利用XRD和热质联用技术对巴戟天不同部位的分析

杨德忠,靳贵英,林生文

(广东省食品药品检验所,广州510180)

利用XRD和热质联用技术对巴戟天不同部位的分析

杨德忠,靳贵英,林生文

(广东省食品药品检验所,广州510180)

利用X射线衍射(X-ray diff raction,XRD)技术和热质联用分析技术对中药材巴戟天的不同部位进行了研究.结果发现,巴戟天肉和巴戟天木芯具有不同的衍射特征和热分析质谱特征,说明这两种现代方法可用于中药材不同部位的鉴定.

X射线衍射;热质联用;巴戟天;中药材

巴戟天(Morinda)为茜草科巴戟天属多年生攀援木质藤本植物,别名巴戟、鸡肠风等,主要产于福建、广东、广西等地区.巴戟天因其木芯质量大、含糖量少等原因而多以肉质的根入药,和槟榔、益智、砂仁并列为我国著名的四大南药,具有补肾壮阳、强筋骨、祛风湿、固精髓、抗衰老、抗肿瘤和抗抑郁的作用,可用于治疗阳痿遗精、宫冷不孕、月经不调、少腹冷痛、风湿痹痛、筋骨痿软等症状[1-6].现代研究结果表明:巴戟天主要含有环烯醚萜、低聚糖、蒽醌、多糖、香豆素类、氨基酸、蛋白质、有机酸、黄酮类、挥发油、甾体、酚类等多种化学成分,其中巴戟天的有效部位主要含有糖及蒽酮类,尤其是糖类具有促进免疫等功效.巴戟天的炮制方法多样,其中以巴戟天肉、盐巴戟天和制巴戟天这三种炮制饮片的规格最为常见,其炮制方法沿袭至今并为现行版《中国药典》收载,且明确规定需去除木芯[7-8].已有研究结果表明,巴戟天炮制方法的不同影响其多糖的含量[9].田少雄等[10]利用紫外法对巴戟天肉和巴戟天木芯进行了研究,发现糖分主要分布在巴戟天肉中,木芯中含量较低,所以除芯可使药材得到净化,临床用药量更加准确.黄珍珍[11]和Choi等[12]也通过多糖含量的测定比较出巴戟天肉和木芯具有一定的区别.巴戟天不同部位的比较研究多采用紫外法,普遍存在灵敏度不高、专属性较差、差异性不明显等缺点.

近年来,X射线衍射(X-ray diff raction,XRD)和热质联用技术被越来越多地应用到药物分析之中.这些先进技术可以提供更加详细的样品图谱信息,为探究药物的本质规律起到重要作用[13-20],其中粉末XRD技术已发展成为最重要的材料分析测试技术之一,具有操作简便、迅速、信息全面、样品用量少、对样品无损害、无污染、衍射强度准确等优点[21-23].物质的结构决定了其XRD图谱,图谱中携带着大量丰富的物质结构信息,可用于样品的结构测定,进而能从样品的结构探究样品的性能、属性的根源[24].热质联用技术突破了传统的热分析技术的应用范围,除了对程序升温过程中样品出现的质量、热量变化等进行测定外,还能同时对其逸出的气体组分进行质谱表征.因此,热质联用技术在化工、航天、生物、医药等研究中得到日益广泛的应用[25-29].本工作利用粉末XRD和热质联用分析技术,对巴戟天药材的不同部位(肉和木芯)进行了详细研究,获得了巴戟天不同部位的XRD图谱和特征标记峰值,以及二者在热分析质谱方面的区别,为巴戟天不同药效部分的深入研究提供了新的思路.

1 实验材料

粉末X射线衍射仪(Rigaku U ltimaⅣ型,配10位旋转样品台,日本理学公司);BLK II-5FF-RL冷却循环水系统(北京众合创业科技发展有限公司);Thermo Mass Photo型热分析质谱联用仪(日本理学公司);A11basic型粉碎机(德国IKA公司);标准100目网筛,对应筛孔尺寸为0.15mm.巴戟天药材经广东省食品药品检验所中药室鉴定并提供.

2 实验仪器与方法

2.1 样品的制备

将巴戟天药材除去外表所附泥沙,清理干净,抽离木芯.分别将巴戟天肉和木芯用粉碎机打碎,并过100目筛.将样品直接放置于衍射仪所配圆形样品盘上,紧压密实后进行测试.将样品直接放置于热分析质谱仪所配置的氧化铝样品盘上,上机测试.

2.2 粉末XRD实验条件

Cu Kα石墨单色器,管压为40 kV,管流为40mA;连续扫描方式,2θ扫描范围为8◦～60◦,扫描速度为5(◦)/min,扫描步长为0.02(◦)/min;样品台旋转速度为60 r/min;发散狭缝为1/2◦,限高狭缝为10mm,防散射狭缝和接收狭缝均为开放状态.

2.3 热质联用实验条件

本工作所用热重分析仪与质谱仪的接口为一双孔结构锥形分离器(Skimmer),Skimmer与样品同置于炉膛内,且长度很短,避免了由毛细管连接的热分析质谱仪在逸出气体传送过程中发生的凝结、变质及热失重与质谱测试不同步的问题.仪器配有光离子源(photonionization, PI)和电子碰撞电离源(electron-impact ionization,EI)两种离子源,其中PI是一种软电离,几乎不产生碎片,可直接测定逸出的有机气体的分子量.

本工作的测试条件如下:样品量为5±2 mg;m/z=5～410;气氛为He气,流速为300 mL/min;升温速率为5◦C/min;使用PI时的温度范围为室温～600◦C,使用EI时的温度范围为室温～250◦C.

3 结果与讨论

3.1 粉未XRD分析

3.1.1 扫描速度的影响

本工作研究了不同扫描速度对测试结果的影响.结果表明,随着扫描速度的增加,实验所耗时间越短,但同时背景值偏高,峰形较差;而随着扫描速度的降低,扫描时间增加,但基线较为平整,峰形较好.综合考虑,本工作选取了5(◦)/min的扫描速度.

3.1.2 样品台旋转速度的影响

本工作研究了不同样品台旋转速度对测试结果的影响.结果表明,样品台旋转速度越慢,仪器所采集的晶面数据相对较少,代表性较弱;而旋转速度较快,对仪器的损伤较大,且较快的转速可能会导致样品台上的样品粉末甩出洒落,污染机器.综合考虑,本工作选取了60 r/min的旋转速度.

3.1.3 XRD分析

图1为在上述优化条件下,巴戟天不同部位的粉末XRD图.因巴戟天属于植物性药材,不同于金属、矿物等无机材料,其主要以无定型态存在,所以巴戟天在2θ为20◦左右出现了较大的包峰.由图1可知,巴戟天不同部位的XRD衍射峰不论在数量上还是强度上都存在着很大的差异性.通常XRD图谱中衍射峰的绝对强度意义不大,而是采用相对强度I/I0的方式进行分析,即将衍射图谱中最强的衍射峰强度记为I0,其他峰与其进行比较.本工作使用晶面间距d(nm)和相对强度I/I0来表示XRD实验数据,记为d/(I/I0).

图1 巴戟天肉和木芯的XRD图谱F ig.1 XRD patterns of Morinda meat and core

由图1可见,巴戟天木芯(上方曲线)的XRD图谱共有29个衍射峰,分别为0.734/10, 0.591 54/100,0.579 6/25,0.548/14,0.501 1/7,0.411 2/30,0.364 20/73,0.308/5,0.297 1/26, 0.295 9/25,0.291 1/11,0.283 8/7,0.249 19/12,0.242 52/73,0.235 36/31,0.225 86/8, 0.221 20/3,0.213 4/2,0.208 99/81,0.197 57/8,0.195 39/6,0.193 27/6,0.188 96/3, 0.184 8/2,0.182 29/5,0.179 32/3,0.173 64/5,0.170 00/2,0.158 8/2;巴戟天肉的XRD图谱共有23个衍射峰,分别为0.733 5/88,0.592 3/40,0.580 6/14,0.542 9/20,0.500 9/62, 0.485 8/10,0.410 5/93,0.364 37/31,0.338 9/9,0.334 74/51,0.319 5/6,0.296 43/18,0.291 2/9, 0.284 2/4,0.258 3/5,0.249 9/5,0.24813/17,0.242 60/87,0.235 20/12,0.220 4/3,0.209 10/100, 0.182 54/6,0.182 0/3.

分析以上数据可以发现,巴戟天的不同部位(木芯和肉)有着共同的特征参数——晶面间距d为0.73,0.59,0.58,0.54,0.50,0.41,0.36,0.29,0.28,0.24,0.22,0.21和0.18 nm.下列峰可作为巴戟天肉的XRD特征标记峰值:0.733 5/88,0.592 3/40,0.580 6/14,0.542 9/20, 0.500 9/62,0.485 8/10,0.410 5/93,0.364 37/31,0.334 74/51,0.319 5/6,0.296 43/18, 0.24813/17,0.24260/87,0.23520/12和20910/100.而以下峰可作为巴戟天木芯的XRD特征标记峰值:0.734/10,0.591 54/100,0.579 6/25,0.548/14,0.501 1/7,0.411 2/30, 0.364 2/73,0.295 9/25,0.291 1/11,0.283 8/7,0.249 19/12,0.242 52/73,0.235 36/31, 0.225 86/8,0.221 20/3和0.208 99/81.从以上数值可以看出,二者之间含有相似的晶体.另外由于生长部位的不同,以及所受气候、温度、土壤等外界条件影响,各自又存在一些不同的特征值.根据这些特征值就可以明确二者之间的区别,通过不同样品的图谱及数据进行相应部位的鉴别.

3.2 热质联用分析

图2为测试得到的巴戟天肉和木芯的热质联用三维矩阵图,其中横坐标为温度,纵坐标为质荷比,z轴为离子响应强度.由图可见,随着温度的升高,巴戟天不同部位逸出气体的情况明显不同.

图2巴戟天肉和木芯的热质联用三维矩阵图Fig.2 Three-dimensional matrix graphs of thermoanalysis-mass spectrometry of Morinda meat and core

图3 为测试所得巴戟天肉和木芯的热重(thermogravimetric,TG)和微商热重(derivative TG,DTG)分析曲线.由图可知,巴戟天的两个不同部位都出现了两个连续的失重阶段.巴戟天肉的第一失重阶段为50.6～244.9◦C,失重率为34.70%,最大失重速率处的温度为209.7◦C;第二失重阶段为244.9～512.1◦C,失重率为36.46%,最大失重速率处的温度为317.7◦C.巴戟天木芯的第一失重阶段为52.1～239.1◦C,失重率为22.72%,最大失重速率处的温度为205.9◦C;第二失重阶段为239.1～529.1◦C,失重率为51.68%,最大失重速率处的温度为325.1◦C.比较二者后发现,巴戟天木芯在483◦C处还出现了一个很小的失重区.

图4为巴戟天肉和木芯两个失重阶段中最大失重速率处的质谱图.由图可见:第一失重阶段两个部位的逸出气体基本相同,是相对分子质量为126的物质,巴戟天肉中该物质的逸出浓度相对较高;而在第二失重阶段,两个部位的逸出气体情况差别较大,相对分子质量为150, 154,166的物质在巴戟天肉的质谱图中没有发现,相对分子质量为144的物质在巴戟天木芯的质谱图中没有发现,相对分子质量为126的物质在巴戟天肉中的逸出浓度最高,相对分子质量为98的物质在巴戟天木芯中的逸出浓度最高.

图3 巴戟天肉和木芯的热重分析曲线Fig.3 TG-DTG curves of Morindameat and core

图4 巴戟天肉和木芯两个失重阶段中最大失重速率处的质谱图Fig.4 Mass spectrometry of Morinda meat and core at the maximumrates with the two loss-weight stages

因为中药材巴戟天的化学成分非常复杂,且在测试中随着温度的升高其某些成分还会发生分解.为了对相对分子质量为126的物质进行定性分析,本工作又以EI为离子源,在室温～245◦C范围内对巴戟天肉进行了测试.经检索美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)数据库发现,此物质可能为甘露糖,匹配度为70%(见图5).甘露糖可能是巴戟天肉中所含的耐斯糖受热分解的产物.以巴戟天肉为例,图6列出了水的提取离子流色谱图.由图可知,巴戟天肉在失重初期主要是水分的逸出,而在200～250◦C时由于糖类等大分子物质的分解产生大量的水.

图5 NIST数据库检索匹配率最高的物质F ig.5 Highestmatch material in NIST database

图6 水的提取离子流色谱图F ig.6 Chromatography of extraction ion flow of water

综上分析,巴戟天肉和木芯都是以两个不同的台阶分解,但是两个部位失重的台阶又各不相同.巴戟天肉的失重台阶范围为50～420◦C,失去近75%的重量;而巴戟天木芯的失重台阶范围为200～400◦C,失去近43%的重量,其原因可能是巴戟天肉中含水量和结晶物质较多.此外,巴戟天肉降解产物的释放范围要宽于巴戟天木芯,表明巴戟天木芯中含有的降解产物结合得更为牢固,而巴戟天肉的降解产物结合相对较弱,可能是受到其所含水合物及多糖的影响[9].

4 结束语

从巴戟天肉和木芯的XRD图谱可以看出,二者的几何拓扑图形存在一定的相似性,说明二者的归属一致,但因所在部位的不同,二者又呈现出较大的差异性.总体来说,巴戟天木芯在衍射峰的数量和强度上都较强于巴戟天肉,说明巴戟天木芯的晶化程度较高、晶粒较大,相对应晶面的生长也较为有序.利用这种差异就可以使用XRD技术对巴戟天不同部位进行鉴别,从而可以推广至其他中药材种类和部位的鉴别.

巴戟天样品的热质分析进一步佐证了二者之间存在的差别,并且可以实时动态监控不同时间条件下,样品降解所产生的变化,获得大量信息.但由于中药材成分复杂,对于其降解产物的归属还需要进一步探究.

总而言之,利用粉末XRD技术和热质联用技术等现代分析手段可以鉴别复杂的中药材,尤其对于同一药材的不同部位也可进行精细区分.

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Analysis of d iff erent parts of Morinda using XRD and thermoanalysis-mass spectrometry techniques

YANG Dezhong,JIN Guiying,LIN Shengwen
(Guangdong Institute for D rug Control,Guangzhou 510180,China)

This paper studies the diff erent parts ofMorinda with X-ray diff raction(XRD) and thermoanalysis-mass spectrometry techniques.The results show that diff erent parts of Morinda have diff erent XRD characteristics and thermoanalytic characteristics.The two methods can be used for identification of diff erent parts of Chinese herbalmedicine.

X-ray diff raction(XRD);thermoanalysis-mass spectrometry;Morinda; Chinese herbalmedicine

O 722

A

1007-2861(2017)04-0628-08

DO I:10.12066/j.issn.1007-2861.1693

2015-09-25

广东省科技厅基金资助项目(2014A040401047);广东省中医药局科研资助项目(20162032)

靳贵英(1977—),女,副主任药师,博士,研究方向为药物分析及检测.E-mail:jingy654321@126.com