全二維氣相色譜-四級桿飛行時間質譜對不同產地砂仁揮發油成分的分析

陳嘯天，肖雪，錢沉魚，宋居易，向章敏*

(1.廣東省測試分析研究所 廣東省化學危害應急檢測技術重點實驗室，廣州 510070；2.貴州民族大學 化學工程學院，貴陽 551000)

砂仁(Amomumvillosum)，是姜科、豆蔻屬草本植物陽春砂、海南砂或綠殼砂的干燥成熟果實[1]，屬“藥食同源”收錄藥材，其粉末也常做調味料使用。各產地中以廣東省陽春市地區所產陽春砂最為知名。近年來其主產區已轉移至廣西和云南等地，但道地性仍以原產地陽春市為佳。砂仁含有大量揮發油且氣味濃郁，已有研究表明揮發油是砂仁的主要活性成分[2-3]，能顯著抑制胃液胃酸的分泌，從而防止潰瘍的形成[4]，同時還具有抗菌消炎和鎮痛等作用[5-6]，因而具有良好的開發和應用價值。目前已有較多文獻采用一維氣相色譜-質譜技術分析砂仁揮發油的化學成分[7-8]，但砂仁揮發油作為天然產物，存在大量同分異構體及結構相似的化合物，傳統的一維色譜檢測存在一定的局限性[9]，而全二維氣相色譜作為近年來興起的分離檢測技術，它采用兩根極性不同的色譜柱分別根據沸點和極性對物質進行正交分離，與傳統一維氣相色譜相比具有更好的分離度和更大的峰容量，同時由于調制器的聚焦作用，檢測的靈敏度也得到了加強，非常適宜用于砂仁揮發油化學成分的分離鑒定。同時蒸餾萃取法耗能少且效率高[10]，而飛行時間質譜檢測靈敏度高且速度快，故本實驗采用同時蒸餾萃取法提取砂仁的揮發油，并比較了相同進樣條件下一維氣相色譜-飛行時間質譜和全二維氣相色譜-飛行時間質譜的檢測結果，同時利用后者對來自廣東陽春、廣西南寧和云南文山的樣品進行了分析，探討了砂仁揮發油成分的成分差異和產地特征，為砂仁資源的綜合利用提供了科學參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

氯化鈉(AR)、二氯甲烷(AR)：廣州化學試劑廠。

FW100型中草藥粉碎機 天津泰斯特儀器有限公司；HH-2型水浴鍋 常州市金壇友聯儀器研究所；低溫冷卻循環泵 鄭州豫華儀器制造有限公司；ZNHW型電熱套 鞏義市予華儀器有限責任公司；7890B GC/7250 QTOF型氣相色譜-四極桿飛行時間質譜儀 美國Agilent公司；SSM1800型固態熱調制器 雪景電子科技(上海)有限公司。

1.2 樣品來源

實驗用的砂仁樣品分別采集來自于廣東、云南、廣西3個不同產地的兩批次樣品。將干燥的砂仁果實樣品用四分法縮分，然后用粉碎機粉碎后過60目篩備測。

1.3 樣品前處理

稱取30 g過60目篩的干燥砂仁樣品，倒入同時蒸餾萃取裝置一端的1000 mL平底燒瓶中，加入50 g 氯化鈉和300 mL蒸餾水，電熱套加熱。裝置另一端接100 mL燒瓶，加入60 mL 二氯甲烷，水浴鍋60 ℃加熱。萃取時間為1 h，萃取結束后將二氯甲烷溶液過無水硫酸鈉干燥后用旋轉蒸發儀濃縮，獲取砂仁揮發油樣品。

1.4 儀器條件

1.4.1 一維氣相色譜-質譜條件

色譜柱：DB-5MS(30 m×0.25 mm, 0.25 μm，美國安捷倫科技公司)，進樣口溫度為250 ℃，進樣模式為分流進樣，分流比50∶1，進樣體積0.5 μL，程序升溫方式：起始溫度50 ℃保持3 min，以5 ℃/min升至230 ℃，保持1 min。

質譜由四極桿串聯高分辨的飛行時間質譜構成，離子源電壓為標準電壓70 eV，離子源溫度為230 ℃，四極桿溫度為150 ℃，采集速度為 5 amu/s，采集質量范圍為45～450 amu，全掃描，檢索譜庫為NIST 17。

1.4.2 全二維氣相色譜-質譜條件

柱系統由兩條色譜柱組成，第一根色譜柱同1.3.1的一維氣相色譜系統一致，第二根色譜柱為DB-17(1.2 m×0.18 mm, 0.18 μm，美國安捷倫科技公司)，兩根色譜柱通過固態熱調制器串聯連接，調制周期為4 s，質譜采集速率為50 amu/s，其他色譜及質譜參數同一維氣相色譜-四級桿飛行時間質譜系統。

1.5 定性分析方法

一維氣相色譜-四級桿飛行時間質譜(GC-QTOF/MS)檢測數據采用安捷倫MassHunter B.08版工作站的“未知物分析”軟件分析，全二維氣相色譜-四級桿飛行時間質譜(GC×GC-QTOF/MS)檢測數據采用雪景科技的Canvas全二維色譜處理軟件分析，分析結果均與NIST 17標準譜庫進行匹配，并結合保留指數和高分辨質譜的精確質量數來進行輔助定性分析，同時采用峰面積歸一化法計算各成分相對含量。

2 結果與分析

2.1 一維與二維氣相色譜分離比較

將同時蒸餾萃取法得到的砂仁揮發油樣品稀釋后分別進行一維和全二維氣相色譜-四級桿飛行時間質譜聯用法分析，一維選取匹配度不低于80(最高為100)的化合物信息，全二維選取正、反向匹配度均大于800(最高為1000)的化合物信息，同時使用保留指數和精確質量數比對作為輔助定性手段，進一步確保定性結果的準確性[11]。其中保留指數以計算值和文獻值誤差在±5%以內的標準來確定最佳匹配化合物[12]，對含有分子離子碎片信息的最佳匹配化合物進行精確分子量的實測值和理論值比較，以相對偏差不超過5 ppm為判定信息[13-14]，確定出最終的定性結果。基于以上判定方法，一維系統一共鑒定出了36種化合物，而全二維系統鑒定出了83種化合物，且后者包含了前者的全部化合物信息，由此說明該方法下全二維的檢測結果更加全面而準確，具有很好的替代性。具體檢測成分見表1。

表1 砂仁揮發油的一維和全二維氣相色譜-四級桿飛行時間質譜系統檢測成分表Table 1 The detection of volatile oils of Amomum villosum by one-dimensional and full two-dimensional gas ghromatography-quadrupole time-of-flight mass spectrometry

續 表

全二維系統比一維系統的檢測結果更全面主要原因在于前者對樣品具有更好的分離度和靈敏度。由圖1可知，在22.65～23.00 min，一維系統上僅檢測到峰1(桃金娘烯醛)，分子式C10H14O，而在全二維系統上除了檢測到峰1a(桃金娘烯醛)外，還可以檢測到峰1b(桃金娘烯醇)，分子式C10H16O，并且檢測到的分子離子碎片的精確質量數分別為150.1041和152.1196，也驗證了它們是兩種不同的化合物，此例可以說明全二維系統有利于解決色譜峰共流出的問題。另外，在35.80～41.00 min這段時間，全二維系統檢測到了τ-杜松醇等12種化合物，其中以醇類和酚類化合物為主，而一維系統卻無法檢測到，由此說明前者在檢測靈敏度，尤其是針對醇類和酚類化合物的檢測上具有明顯優勢。

圖1 砂仁揮發油的一維和全二維氣相色譜-四級桿飛行時間質譜分離效果圖Fig.1 The separation effect chart of volatile oils of Amomum villosum by one-dimensional and full two-dimensional gas ghromatography-quadrupole time-of-flight mass spectrometry

2.2 不同產地砂仁揮發油的分析

鑒于全二維氣相色譜-四級桿飛行時間質譜系統更好的分離度和靈敏度，選取了道地產區廣東陽春和主產區廣西南寧、云南文山三地的砂仁樣品進行了揮發油的提取和分析，每個產地的樣品提取2次，基于2.1所述的判定方法，一共準確鑒定出了107種化合物，其中廣東、廣西和云南的樣品分別鑒定到了79，64，64種化合物，詳細化合物名稱和相對含量見表2。

表2 不同產地砂仁揮發油化學成分分析結果Table 2 The analysis results of chemical components of volatile oils of Amomum villosum from different producing areas

續 表

續 表

續 表

乙酸龍腦酯作為砂仁揮發油含量最高，且最主要的藥效成分，其含量在廣東、廣西和云南樣品中所占比例分別為17.54%、19.50%和15.20%，差異并不明顯，說明這3個產地砂仁揮發油的藥效差別并不大。除此之外，樟腦、雙環吉馬烯、2-茨醇、α-蒎烯、α-松油醇、右旋大根香葉烯和β-檀香烯為共有成分中含量較高的，以上8種主成分總含量占比分別為41.71%、42.44%和36.01%，云南樣品略低，但云南樣品中β-檀香烯的含量明顯較其他兩地高，可以作為其品質特征成分之一。另外，α-檀香烯、β-杜松烯和β-石竹烯是3個產地中多數共有的含量較高的成分。其中α-檀香烯和β-杜松烯在廣西樣品中未檢出，β-石竹烯在廣東樣品中未檢出，而在云南樣品中能夠檢測到，但較廣西樣品中含量低。因此，多數共有化合物及含量差異，可為不同產地砂仁的品質特征提供參考。綜上，不同地方砂仁共有成分含量差異見圖2。

圖2 3種不同產地砂仁揮發油中主成分的分布Fig.2 The distribution of principal components in volatile oils of Amomum villosum from three different producing areas

將廣東、廣西和云南的砂仁揮發油化學成分進行分類，包含烯烴、醇類、酮類、醛類、酯類、酚類和羧酸類等多種成分，各類化合物所占含量和數量見圖3。

圖3 3種不同產地砂仁揮發油成分種類的相對含量和數量Fig.3 The relative content and quantity of components'types in volatile oils of Amomum villosum from three different producing areas

由圖3可知，3個產地的砂仁揮發油主要成分為醇類、烯烴、酯類和酮類化合物，但各類化合物含量差異并不大。在各類化合物的數量上，廣東樣品的揮發油所含醇類和酚類化合物數量較其他兩地多，尤其是酚類化合物，廣東樣品有7種，而廣西和云南樣品分別為1種和2種。我們知道酚類化合物一般都具有特殊的芳香氣味，這或許能解釋廣東作為道地產區的砂仁氣味具有明顯特征的原因[15]。

3 結論

全二維氣相色譜-四級桿飛行時間質譜聯用技術適合于復雜天然產物的分離鑒定，本實驗將其用于砂仁揮發油的分析，并將其與普通一維氣相色譜-四級桿飛行時間質譜進行比對，分別鑒定到了83種和36種化合物，充分表明了全二維系統在峰容量和分析靈敏度上的獨特優勢，尤其是在醇類和酚類化合物的分析上，優勢較為明顯。此外，本文對來自廣東陽春、廣西南寧和云南文山的砂仁揮發油樣品共檢測到了107種化合物，其中分析到的廣東樣品揮發油成分有79種，其他兩地均為64種。通過對主要成分的比較，發現廣西樣品的β-石竹烯含量較高，云南樣品的β-檀香烯含量較高，而廣東樣品的α-檀香烯和β-杜松烯含量較高。另外，從化合物類型的數量上看，廣東樣品的醇類和酚類含量均較高。因此，以上特征成分可作為不同產地砂仁品質特征的參考標志。