红外光谱法对肉苁蓉径向不同部位的分析与评价

分析化学(FENXIHUAXUE) 研究报告ChineseJournalofAnalyticalChemistry

第2期221~226

红外光谱法对肉苁蓉径向不同部位的分析与评价

徐荣 孙素琴 刘友刚 陈君

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123*1

陈士林 周峰

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(中国医学科学院北京协和医科医学院药用植物研究所,北京100094)

3

(清华大学化学系,北京100084) (天津中医药大学基础医学院,天津300070)

摘 要 采用傅里叶变换红外光谱、二阶导数谱和二维相关红外光谱技术对肉苁蓉由表及里3个部位的药材粉末及其水提物和醇提物进行了分析与评价研究。结果表明,肉苁蓉不同部位的一维光谱非常相似,三者相似系数分别为0.9605,0.944和0.976;二阶导数谱中峰位和峰强的差异明显。1430~1700cm-1范围内的二维相关谱中皮部自动峰有3个,而中部及髓部均为4个,更直观的反映出三者的差异。不同部位水提物和醇提物的分析结果进一步明确了肉苁蓉皮部芳香类、环烯醚萜类及糖苷类物质与中部和髓部存在明显不同,而髓部的水溶性多糖、半乳糖醇和苯乙醇苷类物质均高于其它部位。可见红外光谱法结合二维相关红外光谱技术为同种药材不同部位的细微差异分析和评价提供了一种快速、全面和客观的方法和手段。关键词 红外光谱,二维相关红外光谱,肉苁蓉

1 引 言

肉苁蓉(CistanchedeserticolaY.C.Ma)为列当科多年生寄生性草本植物,其干燥带鳞片的肉质茎为我国传统名贵中药材,有补肾阳、益精血、润肠通便之功效。肉苁蓉中活性成分含量丰富而多样,主要含有苯乙醇苷类、环烯醚萜类、木质素类、多糖类以及半乳糖醇等;此外还含有脂类等挥发性成分及游离氨基酸等

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。有研究表明,肉苁蓉上部与下部的有效成分含量差异显著,其中春季药材上部苯乙醇苷和苁

[2]

蓉多糖的含量明显低于下部。然而,肉苁蓉径向不同部位的化学物质种类及分配尚未见相关报道。

傅里叶变换红外光谱法(FT2IR)是一种常用的结构分析技术,具有宏观整体鉴定复杂体系的优点及无损快速等特点,在各个学科领域发挥了重大作用,如复杂混合物的分析鉴定、活体细胞的损伤监控、食品药品真伪优劣的快速鉴别、药材及其它物质不同部位的成分分析和比较等等

[3~5]

。近年来,二维红

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外相关光谱技术(2D2IR)的发展使红外光谱的分辨率以及谱图的识别能力有了新的突破。本研究

采用红外光谱法并结合二维相关分析技术,研究肉苁蓉不同部位的化学成分差异,探索一种快速全面评价药材质量新的方法和手段,为名贵濒危中药资源肉苁蓉的合理开发利用提供理论基础。

2 实验部分

2.1 仪器设备

SpectrumGXFTIR红外光谱仪(Perkin2Elmer公司),光谱分辨率4cm,扫描范围400~4000cm,扫描信号累加16次。变温加热仪器使用北京朝阳自动化仪表厂的CKW2Ò温控仪。2.2 样品来源与制备

肉苁蓉样品由药用植物研究所陈君研究员提供并鉴定,为秋天采挖的未出土肉苁蓉。取新鲜肉苁蓉肉质茎,先将带鳞片的表皮部约0.5cm的环形区域剥离得肉苁蓉药材的皮部;然后将中部波状维管束分布区约1cm的环形部分分离即为中部;剩下的部分是直径约1cm的髓部。60e烘干后粉碎,并过0.098mm孔径筛。不同部位各取1g粉末两份,分别用蒸馏水和无水乙醇超声提取10min后,再分别经冷冻干燥和真空干燥制备得到水提物和醇提物。2.3 实验方法与数据处理

采用KBr压片法制样,获得一维红外光谱图。另将所压样品装入变温附件,温度从50e逐步升高

2008207218收稿;2008209204接受本文系国家自然科学基金(No.30772727)和国家科技支撑计划项目(Nos.2004BA721A36,2006BAI06A13205)资助*E2mai:ljunzichen603@yahoo.com.cm

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到120e,程序控制,等间隔采样,每隔10e采集1次红外光谱图,得一系列动态光谱图。二阶导数谱的获得采用Perkin2Elemer公司SpectrumV5.02操作软件,平滑点数为13。二维相关红外光谱的获得采用清华大学分析中心红外光谱组自行设计的二维相关分析软件。

3 结果与讨论

3.1 肉苁蓉药材不同部位的分析与比较3.1.1 肉苁蓉药材不同部位的一维红外光谱分析 如图1所示,肉苁蓉径向不同部位的一维图谱形非常相似,谱峰的位置和峰高都比较接近。根据文献[3~8]对主要红外吸收峰进行指认和归属:3390、3334cm为多糖类、苷类、糖醇类等化合物中羟基OH键的伸缩振动;2927cm附近为亚甲基的CH伸缩振动,结合1420、1403、1337cm

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附近的

CH的弯曲振动峰说明肉苁蓉的化

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合物成分含有较多饱和烷基;1730cm附近是羧酸类或酯类物质中CO的伸缩振动峰;1627~1633cm主要为水

的OH弯曲振动,蛋白质的酰胺Ñ带 图1 肉苁蓉不同部位的红外吸收光谱

-Fig.1 FTIRspectraofdifferentpartsfromCistanchedeserticola

及植物中有机酸盐的COO不对称伸缩振动,以及芳香烃的苯环伸缩振动,与

a.皮部(cortex);b.中部(middlepart);c.髓部(centralpart)。

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肉苁蓉中苯乙醇苷类、生物碱、黄酮类、环烯醚萜类等物质的结构吻合;1240cm处为糖类、糖苷、脂类

中CC骨架、COC及PO的伸缩振动峰,同时包含蛋白质酰胺Ó带特征峰;最高峰是1050cm附近多个峰重叠而成的宽强峰,归属为多糖、苷类物质中COH弯曲振动;994和928cm

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分别为糖环的对称和不对称伸缩振动。总之,一维图综合反映出肉苁蓉化学成分具有多样性和复杂性。利用Spectrumv5.02软件的compare功能计算三者的相似系数得皮部与中部、皮部与髓部、中部与髓部分别为0.9605、0.944和0.976,说明三者间相似度较高,但也存在一定的差异。皮部与髓部的差异已经比较显著。从图1中可以看到髓部在1403和1337cm处有中等强度的吸收峰,而皮部和中部均不明显。此外,中部及髓部均在1243cm附近有一吸收峰,而皮部的红移到了1255cm处,说明皮部的糖类和糖苷类等物质与其它两个部位存在差异。

3.1.2 肉苁蓉药材不同部位的二阶导数红外光谱分析 肉苁蓉的化学物质组成复杂,二阶导数谱还可以呈现出许多被掩盖谱峰的斜率变化特征。从图2可以看到,在高分辨的二阶导数谱中肉苁蓉不同部位的谱峰特征均明显增多,显示差异也有所增大,原谱中差异不显著的各峰位处,如1630和1050cm附近区域也呈现处多样的峰形和不同的强度。许多被掩盖的吸收峰显现出来,如蛋白质的酰胺Ñ带和Ò带的特征峰1660和1580cm。1600~1450cm范围内的出现苯环骨架的伸缩振动峰,可以看出3个部位在此范围内差异很大,并且以髓部的峰最多且强度较强,说明髓部的芳香类化合物如苯乙醇苷

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类等种类较多且含量丰富;而皮部1517cm处的峰形与其它部位明显不同,说明皮部含有特殊的芳香类化学成分。此外,皮部和中部1400、1337及1237cm处的峰均显露出来,说明此范围内它们与髓部的成分大多数是一致的,只是含量有所差异。皮部和中部在1162和1078cm处的峰均明显高于髓部,而982、920、860及831cm附近代表糖环的峰却低于髓部,说明皮部中部的纤维素成分较多,而可溶性

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的多糖和糖苷类含量较低。同时,3个部位在767、714及665cm处的芳核定位峰也存在较大差异,这说明三者的芳香类成分组成不同。

3.1.3 肉苁蓉药材不同部位的二维相关红外光谱分析 二维相关红外分析利用在不同外界微扰下体系中各组分有关基团分子振动行为的差异提高图谱分辨率,从而获得普通红外光谱及其导数谱上得不

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到的信息。实验以热微扰为诱因,选取1700~1430cm波段对肉苁蓉不同部位进行了二维同步相关红外分析比较。如图3所示,在1430~1700cm波数范围内,皮部的明显自动峰有3个,分别位于-1

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图2 肉苁蓉不同部位的二阶导数谱

Fig.2 SecondaryderivativeIRspectraofdifferentpartsfromCistanchedeserticola

a.皮部(cortex);b.中部(middlepart);c.髓部(centralpart)。

1460、1565和1660cm处,并成3@3矩阵,其

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中1565cm处的自动峰最强,而1565和1660cm是蛋白质的酰胺带特征峰,这说明皮部的氨基酸的含量较高。相比之下,中部的明显自动峰有4个,说明中部对温度敏感的化学成分较皮部多,其中1665cm的自动峰是最强峰,是酰胺Ñ带的特征峰。髓部的明显自动峰有5个,说明其热敏感成分最多,与其一维图显示的该波数范围内吸收峰最丰富是相关的。此外,髓部除1660cm附近有一强自动峰外,在1400~1480cm之间还有两个很强的自动峰,它们都属于苯环骨架的伸缩振动峰,这与中部、皮部的谱图均有明显差别。3.2 肉苁蓉不同部位水提物、醇提物的分析与比较

由于药材中存在难溶和不溶性物质,对一些较微量的活性化学成分有掩盖作用。为此,

进一步分析了肉苁蓉不同部位的水提物和醇 图3 肉苁蓉不同部位的二维相关谱提物的三级指纹特征。3.2.1 不同部位水提物、醇提物的一维红外光谱分析 如图4所示,不同部位的水提物、

Fig.3 2DcorrelationIRspectraofdifferentpartsfromCistanchedeserticola

a.皮部(cortex);b.中部(middlepart);c.髓部(centralpart)。

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醇提物的一维红外光谱图仍然非常相似,计算3种水提物的相似系数得皮部与中部、皮部与髓部、中部与髓部分别为0.9481、0.9692和0.979;同样得醇提物的相似系数分别为0.9029、0.8397和0.9834。可见,水提和醇提能在一定程度上使某些部位的相似性增加,也可以增加某些部位的差异。由于共同不溶物质如纤维素的去掉,皮部与中部水提、醇提物的相似性都明显降低;而质地均一柔软的髓部与还有维管束的中部之间的差异均明显减小,说明除维管束外,中部与髓部的化学成分基本一致;而髓部与皮部醇提物的差异更加明显。而药材粉末的相似系数从0.944降低到0.8397,说明皮部的醇溶性成分如苯乙醇苷类等物质的含量明显低于髓部。此外,从图4中还可以看出肉苁蓉药材水提物的主要成分是水溶性的多糖类,因此其最高峰在1059cm附近;而醇提物在1730、1629、1455及1399cm处的吸收峰较药材粉末中的更加尖锐并且在3个部位的差异更加明显,说明其中的挥发性和芳香类成分差异显著。-1

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图4 肉苁蓉不同部位水提物、醇提物的红外吸收光谱

Fig.4 FTIRspectraofdifferentpartsfromCistanchedeserticolawaterextractandethanolextract

a.皮部水提物(waterextractofcortex);b.中部水提物(waterextractofmiddlepart);c.髓部水提物(waterextractofcentralpart);d.皮部醇提物(ethanolextractofcortex);e.中部醇提物(ethanolextractofmiddlepart);.f髓部醇提物(ethanolextractofcentralpart)。

同时,醇提物中的1079和1020cm处的双峰也显现出来,这是甘露醇、半乳糖醇等邻二羟基化合物的特征峰,说明它们在醇提物中的含量明显增加。

3.2.2 不同部位水提物、醇提物的二阶导数红外光谱分析 图5是肉苁蓉不同部位的醇提物及水提物的二阶导数谱图。所有的提取物在1493、1473、1455、1399、1336及1141cm处都存着比较相似的峰,

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说明肉苁蓉药材中含有一些即溶于水又溶于醇的化学成分。而醇提物中1263cm处环烯醚萜类COC的伸缩振动峰在水提物中并不存在。不同部位的水提物均存在1104、1079、1052及985cm处水溶性多糖的特征峰;但皮部水提物中1562cm处的蛋白质酰胺带较其它部位明显,说明

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皮部含有较多的水溶性蛋白;而髓部与中部的峰形、峰位均特别相似,但髓部1680和831cm处的苯环

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图5 肉苁蓉不同部位水提物、醇提物的二阶导数谱(1750~600cm-1)

Fig.5 SecondaryderivativeIRspectraofdifferentpartsfromCistanchedeserticolawaterextractandethanolextract

a.皮部水提物(waterextractofcortex);b.中部水提物(waterextractofmiddlepart);c.髓部水提物(waterextractofcentralpart);d.皮部醇提物(ethanolextractofcortex);e.中部醇提物(ethanolextractofmiddlepart);.f髓部醇提物(ethanolextractofcentralpart)。

的特征峰更明显。醇提取物的二阶导数谱中皮部与其它两部位的差异更加显著,如1631、1473、1170、884及872cm处的一系列峰形和强度均与中部和髓部的不同。同时,发现醇提物中1080、1020和631-1

cm处邻二羟基化合物的特征峰更加明显;结合半乳糖醇的二阶导数谱特征(图5d),可以看出皮部的

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含量明显低于中部和髓部,而髓部1020和631cm处的峰最高,说明髓部邻二羟基化合物的含量最高。3.2.3 不同部位的水提物、醇提物的二维相关红外光谱分析 由一维红外光谱和高分辨的二阶导数谱-1

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都观察到肉苁蓉不同部位的水提、醇提物所含化合物的差异,而进一步观察在热微扰情况下动态光谱中的结构特征也是必要的。1430~1700cm范围的二维相关红外光谱,主要包含CO伸缩振动峰、蛋

白质酰胺带振动峰及一些芳香类物质的骨架振动峰。如图6所示,3部分醇提物的明显自动峰都有3个,并且均位于1458、1614和1660cm处,但皮部及髓部醇提物的最高自动峰位于1458cm处,以皮部的峰形更为尖锐,而中部醇提物的最高自动峰位于1660cm处;这些差异说明以3个部位醇提物中的芳香类化合物组成和含量存在一定的差异。1000~1250cm范围内主要是多糖类、环烯醚萜类的CO伸缩振动和糖苷类物质的骨架振动区域。如图7所示,此范围内不同部位水提物的二维相关谱图中的明显自动峰均有4个,且最高峰均位于1034cm附近,髓部的红移至1040cm处,但其它峰形和强度的差异比较显著,如皮部1070、1095、1190cm处的峰强度均低于中部和髓部,而髓部的交叉峰多数为正相关峰。以上差异进一步说明肉苁蓉不同部位的提取物中的多糖类、环烯醚萜类及苷类等物质存在一定差异,特别是皮部明显低于其它两部位。

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图6 肉苁蓉不同部位醇提物的二维相关谱

Fig.6 2DcorrelationIRspectraofaqueousandethanolex2tractsfromdifferentpartsofCistanchedeserticola

a.皮部(cortex);b.中部(middlepart);c.髓部(centralpart)

图7 肉苁蓉不同部位水提物的二维相关谱Fig.7

2DcorrelationIRspectraofaqueousandwater

extractsfromdifferentpartsofCistanchedeserticola

a.皮部(cortex);b.中部(middlepart);c.髓部(centralpart)。

研究表明,肉苁蓉径向不同部位的化学组成存在一定的差异,特别是皮部的芳香类、环烯醚萜类及糖苷类物质均与中部和髓部存在明显不同,这与其变态叶2鳞片的贡献有关;而中部除维管束的主要成分纤维素、木质素与髓部存在较大差异外,其水提、醇提物均与髓部非常相似,而含量低于髓部。因此,秋天采收的肉苁蓉因其尚处营养生长阶段,髓部比例较大,有效成分含量相对较高;而春季采收药材开始进入生殖生长阶段,髓部营养消耗,使药材质量下降。因此,红外光谱法结合二维相关技术为同种药材不同部位的细微差异分析和评价提供了一种有效、简便和直观的方法和手段;在全面快速评价药材质量方面具有其独到的优势。References

1 ZhangHong2Lei(张红雷),DuNian2Sheng(堵年生).ChineseTradit.PatentMed.(中成药),2003,25(4):323~327

226

分析化学第37卷

2 WangLi2Nan(王丽楠),ChenJun(陈 君),YangMei2Hua(杨美华).ChinaPharmacy(中国药房),2007,18

(21):1620~1623

3 SunSu2Qin(孙素琴),DuDe2Guo(杜德国),LiangXi2Yun(梁曦云),YangXian2Rong(杨显荣).ChineseJ.Anal.Chem.(分析化学),2001,29(3):309~312

4 SunSu2Qin(孙素琴),LiangXi2Yun(梁曦云),YangXian2Rong(杨显荣).ChineseJ.Anal.Chem.(分析化学),

2001,29(5):552~5

5 LiZhan2Long(李占龙),ZhouMi(周 密),ZuoJian(左 剑).ChineseJ.Anal.Chem.(分析化学),2007,35(11):

1636~1638

6 SunSu2Qin(孙素琴),LiuJun(刘 军),ZhouQun(周 群).ChineseJ.Anal.Chem.(分析化学),2002,30(2):

140~143

7 HuaR,SunSQ,ZhouQ,NodaI,WangBQ.J.Pharm.Biomed.Anal.,2003,33:199~202

8 ZhouQun(周 群),LiJing(李 静),LiuJun(刘 军).ChineseJ.Anal.Chem.(分析化学),2003,31(9):

1058~1061

9 SunSuqin(孙素琴),ZhouQun(周 群),Qinzhu(秦 竹).AtlasofTwo2dimensionalCorrelationInfraredSpectrosco2pyforTraditionalChineseMedicineIdentification(中药二维相关红外光谱鉴定图集).Beijing(北京):ChemicalIndustryPress(化学工业出版社),2003:1~10

AnalysisandEvaluationofDifferentRadialPartofCistanche

DeserticolabyFourierTransformInfraredSpectroscopyandTwo2dimensionalInfraredCorrelationSpectroscopy

XURong1,SUNSu2Qin2,LIUYou2Gang3,CHENJun*1,CHENShi2Lin1,ZHOUFeng1

1

(TheInstituteofMedicinalPlantDevelopment,ChineseAcademyofMedicalSciencesand

PekingUnionMedicalCollege,Beijing100193)

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(DepartmentofChemistry,TsinghuaUniversity,Beijing100084)

(TianjinUniversityofTraditionalChineseMedicine,Tianjin30070)

Abstract Fouriertransforminfraredspectroscopy(FTIR)combinedwithtwo2dimensionalcorrelationspec2troscopy(2D2IR)wasusedtoanalyzeandevaluatethedifferentpartsofCistanchedeserticola.ThecrudedrugsofCistanchedeserticolaandtheirdifferentextractswerebothreferred.Theresultsoftheanalysisshowedthatsingle2dimensionalFTIRofthedifferentpartsfromCistanchedeserticolawereverysimilar,wherethesimi2

laritycoefficientsare0.9605,0.944and0.976,respectively.Moreover,theshapeandintensityofthepeaksweremoredistinctinthesecondaryderivativeIRspectraofthedifferentparts.Thefingerprintcharactersofthedifferentpartsin2D2IRspectraweremorevisualized.Intherangeof1430-1700cm,3strongautope2akswerearousedinthecortex,but4autopeakinthemiddleandcentralparts.ThespectraofaqueousandalcoholicextractsfromdifferentpartsofCistanchedeserticolashowedthataromaticcompounds,iridoidsandindicansinthecortexweredifferentfromthatofthemiddleandcentralparts.Aswel,lthecontentsofwater2solublepolysaccharide,galactitolandphenylethanoidglycosidesinthecentralpartwerehigherthantheotherparts.Therefore,FTIRcombinedwith2D2IRwasanexpressandcomprehensiveapproachtoanalyzeandevaluatetheimperceptibledifferencesamongdifferentpartsofthemedicinalherbsimpersonally.Keywords Fouriertransforminfraredspectroscopy,Cistanchedeserticola

(Received18July2008;accepted4September2008)

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two2dimensionalinfraredcorrelationspectroscopy,