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黃花蒿與其近緣種化學成分的FTIR和 GC—MS鑒定與分析

2017-04-29 00:00:00孔德鑫李雁群鄒蓉史艷財韋霄
廣西植物 2017年2期

摘要: 黃花蒿是一種治療痢疾的特效中藥,植物體中含有豐富的精油,但其應用和生產中常有種類混雜現象,嚴重影響了黃花蒿為原料的藥材質量。為實現黃花蒿藥材快速鑒定與評價,該研究利用FTIR技術和GC-MS分別對黃花蒿及其近緣種葉片原藥材及揮發油成分進行了檢測和鑒定。結果表明:揮發油以黃花蒿含量最高(1.86%),其次是南牡蒿、茵陳蒿、青蒿、牡蒿和艾蒿。FTIR分析結果表明,黃花蒿及其近緣種一維圖譜相似,酰胺類、芳香類以及萜類化合物種類較多且含量豐富;二階導數圖譜中,黃花蒿青蒿素成分振動吸收明顯增強,可以明顯將黃花蒿與其混淆中區分開。GC-MS分析顯示,黃花蒿與其近緣種的揮發油成分中共檢測出17個共有峰,28種化學成分,均含有較高樟腦、á-杜松烯、Crocetane、植烷、2,4-二叔丁基苯酚,但不同種間成分含量差異很大,植烷在黃花蒿中含量明顯高于其它近緣種,龍腦成分只能在黃花蒿葉片中檢測出,然而á-雪松烯在青蒿、南牡蒿、茵陳蒿均較高,而在黃花蒿,艾蒿,牡蒿中含量均較低。最后通過聚類分析探討了黃花蒿與其近緣種揮發油成分差異性,6 種材料明顯聚為2類。其中,黃花蒿與牡蒿、艾蒿聚為一類,青蒿與茵陳蒿和南牡蒿聚為一類。該研究結果為黃花蒿藥材的真偽鑒別及其藥材質量評價提供了快速而有效的分析手段。

關鍵詞: 黃花蒿, 揮發油, GC-MS, 紅外圖譜, 質量評價

中圖分類號: Q946文獻標識碼: A文章編號: 1000-3142(2017)02-0234-08

Abstract: Artemisia annua contains abundant essential oils. It is commonly used as traditional Chinese medicine for treating dysentery. The varietal complexity and vague provenance boundaries of the species of A. annua seriously affected the quality of medicinal materials. To investigate the rapid identification and evaluation of A. annua and sibling species leaves on the yields and compositions of essential oils, the volatile compounds were detected and identified by GC-MS and FTIR analysis. A. annua determined to have the highest yield (1.86%) of essential oil, followed by A. eriopoda, A. capillarie, A. apiacea, A. japonica and A. argyi. FTIR results showed that one-dimensional spectrum was similarity of A. annua and sibling species and the species were abundant of amides, aromatics and terpenoids. Second derivative spectrum of A. annua component vibration absorption enhanced obviously to clearly demarcation of A. annua and confusion. GC-MS analysis showed that the volatile oil of A. annua and sibling species revealed the identification of 28 components and 17 common peaks. A. annua and sibling species leaf oils contained high amounts of camphor, á-Cadinene, crocetane, phytan, 2, 4-di-t-Butylphenol. The results indicated the apparent difference in the volatile compound compositions of essential oils between species. However, the content of phytane of A. annua was significantly higher than that of other species. Borneol was only detected in A. annua. In addition, A. apiacea, A. eriopoda and A. capillaries contained the highest á-Cedrene content, while A. annua, A. argyi and A. japonica contained the lowest content of á-cedrene. The oil components were analyzed using a hierarchical cluster for the six samples and samples were divided into two main clusters, A. annua, A. japonica and A. argyi was distinguished as a cluster, while A. apiacea, A. eriopoda and A. capillaries were classified as a cluster. These results provide an effective analysis methods for identifying the species, especially for the quality assessment for use in raw herbal medicines.

Key words: Artemisia annua, essential oils, GC-MS, FTIR, quality assessment

黃花蒿(Artemisia annua) 中藥名青蒿,菊科艾屬一年生草本植物,為中國傳統中藥、道地藥材。青蒿素(Artemisinin;arteannuin;qinghaosu;QHS) 是從黃花蒿中提取的一種分子內含有過氧橋結構的新型倍半萜內酯(屠呦呦等,1981)。國內外研究人員在青蒿素化學結構基礎上,開發了一系列衍生物,如蒿甲醚、蒿乙醚、雙氫青蒿素、復方蒿甲醚和青蒿琥酯等。青蒿素類藥物是與己知抗瘧藥作用方式完全不同的新型抗瘧藥,其療效比傳統抗瘧藥奎寧強16倍,而且高效、低毒、無抗藥性,具有重要的經濟價值和發展前景。黃花蒿的活性成分研究顯示其含有多種單萜、倍半萜、黃酮、香豆素及酯類成分(Bhakuni et al,2001,2002),但是,黃花蒿的生產中存在著多種品種混雜的現象,常有與青蒿(Artemisia apiacea Hance)、牡蒿(A. japonica)、茵陳蒿(A. capillaries)、豬毛蒿(A. scoparia)、南牡蒿(A. eriopoda)等混合使用現象,極大地影響了正品黃花蒿藥材的質量,也嚴重制約了黃花蒿相關產業的發展。紅外光譜測定中藥材具有快速、無損傷的特點,在“指紋區”能夠反映藥材化學成分的整體信息并具有專屬性,即使在相同的光譜條件下,不同種、不同產地中藥的色譜圖也有其特定的紅外吸收光譜(李燕等,2006;時有明等,2007;Liu et al,2008;孔德鑫等,2010)。具有樣品用量少,靈敏度高,操作簡單等優點,可實現對中藥的快速、簡單、高效、準確分析等優點(Wu et al,2008)。因此,FTIR被廣泛地應用于中藥材分類鑒別及對植物油的判別分析和摻雜鑒定等研究當中(Dupuy et al,1996;Dobson et al,2001;Tay et al,2002;Yang et al,2005)。

氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS)將氣相色譜的高分辨能力和質譜檢測器的定性能力相結合,采用該技術建立揮發油指紋圖譜,不僅具有GC的高分離效能,還兼備MS測定的靈敏性和準確性,從而拓寬GC的應用范圍,為中藥質量標準的研究提供可靠的分析手段(Xie et al,2005)。目前,有許多研究利用GC-MS鑒別不同種、產地、部位、采收季節的氣相色譜-質譜聯用分析(Kaul et al,2003; Cheng et al,2004;Zhang Wang,2008;Li et al,2013),均能將他們進行質量評價和鑒別分類。所以,運用高效靈敏的研究技術開展黃花蒿藥材快速鑒定是控制以黃花蒿為原料中藥質量的關鍵措施,也是提高黃花蒿藥材在國際市場競爭力的重要措施。為了確保黃花蒿藥源安全可信,質量穩定,本研究將以黃花蒿及其近緣種的葉片為研究對象,運用FTIR及GC-MS技術實現黃花蒿藥材的快速鑒別,并比較分析黃花蒿與其近緣種化學成分的差異,為黃花蒿藥材的快速鑒定提供簡單、靈敏的技術方法。

1材料來源

黃花蒿(Artemisia annua)及其近緣種青蒿(Artemisia apiacea)、牡蒿(A. japonica)、茵陳蒿(A. capillaries)、艾蒿(A. argyi)、南牡蒿(A. eriopoda)均于2013年6-7月分別采自廣西河池都安縣、山東萊蕪市、廣西桂林陽朔縣和恭城縣,分別經韋霄研究員鑒定為菊科艾屬植物。樣品分別采集黃花蒿及其近緣種的葉片。

2樣品制備與方法

2.1 樣品制備方法

將采集的黃花蒿及其近緣種植物葉片一部分實驗樣品在55 ℃干燥48 h,粉碎過200目,放干燥器內留作紅外光譜測定。剩余部分陰干留作揮發油提取及測定。

2.2 紅外光譜測定方法

每個樣品10個重復,各樣品精密稱取1.0 mg與200溴化鉀(碎晶)混合研磨充分均勻,壓片成厚度約1 mm的透明錠片,將錠片放入紅外光譜儀測定,每個片隨機掃3個不同的點,再取其平均譜圖作為最后的樣品譜圖。測試條件:光譜范圍4 000~400 cm-1;光譜分辨率4 cm-1;掃描次數64次,掃描時扣除 H2O 和 CO2 的干擾。

2.3 黃花蒿及近緣種粉的制備與揮發油的提取

揮發油提取按照按中華人民共和國藥典 2010年版(國家藥典委員會主編,2010)揮發油測定法進行。將陰干葉片樣品粉碎后過60目篩,然后精密稱取各樣品粉末15 g,加入到1 000 mL的燒瓶中,加入300 mL蒸餾水和幾粒沸石,浸泡1 h,提取5 h,蒸餾完畢后將含有精油的流出液移到250 mL分液漏斗中,用適量的二氯甲烷萃取3次。棄去上層的水層將二氯甲烷移至50 mL錐形瓶中,加少量無水硫酸鈉,干燥30 min。過濾的液體在通風櫥內用蒸氣浴加熱蒸去大部分溶劑,然后將其濃縮液移入已經干燥的試管中,繼續在蒸氣浴上蒸餾至完全除去二氯甲烷為止,得到不同顏色油液,稱重,4 ℃冰箱保存、備用。每樣品重復測定三次,最后揮發油含量取平均值,揮發油含量百分比計算為揮發油的重量除以葉片樣品的重量。

2.4 氣相-質譜測定

美國安捷倫公司生產的Agilent 7890A GC/ 5975C MS型氣相-質譜聯用儀,HP-5MS毛細管色譜柱(0.25 mm × 30 m, 0.1 μm);四極桿溫度150 ℃,進樣口溫度200 ℃,初始柱溫100 ℃,維持4 min,然后以5 ℃·min-1升至130 ℃,維持20 min,載氣(高純氦氣)流速1.2 mL·min-1,進樣分流比30∶1,離子源EI,離子源溫度:230 ℃,掃描質量范圍為30~550 AMU。各樣品揮發油用二氯甲烷配制成10 mg·mL-1, 取1.0 μL進樣分析。

2.5 數據處理

經HP-MSD 化學工作站檢索NIST05質譜圖并結合有關文獻,對流出的色譜峰進行檢索,鑒定化合物。利用GC-MS峰面積歸一化法計算各組分在黃花蒿及近緣種揮發油中的相對百分含量。

3結果與分析

3.1 黃花蒿與其近緣種葉片紅外圖譜比較分析

紅外光譜不僅可以幫助判斷分子中含有何種官能團,確定其基本骨架,也可以通過比較不同樣品的紅外光譜來反映樣品在植化組成上的差異程度。所以種質、地域、加工方法、儲存等外界因素對植物化學組成上的影響,從紅外光譜上也能夠反映出各自的差異性。光譜歸一化處理后黃花蒿及其近緣種葉片的典型紅外光譜(圖 1)。由圖1可知,不同樣品3 600~1 800 cm-1 范圍內光譜圖振動特征相似,但是,1 800~600 cm-1圖譜差異較大。利用這一性質,可實現黃花蒿與其他藥材的鑒別。 圖 1 中在3 400 cm-1 附近為羥基的伸縮振動,2 900 cm-1 附近為CH3和CH2的振動吸收,1 740 cm-1左右為C= O 的振動吸收,1 670 cm-1 附近為C=C伸縮振動,在1 600~1 450 cm-1范圍內苯環骨架的伸縮振動峰,1 162、1 114、1 076和1 028 cm-1等處為飽和脂肪醚、酯類、酸酐類C-O-C基團特征吸收,以及多糖和苷類物質C-O伸縮振動。說明,黃花蒿及其近緣種葉片中酰胺類、芳香類以及萜類化合物種類較多且含量豐富。但是,一維圖譜各樣品吸收特征比較相似,很難區分各樣品的差異。然而,紅外二階導數圖譜可以明顯增加原始圖譜的分辨率,由圖2可知,二階導數圖譜中,各樣品特征吸收峰明顯增多,1 750~1 735 cm-1處的吸收峰為有機物中的青蒿素,青蒿酸及揮發油中的C = O 伸縮振動,在樣品 A、B、E中能夠明顯觀察出,尤其以樣品 A 最強,而D在此范圍內則無吸收峰。1 600~1 450 cm-1范圍內苯環骨架的伸縮振動峰,在樣品A、B、D、E中相對其它物質譜峰最多且強度較強;1 162、1 114、1 076和1 028 cm-1等處飽和脂肪醚、酯類、酸酐類C-O-C基團特征吸收,6個樣品中,A(黃花蒿)、D(青蒿)及E中的吸收峰明顯高于其它物種、說明樣品A、D、E中酰胺類、芳香類以及多糖類化合物種類較多且含量豐富。

3.2 黃花蒿及其近緣種揮發油含量比較分析

本研究用水蒸餾法提取黃花蒿及其近緣種揮發油,得出揮發油含量在0.89%~1.86%(mL·g-1)之間(圖3)。揮發油含量以黃花蒿最高(1.86%),其次是南牡蒿(1.73%),最低是艾蒿(0.14%),在顏色上以黃花蒿和南牡蒿的揮發油含量最正,為金黃色。艾蒿顏色最深,為棕綠色。揮發油含量和顏色的不同可能與其所含化學成分的種類及含量不同。

本研究利用GC-MS聯用儀計算機對總離子流量圖譜(圖4) 進行分析和處理,進行氣相色譜—質譜分析,用NIST標準質譜檢索庫檢索,并結合文獻和人工解析,以面積歸一化法測得揮發油各組分相對百分含量,峰面積作為相對含量,結果列于表1。從表1 中可知,共有17個共有峰,總共鑒定出 24 種組分,鑒定的成分占總色譜峰面積在 59.2%~84.4% 之間。從化學成分的種類來看,黃花蒿及近緣種葉片揮發油主要成分有萜類、脂肪族和芳香族化合物。比較黃花蒿及近緣種成分發現,黃花蒿葉片揮發油主要成分為 2,4-二叔丁基苯酚(16.77%)、樟腦(7.09%)、植烷(6.62%)、十六烷(6.18%)、Crocetane(5.72%)、1.2,6,11-三甲基十二烷(4.80%)、á-杜松烯(4.38%)、十四烷(2.38%)、石竹烯(2.70%)、古巴烯(1.91%)、á-雪松烯(1.90%)、十二烷(1.87%)、2-乙基戊烷(1.76%)、Styrene 苯乙烯(1.67%)和 2-甲基十三烷(1.57%);牡蒿葉片揮發油主要成分為 2,4-二叔丁基苯酚(16.78%)、樟腦(7.61%)、Crocetane(5.94%)、á-杜松烯(4.81%)、1.2,6,11-三甲基十二烷(4.80%)、十六烷(4.34%)、植烷(3.71%)、Cyclobuta [de]naphthalene(3.45%)、石竹烯(2.61%)、十四烷(2.31%)、2-乙基戊烷(1.93%)、苯乙烯(1.87%)、古巴烯(1.89%)、á-雪松烯(1.68%)和2-甲基十三烷(1.55%);南牡蒿葉片揮發油主要成分為á-雪松烯(28.74%)、 2,4-二叔丁基苯酚(10.93%)、十六烷(8.45%)、石竹烯(6.25%)、Cyclobuta [de]naphthalene(5.60%)、Crocetane(4.48%)、樟腦(4.15%)、1.2,6,11-三甲基十二烷(3.89%%)、á-杜松烯(3.33%)、植烷(2.61%)和十四烷(1.54%);青蒿葉片揮發油主要成分為á-雪松烯(20.84%)、2,4-二叔丁基苯酚(13.34%)、十六烷(8.07%)、樟腦(5.81%)、Crocetane(4.50%)、1.2,6,11-三甲基十二烷(3.88%)、á-杜松烯(3.50%)、植烷(2.80%)、石竹烯(2.33%)、十四烷(2.32%)和十二烷(1.04%);艾蒿葉片揮發油主要成分為 2,4-二叔丁基苯酚(16.16%)、十六烷(8.24%)、樟腦(6.15%)、Crocetane(5.08%)、1.2,6,11-三甲基十二烷(4.18%)、á-杜松烯(3.51%)、植烷(3.19%)、十四烷(2.05%)、苯乙烯(1.81%)、古巴烯(1.62%)、2-甲基十三烷(1.47%)、十二烷(1.45%)和á-雪松烯(1.02%);茵陳蒿葉片揮發油主要成分為 á-雪松烯(19.21%)、2,4-二叔丁基苯酚(14.68%)、樟腦(5.81%)、十六烷(5.81%)、Crocetane(5.25%)、1.2,6,11-三甲基十二烷(4.53%)、á-杜松烯(4.19%)、植烷(3.36%)、十四烷(2.26%)、石竹烯(2.12%)、古巴烯(1.82%)、2-甲基十三烷(1.15%)、2-乙基戊烷(1.11%)和十二烷(1.05%)。比較 6 個樣品精油成分發現,多數成分在黃花蒿、牡蒿、艾蒿中的含量均明顯高于青蒿、南牡蒿、茵陳蒿,而且苯甲醛,癸烷只在黃花蒿、牡蒿、艾蒿中檢測出,其在青蒿,南牡蒿,茵陳蒿中沒有檢測出。龍腦成分只能在黃花蒿葉片中檢測出,其它 5 種葉片均未檢測出。Phytan 在黃花蒿中含量明顯高于其它種。然而 á-雪松烯在青蒿、南牡蒿、茵陳蒿均較高,其中南牡蒿中含量最高達 28%,而在黃花蒿,艾蒿,牡蒿中含量均較低。

3.3 黃花蒿及其近緣種揮發油GC-MS的聚類和相似性分析

為了更直觀地觀察不同種和產地之間的親緣、遺傳關系,我們采用系統聚類法對6個樣品葉片揮發油進行聚類分析,結果見圖5。當遺傳距離,1

4討論與結論

紅外光譜技術由于其具有快速、簡便,無損等優點,在中草藥產地鑒定及質量評價中已經受到研究者廣泛關注并廣泛應用(李燕等,2006;時有明等,2007;Liu et al,2008;孔德鑫等,2010,2016)。為了快速鑒定和評價黃花蒿及其近緣種藥材質量差異,本研究利用FTIR技術對黃花蒿及其近緣種化學成分指紋圖譜進行了指認, 通過二階導數圖譜快速鑒別出黃花蒿與其近緣種化學成分的差異。黃花蒿葉片富含青蒿素,其紅外圖譜中在1 800~1 700 cm-1附近代表青蒿素中C=O特征吸收峰明顯強于其近緣種。植物揮發油含量及其化學成分往往受很多因素的影響,比如遺傳因素、發育階段、形成部位、環境因子等 (Sangwan et al, 2001;Kim Lee, 2004;Tung et al,2008;Wang et al, 2011)。在蒿屬植物種類繁多,不同種間揮發油成分的組成及含量也同樣存在類似的現象。陳馳(2000)研究發現茵陳蒿、白蓮蒿的揮發油含量差異很大,其中,白蓮蒿主要為二環單萜類成分,如:樟腦、樟烯、桉油精等,而茵陳蒿主要為石竹萜烯、α-石竹萜烯、橙花叔醇等。劉洪玲和董巖(2007)采用水蒸氣蒸餾法對艾蒿和豬毛蒿進行揮發油提取,運用GC-MS鑒定發現,艾蒿和豬毛蒿均含有較高的樟腦,但其含量有較大差異,艾蒿為13.00%,豬毛蒿則只有3.81%。揮發油成分也是黃花蒿藥材中的重要藥用成分,為了深入研究黃花蒿與其近緣種揮發油含量及其精油組成的差異,本研究利用水蒸溜法提取了各測試樣品揮發油并利用氣-質聯用色譜對黃花蒿及其近緣種揮發油成分進行比較分析。結果發現蒿屬幾種植物不但揮發油顏色有很大差異,其含量也存在明顯的差異,如黃花蒿揮發油含量達到1.86%,南牡蒿揮發油有含量也有1.73%,黃花蒿和南牡蒿揮發油為金黃色,而艾蒿只有0.14%,且顏色為棕綠色。進一步利用GC-MS方法對蒿屬幾種植物揮發油成分進行分析, 共測試6個樣品共分析了28種化學成分。通過分析表明,多數成分均以黃花蒿、牡蒿、艾蒿中較高,而且癸烷只在黃花蒿、牡蒿、艾蒿中檢測出,而在青蒿,南牡蒿,茵陳蒿中沒有檢測出,龍腦成分只能在黃花蒿葉片中檢測出,其它5種葉片均未檢測出。植烷在黃花蒿中的含量也明顯高于其它種。然而á-雪松烯在青蒿、南牡蒿、茵陳蒿均較高,其中南牡蒿中含量最高(28%),而其在黃花蒿,艾蒿,牡蒿中含量均較低。最后,通過聚類分析探討了黃花蒿與其近緣種揮發油成分差異性,結果顯示黃花蒿與牡蒿、艾蒿揮發油成分相似。本研究結果為黃花蒿藥材質量快速評價和精油質量分析研究提供了重要參考。

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