利用气流吹扫微注射器萃取技术分析植物释放挥发性物质的昼夜节律

杨翠, 何苗, 张美花

(长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室 (延边大学),吉林延吉133002)

利用气流吹扫微注射器萃取技术分析植物释放挥发性物质的昼夜节律

杨翠, 何苗, 张美花

(长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室 (延边大学),吉林延吉133002)

利用气流吹扫微注射器萃取技术和气相色谱-质谱对植物(碰碰香)释放的挥发性物质进行实时监测,分析其昼夜节律变化.实验定性了22种挥发性物质,其中单萜类化合物种类最多(9种);大多数挥发性物质在07:00～17:00之间达到释放高峰,少数物质在21:00至次日05:00达到释放高峰;不同类挥发性物质释放量的变化情况存在差异性.实验表明:气流吹扫微注射器萃取技术实现了自然状态下对植物释放的挥发性物质的监测,是一种新型的、非破坏性的实时监测植物释放挥发性物质的技术.

气流吹扫微注射器萃取;碰碰香;挥发性物质;昼夜节律;气相色谱-质谱;实时分析

0 引言

植物是环境中挥发性气体的主要来源之一.绝大多数植物都是通过叶片气孔向大气中释放各种挥发性物质[1],这些挥发性物质可以作为植物间以及植物和昆虫之间传递行为信息的化学信号[2-5],而且对其周围的环境产生一定影响[6],因此,对植物释放的挥发性物质进行实时分析监测具有重要意义.

常用来提取植物中挥发性物质的方法有溶剂萃取法、水蒸气蒸馏法[7]等,但这些方法都无法在自然状态下对挥发物进行采集,不能反映当时植物中挥发性物质的真实情况.近年来,随着挥发性物质采集技术的不断完善,出现了直接采集法和间接采集法.直接采集法是指直接采集气体样品进行分析检测.常用的采集容器有不锈钢罐、注射管、采样袋等.间接采集法是指将气体中的待测挥发性有机物吸附在另一载体中,再通过解吸过程对待测物进行分析检测.按解吸的途径不同,间接采集法主要分为吸附-溶剂洗脱法、吸附-热脱附法和固相微萃取法.这些方法虽然可以检测活体植物的挥发性物质,但是也存在一些缺点,例如:直接采集法受外界因素干扰很大,灵敏度低;间接采样法需对吸附材料、解析溶剂和解析温度进行选择,而且很难实现实时分析(吸附过程一般需要较长的时间);固相微萃取法回收率和精密度不高,且固相微萃取纤维头昂贵、易碎、使用寿命短[8-9].更重要的是这些方法很难在自然状态下对植物释放挥发成分的原有信息进行检测分析.

气流吹扫微注射器萃取技术(GP-MSE)是近年来发展起来的一种新型样品前处理技术.该技术是基于液相微萃取[10]和气流式顶空液相微萃取技术而开发的[11],具有快速、经济、环境友好、萃取效率高等优点,已成功应用于环境样品和植物样品中挥发性和半挥发性物质(有毒有机污染物和挥发油)的检测中.本文利用气流吹扫微注射器萃取与气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术实时检测植物(碰碰香)释放的挥发性物质,通过分析挥发性物质的化学成分及含量来探讨植物释放挥发性物质的昼夜节律.

1 实验部分

1.1 仪器与溶剂

仪器有:GC-MS 2010(日本岛津公司),250 m L微型注射器(美国 HAMIL TON公司),AS20500A H型超声波清洗器(天津 AU-TOSCIENCE公司),进样垫(日本岛津公司),聚四氟乙烯管,温度计.试剂有:正己烷,二氯甲烷,甲醇,均为色谱纯.

1.2 实验过程

样品采集:将植物样品放置在密封的容器中,从底部注入已净化的空气(气体流速为 2 mL/min),使用注射器在顶部进行样品采集(图1).采集时间为2011年4月14日至15日,每隔2 h采集一次样品,每个样品采集时间为10 min,共采集12个样品.具体时间为:09:00,11:00,13:00,15:00,17:00,19:00,21:00,23:00,次日 01:00,03:00,05:00,07:00.

将植物放入密闭的容器中,非采样时间取下容器上、下端的进样垫,采样时如图1安装.从左下端通入净化的空气(流速为2m L/m in),在容器右上端的250μL微注射器(依次用甲醇、二氯甲烷、正己烷洗涤[12])内加入20μL正己烷作为萃取溶剂萃取.萃取10min后,用正己烷定容至100 μL,取2μL进 GC-MS分析.整个实验过程在室温下进行.

图1 挥发性气体采集装置(1为注射器;2为进样垫;3为温度计)

1.3 GC-MS分析条件

GsBP-5 MS毛细石英柱(30 mm×0.25 mm×0.25μm),载气为氦 (纯度 ≥99.99%),进样口温度为280℃,进样量为2μL,采用不分流模式进样.载气(He)流速为0.98 m L/min,升温程序为:初始温度 45℃,6℃/min升至 250℃,10℃/min升至280℃,保持5 min.离子源为 EI,温度为200℃,电子能量为70 Ev.

2 结果与讨论

2.1 植物释放挥发性物质昼夜节律分析

通过对植物释放的挥发性气体进行实时检测,并对各个色谱峰通过N ISI 08质谱库检索、定性,共鉴定出22种挥发性物质.表1为22种挥发性物质在24 h内各采样时间点的组分及含量表.从表1可知,植物释放的挥发性物质主要化学成分是萜类化合物和脂肪族化合物,其中单萜类化合物种类最多(9种)[13].绝大多数挥发性物质在14日07:00～17:00之间达到释放高峰,17:00之后释放量突然降低,有些甚至未检测到,这可能是由于白天和晚上温差大,温度突然降低导致叶片气孔不同程度关闭的结果.也有少数挥发性物质在21:00到次日5:00之间达到释放高峰,如安息香醛(Benzaldehyde),1-羟基环己基苯基丙酮(1-Hydroxycyclohexyl phenyl ketone),邻苯二甲酸二异丁酯(Diisobutyl phthalate),丙酸异龙脑酯(Isop ropyl Palm itate),这是由于挥发性物质的释放不仅与外界环境因素有关[14],还与合成这种物质的底物和酶及其代谢过程有关[15].

表1 24 h内碰碰香释放的挥发性物质的化学组分及其含量

图2中列举了22种挥发性物质中比较有代表性的成分.在图2A中:α-蒎烯(alpha.-Pinene),崁烯(Camphene)和α-松油烯(alpha.-Terpinene)均在17:00达到释放高峰;1,7,7-三甲基-二环[2.2.1]庚-2-乙酸酯(Acetic acid,1,7,7-trimethyl-bicyclo[2.2.1]hep t-2-yl ester),丙烯酸异冰片酯(Isobo rnyl acrylate)和丙酸异龙脑酯(Isobornyl p ropionate)均在15:00达到释放高峰.其中α-松油烯在24 h内的各时间段变化速率明显不同,并且在13:00至15:00释放速率较快,而丙烯酸异冰片酯(Isobornyl acrylate)释放高峰出现在13:00,并在13:00至17:00释放速率较快.从图2B可知,部分挥发性物质的昼夜时内释放虽然遵循昼夜节律,但没有明显的规律性变化,如烯丙基戊酸(A llyl pentanoate).从以上观察可以得出,绝大多数挥发性物质白天的释放量比晚上多,不同化合物在同一时间段的释放速率不同,同一物质在不同时期的释放速率也存在差异.

图2 植物碰碰香释放挥发性物质的昼夜节律

2.3 植物碰碰香释放挥发性物质的分类分析

根据挥发性物质结构中所带官能团不同植物释放的挥发性物质进行分类分析得到图3.从图3中可知,植物碰碰香各类挥发性物质的释放高峰均在13:00～17:00之间,且白天的释放量高于晚上.其中单萜类化合物和芳香族类化合物的释放量随时间的变化幅度较大,而脂肪族类化合物和氧化单萜类化合物的释放量随时间的变化相对比较平缓.这些现象产生不仅与植物体和化合物本身性质有关,还与外界环境条件有着密切关系.

3 植物碰碰香释放的挥发性物质的分类分析

3 结论

本文利用气流吹扫微注射器萃取技术和气相色谱-质谱联用研究碰碰香植物中挥发性物质释放的昼夜节律.共鉴定出22种挥发性化合物,并进行了分类分析,其中单萜类化合物种类最多(9种).植物挥发性物质的释放量遵循昼夜节律,其中大多数挥发性物质的释放高峰出现在白天,少数化合物释放高峰出现在晚上,但不是所有挥发性物质都存在明显的变化规律(如烯丙基戊酸);单萜类化合物和芳香族化合物释放量昼夜变化幅度相对较大,而氧化单萜类和脂肪族类化合物释放量变化相对比较平缓.

本研究方法操作简单,萃取溶剂用量少,萃取时间短,萃取率高,实现了在自然状态下监测植物释放的挥发性物质,是一种新型的挥发性物质实时检测技术,可以广泛应用于植物的成分分析及信息传导相关的研究领域中.

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Diurnal Cycle Rhythm Change of Em ission of Volatile Compounds from Plant was Analysised by Using Gas Purge Microsyringe Extraction

YANG Cui, HEMiao, ZHANGMei-hua
(KeyLaboratoryofNaturalResourceoftheChangbaiMountainandFunctionalMolecules(YanbianUniversity),MinistryofEducation,Yanji133002,China)

Gas purge microsyringe extraction(GP-MSE)and gas chromatographic-mass spectrometric were used for real-timemonito ring of emission of volatile compounds from p lant(Plectranthustomentosa),and analyzed the changeof diurnal cycle rhythm.In this study,22 compoundswere identified and monoterpene hydrocarbons(9 compounds)were the most in these volatile compounds.The most of these volatile compounds achieved the high peak of emission were between 07:00-17:00.A small number of substances reached the high peak were between 21:00 to 5:00 the next day.The differences of change of different type compounds were also exist.The results sho wthat the GP-MSE achieve the real timemonito ring of volatile compounds from p lants under natural conditions,it is a novel,non-estrutive real time monitoring technology of volatile compounds.

gas purgemicrosyringe extraction(GP-MSE);Plectranthustomentosa;volatile compounds;diurnal cycle rhythm;GC-MS;real-time analysis

O658.2

A

1004-4353(2011)02-0119-05

2011-0 3-21

杨翠(1984—),女,博士研究生,研究方向为有机分析.