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        超高效液相色譜-四級(jí)桿靜電場(chǎng)軌道阱質(zhì)譜法快速鑒定柴胡化學(xué)成分

        2022-09-06 03:41:30劉月程田振華
        化學(xué)分析計(jì)量 2022年8期
        關(guān)鍵詞:柴胡皂苷離子流分子離子

        劉月程,田振華

        (1.山東省中醫(yī)藥研究院,濟(jì)南 250014; 2.山東中醫(yī)藥大學(xué),實(shí)驗(yàn)中心,濟(jì)南 250355)

        柴胡始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》,是我國常用中藥材,具有和解表里、疏肝、升陽等功效,其性微寒、味苦[1]?!吨袊幍洹?020 年版將傘形科植物柴胡(又稱北柴胡)或狹葉柴胡(又稱南柴胡)收錄為正品柴胡入藥?,F(xiàn)代研究表明,柴胡主要含皂苷、有機(jī)酸、黃酮、揮發(fā)油及甾醇類,柴胡皂苷為柴胡的主要有效成分。郭敏娜等[2]利用高效液相色譜-四級(jí)桿-飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(HPLC-Q-TOF-MS)鑒定了柴胡中的21 種化合物。楊印軍等[3]利用UPLC-Q-TOF-MS 分析、比較了北柴胡、竹葉柴胡、藏柴胡和小葉黑柴胡化學(xué)成分。邢威等[4]應(yīng)用UPLC-Q-TOF-MS 法分析了柴胡-白芍藥對(duì)化學(xué)成分。超高效液相色譜-四級(jí)桿靜電場(chǎng)軌道阱質(zhì)譜(UPLC-Q-Exactive Orbitrap MS)具有靈敏度高、分辨率高、分離度高等優(yōu)點(diǎn),能夠準(zhǔn)確的鑒定藥材化學(xué)成分。前述研究對(duì)柴胡的化學(xué)成分進(jìn)行了初步分析,但確認(rèn)的成分?jǐn)?shù)量相對(duì)較少。筆者采用UPLC-Q-Exactive Orbitrap MS 對(duì)柴胡進(jìn)行分析,并推導(dǎo)出其中化合物的質(zhì)譜裂解規(guī)律,為柴胡的成分表征和質(zhì)量控制研究提供參考。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要儀器與試劑

        超高效液相色譜-四級(jí)桿-靜電場(chǎng)軌道阱質(zhì)譜儀:Thermo Fisher Ultimate 3000 型及Q Exactive 型,Xcalibur 3.0 工作站,美國賽默飛世爾科技公司。

        數(shù)控超聲清洗器:KQ-250E 型,昆山市超聲儀器有限公司。

        電子天平:CP225D 型,感量為0.01 mg,德國賽多利斯公司。

        粉碎機(jī):DFY-1000C 型,溫嶺市林大機(jī)械有限公司。

        綠原酸、阿魏酸、異鼠李素、芹菜素對(duì)照品:純度均不小于98%,批號(hào)分別為PS2049-0100MG、PS0258-0050MG、PS0845-0020MG、PS1300-0100MG,成都普思生物科技股份有限公司。

        甲醇:色譜純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。乙腈、甲酸:色譜純,美國賽默飛世爾科技公司。

        柴胡藥材樣品:批號(hào)為2112300202,產(chǎn)地為山西,亳州市滬譙藥業(yè)有限公司提供,經(jīng)山東中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心劉紅燕副教授鑒定為傘形科柴胡屬(Bupleuri Radix)的根。

        實(shí)驗(yàn)用水:蒸餾水,廣州屈臣氏食品飲料有限公司。

        1.2 溶液制備

        1.2.1 柴胡樣品溶液

        取柴胡藥材粉末約10 g,精密稱定,置于具塞三角瓶中,精密加入甲醇100 mL,以40 kHz 超聲20 min,放涼,用甲醇補(bǔ)足損失的質(zhì)量,過濾,取續(xù)濾液,用0.22 μm 微孔濾膜過濾,得柴胡樣品溶液。

        1.2.2 對(duì)照品溶液

        精密稱取綠原酸、阿魏酸、異鼠李素、芹菜素對(duì)照品適量,用甲醇溶解、定容,制得質(zhì)量濃度均為0.10 mg/mL 的單對(duì)照品溶液。

        1.3 儀器工作條件

        1.3.1 色譜儀

        色 譜 柱:ACQUITY UPLC?HSS T3 柱[100 mm×2.1 mm,1.8 μm,沃特世科技(上海)有限公司];流動(dòng)相:0.05%甲酸水溶液(A)-0.05%甲酸乙腈溶液(B),流量為0.3 mL/min,梯度洗脫;梯度洗脫程序:0~5 min 為0% B,5~40 min 為0%~100%B;柱溫:30 ℃;進(jìn)樣體積:3 μL。

        1.3.2 質(zhì)譜儀

        電噴霧離子源(ESI);正、負(fù)離子模式掃描;鞘氣流量:13.5 L/min;輔助氣流量:3 L/min;噴霧電壓:3.5 kV(+),3.0 kV(-);毛細(xì)管溫度:350 ℃;輔助器加熱溫度:350 ℃;S-lens RF level:55;掃描模式:Full MS/dd-MS2(Full MS 分辨率為70 000,dd-MS2分辨率為17 500);掃描范圍:80~1 200 Da;碰撞能:20、40、60 eV。

        1.4 化合物結(jié)構(gòu)鑒定

        按照1.3 儀器工作條件分析后,用Thermo Xcalibar 4.3 軟件的Qual Browser 模塊計(jì)算出精確質(zhì)量數(shù),根據(jù)實(shí)際測(cè)得的相對(duì)分子質(zhì)量與理論相對(duì)分子質(zhì)量二者偏差小于5 ×10-6的原則[5]及同位素豐度比、氮規(guī)律,用Qual Browser 軟件擬合分子式,通過二級(jí)碎片離子推測(cè)化合物結(jié)構(gòu),再依據(jù)對(duì)照品和相關(guān)參考文獻(xiàn)及碎片離子信息進(jìn)一步推斷待測(cè)化學(xué)成分結(jié)構(gòu),最后以美國賽默飛世爾科技有限公司的Mass Frontier 7.0 軟件的碎片離子匹配(Fragments and Mechanisms)功能對(duì)化合物進(jìn)行驗(yàn)證。部分同分異構(gòu)體采用ChemDraw 18.0 軟件(美國CambridgeSoft 公司)的ClogP值判斷極性大小,結(jié)合文獻(xiàn)推測(cè)保留時(shí)間先后,從而進(jìn)行有效區(qū)分[5]。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

        2.1.1 樣品處理

        分別選擇50%甲醇-水、70%甲醇-水、甲醇作為提取溶劑超聲提取樣品。通過對(duì)樣品質(zhì)譜數(shù)據(jù)的提取,發(fā)現(xiàn)與水、70%甲醇-水相比,甲醇提取樣品的總離子流圖中有效成分峰更多,響應(yīng)值較高。因此選擇甲醇作為提取溶劑。

        2.1.2 洗脫溶劑與洗脫梯度

        為促進(jìn)化學(xué)成分的電離,需在流動(dòng)相中加入適量甲酸,從而有助于提高離子響應(yīng)值[6]。分別選擇0.05%、0.1%、0.2%甲酸溶液作為溶劑,考察溶劑對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。結(jié)果表明,以上比例甲酸溶液對(duì)色譜峰形與響應(yīng)值沒有顯著影響,最終選擇0.05%甲酸溶液作為基礎(chǔ)流動(dòng)相,流動(dòng)相A 為0.05%甲酸水溶液,B 為0.05%甲酸乙腈溶液,分別選擇洗脫梯度為0~35 min、0%~100% B;35~40 min、100%B 進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)總離子流圖,發(fā)現(xiàn)在某些時(shí)間段內(nèi)色譜峰分離度較差,則適當(dāng)延長此段時(shí)間;在某些時(shí)間段內(nèi)出峰數(shù)量較少,則適當(dāng)縮短此段時(shí)間。最終優(yōu)化的流動(dòng)相洗脫梯度見1.3.1。

        2.1.3 碰撞能

        將碰撞能逐級(jí)分別設(shè)定為10、25、40 eV 和30、50、70 eV。根據(jù)獲取的質(zhì)譜數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)低碰撞能時(shí)碎片離子信息較少,故需要提高碰撞能;高碰撞能時(shí)分子離子峰強(qiáng)度減弱或幾乎沒有分子離子峰,需要降低碰撞能。最終確定碰撞能為20、40、60 eV。

        2.2 柴胡化學(xué)成分鑒定結(jié)果

        采用UPLC-Q-Exactive Orbitrap MS 對(duì)柴胡甲醇提取物的化學(xué)成分進(jìn)行分析,得到正、負(fù)離子模式下柴胡樣品的總離子流色譜圖如圖1,對(duì)照品溶液的總離子流圖如圖2~圖5。根據(jù)1.4 數(shù)據(jù)分析方法,共鑒定出65 種化學(xué)成分,其中皂苷類32 種,黃酮類11 種,酸類18 種,其它類4 種,具體結(jié)果見表1。

        表1 UPLC-Q-Exactive Orbitrap MS 鑒定的柴胡中化學(xué)成分

        續(xù)表1

        圖1 柴胡樣品UPLC-Q-Exactive Orbitrap MS 總離子流圖

        圖2 綠原酸對(duì)照品總離子流圖

        圖3 阿魏酸對(duì)照品總離子流圖

        圖4 異鼠李素對(duì)照品總離子流圖

        圖5 芹菜素對(duì)照品總離子流圖

        2.3 化合物質(zhì)譜解析

        2.3.1 皂苷類化合物的鑒定

        皂苷類成分是柴胡中的主要功效成分,皂苷類化合物含糖,易丟失母核上連接的葡萄糖或葡萄糖殘基、海藻糖基、H2O、CO2等中性碎片[7]?;衔?0 在ESI-模式總離子流圖下得到m/z925.515 50 [M-H]-,擬合分子式為C48H78O17,脫去一個(gè)海藻糖基(Fuc,146 Da),得到m/z779.457 89[M-H-Fuc]-,脫去一個(gè)葡萄糖基(Glu,162 Da),得到m/z617.405 33 [M-H-Fuc-Glu]-。m/z971.522 03[M+COOH]-為該化合物結(jié)合一個(gè)羧基。根據(jù)文獻(xiàn)[8]報(bào)道,符合柴胡皂苷c 的裂解規(guī)律,與Mass Frontier 中匹配二級(jí)碎片離子一致,鑒定其為柴胡皂苷c。化合物33 在ESI-模式總離子流圖下得到m/z927.526 00 [M-H]-,擬合分子式為C48H80O17,脫去一個(gè)葡萄糖基,得到m/z765.480 04 [M-H-Glu]-,接著脫去一個(gè)海藻糖基,得到m/z619.421 94[M-H-Glu-Fuc]-。根據(jù)文獻(xiàn)[3]、[16]報(bào)道,符合柴胡皂苷f 的裂解規(guī)律,與Mass Frontier 中匹配二級(jí)碎片離子一致,鑒定其為柴胡皂苷f,柴胡皂苷f 可能的裂解途徑及相應(yīng)的二級(jí)質(zhì)譜圖見圖6,具體信息見表1?;衔?6、39、45、53 在ESI-模式總離子流圖下均得到m/z779 [M-H]-的分子離子峰,擬合分子式為C42H68O13,脫去一個(gè)葡萄糖,得到m/z617[M-H-Glu]-,再脫去一個(gè)海藻糖基,得到m/z471[M-H-Glu-Fuc]-。m/z825 [M+COOH]-為該化合物結(jié)合一個(gè)羧基,根據(jù)文獻(xiàn)[2]、[3]報(bào)道,符合柴胡皂苷a 或同分異構(gòu)體的裂解規(guī)律,與Mass Frontier 中匹配二級(jí)碎片離子一致,鑒定其為柴胡皂苷a 或同分異構(gòu)體。同時(shí)根據(jù)四者ClogP值比較,柴胡皂苷g 的ClogP值最高,因此化合物53 為柴胡皂苷g,柴胡皂苷a、柴胡皂苷d 的ClogP值相同,同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)[2]、[3]、[16]、[18]報(bào)道,化合物36 為柴胡皂苷a,化合物39 為柴胡皂苷b2,化合物45 為柴胡皂苷d。柴胡皂苷a 可能的裂解途徑及相應(yīng)的二級(jí)質(zhì)譜圖見圖7,具體信息見表1。

        圖6 負(fù)離子模式下柴胡皂苷f 可能的裂解途徑及二級(jí)質(zhì)譜圖

        圖7 負(fù)離子模式下柴胡皂苷a 可能的裂解途徑及二級(jí)質(zhì)譜圖

        2.3.2 黃酮類化合物的鑒定

        黃酮類化合物的質(zhì)譜特征較強(qiáng),多發(fā)生逆狄爾斯-阿德爾反應(yīng)(RDA),經(jīng)能量碰撞會(huì)失去H2O、CO2、CO、CHO 等一系列中性小分子[10],易產(chǎn)生甲基、羧基、糖苷等碎片離子。以化合物14 為例,在ESI+模式總離子流圖下得到m/z611.159 73[M+H]+,擬合分子式為C27H30O16,脫去一個(gè)鼠李糖基(Rha,146 Da),得到m/z465.102 45 [M+H-Rha]+,接著脫去一個(gè)葡萄糖基,得到m/z303.049 07[M+H-Rha-Glu]+,根據(jù)文獻(xiàn)[5]報(bào)道,符合蘆丁的裂解規(guī)律,與Mass Frontier 中匹配二級(jí)碎片離子一致,鑒定其為蘆丁,蘆丁可能的裂解途徑及相應(yīng)的二級(jí)質(zhì)譜圖見圖8,具體信息見表1?;衔?9 在ESI-模式總離子流圖下得到m/z447.093 72 [M-H]-的分子離子峰,擬合分子式為C21H20O11,脫去一分子鼠李糖基,得到m/z301.035 10 [M-H-Rha]-,接著失去一個(gè)氫,得到m/z300.028 08 [M-H-Rha-H]-。根據(jù)文獻(xiàn)[14]報(bào)道,符合槲皮苷的裂解規(guī)律,與Mass Frontier 中匹配二級(jí)碎片離子一致,鑒定其為槲皮苷?;衔?5 在ESI+模式總離子流圖下得到m/z303.049 29 [M+H]+,擬合分子式為C15H10O7,脫去一分子水,得到m/z285.038 67 [M+H-H2O]+,接著脫去一個(gè)CO,得到m/z257.043 55 [M+H-H2O-CO]+,再脫去一個(gè)CO,得到m/z229.049 01 [M+H-H2O-COCO]+。根據(jù)文獻(xiàn)[14]報(bào)道,符合槲皮素的裂解規(guī)律,與Mass Frontier 中匹配二級(jí)碎片離子一致,鑒定其為槲皮素?;衔?1 在ESI-模式總離子流圖下得到m/z269.046 11 [M-H]-的分子離子峰,擬合分子式為C15H10O5,脫去一個(gè)CO2,得到m/z225.055 50[M-H-CO2]-,母離子C 環(huán)發(fā)生RDA 重排裂解,得到m/z151.054 40 [M-H-C8H6O]-。根據(jù)文獻(xiàn)[9]、[14]報(bào)道,符合芹菜素的裂解規(guī)律,與Mass Frontier 中匹配二級(jí)碎片離子一致,鑒定其為芹菜素。

        圖8 正離子模式下蘆丁可能的裂解途徑及二級(jí)質(zhì)譜圖

        2.3.3 氨基酸、有機(jī)酸等酸類化合物的鑒定

        在正負(fù)離子模式下,共鑒定出4 種氨基酸類、14 種有機(jī)酸類化合物。以化合物6 為例,在ESI+模式總離子流圖下得到m/z182.080 89 [M+H]+,擬合分子式為C9H11NO3,以此為母離子進(jìn)行二級(jí)質(zhì)譜分析,脫去一個(gè)羥基,得到m/z165.054 28[M+H-OH]+,母離子脫去一個(gè)NO2,重排裂解得到m/z136.075 45 [M+H-NO2]+。根據(jù)文獻(xiàn)[5]報(bào)道,符合酪氨酸的裂解規(guī)律,與Mass Frontier 中匹配二級(jí)碎片離子一致,鑒定其為酪氨酸。

        有機(jī)酸的脂肪酸類以化合物5 為例,在ESI-模式總離子流圖下得到m/z191.019 17 [M-H]-的分子離子峰,擬合分子式為C6H8O7,以此為母離子進(jìn)行二級(jí)質(zhì)譜分析,脫去一個(gè)H2O,得到m/z173.008 59[M-H-H2O]-,脫 去CH4O4,得 到m/z111.007 38[M-H-CH4O4]-,母離子脫去兩個(gè)羧基,得到m/z101.023 00 [M-H-2COOH]-。根據(jù)文獻(xiàn)[5]、[11]報(bào)道,符合檸檬酸的裂解規(guī)律,與Mass Frontier 中匹配二級(jí)碎片離子一致,鑒定其為檸檬酸。

        有機(jī)酸的酚酸類化合物以化合物9 為例,在ESI-模式總離子流圖下得到m/z153.018 39 [M-H]-的分子離子峰,擬合分子式為C7H6O4,以此為母離子進(jìn)行二級(jí)質(zhì)譜分析,脫去一個(gè)CO2經(jīng)重排裂解,得到m/z109.028 17 [M-H-CO2]-,再脫去一個(gè)氫,得到m/z108.020 19 [M-H-CO2-H]-。通過與對(duì)照品比對(duì)和文獻(xiàn)[5]、[9]報(bào)道,符合原兒茶酸的裂解規(guī)律,與Mass Frontier 中匹配二級(jí)碎片離子一致,鑒定其為原兒茶酸。

        2.3.4 其它化合物的鑒定

        在正負(fù)離子模式下,共鑒定出4 種其它類化合物?;衔?3 在ESI+模式總離子流圖下得到m/z193.049 09 [M+H]+的分子離子峰,擬合分子式為C10H8O4,以此為母離子進(jìn)行二級(jí)質(zhì)譜分析,脫去一個(gè)甲基,得到m/z178.024 95 [M+H-CH3]+,脫去一個(gè)CO,得到m/z165.054 33 [M+H-CO]+,接著脫去一個(gè)CO,得到m/z137.059 17 [M+H-CO-CO]+,母離子脫去C2H4O2,經(jīng)重排得到m/z133.064 64[M+H-C2H4O2]+。根據(jù)文獻(xiàn)[5]、[13]、[15]報(bào)道,符合東莨菪內(nèi)酯的裂解規(guī)律,與Mass Frontier 中匹配二級(jí)碎片離子一致,鑒定其為東莨菪內(nèi)酯。

        3 結(jié)語

        柴胡作為傳統(tǒng)中藥材,現(xiàn)代藥理研究表明柴胡具有抗炎、抗腫瘤、抗病毒、免疫調(diào)節(jié)等功能,這些藥效作用源于其主要成分如皂苷類、黃酮類等成分等。筆者采用UPLC-Q-Exactive Orbitrap MS 技術(shù)快速鑒定柴胡的化學(xué)成分,通過高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)品對(duì)照、文獻(xiàn)檢索、Mass Frontier 驗(yàn)證、ClogP值對(duì)比,共鑒定出65 種成分,其中4 種為首次從該植物發(fā)現(xiàn)的化學(xué)成分,如壬二酸、3,5,6-三羥基-4’,7-二甲氧基黃酮、13-羥基-9,11-十八二烯酸、甲氧基-十五烷酸。本研究可快速鑒別柴胡化學(xué)成分,從而為質(zhì)量控制方法的建立提供實(shí)驗(yàn)依據(jù),但不同皂苷的結(jié)合部位及同分異構(gòu)體通過質(zhì)譜尚不能完全確定結(jié)構(gòu),有待于進(jìn)一步研究。

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