市售沉香精油气质联用分析方法研究

2021-03-25 10:04刘颖婷袁作程汪舟鹏
南昌工程学院学报 2021年1期
关键词:精油质谱组分

曹 锰,刘颖婷,袁作程,汪舟鹏,吴 娜

(1.南昌工程学院 理学院,江西 南昌 330099;2.金溪南工检测科技有限公司,江西 抚州 344000)

土沉香即沉香树、沉水香木、女儿香、白木香,是一种热带及亚热带常绿乔木,属国家二级保护植物,为我国特有的珍贵药用植物[1-2]。白木香主要分布于广东、海南、广西、福建等地。沉香为白木香含树脂的木材,是健康的白木香树受到自然因素(雷劈、火烧、微生物入侵等)或人为因素(砍伤、打洞、接菌等)的作用而逐渐形成的[3-5],该过程也称结香。中医认为:沉香是一味非常珍贵的药材,性微温,味辛、苦,归脾经、胃经以及肾经,有行气止痛、温中止呕、纳气平喘的功效,可以治疗寒凝气滞导致的胸腹胀痛、脾胃虚寒导致的脘腹冷痛等[6-8]。沉香既是名贵药材,又是高级的天然香料,被称为众香之首,极具文化收藏价值。沉香精油是从沉香中提取的挥发性油状物,其主要提取方法包括溶剂冷浸法、水蒸气蒸馏法、超临界萃取法等[9-10]。沉香精油的化学组成与结香方法、提取条件等因素有关,一般认为色酮类化合物含量高的精油品质较好[11]。一般情况下,工厂提取沉香精油采用水蒸气蒸馏的方法。较之于实验室,工厂生产的沉香精油明显不同:一是原材料的结香方法多样且混杂;二是加热蒸馏提取的时间较长(24 h左右)。因此,工厂生产的沉香精油组分与实验室提取的沉香精油稍有不同。

对于多组分的复杂未知物,GC-MS分析技术较为方便高效。目前,GC-MS技术已经广泛用于各类沉香精油的组分研究[12-13],但主要集中于实验室提取的精油组分分析,对于工厂生产的沉香精油样品的分析则较少。影响GC-MS分析效果的最主要因素是毛细管柱及程序升温条件,理想的分析方法需要在较短时间内区分更多的组分。本文尝试通过对一种来至于海南某工厂生产的沉香精油的系统分析,探究出一种较为高效的沉香精油样品分析的柱色谱条件。

1 实验部分

实验材料:实验用的沉香精油产自海南某工厂,多种结香方法的原料混杂使用,精油经过水蒸气蒸馏提取,一次投料约1000 kg,提取时长24 h,精油出油率0.05%~0.06%。色谱纯甲醇(德国默克公司)。

实验仪器:气相色谱-质谱联用仪(安捷伦7890B-5977),色谱柱型号为安捷伦HP-5MS(30m×0.25 mm×0.25 μm),载气为高纯氦(99.999%)。

样品配置:0.2 μL精油溶解于2 mL色谱纯甲醇;进样条件:进样量1.0 μL,分流比20∶1,进样口温度255℃。

色谱条件:恒定流量1.0 mL/min,程序升温(见结果与讨论部分)。

质谱条件:四级杆温度 150 ℃,离子源温度 250 ℃,电离方式 EI 电离,电子能量 70 eV,扫描范围(50~600)m·z-1,溶剂延迟时间 5 min;SCAN 扫描。

分析报告设置:以峰开端和结束时的质谱图为当前峰的背景质谱图;最小积分峰面积占比为0.1%;质谱数据库分析NIST17。

2 结果与讨论

2.1 分析方法研究

首先,参考现有文献中沉香精油的检测方法[5],设计了4种柱色谱分析的升温程序,分表标记为方法1~4,进样口温度均为255 ℃,方法1:程序升温为,起始柱温 50 ℃,以5 ℃/min的速率升至 280 ℃,保持 5 min;方法2:起始柱温 50 ℃,以 10 ℃/min升至 125 ℃,以 2 ℃/min升至 170 ℃,以 5 ℃/min升至 280 ℃,保持 5 min;方法3:起始柱温 50 ℃,以 10 ℃/min升至 125 ℃,以 5 ℃/min升至 170 ℃,以 2 ℃/min升至 210 ℃,以 5 ℃/min升至 280℃,保持 5 min;方法4:起始柱温 50℃,以 10℃/min升至 125 ℃,以 5 ℃/min升至 210℃,以 2℃/min升至 250℃,以 5℃/min升至 280 ℃,保持 5 min。方法1采用了最简单的匀速升温程序,其余升温程序均采取分段梯度升温,最慢的升温速率为2℃/min。各升温程序的时间-温度曲线如图1所示。

图1 色谱柱温度程序(时间-温度)曲线

四种柱升温程序对应的测试结果如图2所示,根据色谱图对一段时间内出峰的个数进行了统计,统计结果如图3所示。从谱图可以看出,沉香样品的组成非常复杂,峰面积比大于0.1%的组分多达上百个。方法1~4对沉香样品的组分均不能很好的分离,部分方法中每两分钟内出峰数高达19个(方法3,保留时间19.0~21.0min)。但是从谱图可以看出,样品中含量较高的组分大多集中在保留时间16.0~30.0min内。方法1中的峰数密集区位于21.5~29.0min之间,跨度大约7.5min;方法2中的峰数密集区位于17.5~31.5min之间,跨度大约14min;方法3中的峰数密集区位于16.2~24.5min之间,跨度大约8.3min;方法4中的峰数密集区位于16.2~23.8min之间,跨度大约7.6min。综合谱图与峰数可以明显看出,方法2是四种方法中分离效果最好的,即使在峰最密集区间,其每两分钟内出峰数仅为8个。因此,在第二阶段的柱色谱条件探索过程中,主要以方法2的条件为参考。通过对比色谱柱温度程序(时间-温度)曲线可以看出,柱温在145℃~170℃之间时样品出峰最密集,该温度区域可能与精油主要成分的沸点相匹配。

图2 总离子流色谱图(5~45min)

图3 出峰时间5~45min内每两分钟内的峰数统计结果(方法1~4)

本文针对145℃~170℃之间的升温程序,进行了细致研究与分析,设计了4种新的程序升温方法,分别记为方法5~8(见图4)。进样口温度均为 255 ℃,方法5:起始柱温 50 ℃,以 10 ℃·min-1升至 140℃,以 1 ℃·min-1升至 200℃,以 5℃·min-1升至 280 ℃,保持 5 min;方法6:起始柱温 50 ℃,以 10 ℃·min-1升至 140℃,以 0.5℃·min-1升至 170℃,以 10℃·min-1升至 280 ℃,保持 5 min;方法7:起始柱温 50 ℃,以15℃·min-1升至 140℃,保持1min,以 0.25℃·min-1升至 155℃,保持1min,以 15℃·min-1升至 280 ℃,保持 2 min;方法8:起始柱温 50 ℃,以15℃·min-1升至 140℃,保持1min,以 0.25℃·min-1升至 141℃,保持5min,以 0.25℃·min-1升至 145℃,保持5min,以 0.5℃·min-1升至 160℃,保持5min,以 20℃·min-1升至 280 ℃,保持 2 min。

图4 方法5~8对应的总离子流色谱图

图5 出峰时间5min-45min内每两分钟内的峰数统计结果(方法5-8)

根据色谱图对一段时间内出峰的个数进行统计,统计结果如图5所示。从谱图统计可以看出,方法5~8的分离效果普遍较上一阶段好,出峰时间更加分散一些,保留时间5~35min内均有峰分布。其中方法5的出峰较为密集,每两分钟内出峰数最多处达到13个。相比之下,方法8的分离效果最好,各组分在保留时间7~41min内均匀分布,每两分钟内出峰数最多处也只有9个。

2.2 分析结果统计

对方法8的总离子流色谱图经过质谱数据系统检索及NIST 2017标准质谱图数据库对比,并用峰面积归一化法进行定量分析,计算各组分的相对含量。分析结果统计如表1所示。

从表1可知,市售沉香精油样品中通过质谱数据系统检索匹配的成分有57个,主要成分为含15~16个碳原子的化合物,大部分组分均为分子式为C15H24,C15H24O,C15H22O的同分异构体。单组分含量最高的是沉香螺醇(15.1%)。而表现沉香精油质量的关键性色酮类化合物(出峰时间-分子式:15.24 min-C15H22O;15.87 min-C15H22O;16.92 min-C14H22O;22.35min-C13H18O;22.72 min-C15H22O;23.02 min-C15H22O;25.96 min-C15H22O;31.6 min-C15H22O)一共有8种,总含量约为24.2%,较文献中火钻法结香沉香精油的色酮类化合物含量(29.45%)低[11]。其余化合物为倍半萜(醇、醛、酯)类和极少量的含芳环的化合物。

3 结论

通过气质联用技术对市售沉香精油样品进行了系统性分析,在此基础上发现了较为优化的柱程序升温条件。通过对精油样品的成分分析,共鉴定出57个化合物,其中单组分含量最高的化合物是沉香螺醇(15.1%),色酮类化合物有8个,总含量为24.2%。本实验结果对沉香精油的分析、研究与开发利用具有一定的参考价值。

表1 沉香精油化学组成及其相对含量(方法8)

续表1

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