质量数及同位素分布进行确认的250 种生物碱) 进行了靶向和非靶向定量分析。该方法准确稳定,生物碱类物质的回收率相对偏差为7. 4%,精密度均小于10%,且方法的线性范围宽,检出限为0. 04 ~ 10 μg /L,线性高浓度可达1000 /3000 μg /L,线性相关系数均达到0. 99 以上。Chang 等使用LC - QQQ,建立了73 个种类的次级代谢物,包括生物碱、蒽醌衍生物、香豆素类、香豆素衍生物、黄酮类、黄酮苷类、萘的衍生物、苯基丁酮吡喃葡萄糖苷、酚酸、紫檀烷、苯乙烯、二苯乙烯衍生物和单宁等多种类物质的定量方法,分析了中药配方制剂与其来源植物药之间化学成分的关系。
二、中药质量控制中药质量关乎其用药安全及药效的发挥
目前中药种植技术未实现标准化,并且生产加工过程缺乏相应的监管,造成中药质量参差不齐,亟需对其质量进行控制。中药质量控制涉及到中药成分分析、外源性污染物检测、生产过程控制和体内过程分析研究等方面。传统的质量控制方法,只对特定的一种或者几种药物活性物质本身或者前体进行定性定量分析,不能完整、全面地反映中药的质量特征。近年来,随着完整、系统性的中药质量控制需求,代谢指纹分析法及色谱-质谱联用技术在中药质量控制领域的应用更加广泛,质控技术包括了生物色谱、色谱- 质谱、光谱、DNA 技术及代谢指纹分析等。
目前中药种植技术未实现标准化,并且生产加工过程缺乏相应的监管,造成中药质量参差不齐,亟需对其质量进行控制。中药质量控制涉及到中药成分分析、外源性污染物检测、生产过程控制和体内过程分析研究等方面。传统的质量控制方法,只对特定的一种或者几种药物活性物质本身或者前体进行定性定量分析,不能完整、全面地反映中药的质量特征。近年来,随着完整、系统性的中药质量控制需求,代谢指纹分析法及色谱-质谱联用技术在中药质量控制领域的应用更加广泛,质控技术包括了生物色谱、色谱- 质谱、光谱、DNA 技术及代谢指纹分析等。
(1) 中药安全性控制: 中药无机元素的含量及分布与中药质量、分级和毒性密切相关。基于ICP-MS 检测中药的痕量及重金属元素,可用于中药的安全性检查。如硫磺熏蒸是一种传统的中药材养护方法,具有干燥、增白、防虫、防腐和防霉变等作用,在中药材及饮片的加工贮藏过程中应用普遍。但硫磺熏蒸后,中药材及饮片中会残留大量的二氧化硫,为保证安全性,有必要对二氧化硫的残留量进行检测。王晓伟等建立了基于ICP - MS /MS 技术测定中药中二氧化硫的方法,采用氧气作为反应气,提高了二氧化硫定量的选择性和灵敏度,方法准确,干扰小,检出限低且通量高,可对中药生产保存过程的硫磺熏蒸环节的硫元素滥用进行有效监督。此外,农残检测也是中药安全性分析及质量控制的重要方面。QuEChERS( Quick,Easy,Cheap,Effective,Rugged,Safe) 技术用于中药农残提取制备具有快速、方便、廉价、有效、耐用和安全的特点,如Palenikova 等使用QuEChERS 进行样品净化前处理,采用GC - MS 对银杏保健制品中的150 种农药进行了快速、准确分析测定。Nie 等使用QuEChERS 样品制备/气相色谱- 负化学电离串联质谱,同时测定了中药中107 种农药残留,负化学电离具有高灵敏度和高选择性,适合于具有吸电子基团的化合物的分离,而且背景干扰。
(2)不同产地来源的中药区分: ICP - MS 进行多种元素的同时测定后,结合化学计量学等统计学分析手段,可对中药的真伪、产地、品种和生产方式进行鉴别,以区分不同品种、不同产地、不同生产过程、不同来源及级别的中药。如Chen 等对四川和安徽产地的石菖蒲根茎中的40 种元素进行了ICP - MS 分析,通过偏最小二乘判别分析和t 检验筛选出了锌和钐两种元素,可以快速有效区分四
川和安徽两个产地的中药石菖蒲根茎样品。另外,Tang 等采用微波辅助提取,HPLC - ICP - MS 对不同产区金银花中的砷元素形态进行了分析,发现不同产地金银花中的砷形态分布有显著性差异,这种差异有望成为不同产地金银花的区分标志。
(3)中药质量分级: MALDI - TOF MS 作为一种软电离技术,广泛应用于中药活性成分识别、生物碱分析、中药复杂基质内小分子化合物的测定、蛋白组学分析及植物组织的直接分析等方面。Bai等建立了基于MALDI-TOF-质谱成像( Mass spectrometry imaging,MSI) 方法,通过简单的样品制备过程,对植物组织进行直接成像分析,可实现化合物的快速定位和定量,该研究通过人参软木组织的离子图像数据结合后续主成分分析( Principal components analysis,PCA) ,对生长2,4,6 年的人参进行了区分。
(4)中药真伪鉴别: 环境离子化质谱的进样和离子化过程均在开放的大气压环境中进行,且不需样品前处理,节省了费时的前处理步骤及处理成本,近年来被广泛用于植物成像。实时直接分析( Direct analysis in real time,DART) 是一种应用广泛的环境离子化技术,已经用于中药领域研究。如李乐乐等将DART 离子源与高分辨率Orbitrap 质谱联用,建立了一种用于黄芩药材快速定性定量的分析方法,该方法适用于复杂基质条件下对中药的指标性成分进行快速分析,方法准确、快速、简便且绿色,可为中药材、饮片以及中成药的分析和质量控制提供参考。CE - MS 适用于中药极性物质的分析。Liu 等采用CE - 纳升喷雾MS 建立了以生物碱为指标,用于黄连质量鉴别的研究方法,使用纳升多孔喷雾器,极大地提高了分析灵敏度,检出限可达到18 ~ 24 fg,比超高效液相色谱( UHPLC) - MS
的灵敏度高1 000 倍,且重复性好,信号稳定,CE - MS 有望成为中药质量鉴别的有效方法。Ning等采用HPLC - QQQ - MS,提出了比多组分单一标准( Single standard to determine multi - components,SSDMS) 更加优越的质量控制方法,定性出18 种活性皂苷成分,用于人参属植物的鉴别表征。Chen等采用LC - QTOF - MS,对肉桂皮、肉桂枝和肉桂心的代谢指纹进行了分析,通过8 个化合物的检出率结合主成分分析,区分了不同部位的肉桂样品,揭示了肉桂质量控制的化学基础。
(5)中药生产过程监控: 罗益远等[对何首乌炮制前后24 种无机元素进行了ICP - MS 分析,揭示了何首乌炮制前后10 种无机元素的不同变化规律,为该药材的质量控制及安全性评价提供了参考依据。Cai 等采用全二维气相色谱- 飞行时间质谱联用对非烟熏和硫磺熏蒸金银花的挥发性成分进行了分析,鉴定出包括呋喃、碱、酸、醛、酮、醇、萜类、酯类等73 个金银花有代表性的挥发油成分,该方法已成功地应用于金银花及其相关药材和制剂的快速准确质量评价中,同样的方法也可应用于白芷的质量评价。
(6)张俊杰课题组在中药质量控制方面也做了研究: Xing 等利用GC - MS 技术,结合多变量统计学分析,比较了柴胡生品及不同种类柴胡经醋炮制前后挥发性组分的差异,通过NIST05 检索匹配并结合文献定性,共指认了59 种成分,约占总成分的75%,结果表明柴胡用醋炮制后挥发油的含量显著降低,经不同种类醋炮制后其挥发油种类及含量也发生了不同的变化,为柴胡的生产过程及质量评定提供了一定依据。本草记载款冬花花蕾未开花时根据经验方可采收,但并未明确指出具体采收时期,导致市场上款冬花蕾质量参差不齐。薛水玉等采用基于GC - MS 的植物代谢组学技术,研究了不同生长发育阶段款冬花序芽,从化学角度阐明了其10 月、11 月和12 月的代谢组成相近,与3 月、9 月的化学组分差异显著,并指认了54 个代谢产物,为确定款冬花的适宜采收期奠定了基础。另外还对不同药用部位( 花蕾,叶子,花梗和根) 的款冬药材的代谢组分进行分析,发现与花蕾相比,花梗中所含的化学成分很少,而根和叶子中的化合物则较多。但由于指认的成分多为初级代谢产物,需借助其他技术手段( 如LC - MS) 对不同药用部位进行进一步评价。Li 等利用GC - MS 技术将中药黄芪的传统质量评价指标甜度归属到7 种甜味成分,确定了依据甜度评价黄芪的化学物质基础,并发现这些指标与传统评价指标黄芪甲苷、毛蕊异黄酮苷和多糖的含量等具有很强的正相关性。
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