声表面波气相色谱仪快速定性分析姜黄挥发油*

柳小莉 朱宏伟 王 芳 张小飞 黄小英 李慧婷 陆艳艳 孙 林 杨 明 何世堂

(1 成都中医药大学 成都 611137)

(2 中国科学院声学研究所 北京 100190)

(3 江西中医药大学 南昌 330004)

(4 陕西中医药大学 咸阳 712000)

0 引言

姜黄挥发油是从姜黄(Curcuma Longa L.)根茎中提取出来的一类挥发性油状混合物，由芳香化合物组成，具有抑菌、抗炎、抗肿瘤等作用[1]，应用范围广泛，涉及食品、医药、化妆品等领域，安全无毒的特点使姜黄挥发油受到越来越多的关注。姜黄挥发油药理作用与其化学成分组成和含量密切相关，化学成分差异受姜黄品种、生长环境、气候条件等因素影响，但主要成分有芳姜黄酮、姜黄酮、姜黄烯、没药烯、倍半水芹烯及桉油精等[2-3]。目前姜黄挥发油中化学成分检测方法以气相色谱-质谱仪(Gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)为主，需要对样品进行前处理，检测时间长，且GC-MS 仪器昂贵，需要专业人员操作，在检测时间与工作效率上有一定的局限性，因此在探索能对姜黄挥发油化学成分快速简便的检测技术中，经过多方面的考量与对比，声表面波气相色谱仪(Surface acoustic wave gas chromatography，GC-SAW)成为本文在检测技术上的考察对象。

GC-SAW 是基于声表面波传感器与气相色谱分离联用的有机气体分析仪，利用气相色谱柱将混合样品分离成纯组分，由声表面波传感器对其进行定量检测。其中声表面波传感器由声表面波谐振器和半导体制冷器组成。声表面波谐振器加上电路组成高频率稳定度振荡器，可以保证低浓度检测时有足够的信噪比。半导体制冷器保证检测时冷却检测器，便于被测组分吸附在检测器表面。检测结束后加热检测器，将吸附在传感器表面的组分清除[4]。声表面波传感器是利用气体吸附在器件表面引起声波传播速度的变化，从而引起频率的变化实现定量检测。声表面波传感器体积小，与毛细管色谱柱内径尺寸相当，由色谱柱聚集喷出的待测组分冷凝吸附在检测器表面，最大化低浓度瞬时气体的响应，进一步提升灵敏度。理论计算结果与实际测试结果显示，声表面波传感器的检测下限最低可至10-13g 级别[5]。声表面波传感器为非选择性传感器，对各种有机气体成分都有响应，同时由于声表面波传感器是利用气体吸附在其表面而引起频率的变化，因此其灵敏度与气体的挥发性成反比，相同温度条件下，挥发性差的组分更容易冷凝吸附，同时更难从检测器表面脱附，因而对其具有更高的灵敏度。GC-SAW 使用金属毛细管柱，直接柱上加热，升温速率可达10～20°C/s，升温速率快，且柱长较短，声表面波检测器响应速度快，因此单个样品的检测时间大大缩短，可实现20 s 内所有组分全部出峰。

综上所述，GC-SAW 具有检测灵敏度高、色谱柱升温速度快、仪器体积小等特点，可实现痕量气体的广谱(挥发和半挥发性有机物)、快速(＜5 min)、高灵敏度(10-9～10-12级)分析[6-7]，在公共安全、水质污染监测等方面体现了较好的应用优势[5]。GC-SAW 实际检测过程分为两个阶段：(1)采样阶段，气体被富集在样品预浓缩微捕集阱中；(2)分析阶段，被富集的样品由载气带入气相色谱柱中，经由色谱柱实现不同组分在时间上的分离，以此对不同组分定性，分离出的组分依次冷凝在SAW 检测器表面，再根据频率变化量的检测实现对被测组分的定量分析[8]。GC-SAW 仪器(图1)已经在2，4，6-三硝基甲苯(TNT)现场分析与制毒化学品羟亚胺残留物快速检测方面有较好应用，但在中药精油方面的检测还没有涉及。

图1 GC-SAW 设备图Fig.1 GC-SAW equipment diagram

本文使用中国科学院声学研究所研发的GCSAW 仪对姜黄挥发油中的化学成分进行检测，以姜黄挥发油GC-MS 与GC-SAW 检测结果进行比较对照，分析GC-SAW 快速检测姜黄精油的潜在应用，为姜黄挥发油鉴定提供一种新的、更快捷的检测技术，为中药精油快速分析提供检测技术基础。

1 材料与方法

1.1 实验耗材与设备

实验耗材如下：姜黄药材(成都慧锄科技有限公司，批号JF1/20190228)；无水硫酸钠(分析纯，西陇科学股份有限公司，批号1804081)；无水乙醇(分析纯，西陇科学股份有限公司，批号19060102)；正己烷(≥99.5%，TEDIA，18040182)；正庚烷(≥99.5%，阿拉丁，A1701100)；正辛烷(≥99.5%，北京锐志汉兴科技有限公司，90507)；正壬烷(≥99.5%，北京锐志汉兴科技有限公司，90513)；正癸烷(≥99.5%，北京锐志汉兴科技有限公司，80819)；正十一烷(≥99.5%，北京锐志汉兴科技有限公司，20328)；正十二烷(≥99.5%，北京锐志汉兴科技有限公司，00921)；正十三烷(≥99.5%，北京锐志汉兴科技有限公司，20328)；正十四烷(≥99.5%，北京锐志汉兴科技有限公司，00611)；正十五烷(≥99.5%，梯希爱(上海)化成工业发展有限公司，FHN01-QDKN)；正十六烷(≥99.5%，北京锐志汉兴科技有限公司，80428)；正十七烷(≥99.5%，北京百灵威科技有限公司，L580O16)；正十八烷(≥99.5%，北京锐志汉兴科技有限公司，10428)；甲醇(≥99.5%，TEDIA，17070654)。反式石竹烯(≥90%，江西佰草源生物科技有限公司，BCY-001550)。

实验设备如下：GC-MS(Agilent 7890A/5975C，美国安捷伦科技有限公司)；GC-SAW (中国科学院声学研究所自研设备)。

1.2 实验方法

1.2.1 姜黄挥发油获取方法

采用水蒸气蒸馏法提取姜黄挥发油，收集挥发油用无水硫酸钠脱水后，装入棕色玻璃瓶放置于4°C避光环境下保存，待分析。

1.2.2 GC-MS检测条件

制样方法如下：取50 μL姜黄挥发油，加入无水乙醇定容至10 mL 容量瓶中，溶液使用0.45 μm 有机滤膜过滤，取续滤液于进样瓶中，即得。

检测条件如下：安捷伦HP-5MS 柱(0.25 mm×30 m，0.25 μm)；进样口温度250°C；进样量：1 μL；分流比：40:1；流速：1 mL/min；升温程序：起始温度60°C 保持，以5°C/min 升温至150°C，以2°C/min升温至200°C。质谱采用EI 离子源，离子源温度230°C，电离能量70 eV，扫描范围全扫描，四级杆温度150°C，溶剂延迟时间3 min，质谱检索库为NIST14.L。

1.2.3 GC-SAW检测条件

C6-C18 正构烷烃溶液制样方法如下：分别移取正己烷3 mL、正庚烷1.5 mL、正辛烷0.3 mL、正壬烷30 μL，正十一烷10 μL、正十二烷6 μL、正十三烷5 μL、正十四烷5 μL、正十五烷5 μL、正十六烷5 μL、正十七烷5 μL、正十八烷5 μL至100 ml容量瓶中，用甲醇定容，混匀，即得C6-C18 正构烷烃溶液。

姜黄挥发油制样方法如下：(1)移液枪移取100 μL 姜黄挥发油样品加入到40 mL 顶空瓶中，平衡5 min 后，顶空进样测试；(2)移液枪移取50 μL姜黄挥发油，加入到装有少量甲醇的5 mL 容量瓶中，甲醇定容、摇匀，得到稀释100 倍的姜黄挥发油溶液I；移液枪分别移取62.5 μL 和500 μL 溶液I 至5 mL容量瓶中，甲醇定容、摇匀，分别得到稀释8000倍和1000 倍的姜黄挥发油溶液II 和溶液III；溶液II 和溶液III 使用0.45 μm 有机滤膜过滤，取续滤液于进样瓶中，微量进样器分别取0.1 μL进样测试。

检测方法如下：色谱柱DB-5(1 m×0.25 mm×0.25 μm)，初始温度45°C，按6°C/s 程序升温至160°C，柱流量3 mL/min；进样口温度200°C；六通阀温度160°C；预浓缩管烘烤温度250°C，采样流量30 mL/min；检测器60°C，检测器烘烤温度150°C；载气N2；泵吸时间5 s；分析时间20 s。使用GC-SAW 测试时，先使用C6-C18 正构烷烃标准溶液对仪器进行保留指数校准。

1.2.4 GC-SAW 姜黄挥发油中反式石竹烯定量分析方法

配制浓度分别为0.001624 mg/mL、0.004059 mg/mL和0.01624 mg/mL的反式石竹烯标准溶液，按照1.2.3节的检测方法，以峰面积对浓度绘制标准曲线，得到线性回归方程，以外标法进行定量。各浓度反式石竹烯分别测定5 次，计算相对标准偏差(Relative standard deviation，RSD)，考察仪器精密度；连续测定5 天，计算RSD，考察日间重复性。根据线性回归方程和姜黄挥发油样品中反式石竹烯的峰面积，计算挥发油中反式石竹烯的含量。

2 结果与分析

2.1 姜黄挥发油GC-MS检测结果

GC-MS 共检出22 种化学成分，其中匹配度在80%以上有12种成分，为总成分的92.1%，姜黄挥发油GC-MS 总离子流图见图2，12 种成分信息如表1所示。

表1 GC-MS 结果中12 种成分理化性质Table 1 Physicochemical properties of 12 components in GC-MS results

图2 姜黄挥发油GC-MS 总离子流图Fig.2 The total ion chromatogram of turmeric volatile oil of GC-MS

此外，表2中列出了文献[18-19]中姜黄挥发油含量较少的挥发性成分的相关信息。

表2 文献中姜黄挥发油中含量较少的挥发性成分Table 2 Less volatile components of turmeric volatile oil in literature

2.2 姜黄挥发油GC-SAW检测结果

2.2.1 正构烷烃对仪器的校准

图3给出了GC-SAW测试C6-C18正构烷烃溶液的色谱图，图3(a)中横坐标以保留时间显示，图3(b)横坐标以保留指数显示。正构烷烃溶液中含有从正己烷(C6)到正十八烷(C18)共计13 种组分，因此色谱图中对应的检出有13个色谱峰，所有峰在20 s 内全部检出。在对各个峰进行强制校准后，每个组分峰的保留指数与其碳数相关，即正己烷的保留指数为600，正庚烷的保留指数为700，依此类推。检测未知样品时，各组分峰的保留指数根据正构烷烃校准结果和各组分峰的保留时间由仪器软件直接给出，根据保留指数对各个峰进行定性。根据气相色谱相关理论，在相同色谱条件下，同一物质的保留指数不随设备的改变、测试人员等外部条件的变化而变化，因此对未知物质的定性具有相对较好的稳定性和可靠性。

图3 正构烷烃顶空测试色谱图Fig.3 Headspace-tested chromatogram of n-Alkanes

2.2.2 姜黄挥发油快速顶空测试

GC-SAW顶空测试姜黄挥发油的色谱图如图4所示，横坐标以保留时间显示，所有组分在20 s内完成出峰。

图4 姜黄精油GC-SAW 顶空检测色谱图Fig.4 Headspace-tested chromatogram of turmeric essential oil in GC-SAW

根据GC-MS 检测结果以及查阅到的化学成分保留指数信息，对GC-SAW仪测得的各个色谱峰进行物质归属，并对各物质含量按照归一化法进行计算，结果见表3。

表3 GC-SAW 姜黄挥发油顶空测试结果(n=3)Table 3 Headspace test results of GC-SAW of turmeric volatile oil (n=3)

在GC-SAW 姜黄挥发油化学成分与百分含量结果中，共检测出14 种物质；其中有11 种物质明确了保留指数下对应的化学成分，它们分别为：保留指数925 处的峰归属于α-蒎烯(0.99%)，保留指数990 处的峰归属于α-水芹烯(3.13%)，保留指数1032 处的峰归属于桉树醇(9.90%)，1104 处的峰归属于α-异松油烯(28.63%)，1194 处的峰归属于α-松油醇(1.77%)，1419 处的峰归属于反式石竹烯(6.56%)，1464 处的峰归属于(E)-β-法呢烯(1.29%)，1497 处的峰归属于α-姜黄烯和α-姜烯(百分含量合计30.04%)，1532 处的峰归属于β-倍半水芹烯(0.62%)，1589 处的峰归属于莪术醇(0.88%)，1674处的峰归属于芳姜黄酮、α-姜黄酮和β-姜黄酮(百分含量合计13.65%)。一方面由于保留指数747、1069 和1379 三个峰的相对含量较低，GC-MS 没有该峰的检出；另一方面姜黄挥发油检测相关文献中没有保留指数接近的组分，因此无法确定这三组峰对应的化学组分。

2.2.3 姜黄挥发油液体进样测试

(1)姜黄挥发油液体进样测试

取0.1 μL 姜黄挥发油溶液II(稀释8000 倍)进样测试，检测色谱图如图5所示。以峰面积归一化法计算各组分的相对含量，其中峰面积最大的姜黄酮的相对含量为95.55% (峰面积为261091 Hz)，其次莪术醇的相对含量为1.74% (峰面积为4752 Hz)，姜烯的含量为1.34% (峰面积为3656 Hz)，这3 种组分的总含量之和达到98.63%，其他组分的相对含量均在1.0%以下。GC-MS 结果显示，姜黄酮和姜烯的总含量达到80.37%。尽管两种方式检测结果存在一定差异，但可以确定姜黄酮和姜烯是姜黄精油的主要成分。GC-SAW的检测结果偏高，是由SAW检测器的灵敏度特性引起的，即灵敏度与样品的挥发性成反比，挥发性差、沸点高的组分具有更高的灵敏度。

图5 姜黄精油以甲醇稀释8000 倍时液体进样测试色谱图Fig.5 Liquid injection test chromatogram of turmeric essential oil diluted 8000 times with methanol

(2)姜黄挥发油中反式石竹烯的定量分析

GC-MS 和GC-SAW 检测结果显示，姜黄精油中保留指数1419 处的峰来自于反式石竹烯。通过液体进样测试不同浓度的反式石竹烯绘制外标法标准曲线，以实现对姜黄挥发油中反式石竹烯的准确定量分析。

检出限和标准曲线 配制浓度分别为0.001624 mg/mL、0.004059 mg/mL 和0.01624 mg/mL 的反式石竹烯标准溶液，在本方法选择的仪器条件下使用GC-SAW进行检测，以峰面积对浓度绘制标准曲线，得到线性回归方程为y=171709x+437.1，相关系数R= 0.9976，在0.001624～0.01624 mg/mL 范围内具有较好的线性关系。0.001624 mg/mL 反式石竹烯的平均响应值为633 Hz，按照本条件下基线噪声(图6)的3倍对应的标准溶液的浓度计算，最低检出限为1.69×10-4mg/mL，绝对质量为16.9 pg。

图6 GC-SAW 基线噪声Fig.6 Baseline noise of GC-SAW

精密度和重复性 0.001624 mg/mL、0.004059 mg/mL 和0.01624 mg/mL 的反式石竹烯标准溶液分别连续测定5 次，响应值的RSD 分别为3.60%、1.99%和1.47%，见表4，结果表明方法的精密度良好。低、中和高浓度的反式石竹烯标准溶液连续测试5 天，每次各浓度均测定5 次，计算日间重复性，测试结果见表5，RSD值分别为5.17%、3.07%和4.72%，说明方法重复性较好。

表5 低、中和高浓度的反式石竹烯标准溶液重复性测试(n=5)Table 5 Repeatability test of transcaryophyllene standard solution (n=5)

样品中反式石竹烯的含量 在当前仪器条件下，进样测试姜黄挥发油溶液III(稀释1000 倍)，检出反式石竹烯的响应值为1373 Hz (n= 3)，根据线性回归方程计算其溶液III 中反式石竹烯的浓度为0.005451 mg/mL，即原挥发油样品中的浓度为5.451 mg/mL。在测试溶液III 时，由于姜黄酮浓度太高，导致检测器停振，因此在进行定量检测时，待检出反式石竹烯的色谱峰后，立即断开检测器，以避免检测器因多次停振而损坏。

2.3 GC-MS与GC-SAW结果对比与讨论

GC-MS与GC-SAW共同检测出了姜黄挥发油中10种化学成分，结果见表6。

表6 GC-MS 与GC-SAW 共有成分信息Table 6 Common component information of GC-MS and GC-SAW

在GC-MS 与GC-SAW 检测结果中，10 种成分总的相对百分含量分别为90.82%、90.69%和97.53%，说明这10 种成分在姜黄精油中有充分代表性。同样以液体进样的方式进样测试，在GCMS 定量分析结果中，姜黄酮(包括芳姜黄酮、α-姜黄酮和β-姜黄酮)和姜烯(α-姜黄烯和姜烯)的百分含量之和达到80.37%，GC-SAW定量分析结果中其百分含量之和则达到96.89%，说明这几种组分为姜黄精油的主要成分。GC-SAW 的检测结果偏高，由SAW检测器的灵敏度特性引起，即灵敏度与样品的挥发性成反比，挥发性差、沸点高的组分具有更高的灵敏度。

而当使用GC-SAW 进行顶空测试时，除姜烯、姜黄酮具有较高的占比外，α-异松油烯、桉树醇和反式石竹烯的含量显著升高。这是因为使用顶空进样时，挥发性更好的组分在顶空气相中具有更高的浓度。同样地，尽管液体样品中姜黄酮含量很高，由于其较差的挥发性，使其在检测器上的响应占比低于姜烯和α-异松油烯。

由于受到色谱柱柱长等因素的限制，GC-SAW上检测姜黄精油时，有5 种化学成分未能完全分离。而在检测时间上，GC-SAW完成单个姜黄精油样品的检测仅需20 s，而GC-MS则需要30 min。从进样方式上来看，液体进样可以用于精油中单一组分的准确定量分析，但一方面需要对样品进行稀释，增加了检测时长；另一方面，还需要选择合适的稀释倍数，否则由于高沸点组分的存在，容易引起检测器的停振从而损坏检测器。而顶空进样测试，样品无需进行前处理，直接顶空进样，有利于现场快速检测；并且避免了高沸点组分对检测器的损害。

综合以上分析，GC-SAW 使用顶空进样的方式，能够快速检测出姜黄精油中的主要成分及其在顶空气相中的相对含量。GC-SAW能够实现姜黄精油化学成分的快速检测，有很好的潜在应用，但检测条件还需更好的优化与探索。后期将从色谱柱的柱长、升温速率、载气流速等方面对色谱分离效果进行改善。

3 结论

本文应用GC-SAW 对姜黄挥发油进行探索性的检测，样品无需前处理，直接顶空测试20 s 即可检出姜黄挥发油中的10 种主要化学成分。使用液体进样测试姜黄精油中反式石竹烯的含量为5.45 mg/mL。与GC-MS 检测结果进行对比，姜黄挥发油主要成分的种类一致，由于SAW 检测器对高沸点组分具有更高的灵敏度，GC-SAW检测结果中主要成分姜烯和姜黄酮的含量相对更高。实验考察了GC-SAW检测姜黄挥发油方法，实现了快速检测，时间成本低，并能对姜黄精油化学成分达到分离与分析效果，为姜黄挥发油在鉴定与质量控制方面提供实验基础。本实验姜黄挥发油GC-SAW 检测为可行性方法有潜在应用，实验中还存在一些不足，后期会根据本实验的结果进一步优化GC-SAW检测方法。GC-SAW仪器体积小、易于便携的特点，将可能为市场上姜黄挥发油的真伪、优劣的鉴别提供一种新的检测技术。