氣相色譜-離子遷移譜聯用技術在中藥材分析中的應用

張博涵 夏 磊 于麗燕

1.蘇州大學蘇州醫學院，江蘇蘇州 215123；2.華熙生物科技股份有限公司，山東濟南 250101；3.中國藥科大學繼續教育學院，江蘇南京 210009

中國中藥資源種類多樣，具有豐富的生物多樣性，有一萬余種藥用動植物[1]。藥材質量對臨床治療產生直接影響，因此控制中藥材的質量與鑒別中藥材的產地具有重要意義。中藥材產地對質量有較大的影響[2]，研究一種能夠準確鑒別中藥材產地的方法，對于監控中藥材質量和保護消費者權益意義重大。目前中藥材加工和炮制工藝復雜，導致加工后的中藥材產品難以根據外觀區分，且中藥的安全性、功效和質量與中藥成分很大程度上受到藥材加工工藝的影響，因此探索中藥材加工過程中的物質變化具有重要的意義。氣味作為中藥材中的揮發性物質的重要表征，可以真實地反映中藥材的內在本質，對揮發性物質的分析有助于了解中藥材在加工過程中成分的變化[3]。中藥材傳統鑒別中多通過對中藥材氣味的鑒別來判別真偽和優劣，但傳統鑒別方法帶有較大的主觀性，需要鑒定者具有豐富的鑒別經驗。采用現代分析技術對中藥材氣味進行客觀分析對于提高藥材鑒別準確度和可信度具有極大的研究價值。

氣相色譜- 離子遷移譜聯用技術（gas chromatography-ion migration spectrometry，GC-IMS）為一種新興的氣體分析技術。該技術在物質分析時，無需對藥品進行前處理，并且對于物質的分離效率較高。作為一種聯用技術，其具有離子遷移譜檢測速度快和信息量大等優點，可以在短時間內對樣品中的氣味物質的分子特征進行分析。目前在藥物分析、環境保護、醫學和食品等領域，GC-IMS已被廣泛應用。

1 氣相色譜-離子遷移譜聯用技術原理

最早的離子遷移譜技術用于檢查測定時，需要將以氣體或微粒形式存在的樣品離子化，形成檢測離子群。然后通過離子柵門，生成的離子群在電場E（V/cm）作用下漂移或分離。在離子檢測過程中，離子群與高純氮氣相互作用，在漂移電場及漂移氣體共同作用下離子群勻速通過漂移區，到達檢測器進行檢測。該速度為飄移速度V （cm/sec），根據以下公式可得，氣體環境中離子群在電場作用下漂移速度與電場強度成正比：

上式中，K 簡稱為遷移率（cm2/V·s）。該常數與樣品物質所形成的離子的相關特征有關，溫度、濕度以及壓力等儀器周圍的環境條件因素也會對其產生一定影響。在分析過程中，為了便于比較不同種類離子群的遷移率，分別測量每個離子的遷移率K 作為實驗參數（即溫度和壓力）的函數。這些參數通常歸一化為標準條件，得到約化遷移率（K0）。將離子的遷移率轉化為約化遷移速率進行計算，計算公式為：

式中T-漂移區溫度（K）；P-漂移氣體壓強（torr 或mmHg）。在離子遷移譜的分析過程中，通常采用離子遷移時間（Td， s 或ms）的不同來進行離子的分離定性。因為樣品的離子遷移系數不同，其通過漂移區域的漂移速度也不同，致使不同樣品離子通過漂移管的遷移時間也不相同：

式中d 為漂移管的長度（cm）。在GC-IMS 聯用技術中，首先載氣攜帶樣品通過色譜柱進行分離，被分離的各組分進入到IMS 的電離室內進行電離。此時揮發性樣品在載氣的作用下進入電離反應區，載氣分子和樣品分子在離子源放射性Ni 的作用下發生一系列的電離反應和離子－分子反應，形成各種產物離子。在電場的驅動下，這些產物離子通過周期性開啟的離子門進入遷移區，與逆向流動的中性遷移氣體分子不斷碰撞而損失能量，因此在電場中各自遷移速率不同，使得不同的離子到達探測器上的時間不同而得到分離。其基本原理如圖1 所示。

圖1 氣相色譜-離子遷移譜聯用技術分離示意圖

氣相色譜與離子遷移譜的融合使用可以充分發揮各自的優勢，獲得的譜圖數據含有豐富的信息。圖2 為氣相色譜-離子遷移光譜的三種典型的表現形式，其中X 軸代表離子遷移時間（ms），Y軸代表氣相色譜保留時間（s），Z 軸代表離子強度（V），Z 軸數據的大小通過顏色變化表示。

圖2 三種氣相色譜-離子遷移譜譜圖的表示方法

2 在中藥材質量分析中的應用研究

近年來，GC-IMS 技術在中藥材的分析領域中也有一定的應用，下面重點介紹了該技術在不同中藥材分析檢測中的發展狀況，旨在探討GC-IMS 技術作為一種新型的檢測技術在中藥材的產地鑒別、真偽鑒別以及不同炮制方法中氣味變化等不同方面的應用潛力。

2.1 中藥材的產地鑒別

不同產地的藥材，其品質、理化性質及生物學效應也存在差異，因此明確藥材產地是指導臨床用藥的重要參考。

李軍山等[4]采用GC-IMS 技術測定15 批連翹藥材中揮發性成分，快速準確地將不同連翹產地區分為3 大類，該方法為不同地區連翹的品質評判提供參考。采用GC-IMS 技術也可以對不同產地貝母的揮發性物質進行定性和相對定量分析，為貝母的質量監控及產地鑒別提供參考[5]。GC-IMS 技術結合化學計量學能夠快速區分不同產地的瓜蔞皮，基于此可實現對山東、河北產區瓜蔞皮的快速區分[6]。李曼祎等[7]則結合GC-IMS 技術及偏最小二乘法鑒別4 個主要產區的枸杞，通過檢測不同產地枸杞含量差異較大的揮發性物質，分析枸杞生長環境對成分的影響。

目前對于黃芪產地的鑒別可采用傳統鑒別法、顯微鏡鑒別法和化學分析等方法。一種快速、準確和操作簡便的黃芪產地鑒別方法，對于監控黃芪上市產品的質量有重大意義。本實驗室采用氣相色譜-離子遷移譜聯用技術結合數字圖像處理，研究黃芪的二維指紋譜的提取，并使用化學計量學方法實現黃芪不同產地的快速判別，結果表明該方法為黃芪的產地鑒定提供指導。

2.2 不同炮制方法對中藥材的影響

中藥的安全性、功效和質量與成分很大程度上受到藥材加工工藝的影響，不同的中草藥材具有不同的加工方法，即使是同一種中藥材，其不同的產地也會采用不同的加工方法，因此，檢驗藥材在加工過程中的成分改變意義重大。

陳樹鵬等[8]采用GC-IMS 技術分析烘干與曬干兩種干燥方式九制陳皮的揮發性成分，采用偏最小二乘回歸分析，探討了不同工藝產品之間的差異。林秀敏等[9]對不同濃度酒洗當歸及酒洗、酒浸、酒炙等不同方法炮制酒當歸樣品進行鑒別并分析其成分變化，為不同當歸炮制品的鑒別以及深入探索炮制對當歸成分變化的影響提供參考。焦煥然等[10]將氣相色譜-離子遷移譜技術與高效液相色譜連用，分析瓜蔞熱風干燥與傳統干燥方式對藥材成分變化的影響，為研發新的瓜蔞干燥工藝、提高瓜蔞產量和藥材品質提供思路。何佳等[11]采用GC-IMS 技術分析加工前后的麥冬樣品中的揮發性有機物，借助主成分分析技術，快速鑒別加工前后的浙麥冬，并對加工前后的浙麥冬進行分類。楊冰月等[12]采用頂空GC-IMS 技術測定款冬花生品和蜜炙品的揮發性有機物，構建頂空氣相色譜-離子遷移指紋圖譜，該方法可用于識別與評價款冬花生品和蜜炙品揮發性有機物的種類和差異。王雨晨等[13]應用GC-IMS 技術快速鑒別和分析不同干燥方法的太子參，為優化太子參的生產及選擇新的質量控制標準提供科學依據。石典花等[14]采用氣相-離子遷移譜聯用技術分析側柏葉及不同炒制程度側柏炭的氣味，以期為建立新的側柏炭的質控標準提供理論依據和技術支持。周倩等[15]通過氣相-離子遷移譜聯用技術分析甘草及其炮制品炙甘草飲片的氣味，并建立指紋圖譜，為甘草和炙甘草飲片的質量評價提供了一種快速高效的新方法。Cao 等[16]采用GC-IMS 技術將白芍生品和炮制品分為兩大類，研究發現生品和炮制品中主要成分含量差異顯著。Li 等[17]采用氣相色譜與離子遷移譜聯用技術相結合的頂空系統作為篩選系統，對白術粗樣品和加工樣品進行了區分，結果表明該方法對分類、鑒別不同炮制工藝的中藥材具有一定的參考價值。

不同的炮制方法可以在一定程度上改變藥材的揮發性物質，使用GC-IMS 技術構建指紋圖譜結合化學計量學方法能夠準確對中藥材炮制工藝過程和炮制程度進行連續控制及判別，同時為炮制過程監督、預警、改良提供可視化的檢測方法。

2.3 中藥材的真偽鑒別

不同道地藥材其有效成分含量也不相同，因此不同產地的中藥材將直接影響臨床療效。目前市場上仍然存在使用假冒偽劣藥材冒充正品藥材的現象，因此，建立準確的藥材鑒別方法對于市場規范和臨床治療意義重大。

樊洪利等[18]使用頂空GC-IMS 技術可快速鑒別北柴胡與藏柴胡。曹雅靜等[19]采用頂空氣相色譜-離子遷移譜聯用技術建立沉香特征峰指紋圖譜，成功鑒定出有浸泡痕跡的沉香偽品。嚴愛娟等[20]首次采用GC-IMS 技術結合化學計量法分析覆盆子及其混淆品山莓氣味中存在明顯差異的化學物質，為覆盆子的鑒偽提供新的思路。王振洲等[21]采用氣相-離子遷移譜聯用技術鑒別紅參、西洋參和人參，通過氣相離子遷移系統聯合數據分析軟件實現參類的產地溯源，為人參的鑒別及臨床使用的準確性給出參考。郭鳳柳等[22]采用氣相-離子遷移譜聯用技術對川貝母及其他貝母進行鑒別，為川貝母的快速真偽鑒別提供新的思路與數據支持。廣陳皮由于其獨特的藥效和口感，價格遠高于其他柑橘品種（統稱“陳皮”）的干果皮。因此，某些商人將陳皮偽裝成廣陳皮，以獲得更高的利潤，Lv 等[23]采用頂空氣相色譜-離子遷移譜聯用技術測定揮發性有機化合物，對廣陳皮和陳皮進行鑒別，分析結果表明，廣陳皮和陳皮通過該方法可以有效區分。

2.4 不同貯藏期中藥材的氣味變化

中藥材受到自然界溫度、濕度、霉菌等因素影響時，會發生霉變和蟲蛀等現象，而失去原有的活性成分，影響其質量和療效，因此可以通過檢測中藥所含化學成分變化從而判斷中藥材是否變質。

林史珍等[24]采用GC-IMS 技術，在高溫高濕加速破壞條件下模擬苦杏仁在貯藏時成分變化的過程，檢測苦杏仁中揮發性物質的變化規律，為評價苦杏仁品質提供了一種快速高效的新方法。Yuan等[25]采用氣相色譜-離子遷移技術探討了如何快速鑒別三種同屬不同種的百合藥材方法。Yang 等[26]采用頂空GC-IMS 技術對金絲小棗進行了不同冷藏期的分析。該技術可以很好地識別紅棗果實的揮發性成分，并根據揮發性成分的差異對不同時期的紅棗果實進行分類。蔡惠鈿等[27]基于GC-IMS 對潮州老香黃在老化過程產生的揮發性物質進行分析，結果表明該方法可以有效區分不同陳化時間老香黃的顯著差異成分。梁天一等[28]通過GC-IMS分析不同年份新會陳皮中的揮發性風味物質，結果表明，不同陳化年份陳皮的揮發性風味物質差異性顯著。同時，GC-IMS 技術也可以對不同產地的陳皮進行風味物質方面的深入研究，未來有可能為陳皮的產地鑒定提供參考依據。

3 展望

GC-IMS 技術在中藥材產地鑒別和假冒偽劣鑒別中具有很大的發展空間，不但可以分析中藥材揮發性有機成分的組成差異，對于揮發性有機成分組成相似的樣品，也可以根據特征性揮發性物質含量差異達到準確分類。GC-IMS 技術在此背景下展現出了良好的應用前景。

GC-IMS 技術在中藥材分析鑒定中的應用已經達到了一定的水平，但仍存在一些不足之處，由于部分試驗樣本量有限，建立的模型可能不是最優模型，且離子遷移譜數據庫還不夠完善，各商業儀器的數據庫也不能通用，仍有部分離子無法鑒別，需通過其他技術進一步進行定性分析。下一步應建立全面詳盡的氣相色譜離子遷移技術數據庫，也可與質譜等技術聯用進一步提高定性能力。我們將在探索中不斷加以完善，達到更有效、更簡單的中藥材質量分析的目的。