质谱技术在中药研究中的应用进展

张俊杰，贾金萍，秦雪梅

(1.山西大学 大型科学仪器中心，山西 太原 030006；2.山西大学 中医药现代研究中心,山西 太原 030006)

特约来稿

质谱技术在中药研究中的应用进展

张俊杰1，贾金萍1，秦雪梅2*

(1.山西大学 大型科学仪器中心，山西 太原 030006；2.山西大学 中医药现代研究中心,山西 太原 030006)

中药是中华传统医学的瑰宝，在我国已广泛应用于疾病预防和治疗中，但其存在化学成分复杂、作用机制不明确等问题，制约了中药现代化及国际化的发展进程。质谱技术具有高灵敏度、高选择性、高稳定性及高通量的特点，特别适合于中药复杂成分及其代谢物的定性定量分析。该文综述了近年来质谱技术在中药成分鉴定及质量控制、中药代谢组学及中药药代动力学研究方面的典型应用，并对存在的问题及改进方法进行了展望。

质谱(MS)；中药；质量控制；代谢组学；药代动力学

中药是中华文明值得骄傲的财富，历经了几个世纪的发展，在中国本土范围内，对疾病的预防和治疗发挥了重要作用。相比传统西药化学成分单一，靶点单一，药物代谢机制明确，中药中的化合物种类众多，结构复杂，浓度范围分布广泛，活性成分往往是未知的次级代谢产物，且结构复杂多样，作用于机体后，靶点多，作用机制尚待进一步明确[1]，中药的这些特性对其分离分析技术提出了很高的要求，亟需发展灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强和化合物覆盖度高的分析方法。质谱具有灵敏度高、特异性强、稳定性佳、分析化合物种类广泛等优点[2]，可满足中药研究的需求，非常适用于中药成分分析及质量控制、作用机制和药物代谢等方面的研究，已成为中药研究的重要工具。本文在介绍质谱分析技术特长的基础上，综述了近年来其在中药质控、代谢组学和药代动力学方面的应用进展，旨在为中药研究提供借鉴。

1 质谱技术的特点

质谱(Mass spectrometry,MS)是测定同位素峰的仪器，是质量筛选和分析器，通过检测无机或者有机化合物的质荷比(m/z)对物质进行定性定量。中性分子可通过多种进样方式被引入质谱仪，经不同离子化方式，生成带电离子。多种带电离子在施加电场或者磁场的高真空质量分析器中，根据自身特定的质荷比形成各自不同的运动轨迹而相互分离，经数据记录和转换，生成质谱图[3-5]。

1.1 技术特点

核磁共振、红外光谱、紫外光谱和质谱是物质结构鉴定的4大波谱工具。核磁共振技术检测无偏向性，对所有物质的灵敏度相同，样品处理无损伤性且较为简单，通量高，有良好的重复性和低成本性，但存在灵敏度低、检测动态范围窄等缺点[6]。紫外光谱只适应于含不饱和键及芳香环基团的物质的定性定量分析，适用范围小，定量灵敏度低，通常只能达到微克级别的物质定量。红外光谱技术能够实现许多无机化合物和几乎所有有机化合物的无损定性分析，分析快速，但定量分析时受到的干扰因素较多，分析结果误差较大，灵敏度较低，不适合痕量化合物的分析。相比而言，质谱技术适用于多种化合物的同时高选择性分析，重复性好，检测灵敏度在纳克以下，线性范围宽[7]，因此，质谱在化合物定性定量分析领域的应用越来越广泛。

自1912年第一台质谱仪的诞生，经过100多年，质谱技术在进样方式、离子化种类、质量分析器类型、检测器、数据处理技术及软件等方面有了长足的发展，质谱分辨率、扫描速度、灵敏度和分析化合物的覆盖度等性能得到了不断提高[3-5]。

1.2 质谱技术分类与应用范围

1.2.1 低分辨质谱与高分辨质谱 按照质量分析器特性，质谱分为低分辨和高分辨质谱。低分辨质量分析器如四极杆分析器(Quadrupole analyzer，Q)、离子阱(Ion trap，IT)、串联四极杆(Triple quadrupole，QQQ)和四极杆-线性离子阱(Q-Trap)等在化合物定性方面表现稍差，但可通过离子选择作用，极大提高化合物的定量灵敏度和稳定性，且成本相对低廉，是化合物定量的可靠方法。使用静电场轨道阱(Orbitrap)、飞行时间(Time of flight，TOF)和傅立叶变换离子回旋共振(Fourier transform ion cyclotron resonance，FT-ICR)等质量分析器的高分辨质谱仪，质量分辨率可达到几万至几千万，适合于化合物精确分子量及二级结构的精准分析，同时，高分辨质谱在化合物的定量方面表现优越，但高分辨质谱价格和维护成本均较高。

1.2.2 有机质谱与无机质谱 按照分析对象，质谱可分为无机质谱和有机质谱。对无机化合物进行定性定量分析的质谱方法是无机质谱。早期以火花源质谱仪为主，目前，将电感耦合等离子体(Inductively coupled plasma，ICP)电离源与质谱成功地结合的电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)，成为无机质谱的典型代表，使质谱法更广泛地用于无机物的分析。ICP起到离子源的作用，高温的等离子体使样品中的大多数元素电离出一个电子而形成了一价正离子，它利用在电感线圈上施加强大功率的高频射频信号而在线圈内部形成高温等离子体，并通过气体的推动，保证了等离子体的平衡和持续电离。无机质谱具有超高灵敏度，可对纳克或纳克以下的微量元素进行定性定量分析，与其他元素分析技术相比，ICP-MS具有测定速度快、线性范围宽、灵敏度高、可同时分析多种元素等优点[8]。

有机质谱针对有机化合物进行定性定量分析，可获得有机物分子的质荷比及相关结构信息。该技术适合于对自然界小分子代谢物及大分子代谢物如多肽、蛋白质和核酸等多种有机物质进行分离分析。有机质谱的离子化方式具有多样性，如电子轰击电离(Electronic ionization，EI)、化学电离(Chemical ionization，CI)、电喷雾电离(Electrospray ionization，ESI)、基质辅助激光解吸电离(Matrix assisted laser desorption ionization，MALDI)及环境离子化电离(Desorption electrospray ionization，DESI)等，适合于不同化合物的分析[9]。

1.2.3 直接进样质谱与色谱-质谱联用技术 按照进样方式，有机和无机质谱均可分为直接进样及色谱-质谱联用。直接进样无机质谱通常在2 min内即可实现元素含量的准确测定，方便快捷，但仅能测出元素的总量。由于同一种元素，在自然界存在不同形态，且同一元素不同形态间的性质和毒性差异很大，需分别对其进行测定分析，气相色谱(Gas chromatography，GC)、液相色谱(Liquid chromatography，LC)和毛细管电泳(Capillary electrophoresis，CE)偶联ICP-MS技术，是元素形态分析的重要工具[10]。

采用直接进样有机质谱对复杂样品分析时不需任何前处理过程，具有快速、高通量的优点[11]。但直接进样存在基质效应，灵敏度稍差。而采用色谱-有机质谱联用，如气相色谱-质谱联用(GC-MS)、液相色谱-质谱联用(LC-MS)及毛细管电泳-质谱联用(CE-MS)等技术，既具有色谱分离效率高、离子抑制小和分离机制多样化的特点，又兼有质谱灵敏度高、选择性好和分辨率高的特点，尤其适合于复杂样品的分离分析[12-15]。具体来说，GC-MS根据挥发性及质荷比的差异进行物质的分离检测，主要适用于挥发性和半挥发性化合物，也可借助衍生方法，将非挥发的物质转化成易挥发组分进行测定，如将氨基酸、有机酸、糖、脂肪酸等含有活泼氢的代谢物硅烷化衍生后进行GC-MS检测[16]。GC-MS的优点是灵敏度高、稳定性好及分离效率高，另外，色谱的保留时间、保留指数及可参考的标准样品质谱库(如NIST，Wiley，Fiehn等)便于代谢产物的定性指认。LC-MS兼具液相色谱高效的分离能力、选择性和质谱的高灵敏度、高分辨率等优点，适合于高沸点、强极性、热稳定性差及高分子量化合物的检测，方法可塑性强，可通过改变液相色谱填料类型、流动相种类、离子化方式及质谱检测模式，实现不同代谢物的分析检测[17]。由于中药约80%的成分属于非挥发性和热不稳定成分，不适合GC-MS无衍生分析，因此，LC-MS是中药分析的主流技术[18-19]。CE-MS则以毛细管柱为分离通道，在高压电场作用下，根据化合物质荷比及迁移速度不同进行分离检测。该方法结合了毛细管电泳的简单、高效、快速、进样方式多样、进样体积微量，以及质谱分辨率高的优点，特别适合带电、亲水、极性化合物(如氨基酸、核苷酸、磷酸糖和胺类等物质)的分离[20]。Soga等[21]基于标准样品实验及保留时间校正方法，建立了CE-MS平台标准样品数据库，可达到对氨基酸、胺类、磷酸糖、有机酸及核苷类等约352种代谢物的分析。此外，CE-MS还具有纳升进样，试剂消耗少，污染小，环境友好等优势。近年来，不同分离性质的色谱柱正交使用，如二维气相色谱及二维液相色谱技术，极大地增强了分析灵敏度、分辨率和峰容量[22-23]，其中全二维的GC-MS和LC-MS，尤其适合于中药复杂体系化合物的定性定量分析。

2 质谱技术在中药研究中的应用

2.1 中药成分鉴定及质量控制

2.1.1 中药成分鉴定 中药成分鉴定主要关注中药活性物质的发现及结构鉴定，其中，次级代谢产物如芳香类、生物碱、萜类、甾体类和长链脂肪族类成分等，往往是中药发挥其治疗作用的物质基础[24]，因此，对中药次级代谢物的研究至关重要。但中药次级代谢产物研究存在已知物种类和数量有限，未知物浓度低，且分离、发现和鉴定困难等问题。

(1)次级代谢物的定性分析：质谱的高分辨率为定性的准确性提供了保障。FT-ICR是目前为止质量准确度和分辨率最高的质谱仪，在蛋白组学、代谢组学等对复杂生物样品的分析研究中起到很大作用。Han等[25]比较了FT-ICR直接进样法与液相色谱-FT-ICR质谱联用法对中药苦碟子注射液中化学成分的发现和鉴定能力。两种方法可检测到包括酚酸、核苷、黄酮和倍半萜内酯等在内的42种一致的化合物，直接进样虽比液质联用分析少测出5种成分，但其分析时间只需2 min，说明两种方法定性效果相当，但直接进样法有效缩短了分析时间，适用于中药成分的高通量、快速识别鉴定。Xu等[26]采用LC-QTOF技术，发展了一种新的定性策略，对吴茱萸汤中的化合物进行了定性研究。采用先进的数据处理方法，经过质量精确筛选、质量缺失过滤、碎片过滤及干扰离子过滤，去除假阳性，使定性结果更加准确可靠。35 min内即可对23种吴茱萸碱及其类似生物碱、12种类柠檬苦素、17种姜辣素、38种人参皂苷、15种黄酮、16种有机酸、14种生物碱和5种皂角苷等168种化合物进行定性。二维色谱-质谱联用，适合于中药复杂次级代谢物的定性分析。全二维GC-MS通过调制器将不同分离机制的两根气相色谱柱进行偶联，极大地增强了分析灵敏度、分辨率和峰容量，全二维气相色谱的族分离特性，有利于中药未知化合物的定性。如Qiu等[27]利用全二维气相色谱-飞行时间质谱法鉴定出人参中36种萜类化合物，建立了人参药材的萜类图谱。二维LC-MS与一维LC-MS相比，具有更强的分辨能力，Li等[28]发展了LCxLC-QTOF-MS的方法，用于白花蛇舌草提取物中黄酮和环烯醚萜苷的分析，可实现黄酮醇苷、酰化黄酮醇苷和环烯醚萜苷及一些新的黄酮类化合物的准确鉴定。

(2)次级代谢物的定量分析：通过定量准确的三重四极杆质谱或者高分辨质谱等技术，可达到对有限数量中药次级代谢物的靶向分析，从而极大地提高了分析灵敏度和选择性，且抗干扰能力强，可对中药单一成分，某一类成分或者多种类成分进行准确定量。金石蚕苷为传统中药广东紫珠药材的主要活性成分，Qian等[29]首先采用10%三氯乙酸进行蛋白沉淀法对给药后大鼠血浆的金石蚕苷进行有效提取，再使用超高效液相色谱，以含0.1%甲酸的纯水溶液和乙腈作为流动相，Waters公司的BEH C18色谱柱(2.1 mm×100 mm,1.7 μm)进行分离，最后通过四极杆-飞行时间质谱进行检测，建立了大鼠血浆中金石蚕苷的稳定、准确、快速的分析方法。结果显示，金石蚕苷的线性范围为50～10 000 ng/mL，相关系数均大于0.99，且日内和日间精密度均小于7.97%，准确度范围为7.00%～3.36%。此方法为大鼠血浆中金石蚕苷的药代动力学研究提供了技术支撑。Nardin等[30]使用在线固相萃取前处理，利用高分辨Q-Orbitrap质谱全扫描结合自动二级扫描方式，在140 000分辨率的条件下，对中药提取物中的生物碱类化合物(包括经过标准物质验证的35种，通过质量数、保留规律及参考文献裂解规律进行确认的48种生物碱，以及通过文献信息、精确质量数及同位素分布进行确认的250种生物碱)进行了靶向和非靶向定量分析。该方法准确稳定，生物碱类物质的回收率相对偏差为7.4%，精密度均小于10%，且方法的线性范围宽，检出限为0.04～10 μg/L，线性高浓度可达1000/3000 μg/L，线性相关系数均达到0.99以上 。Chang等[31]使用LC-QQQ，建立了73个种类的次级代谢物，包括生物碱、蒽醌衍生物、香豆素类、香豆素衍生物、黄酮类、黄酮苷类、萘的衍生物、苯基丁酮吡喃葡萄糖苷、酚酸、紫檀烷、苯乙烯、二苯乙烯衍生物和单宁等多种类物质的定量方法，分析了中药配方制剂与其来源植物药之间化学成分的关系。

2.1.2 中药质量控制 中药质量关乎其用药安全及药效的发挥，目前中药种植技术未实现标准化，并且生产加工过程缺乏相应的监管，造成中药质量参差不齐，亟需对其质量进行控制。中药质量控制涉及到中药成分分析、外源性污染物检测、生产过程控制和体内过程分析研究等方面[32]。传统的质量控制方法，只对特定的一种或者几种药物活性物质本身或者前体进行定性定量分析，不能完整、全面地反映中药的质量特征。近年来，随着完整、系统性的中药质量控制需求，代谢指纹分析法及色谱-质谱联用技术在中药质量控制领域的应用更加广泛，质控技术包括了生物色谱、色谱-质谱、光谱、DNA技术及代谢指纹分析等[33]。

(1)中药安全性控制：中药无机元素的含量及分布与中药质量、分级和毒性密切相关[34-35]。基于ICP-MS检测中药的痕量及重金属元素，可用于中药的安全性检查。如硫磺熏蒸是一种传统的中药材养护方法，具有干燥、增白、防虫、防腐和防霉变等作用，在中药材及饮片的加工贮藏过程中应用普遍。但硫磺熏蒸后，中药材及饮片中会残留大量的二氧化硫，为保证安全性，有必要对二氧化硫的残留量进行检测。王晓伟等[36]建立了基于ICP-MS/MS技术测定中药中二氧化硫的方法，采用氧气作为反应气，提高了二氧化硫定量的选择性和灵敏度，方法准确，干扰小，检出限低且通量高，可对中药生产保存过程的硫磺熏蒸环节的硫元素滥用进行有效监督。此外，农残检测也是中药安全性分析及质量控制的重要方面。QuEChERS(Quick,Easy,Cheap,Effective,Rugged,Safe)技术用于中药农残提取制备具有快速、方便、廉价、有效、耐用和安全的特点，如Palenikova等[37]使用QuEChERS进行样品净化前处理，采用GC-MS对银杏保健制品中的150种农药进行了快速、准确分析测定。Nie等[38]使用QuEChERS样品制备/气相色谱-负化学电离串联质谱，同时测定了中药中107种农药残留，负化学电离具有高灵敏度和高选择性，适合于具有吸电子基团的化合物的分离，而且背景干扰低 。

(2)不同产地来源的中药区分：ICP-MS进行多种元素的同时测定后，结合化学计量学等统计学分析手段，可对中药的真伪、产地、品种和生产方式进行鉴别，以区分不同品种、不同产地、不同生产过程、不同来源及级别的中药[34]。如Chen等[39]对四川和安徽产地的石菖蒲根茎中的40种元素进行了ICP-MS分析，通过偏最小二乘判别分析和t检验筛选出了锌和钐两种元素，可以快速有效区分四川和安徽两个产地的中药石菖蒲根茎样品。另外，Tang等[40]采用微波辅助提取，HPLC-ICP-MS对不同产区金银花中的砷元素形态进行了分析，发现不同产地金银花中的砷形态分布有显著性差异，这种差异有望成为不同产地金银花的区分标志。

(3)中药质量分级：MALDI-TOF MS作为一种软电离技术，广泛应用于中药活性成分识别、生物碱分析、中药复杂基质内小分子化合物的测定、蛋白组学分析及植物组织的直接分析等方面[41]。Bai等[41]建立了基于MALDI-TOF-质谱成像(Mass spectrometry imaging，MSI)方法，通过简单的样品制备过程，对植物组织进行直接成像分析，可实现化合物的快速定位和定量，该研究通过人参软木组织的离子图像数据结合后续主成分分析(Principal components analysis，PCA)，对生长2，4，6年的人参进行了区分。

(4)中药真伪鉴别：环境离子化质谱的进样和离子化过程均在开放的大气压环境中进行，且不需样品前处理，节省了费时的前处理步骤及处理成本，近年来被广泛用于植物成像[11]。实时直接分析(Direct analysis in real time，DART)是一种应用广泛的环境离子化技术，已经用于中药领域研究。如李乐乐等[42]将DART离子源与高分辨率Orbitrap质谱联用，建立了一种用于黄芩药材快速定性定量的分析方法，该方法适用于复杂基质条件下对中药的指标性成分进行快速分析，方法准确、快速、简便且绿色，可为中药材、饮片以及中成药的分析和质量控制提供参考。CE-MS适用于中药极性物质的分析。Liu等[43]采用CE-纳升喷雾MS建立了以生物碱为指标，用于黄连质量鉴别的研究方法，使用纳升多孔喷雾器，极大地提高了分析灵敏度，检出限可达到18～24 fg，比超高效液相色谱(UHPLC)-MS的灵敏度高1 000倍，且重复性好，信号稳定，CE-MS有望成为中药质量鉴别的有效方法。Ning等[44]采用HPLC-QQQ-MS，提出了比多组分单一标准(Single standard to determine multi-components，SSDMS)更加优越的质量控制方法，定性出18种活性皂苷成分，用于人参属植物的鉴别表征。Chen等[45]采用LC-QTOF-MS，对肉桂皮、肉桂枝和肉桂心的代谢指纹进行了分析，通过8个化合物的检出率结合主成分分析，区分了不同部位的肉桂样品，揭示了肉桂质量控制的化学基础。

(5)中药生产过程监控：罗益远等[46]对何首乌炮制前后24种无机元素进行了ICP-MS分析，揭示了何首乌炮制前后10种无机元素的不同变化规律，为该药材的质量控制及安全性评价提供了参考依据 。Cai等[47]采用全二维气相色谱-飞行时间质谱联用对非烟熏和硫磺熏蒸金银花的挥发性成分进行了分析，鉴定出包括呋喃、碱、酸、醛、酮、醇、萜类、酯类等73个金银花有代表性的挥发油成分，该方法已成功地应用于金银花及其相关药材和制剂的快速准确质量评价中，同样的方法也可应用于白芷的质量评价[48]。

(6)本课题组在中药质量控制方面也做了研究：Xing等[49]利用GC-MS技术，结合多变量统计学分析，比较了柴胡生品及不同种类柴胡经醋炮制前后挥发性组分的差异，通过NIST05检索匹配并结合文献定性，共指认了59种成分，约占总成分的75%，结果表明柴胡用醋炮制后挥发油的含量显著降低，经不同种类醋炮制后其挥发油种类及含量也发生了不同的变化，为柴胡的生产过程及质量评定提供了一定依据。本草记载款冬花花蕾未开花时根据经验方可采收，但并未明确指出具体采收时期，导致市场上款冬花蕾质量参差不齐。薛水玉等[50]采用基于GC-MS的植物代谢组学技术，研究了不同生长发育阶段款冬花序芽，从化学角度阐明了其10月、11月和12月的代谢组成相近，与3月、9月的化学组分差异显著，并指认了54个代谢产物，为确定款冬花的适宜采收期奠定了基础。另外还对不同药用部位(花蕾，叶子，花梗和根)的款冬药材的代谢组分进行分析，发现与花蕾相比，花梗中所含的化学成分很少，而根和叶子中的化合物则较多[51-53]。但由于指认的成分多为初级代谢产物，需借助其他技术手段(如LC-MS)对不同药用部位进行进一步评价。Li等[54]利用GC-MS技术将中药黄芪的传统质量评价指标甜度归属到7种甜味成分，确定了依据甜度评价黄芪的化学物质基础，并发现这些指标与传统评价指标黄芪甲苷、毛蕊异黄酮苷和多糖的含量等具有很强的正相关性。

2.2 中药代谢组学研究

代谢组学是继基因组学、蛋白组学之后，系统生物学的又一重要分支，该研究强调从整体上研究生物体受到外界扰动后代谢物的变化。中药代谢组学着重研究中药给药后，对生物体代谢通路的影响[1]。由于中药作用靶点多，往往会对多条代谢通路造成影响，质谱是中药代谢组学研究的有力工具。基于色谱-质谱联用(如GC-MS，LC-MS等)的代谢组学技术已广泛应用于中药代谢轮廓及作用机制研究[13-15]。

(1)中药药效与作用机制研究：对中药给药后的动物模型或者人体的血清、尿液或者粪便等生物样本进行代谢组学分析，有利于解释中药的治疗机制。Zou等[55]通过GC-MS尿液代谢组学研究了复方丹参滴丸对大鼠心肌缺血的治疗机制，发现能量、氨基酸、脂肪酸和多元醇的代谢在心肌缺血时被打乱，在复方丹参滴丸治疗后被恢复 。Chen等[56]通过GC-MS血清代谢组学分析，研究了去着痛痹汤对高尿酸血症大鼠的作用，采用t检验和主成分分析筛选标志物，使用正交信号校正偏最小二乘判别分析(Orthogonal signal correction-partial least squares-discriminate analysis，OSC-PLS DA)评价了酵母和中药治疗的影响，证明了去着痛痹汤可以有效地降低血清尿酸水平，并推测它可能是高尿酸血症的一个有效的治疗候选药物。Shui等[57]采用LC-MS/MS对角叉菜胶诱导及易冠建汤治疗后的大鼠血浆和尿液的代谢组学进行了分析，研究了易冠建汤的抗炎机制，并对正常对照组、模型组、阿司匹林治疗组和易冠建汤给药组进行了代谢组学研究，筛选出可能与炎症抵抗相关的25种化合物，涵盖了5个主要代谢途径如色氨酸的代谢、脂代谢、氧化应激、乙醛酸盐代谢和牛磺酸代谢等。Li等[58]采用UHPLC-QTRAP-MS/MS，研究了高脂饮食小鼠在泽泻三萜类化合物成分给药后，血浆中溶血磷脂酰胆碱的变化，阐述了泽泻降脂作用的机制。Zhang等[59]研究了不同剂量大黄对肝脏淤积的治疗作用，证明了大黄干预影响胆汁酸代谢和氨基酸代谢，这些代谢可以解释大黄治疗胆汁淤积的剂量-反应关系和治疗机制。Lu等[60]采用超高效液相色谱(UPLC)LTQ-Orbitrap-MS代谢组学，分析了补肾化痰配方对多囊卵巢综合征的干预作用及治疗机制，结合显著变化的代谢物和临床生化数据，证明补肾化痰配方可通过降低炎症反应和氧化应激等代谢通路对多囊卵巢综合征进行有效的治疗。

(2)中药副作用产生机制研究：中药除了具有典型药效，也可能在体内产生副作用，对这些副作用的代谢组学机制进行研究，有利于中药的安全施用。Ma等[61]通过GC-MS代谢组学方法，评估了雷公藤内酯引发生殖毒性的作用机理，同时对精子发生功能障碍早期检测的潜在生物标志物进行了筛查，认为过氧化物酶体增殖物激活受体及其相关脂肪酸代谢可能是雷公藤内酯引发男性不育的潜在治疗靶点。Lu等[62]使用LC-ESI-TOF-MS研究了人参皂苷Rd诱导的小鼠过敏反应的代谢机制，发现在过敏性反应的早期阶段与炎症和过敏性疾病相关的代谢物包括甘油磷脂、皮质类固醇激素、胆汁酸、甾醇脂质和脂肪酸等均发生了显著变化，脂质代谢(如甘油磷脂和类固醇激素代谢)的紊乱可能与人参皂苷Rd诱导的过敏反应相关，推测Rd可能是含Rd的中药注射剂产生过敏反应的过敏因子。使用单一平台所测定化合物具有偏向和局限性，而使用多平台组合，则有利于全面、多角度地分析中药的代谢机制。Xie等[63]对暴露于半夏和姜半夏的妊娠大鼠胎盘及羊水进行了LC-MS和GC-MS的代谢组学研究，评估了半夏及其产品姜半夏的副作用，分别使用多元统计分析和MetaboAnalyst 3.0软件，筛查受到显著扰动的代谢物和代谢途径，发现有20个分别归属于甘油磷脂、氨基酸和糖代谢途径的代谢物受到了扰动。

(3)本课题组应用质谱技术在中药代谢组学方面做了如下研究：采用GC-MS技术研究了中药传统名方逍遥散对抑郁症的作用机制。首先Li等通过GC-MS对慢性不可预知性刺激致大鼠抑郁症模型血浆及尿液中的代谢物进行了研究，分别从血液及尿液中发现了37个[64]和15个[65]与抑郁症模型相关的生物标志物，为抑郁症早期诊断提供了一定的研究基础。其次Gao等[64]采用GC-MS以大鼠尿液、血液为对象研究了逍遥散对慢性不可预知应激模型大鼠的治疗作用及相关机制，结果表明逍遥散具有明显的抗抑郁作用，其具有剂量依赖性，逍遥散对应激大鼠的治疗与氨基酸代谢、能量代谢和糖代谢相关。Tian等[66]对招募的25个抑郁症患者和33名健康志愿者进行了基于GC-MS的逍遥散治疗抑郁症临床代谢组学研究，并结合多变量统计分析，比较得出抑郁症患者在治疗前后与健康组对照的尿液代谢组的差异，发现丙氨酸、柠檬酸、马尿酸、苯丙氨酸和酪氨酸5个抑郁症疾病及逍遥散治疗的代谢标志物，推测出逍遥散治疗抑郁症的机理在于它可以调整神经递质获得最佳的治疗效果，调节氨基酸代谢以促进产能，满足身体的需要。Gao等[67]采用HPLC-MS研究了逍遥散对慢性不可预知应激模型大鼠的治疗作用及相关机制，发现了17个与抑郁症相关的潜在生物标志物，这些物质与能量代谢、氨基酸代谢及肠道菌群紊乱有关，而逍遥散可以回调与这些代谢相关的代谢物。对其他中药的抗抑郁或者其他治疗效果，本课题组也进行了相关研究。如Tian等[68]采用GC-MS尿液代谢组学研究了沙棘籽油对慢性不可预知应激模型大鼠的抗抑郁作用，筛查了沙棘籽油治疗抑郁症的潜在生物标志物，发现沙棘籽油给药后，尿液中的庚二酸和棕榈酸水平升高，辛二酸、柠檬酸、邻苯二甲酸、肉桂酸和Sumiki酸降低，该研究有助于促进沙棘籽油对抑郁症的疗效评价和机理研究。王东琴等[69]还采用GC-MS代谢组学技术研究了狭叶柴胡(红柴胡)的解热作用，并初步探讨了其作用机制，发现红柴胡具有良好的解热效果，解热效果与剂量有关，中剂量效果与阿司匹林相当；红柴胡可能从酶抑制作用、神经递质、糖脂代谢、氨基酸及能量代谢等多层面协同发挥作用，具有多靶点性。

2.3 中药药代动力学研究

中药药代动力学借助于动力学原理，研究中草药活性成分、组分及其复方在体内吸收、分布、代谢和排泄的动态变化规律及其体内时量-时效关系，以对中药的安全性、有效性进行评价[70]。中药成分复杂，药效成分不明确，甚至缺乏标准品的未知化合物，发挥药效的往往是中药内含化合物原型的修饰形式，如硫酸酯化、葡萄糖醛酸化及谷胱甘肽结合等多种结合物[1]。另外，这些代谢物含量很低，检测时需排除复杂基质的干扰，这些特点增加了中药药代动力学检测的困难[71]，对其分析技术也提出了更高要求，质谱在对中药原型药物的鉴定、多种修饰形态的追踪，以及高灵敏度的无干扰检出等方面具有很大优势，可对中药药代动力学进行有效分析。

Zhang等[72]采用UPLC-TOF-MS研究了独一味提取物对小鼠血浆、尿液、胆汁及粪便代谢谱的影响，鉴定出39种原型化合物及其47种代谢产物，研究显示，其中超过一半的原型化合物已进行了硫酸盐、葡萄糖醛酸、牛磺酸、甘氨酸和谷胱甘肽结合二相代谢。进一步对6种活性化合物的药物代谢动力学进行了靶向LC-MS/MS分析，有效地解释了独一味的代谢机理。Wang等[73]采用LC-QTOF-MS技术研究了济泰片口服给药后大鼠脑脊液的代谢变化，结合后续多变量统计主成分分析和正交性偏最小二乘分析(Orthogonal PLS-DA)，发现了济泰片的16种吸收形式及7种原型形式，代谢的主要形式包括半胱氨酸结合、去甲基化和葡萄糖醛酸化，并采用LC-QQQ-MS/MS，对其中一些化合物进行了定量验证。可见，利用非靶向代谢组学筛查和靶向定量分析技术，有利于中药代谢动力学全面深入的研究。

3 展 望

综上所述，质谱已经广泛应用于中药元素和有机化合物的定性定量、中药代谢组学和中药药代动力学研究等方面，并成为中药质量控制及中药作用机理研究的强有力工具。目前质谱方法存在诸多不足，对这些不足之处做进一步改进，是质谱技术未来的发展方向。如LC-MS具有高灵敏度及高分辨率，可得出化合物的精确质量数及二级结构信息，据此进行数据库搜索，标准品验证，可实现化合物的定性。实际测定时，由于缺乏标准品，液相色谱保留时间和质谱图的重复性差，不同实验室的结果之间的可比性及兼容性差[74]，所以化合物的鉴定一直是LC-MS面临的难题。建立质谱分析方法的标准化流程，如使用固定色谱柱，固定流动相及梯度，固定质谱设备进行未知样品的LC-MS定性，建立包含化合物保留时间、精确分子量、碎片组成图的综合数据库，有利于不同国家、地域或者不同实验室间实现数据比对和共享，从而提高化合物的鉴定效率，避免重复繁琐的从头开始的定性过程。另外，与一维相比，二维LC-MS和GC-MS具有更高的峰容量、分辨率及灵敏度，适合中药化合物，尤其是复杂同分异构体的分离定量，但二维色谱质谱存在数据处理软件发展滞后，难以满足数据分析需求的不足，需要对传统分析算法和软件进一步改进。因此，进一步建立新型质谱方法，以提高质谱检测化合物的覆盖度、灵敏度、选择性、稳定性和可靠性，以及提高质谱的定性定量能力，将有利于中药研究的发展，解决中药现代化建设的瓶颈问题，以加快我国的中药国际化步伐。

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Applications Progress of Mass Spectrometry in Analysis of Traditional Chinese Medicine

ZHANG Jun-jie1,JIA Jin-ping1,QIN Xue-mei2*

(1.Scientific Instrument Center,Shanxi University，Taiyuan 030006,China；2.Modern Research Center for Traditional Chinese Medicine,Shanxi University,Taiyuan 030006,China)

Traditional Chinese medicine(TCM) is a treasure of Chinese medical science, and it has been widely applied in the prevention and treatment of disease at home for century.Owing to the reasons that the gradient of TCM is complex and the mechanism of drug efficiency is not clear,the process of modernization and internationalization for TCM has been restricted seriously.With the advantages of high sensitivity,high selectivity,high stability and high-throughput,mass spectrometric(MS) technology is especially suitable for the qualification and quantitation of complex components and their metabolites in TCM.In this paper,the typical application research of MS technology in composition identification and quality control,metabolomics and pharmacokinetics of TCM study in recent years are reviewed,and the problems existed and the improvements are discussed.

mass spectrometry(MS)；traditional Chinese medicine(TCM)；quality control;metabolomics;pharmacokinetics

2016-11-04；

2016-12-15

国家自然科学基金面上项目(31570346)

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.05.001

O657.63；TQ460.72

A

1004-4957(2017)05-0579-09

*通讯作者：秦雪梅,博士，教授，研究方向：中药质量标准及代谢组学研究，Tel：0351-7018379，E-mail：Qinxm@ sxu.edu.cn