朱華東 陳永雷 陳宏麗 陳興國(guó)
摘 要 建立了在線測(cè)定秦皮甲素和秦皮乙素水解反應(yīng)速率常數(shù)的掃集流動(dòng)注射膠束電動(dòng)色譜新方法。該方法進(jìn)樣頻率為12次/h,可在5 min內(nèi)完全分離反應(yīng)體系中的所有組分,30 min即可完成一個(gè)溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)測(cè)定。由于該在線測(cè)定方法不需要終止水解反應(yīng),通過(guò)一次連續(xù)進(jìn)樣分析得到水解反應(yīng)過(guò)程電泳譜圖,從而可以獲得水解反應(yīng)過(guò)程中的一些信息。在最佳條件時(shí),用0.1 mol/L KOH為催化劑,測(cè)得25, 30, 35, 40和45℃時(shí)秦皮甲素的水解反應(yīng)速率常數(shù)分別為3.65×10
1 引 言
秦皮作為一種常用的中藥,已經(jīng)有2000多年的歷史,對(duì)治療腹瀉、痢疾、咳嗽和一些婦科疾病有很好的療效,并且有一定的防癌作用[1,2]。秦皮甲素(Aesculin)和秦皮乙素(Aesculetin)是秦皮的兩種主要有效成分,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。藥理實(shí)驗(yàn)表明,秦皮甲素可以延長(zhǎng)環(huán)己烯巴比妥對(duì)小鼠的催眠作用,而秦皮乙素則沒(méi)有此作用;秦皮甲素也不具有秦皮乙素的抗組胺作用以及放松對(duì)豚鼠離體氣管平滑肌的作用。由于它們?cè)诔睗竦沫h(huán)境中性質(zhì)不穩(wěn)定,因此建立一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠的研究秦皮甲素和秦皮乙素的水解方法對(duì)此類(lèi)藥物的質(zhì)量和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要意義。
毛細(xì)管電泳(Capillary electrophoresis, CE)由于具有所需樣品量小、分析時(shí)間短和分離效率高的優(yōu)點(diǎn)而適用于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定[3~10]。Zhang等[7]利用離線CE方法測(cè)定了秦皮甲素堿性水解反應(yīng)速率常數(shù)和活化能。該方法雖然可行,但存在檢測(cè)反應(yīng)液中目標(biāo)化合物需先用磷酸溶液終止反應(yīng)、每次實(shí)驗(yàn)只能得到所需要測(cè)定的動(dòng)力學(xué)參數(shù)中的一個(gè)點(diǎn)等缺點(diǎn)。在測(cè)定速率常數(shù)時(shí),至少需要對(duì)反應(yīng)過(guò)程中5個(gè)不同反應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的反應(yīng)液進(jìn)行分析。若欲測(cè)定不同溫度、pH值、離子強(qiáng)度、溶劑等條件下的動(dòng)力學(xué)參數(shù),可能需要幾十甚至上百次實(shí)
圖1 秦皮甲素和秦皮乙素的化學(xué)結(jié)構(gòu)式
Fig.1 Chemical structure of aesculin and aesculetin
驗(yàn),這給反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究帶來(lái)了極大不便。離線分析表明秦皮甲素水解生成秦皮乙素和葡萄糖。從這一結(jié)果看,秦皮甲素的內(nèi)酯鍵在堿性條件下似乎是穩(wěn)定的。然而,Chen等[11]的研究表明,烯醇式和內(nèi)酯結(jié)構(gòu)很容易在堿性條件下解離。此外,Dodge[12]指出,香豆素的堿性水解和其內(nèi)酯形成是一個(gè)可逆過(guò)程,當(dāng)堿過(guò)量時(shí),水解完全。但是,過(guò)量的堿一旦被中和,則開(kāi)始進(jìn)行逆水解過(guò)程,即開(kāi)始形成香豆素,直到達(dá)到平衡點(diǎn)。很明顯離線分析只給出了水解反應(yīng)終止后的秦皮甲素水解反應(yīng)在平衡狀態(tài)的信息,而無(wú)法獲得亞穩(wěn)狀態(tài)的一些信息。而這些信息對(duì)研究秦皮甲素類(lèi)藥物的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)的各個(gè)過(guò)程可能是非常重要的。迄今為止,測(cè)定秦皮乙素水解反應(yīng)速率常數(shù)的工作尚未見(jiàn)報(bào)道。由此可知,有必要建立在線研究秦皮甲素和秦皮乙素水解反應(yīng)的新方法。
自從1997年Kubán[ 13]和Fang[14]等分別建立了流動(dòng)注射毛細(xì)管電泳(FIchip CE)技術(shù)以來(lái),F(xiàn)Ichip CE已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種分析領(lǐng)域[15~24], 并在此基礎(chǔ)上形成了流動(dòng)注射芯片毛細(xì)管電泳(FIchip CE)。由于具有高樣品吞吐量和連續(xù)進(jìn)樣等優(yōu)點(diǎn),F(xiàn)Ichip CE非常適用于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。然而,迄今為止,該技術(shù)很少用于水解動(dòng)力學(xué)研究中。
鑒于此,本研究建立了一種簡(jiǎn)單快速的在線測(cè)定水解反應(yīng)速率常數(shù)的掃集流動(dòng)注射毛細(xì)管膠束電動(dòng)色譜(SweepingFIchip MEKC)方法, 并將其用于測(cè)定秦皮甲素和秦皮乙素的水解反應(yīng)速率常數(shù)。
2 實(shí)驗(yàn)部分
2.1 試劑
秦皮甲素和秦皮乙素均購(gòu)于中國(guó)藥品生物制品檢定所。十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、Na2B4O7、KH2PO4、HCl、KOH和乙腈(ACN)購(gòu)于天津第二試劑廠。所有試劑均為分析純。所用水均為蒸餾水。
2.2 FIchip CE系統(tǒng)
用于在線研究秦皮甲素和秦皮乙素水解反應(yīng)的裝置由K1000 FIA型流動(dòng)注射分析儀(HITACHI,日本)、H通道微芯片聯(lián)用接口和HPE100型電泳儀(BioRad 公司,美國(guó))組成,整個(gè)裝置如圖2所示。用一根33 cm的PTFE (0.5 mm I.D.)泵管連接FI的進(jìn)樣閥和分流接口。通過(guò)FI的蠕動(dòng)泵流路將緩沖溶液或水輸送到位于試劑環(huán)兩邊的兩個(gè)20 μL的試劑環(huán)中,將樣品溶液輸送位于中間的樣品環(huán)中。采用手動(dòng)進(jìn)樣模式。用恒溫水浴控制水解反應(yīng)溫度,用磁力攪拌器混合反應(yīng)物,置于恒溫水浴中的10 mL燒瓶作為反應(yīng)器與輸送載流溶液(即運(yùn)行緩沖溶液)的柱塞泵相連接。用有效長(zhǎng)度為22.0 cm (總長(zhǎng)25.0 cm)、內(nèi)徑75 μm的熔融石英毛細(xì)管作為分離通道(河北永年光導(dǎo)纖維廠)。檢測(cè)波長(zhǎng)為334 nm。用Chroma 軟件(BioRad 公司,美國(guó))采集處理電泳數(shù)據(jù)。
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2.3 樣品和試劑制備
用10%甲醇配制秦皮甲素(1.00 mmol/L)和秦皮乙素(0.80 mmol/L)儲(chǔ)備溶液,保存于4℃冰箱內(nèi)備用。用10%甲醇稀釋上述儲(chǔ)備液, 得到濃度分別為0.10, 0.20, 0.30, 0.40, 0.50, 0.60, 0.70, 0.80, 0.90和1.00 mmol/L秦皮甲素標(biāo)準(zhǔn)溶液和0.10, 0.20, 0.30, 0.40, 0.50, 0.60, 0.70和0.80 mmol/L秦皮乙素標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別配制0.1 mol/L Na2B4O7、0.2 mol/L KH2PO4、0.04 mol/L CTAB和0.2 mol/L SDS儲(chǔ)備溶液。分離緩沖溶液為5 mmol/L Na2B4O710 mmol/L KH2PO42.0 mmol/L CTAB5% ACN (pH 6.0)和10 mmol/L Na2B4O720 mmol/L KH2PO45.0 mmol/L SDS (pH 6.0)。所有溶液均用0.45 μm濾膜(上海新亞凈化器件廠)過(guò)濾。
2.4 實(shí)驗(yàn)操作步驟
2.4.1 FI和CE操作步驟 采用16通自動(dòng)進(jìn)樣閥完成FI充樣(Loading)和注樣(Injecting),具體操作參見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。
為保證良好的重現(xiàn)性,每天運(yùn)行前分別用水、0.1 mol/L NaOH、水、緩沖溶液依次沖洗毛細(xì)管5 min。兩次運(yùn)行之間毛細(xì)管依次用水(2 min)、0.1 mol/L NaOH (3 min)、水(2 min)、緩沖溶液(3 min)沖洗。
2.4.2 水解反應(yīng)速率常數(shù)測(cè)定步驟 先將恒溫水浴調(diào)節(jié)到水解所需的溫度(分別為25, 30, 35, 40和45℃)。再將1.0 mL 1.00 mmol/L秦皮甲素溶液和1.0 mL 0.2 mol/L KOH溶液分別在恒溫水浴中預(yù)熱至相應(yīng)溫度并恒溫15 min。然后將這兩種溶液用磁力攪拌器快速混合,同時(shí),取反應(yīng)混合溶液進(jìn)樣并計(jì)時(shí),進(jìn)行分離、測(cè)定。此后每隔5 min進(jìn)樣一次并進(jìn)行分離測(cè)定。然后按同樣步驟分別在15, 20, 25, 30和35℃時(shí)測(cè)定秦皮乙素的水解反應(yīng)速率常數(shù)。
3 結(jié)果與討論
3.1 CE條件優(yōu)化
為了依據(jù)FIchip CE體系測(cè)得的數(shù)據(jù)研究秦皮甲素和秦皮乙素的水解速率常數(shù),就必須要求CE能將二者的水解產(chǎn)物與共存物質(zhì)完全分離。為此,必須對(duì)CE條件進(jìn)行優(yōu)化。
本實(shí)驗(yàn)先用5 mmol/L Na2B4O710 mmol/L KH2PO4 (pH 6.0)作緩沖溶液[7]。結(jié)果表明,在此條件下只能得到兩個(gè)“矮胖”峰(電泳圖未給出)。其原因是樣品溶液中含有0.1 mol/L KOH,其電導(dǎo)率比緩沖溶液高得多,發(fā)生了去堆積效應(yīng)。該效應(yīng)可以通過(guò)在緩沖溶液中加入CTAB以形成膠束電動(dòng)色譜來(lái)消除[25]。實(shí)驗(yàn)考察了CTAB濃度在1.0~5.0 mmol/L范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)峰高和峰形的影響。結(jié)果表明,當(dāng)其濃度為2.0 mmol/L時(shí),峰形和峰高最好。為了進(jìn)一步改善分離效率,實(shí)驗(yàn)還考察了乙腈作添加劑的可行性和其濃度的影響。結(jié)果表明,用乙腈作添加劑可有效提高分離效率,且當(dāng)乙腈濃度為5%時(shí),峰形最好。
FIchip CE的最大采樣頻率取決于水解反應(yīng)時(shí)間和CE的分離速度,短的分離時(shí)間和高樣品吞吐量將有利于快速動(dòng)力學(xué)研究。為此,實(shí)驗(yàn)考察了電壓對(duì)分離時(shí)間和采樣頻率的影響。結(jié)果表明,雖然使用高電壓會(huì)提高分離速度、縮短分離時(shí)間,但同時(shí)會(huì)增加基線噪聲,使檢出限變高。當(dāng)電壓為
Symbolm@@ 6.0 kV時(shí)(CTAB使EOF逆轉(zhuǎn),需要采用負(fù)高壓),秦皮甲素和其水解產(chǎn)物在5 min內(nèi)可得到完全分離,但是當(dāng)電壓大于
Symbolm@@ 6.5 kV時(shí),秦皮甲素和其水解產(chǎn)物的峰發(fā)生部分重疊。所以用
Symbolm@@ 6.0 kV作為最佳電壓。
在研究秦皮乙素的水解反應(yīng)時(shí),仍先用5 mmol/L Na2B4O710 mmol/L KH2PO4 (pH 6.0)作緩沖溶液,結(jié)果表明在此條件無(wú)法將目標(biāo)分析物分離。隨后采用10 mmol/L Na2B4O720 mmol/L KH2PO4 (pH 6.0)為緩沖溶液,此時(shí),采用文獻(xiàn)[7]中使用的0.4 mmol/L的初始反應(yīng)物濃度時(shí),秦皮乙素的峰高為2.1 mAU,水解10 min后幾乎檢測(cè)不到秦皮乙素的峰。這是由于使用紫外檢測(cè)器的FIchip CE低靈敏度導(dǎo)致的。為解決這一問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)采用在線“掃集”技術(shù)[25~29],即建立了在線掃集流動(dòng)注射芯片膠束電動(dòng)色譜(SweepingFIchip MEKC)體系。具體步驟如下,用100 μL的樣品環(huán)和1.0 mL/min的流速增加進(jìn)樣體積,在緩沖溶液中加入SDS形成膠束并實(shí)現(xiàn)MEKC分離。由于樣品溶液中不含SDS,施加電壓后SDS膠束將樣品區(qū)帶掃集到一個(gè)狹窄的區(qū)帶,從而達(dá)到富集效果。實(shí)驗(yàn)考查了SDS濃度在5~30 mmol/L范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)靈敏度的影響,結(jié)果表明,SDS的濃度為10 mmol/L時(shí)靈敏度最高。在此條件下,0.4 mmol/L秦皮乙素的峰高為22.5 mAU,靈敏度提高了10.7倍。因此,選擇10 mmol/L Na2B4O720 mmol/L KH2PO410 mmol/L SDS (pH 6.0)作為運(yùn)行緩沖溶液。當(dāng)電壓為6.5 kV時(shí),秦皮乙素和其水解產(chǎn)物在5 min內(nèi)可很好地分離。當(dāng)電壓大于6.5 kV時(shí),基線噪聲變差,分離度明顯下降。因此選擇6.5 kV作為最佳分離電壓。
3.2 在線SweepingFIchip MEKC方法的性能
為了準(zhǔn)確測(cè)定秦皮甲素和秦皮乙素水解反應(yīng)速率常數(shù),要求用于定量分析二者濃度的方法必須具有高準(zhǔn)確度和精密度。為此,我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)本文所建立的在線SweepingFIchip MEKC方法的性能進(jìn)行了考察。在最優(yōu)條件下,以每5 min進(jìn)一次樣(12次/h)的頻率連續(xù)進(jìn)樣、分離和測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)表1和表2。由表可見(jiàn),各個(gè)水解反應(yīng)條件下的反應(yīng)物的峰面積或峰高與其濃度的回歸方程的線性相關(guān)系數(shù)均大于0.997,而且秦皮甲素和秦皮乙素兩者的峰面積相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.4%和1.1%, 峰高相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.2%和0.9%, 遷移時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.4%和0.6%。結(jié)果表明,本方法可以準(zhǔn)確測(cè)定秦皮甲素和秦皮乙素的濃度。
上述結(jié)果表明,所建立的方法靈敏度高、重現(xiàn)性好,完全滿足在線研究秦皮甲素和秦皮乙素水解動(dòng)力學(xué)的要求。
3.3 秦皮甲素水解速率常數(shù)的在線測(cè)定
秦皮甲素在30℃時(shí)水解反應(yīng)后所得溶液的電泳譜圖如圖3所示。在秦皮甲素峰的前面有3個(gè)未知化合物峰。隨水解時(shí)間的增加,其中一個(gè)峰的峰高變化不規(guī)則,另外兩峰的峰高增加,同時(shí)秦皮甲素的峰降低。這些現(xiàn)象表明,3個(gè)未知化合物是秦皮甲素的水解產(chǎn)物或水解中間體。有趣的是,這個(gè)結(jié)果與以往離線用磷酸溶液終止秦皮甲素水解反應(yīng)后測(cè)定其動(dòng)力學(xué)參數(shù)的結(jié)果不同[11]。這是因?yàn)殡x線測(cè)定給出的是秦皮甲素水解平衡狀態(tài)的信息,而用SweepingFIchip MEKC在線測(cè)定時(shí),秦皮甲素在堿過(guò)量條件下進(jìn)行水解,如前所述,當(dāng)堿過(guò)量時(shí),香豆素結(jié)構(gòu)中的內(nèi)酯結(jié)構(gòu)很容易解離,水解進(jìn)行完全,過(guò)量的堿一旦被中和(用磷酸溶液終止水解反應(yīng)),則將重新形成內(nèi)酯結(jié)構(gòu),直到達(dá)到平衡點(diǎn),這說(shuō)明在線測(cè)定給出的是秦皮甲素水解過(guò)程中的信息。
1, 秦皮甲素; 2~4, 秦皮甲素的水解產(chǎn)物。
Conditions are the same as in Table 1. 1, aesculin; 2-4, the aesculin hydrolyzates
在上述條件下也測(cè)定了秦皮甲素在25℃, 35℃, 40℃及45℃的水解速率常數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,水解速率隨溫度的升高迅速增大。25℃時(shí),秦皮甲素在2 h內(nèi)水解完全,當(dāng)溫度升高到45℃時(shí),水解時(shí)間縮短為0.5 h。
秦皮甲素在一定的反應(yīng)時(shí)間(t)的瞬時(shí)濃度(c)通過(guò)如下方法獲得:準(zhǔn)確地記錄從反應(yīng)開(kāi)始到每次注射時(shí)間t,而使用校準(zhǔn)曲線計(jì)算得到c。以logc對(duì)t作圖在各個(gè)溫度下均得到一條直線,說(shuō)明秦皮甲素水解類(lèi)似一級(jí)反應(yīng)。由于水在水解過(guò)程中是大量的,其濃度可認(rèn)為是常數(shù)。因此,水解速率常數(shù)k可以用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(1)計(jì)算:
3.4 秦皮乙素水解速率常數(shù)的在線測(cè)定
當(dāng)用同樣的方法測(cè)定秦皮乙素水解速率常數(shù)時(shí)的電泳譜圖見(jiàn)圖4。由圖可見(jiàn),由于KOH濃度很大(0.1 mol/L),導(dǎo)致秦皮乙素劇烈水解,25℃時(shí)水解30 min即反應(yīng)完全。要測(cè)定秦皮乙素水解速率常數(shù),至少需要5次精確進(jìn)樣分析,實(shí)驗(yàn)中FIchip CE的采樣頻率為12次/h,25℃時(shí)勉強(qiáng)可以通過(guò)5次進(jìn)樣測(cè)定秦皮乙素水解反應(yīng)速率常數(shù),而在30℃, 35℃, 40℃和45℃時(shí)則無(wú)法測(cè)定。考慮到秦皮乙素類(lèi)藥物一般在室溫和酸堿性溫和的條件下生產(chǎn)或存放,因此測(cè)定了1535℃、10 mmol/L KOH條件下秦皮乙素水解反應(yīng)速率常數(shù)。結(jié)果見(jiàn)表4。由Arrhenius方程計(jì)算的活化能為31.55 kJ/mol。
4 結(jié) 論
建立了在線測(cè)定秦皮甲素和秦皮乙素水解速率常數(shù)的sweeptingFIchip MEKC的方法。本方法不需要終止反應(yīng),30 min內(nèi)可以測(cè)定至少5個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),滿足了測(cè)定水解反應(yīng)速率常數(shù)對(duì)分析速度的要求。與傳統(tǒng)的離線測(cè)定化學(xué)反應(yīng)常數(shù)的方法相比,本方法簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確。
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