全二维气相色谱-四级杆飞行时间质谱对不同产地砂仁挥发油成分的分析

陈啸天，肖雪，钱沉鱼，宋居易，向章敏*

(1.广东省测试分析研究所 广东省化学危害应急检测技术重点实验室，广州 510070；2.贵州民族大学 化学工程学院，贵阳 551000)

砂仁(Amomumvillosum)，是姜科、豆蔻属草本植物阳春砂、海南砂或绿壳砂的干燥成熟果实[1]，属“药食同源”收录药材，其粉末也常做调味料使用。各产地中以广东省阳春市地区所产阳春砂最为知名。近年来其主产区已转移至广西和云南等地，但道地性仍以原产地阳春市为佳。砂仁含有大量挥发油且气味浓郁，已有研究表明挥发油是砂仁的主要活性成分[2-3]，能显著抑制胃液胃酸的分泌，从而防止溃疡的形成[4]，同时还具有抗菌消炎和镇痛等作用[5-6]，因而具有良好的开发和应用价值。目前已有较多文献采用一维气相色谱-质谱技术分析砂仁挥发油的化学成分[7-8]，但砂仁挥发油作为天然产物，存在大量同分异构体及结构相似的化合物，传统的一维色谱检测存在一定的局限性[9]，而全二维气相色谱作为近年来兴起的分离检测技术，它采用两根极性不同的色谱柱分别根据沸点和极性对物质进行正交分离，与传统一维气相色谱相比具有更好的分离度和更大的峰容量，同时由于调制器的聚焦作用，检测的灵敏度也得到了加强，非常适宜用于砂仁挥发油化学成分的分离鉴定。同时蒸馏萃取法耗能少且效率高[10]，而飞行时间质谱检测灵敏度高且速度快，故本实验采用同时蒸馏萃取法提取砂仁的挥发油，并比较了相同进样条件下一维气相色谱-飞行时间质谱和全二维气相色谱-飞行时间质谱的检测结果，同时利用后者对来自广东阳春、广西南宁和云南文山的样品进行了分析，探讨了砂仁挥发油成分的成分差异和产地特征，为砂仁资源的综合利用提供了科学参考。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

氯化钠(AR)、二氯甲烷(AR)：广州化学试剂厂。

FW100型中草药粉碎机 天津泰斯特仪器有限公司；HH-2型水浴锅 常州市金坛友联仪器研究所；低温冷却循环泵 郑州豫华仪器制造有限公司；ZNHW型电热套 巩义市予华仪器有限责任公司；7890B GC/7250 QTOF型气相色谱-四极杆飞行时间质谱仪 美国Agilent公司；SSM1800型固态热调制器 雪景电子科技(上海)有限公司。

1.2 样品来源

实验用的砂仁样品分别采集来自于广东、云南、广西3个不同产地的两批次样品。将干燥的砂仁果实样品用四分法缩分，然后用粉碎机粉碎后过60目筛备测。

1.3 样品前处理

称取30 g过60目筛的干燥砂仁样品，倒入同时蒸馏萃取装置一端的1000 mL平底烧瓶中，加入50 g 氯化钠和300 mL蒸馏水，电热套加热。装置另一端接100 mL烧瓶，加入60 mL 二氯甲烷，水浴锅60 ℃加热。萃取时间为1 h，萃取结束后将二氯甲烷溶液过无水硫酸钠干燥后用旋转蒸发仪浓缩，获取砂仁挥发油样品。

1.4 仪器条件

1.4.1 一维气相色谱-质谱条件

色谱柱：DB-5MS(30 m×0.25 mm, 0.25 μm，美国安捷伦科技公司)，进样口温度为250 ℃，进样模式为分流进样，分流比50∶1，进样体积0.5 μL，程序升温方式：起始温度50 ℃保持3 min，以5 ℃/min升至230 ℃，保持1 min。

质谱由四极杆串联高分辨的飞行时间质谱构成，离子源电压为标准电压70 eV，离子源温度为230 ℃，四极杆温度为150 ℃，采集速度为 5 amu/s，采集质量范围为45～450 amu，全扫描，检索谱库为NIST 17。

1.4.2 全二维气相色谱-质谱条件

柱系统由两条色谱柱组成，第一根色谱柱同1.3.1的一维气相色谱系统一致，第二根色谱柱为DB-17(1.2 m×0.18 mm, 0.18 μm，美国安捷伦科技公司)，两根色谱柱通过固态热调制器串联连接，调制周期为4 s，质谱采集速率为50 amu/s，其他色谱及质谱参数同一维气相色谱-四级杆飞行时间质谱系统。

1.5 定性分析方法

一维气相色谱-四级杆飞行时间质谱(GC-QTOF/MS)检测数据采用安捷伦MassHunter B.08版工作站的“未知物分析”软件分析，全二维气相色谱-四级杆飞行时间质谱(GC×GC-QTOF/MS)检测数据采用雪景科技的Canvas全二维色谱处理软件分析，分析结果均与NIST 17标准谱库进行匹配，并结合保留指数和高分辨质谱的精确质量数来进行辅助定性分析，同时采用峰面积归一化法计算各成分相对含量。

2 结果与分析

2.1 一维与二维气相色谱分离比较

将同时蒸馏萃取法得到的砂仁挥发油样品稀释后分别进行一维和全二维气相色谱-四级杆飞行时间质谱联用法分析，一维选取匹配度不低于80(最高为100)的化合物信息，全二维选取正、反向匹配度均大于800(最高为1000)的化合物信息，同时使用保留指数和精确质量数比对作为辅助定性手段，进一步确保定性结果的准确性[11]。其中保留指数以计算值和文献值误差在±5%以内的标准来确定最佳匹配化合物[12]，对含有分子离子碎片信息的最佳匹配化合物进行精确分子量的实测值和理论值比较，以相对偏差不超过5 ppm为判定信息[13-14]，确定出最终的定性结果。基于以上判定方法，一维系统一共鉴定出了36种化合物，而全二维系统鉴定出了83种化合物，且后者包含了前者的全部化合物信息，由此说明该方法下全二维的检测结果更加全面而准确，具有很好的替代性。具体检测成分见表1。

表1 砂仁挥发油的一维和全二维气相色谱-四级杆飞行时间质谱系统检测成分表Table 1 The detection of volatile oils of Amomum villosum by one-dimensional and full two-dimensional gas ghromatography-quadrupole time-of-flight mass spectrometry

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全二维系统比一维系统的检测结果更全面主要原因在于前者对样品具有更好的分离度和灵敏度。由图1可知，在22.65～23.00 min，一维系统上仅检测到峰1(桃金娘烯醛)，分子式C10H14O，而在全二维系统上除了检测到峰1a(桃金娘烯醛)外，还可以检测到峰1b(桃金娘烯醇)，分子式C10H16O，并且检测到的分子离子碎片的精确质量数分别为150.1041和152.1196，也验证了它们是两种不同的化合物，此例可以说明全二维系统有利于解决色谱峰共流出的问题。另外，在35.80～41.00 min这段时间，全二维系统检测到了τ-杜松醇等12种化合物，其中以醇类和酚类化合物为主，而一维系统却无法检测到，由此说明前者在检测灵敏度，尤其是针对醇类和酚类化合物的检测上具有明显优势。

图1 砂仁挥发油的一维和全二维气相色谱-四级杆飞行时间质谱分离效果图Fig.1 The separation effect chart of volatile oils of Amomum villosum by one-dimensional and full two-dimensional gas ghromatography-quadrupole time-of-flight mass spectrometry

2.2 不同产地砂仁挥发油的分析

鉴于全二维气相色谱-四级杆飞行时间质谱系统更好的分离度和灵敏度，选取了道地产区广东阳春和主产区广西南宁、云南文山三地的砂仁样品进行了挥发油的提取和分析，每个产地的样品提取2次，基于2.1所述的判定方法，一共准确鉴定出了107种化合物，其中广东、广西和云南的样品分别鉴定到了79，64，64种化合物，详细化合物名称和相对含量见表2。

表2 不同产地砂仁挥发油化学成分分析结果Table 2 The analysis results of chemical components of volatile oils of Amomum villosum from different producing areas

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乙酸龙脑酯作为砂仁挥发油含量最高，且最主要的药效成分，其含量在广东、广西和云南样品中所占比例分别为17.54%、19.50%和15.20%，差异并不明显，说明这3个产地砂仁挥发油的药效差别并不大。除此之外，樟脑、双环吉马烯、2-茨醇、α-蒎烯、α-松油醇、右旋大根香叶烯和β-檀香烯为共有成分中含量较高的，以上8种主成分总含量占比分别为41.71%、42.44%和36.01%，云南样品略低，但云南样品中β-檀香烯的含量明显较其他两地高，可以作为其品质特征成分之一。另外，α-檀香烯、β-杜松烯和β-石竹烯是3个产地中多数共有的含量较高的成分。其中α-檀香烯和β-杜松烯在广西样品中未检出，β-石竹烯在广东样品中未检出，而在云南样品中能够检测到，但较广西样品中含量低。因此，多数共有化合物及含量差异，可为不同产地砂仁的品质特征提供参考。综上，不同地方砂仁共有成分含量差异见图2。

图2 3种不同产地砂仁挥发油中主成分的分布Fig.2 The distribution of principal components in volatile oils of Amomum villosum from three different producing areas

将广东、广西和云南的砂仁挥发油化学成分进行分类，包含烯烃、醇类、酮类、醛类、酯类、酚类和羧酸类等多种成分，各类化合物所占含量和数量见图3。

图3 3种不同产地砂仁挥发油成分种类的相对含量和数量Fig.3 The relative content and quantity of components'types in volatile oils of Amomum villosum from three different producing areas

由图3可知，3个产地的砂仁挥发油主要成分为醇类、烯烃、酯类和酮类化合物，但各类化合物含量差异并不大。在各类化合物的数量上，广东样品的挥发油所含醇类和酚类化合物数量较其他两地多，尤其是酚类化合物，广东样品有7种，而广西和云南样品分别为1种和2种。我们知道酚类化合物一般都具有特殊的芳香气味，这或许能解释广东作为道地产区的砂仁气味具有明显特征的原因[15]。

3 结论

全二维气相色谱-四级杆飞行时间质谱联用技术适合于复杂天然产物的分离鉴定，本实验将其用于砂仁挥发油的分析，并将其与普通一维气相色谱-四级杆飞行时间质谱进行比对，分别鉴定到了83种和36种化合物，充分表明了全二维系统在峰容量和分析灵敏度上的独特优势，尤其是在醇类和酚类化合物的分析上，优势较为明显。此外，本文对来自广东阳春、广西南宁和云南文山的砂仁挥发油样品共检测到了107种化合物，其中分析到的广东样品挥发油成分有79种，其他两地均为64种。通过对主要成分的比较，发现广西样品的β-石竹烯含量较高，云南样品的β-檀香烯含量较高，而广东样品的α-檀香烯和β-杜松烯含量较高。另外，从化合物类型的数量上看，广东样品的醇类和酚类含量均较高。因此，以上特征成分可作为不同产地砂仁品质特征的参考标志。