离子色谱法在生物和医药领域中的应用进展

王晓威,孟玲玲,蔡丹旎,栾绍嵘

(华东理工大学 化学与分子工程学院,上海 200237)

离子色谱法是高效液相色谱法的一种,主要分离方式是离子交换,具有检测快速、多组分同时测定、灵敏度高、选择性好、抗干扰性强等优点,在无机离子和水溶性有机离子的分析中起着重要作用。从1975年第一台离子色谱仪[1]诞生至今,离子色谱技术有了很大的发展和改进,如多种类型色谱柱的开发,淋洗液发生器的使用,抑制器功能的改进,温控自动进样器的发展,与电导检测器、安培检测器、紫外检测器、质谱、电感耦合等离子体质谱法(ICPMS)的联用等。样品前处理技术也有了很大发展,从简单物理、化学方法除杂逐渐发展到阀切换、预浓缩、在线预处理、高温裂解等技术,使离子色谱分析对象从最初的无机阴、阳离子发展到有机酸、有机胺、糖类、氨基酸等物质。应用领域也从环境、电子行业拓展到化学、化工、生物、医药、材料、能源、机械、农业等领域。近年来,随着生命健康行业的快速发展,离子色谱技术在生物和医药领域的需求迅速提高,相关应用和标准逐渐被开发出来,但是这方面综述比较缺乏。

鉴于此,本工作综述了2001年以来离子色谱法在生物、医药领域和药典中的应用,可为离子色谱技术的发展和应用提供参考。

1 生物领域的应用

生物样品包括动物、植物、微生物或生物领域研究中采集的动物生理体液、肠道内容物、排泄物、植物组织、细胞培养液、微生物培养液、发酵液、酿造食品等[2],具有基体复杂、干扰大、待测物含量低等特点,离子色谱法在生物领域中的相关应用如下所示。

1.1 体液

体液分为细胞内液和细胞外液,细胞外液主要包括血浆和组织间液。正常情况下细胞内液与外液会保持平衡,但当机体内环境遭到破坏时,体液平衡就会出现紊乱。对于危重或慢性疾病患者,精确评估体液状态和成分对于控制体液平衡有着重要作用[3-5]。同时,体液(主要为血液)中痕量毒害成分的分析对突发性食物中毒以及刑事中毒案件的鉴定起着决定性作用[6-9]。王力春等[10]采用离子色谱法检测血液中氰根,该方法使用甲醇沉淀血液中的血红蛋白,活化的Dionex OnGuard RP 过滤柱去除杂质,电化学检测器检测氰根。周政华等[11]采用固相萃取-离子色谱-积分脉冲安培法定性定量分析人血清中谷氨酰胺等14种氨基酸,该方法准确、灵敏,在肿瘤的早期诊断和临床治疗中具有重要的指导意义。CAI等[12]采用阴离子交换高效液相色谱-积分脉冲安培法测定人血清中葡萄糖、核糖、异麦芽糖及麦芽糖的含量,4种成分的检出限可分别低至0.92,7.50,12.9,10.3μg·L－1。

1.2 微生物细胞代谢产物及培养液

微生物细胞代谢过程中能产生甘油、甘油葡糖苷、单糖、氨基酸等多种代谢产物,分析细胞代谢产物中的成分,对于准确阐述微生物新陈代谢途径有着重要意义[13]。陶国庆等[14]采用离子对色谱法测定大肠杆菌BL21中α-酮戊二酸的含量,该方法以Platisil C18色谱柱为固定相,以0.5%(质量分数)磷酸氢二铵-5 mmol·L－1四丁基氢氧化铵体系为流动相,使用紫外检测器在检测波长214 nm 处测定,该方法线性相关性好(R2＝0.999 6)、回收率高(99.38%),为大肠杆菌中痕量有机酸的检测提供一条有效途径。LUAN 等[15]采用离子色谱-电导检测/电喷雾电离质谱法(IC-CD/ESI-MS)测定黏虫幼体血细胞中三羧酸循环代谢产物与无机阴离子的含量,并用该法跟踪了经昆虫生长调节剂(QDP)与杀虫剂(EMB)作用后黏虫幼体血细胞中三羧酸循环代谢产物的变化,为基于细胞免疫干预的害虫防治提供了一种实用、有效、灵敏的检测手段。李志平等[16]从巢湖蓝藻中分离、纯化得到一种多糖(CHAP),并使用离子色谱-脉冲安培法对其水解得到的单糖成分进行分析,结果表明,CHAP 由阿拉伯糖(6.36%)、葡萄糖(35.47%)、木糖(5.03%)、半乳糖(17.09%)、甘露糖(27.36%)及一种未知单糖构成。

微生物培养液中含有大量阴、阳离子及营养物质,以供微生物生长需要,而有机酸、核苷酸等主要通过微生物新陈代谢产生。法芸等[13]采用IonPac AS11-HC阴离子交换色谱柱分离,抑制型电导检测器同时测定嗜热厌氧菌胞外培养液中乳酸、丙酸、丙酮酸、苹果酸、磷酸二羟丙酮、柠檬酸、异柠檬酸等7种有机酸和单磷酸核苷酸(AMP)、双磷酸核苷酸(ADP)、三磷酸核苷酸(ATP)等3 种核苷酸的含量。黄海兰等[17]采用IonPac AS11-HC 阴离子交换柱,以氢氧化钾溶液为淋洗液进行梯度洗脱,使用电导检测器同时测定蓝藻培养液中17种有机酸和7种阴离子的含量,该方法实现了微生物培养液中有机酸和阴离子的同时测定,节省了分析时间和试验成本,可为蓝藻代谢产物的研究提供数据支持。

微生物采油(MEOR)是三次采油等石油环保领域中一项发展迅猛的新型石油开采技术,该技术可利用微生物改善原油物性,提高原油在地层孔隙中的流动性;另一方面可利用微生物在油层中生长代谢产生的气体、生物表面活性物质、有机酸、聚合物等,加快原油的开采速率,提高原油采率[18]。而油田采出水理化性质的分析和营养源流动分布情况的监控是十分关键的一环。LIU 等[19-20]采用离子色谱法测定大庆油田P241 井内采出水样中常规阴、阳离子(Na＋、Mg2＋、Ca2＋、Cl－、SO42－、NO3－、PO43－)和小分子酸(甲酸、乙酸、丙酸、丁酸)的含量,并对比了注入营养液前后各离子浓度水平的变化,证明了施加的氮源、磷源等营养物质发挥了作用。

1.3 食品酿造与发酵

发酵工程是利用微生物的特定性状和功能,通过现代化工程技术和设备来生产有用物质或将微生物直接用于工业化生产获得目标产物的技术体系[21],广泛应用于酒类、果汁饮料、烘焙与肉制品的生产。酿造食品的品质、风味及产率在很大程度上都取决于微生物发酵过程中的产物。熊燕飞等[22]介绍了白酒中有机酸[23-26]和甜味剂[27]分析的离子色谱法。杨春霞等[28]采用离子色谱法测定葡萄酒中9种有机酸的含量,研究了赤霞珠葡萄酒从葡萄汁到原酒的酿造过程中有机酸含量变化规律和量变幅度。XIONG 等[29]将弱阴离子交换树脂和强阴离子交换树脂以质量比1∶2混合,制备了富集柱和分析柱,并通过柱切换技术测定了果汁和红酒中16种有机酸的含量,检出限为0.01～0.22 mg·L－1,回收率为80.5%～109.8%。宋卫得等[30]采用离子色谱-积分脉冲安培法以多步梯度同时测定酱油中20种氨基酸和6种糖的含量,该方法高效、简便,可用于酱油中多种氨基酸和糖的同时测定以及掺假辨别技术的研究。此外,微生物发酵还可以产生乙醇[31]、沼气[32]等能源物质,各种有机酸的变化会对发酵产气过程产生影响[33]。罗鸿信等[34]采用离子色谱法以梯度洗脱程序同时测定污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵液中乳酸、乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、正戊酸、异戊酸等7种有机酸的含量,对于深入研究污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵过程有重要价值。

1.4 动植物样品

动植物样品中往往含有大量色素、糖苷和蛋白质等物质,它们不仅干扰目标物质的准确定量,还会不可逆地损伤色谱柱,降低柱效。因此,在对动植物样品进行离子色谱分析之前,往往要进行分离纯化。目前常见的纯化方法有超声萃取法[35]、液相萃取法[36]、固相萃取法[37-40]和固相微萃取法[41-43],纯化多糖时通常使用Sevag法去除蛋白质[44]。万玲利等[45]使用C18固相萃取柱去除人体尿液样品中的复杂基质,采用离子色谱-抑制电导法测定人体尿液中甲酸、乙酸的含量,从而反映人体内甲醛和乙醛的剂量,可以作为职业性接触人群体内甲醛和乙醛的生物标志物。样品的在线富集和复杂基质消除是离子色谱前处理技术中的一个热点,与常规前处理方法相比,在线处理更加方便、快捷。目前在线前处理方法主要包括柱切换技术与在线处理技术(如赛默飞世尔公司生产的Dionex In Guard系列前处理柱),其中柱切换技术利用两根相同或不同类型组合色谱柱来同时实现样品的富集和复杂基质的消除,而各类在线处理技术则主要用于消除基质干扰。姜新华在浙江省省级科技计划项目“氢氟酸烧伤病人血、尿样本含氟化合物柱切换-离子色谱的建立与应用”中通过构建IonPac NS1型反相柱与IonPac AS11-HC型离子交换柱的切换系统,消除了人血、尿液样本中小分子有机酸的干扰,测定了氢氟酸烧伤病人血、尿样本中F－的含量。刘颖慧等[46]采用一根CRC 型阳离子交换柱对氨基酸进行富集,而后将阀切换至AminoPac PA-10 氨基酸分析柱上分离,并进入安培检测器检测,有效消除了基质糖类化合物对氨基酸分析的影响,提高了氨基酸检测的准确度。张涛等[47]使用自主改进的萃取瓶对烟草样品进行超声萃取,并在离子色谱柱前连接MCI-GEL 反相树脂在线固相萃取柱,以去除样品中少量蜡质、色素、多酚、脂肪等干扰成分,有效缩短了样品分析时间。动植物样品的另一大特点是待测组分通常存在于生物体细胞内或组织中,需要采取一定手段破碎细胞组织,使待测组分充分释放到溶液中。常见的破碎细胞的方法有物理溶胞法、化学溶胞法、酶溶胞法等。王荔等[48]采用物理溶胞法提取抗逆转基因水稻中的海藻糖,并应用离子色谱-脉冲安培法准确测定海藻糖的含量,可为植物体内海藻糖功能的研究提供参考。

生物胺是一类具有生物活性的低相对分子质量含氮有机化合物的总称[49]。人体内存在微量的生物胺,在生物代谢中发挥着重要作用。但过量的生物胺会引起头痛、恶心、血压变化、呼吸紊乱等症状,严重时还将危及生命[50]。生物胺广泛存在于肉制品、水产品、葡萄酒、奶酪及其他发酵食品中。水产品富含蛋白质等营养物质,在加工或贮存过程中易受到微生物的污染而腐败变质,这一过程往往伴随大量生物胺的产生。鉴于此,各个国家均对水产品中生物胺进行了限量规定,以保障其食用安全,GB 2733－2015《食品安全国家标准 鲜、冻动物性水产品》规定高组胺鱼类中组胺的质量分数不得超过400 mg·kg－1,其他鱼类中不得超过200 mg·kg－1[51]。孙永等[52]采用离子色谱-抑制电导法快速测定水产品中三甲胺、腐胺、尸胺、组胺和亚精胺含量,对快速判定水产品品质、保障消费安全具有重要意义。此外,离子色谱检测中药[53]、酒类饮料[54]、肉制品[55]等中生物胺的应用也有相关研究报道。

2 医药领域的应用

离子色谱由于自身的优势,在医药分析领域的应用越来越广泛,被分析物主要包括化学药、中药、中成药、氨基糖苷类抗生素等。此外,离子色谱在赋形剂及其他非活性配方与包装材料、制药过程产生的废水成分分析中也有广泛应用。

2.1 化学药

离子色谱法多用于测定化学药中的痕量无机阴、阳离子杂质,如氟离子[56]、氯离子[56]、碘离子[57]、氰根[58-59]、碱金属离子、碱土金属离子等。药物的基体复杂,通常需要使用有机溶剂(如甲醇)将其溶解,过程中会不可避免地溶解药物中的有机物,这些有机物会吸附在色谱柱上,进而导致柱效下降,需要采取措施去除这些有机物,避免其进入离子色谱系统。金菊花等[60]采用阀切换-离子色谱法测定了头孢克肟、月桂酰吲达帕胺、布地奈德等难溶性药物中氯离子和三氟乙酸根的含量,该方法利用阀切换技术,直接进样后即可通过在线前处理技术消除基体干扰。近年来,应用离子色谱法检测化学药中有机酸碱杂质的报道也越来越多[61-64]。李盼盼等[65]采用离子色谱法测定复方氨基酸(15)双肽(2)注射液中柠檬酸的含量,对其质量控制和标准完善有重要意义。N-甲基苄胺是一种常见的医药中间体和溶剂,具有中长期遗传毒性[66],需要在药物合成的各个环节严格监控其含量。李吉庆等[67]采用IonPac CS17阳离子交换柱分离,非抑制型电导检测器测定左乙拉西坦中N-甲基苄胺含量,方法灵敏度高、检测快速。倪力军等[68]在高温裂解样品并将待测物气体吸收转换成阴离子后,用离子色谱法测定合成药物中有机卤素杂质的含量。张吉祥等[69]采用氧瓶燃烧及溶剂吸收将盐酸胺碘酮中的碘转化为碘离子,然后使用离子色谱法测定含量。LUAN等[70]采用高温裂解-离子色谱法间接测定抗癫痫药物左乙拉西坦中痕量氯化亚砜残留,该方法采用高温裂解取样装置,将氯化亚砜中的硫元素转化为硫酸根,具有可自动操作、温度可控、重复性好等优点。

多数化学药在酸性或碱性流动相中会电离为相应离子,直接用电导检测器就可以高效检测其含量[71-74]。对于具有发射基团或衍生后间接具有光吸收的药物,紫外检测器或荧光检测器有着独特的优势。傅厚暾等[75]使用离子色谱-紫外法测定了布洛芬片剂中布洛芬的含量,检测波长为215 nm,方法简单、快速。宋周虎等[76]采用离子色谱-荧光法同时测定诺氟沙星(NOR)、环丙沙星(CIP)、恩诺沙星(ENO)等3种喹诺酮类药物的含量,该方法采用的固定相为Dionex OmniPac PAX500色谱柱,荧光激发波长和发射波长分别是347 nm 和420 nm。MUHAMMAD 等[77]综述了离子色谱-紫外/荧光法在农药和药物分析中的应用。

对于某些成盐的药物,测定与之配位的阴、阳离子可以间接反映该药物的含量及成盐率[78-82]。张才煜等[83]采用IonPac AS18阴离子交换色谱柱作固定相,以22 mmol·L－1氢氧化钾溶液为流动相进行等度洗脱,抑制型电导检测器检测,测定了维生素BT、盐酸克仑特罗中氯离子的含量,可为相应对照品的准确赋值提供技术保证。此外,采用离子色谱-积分脉冲安培法或离子色谱-积分安培法检测糖类[84-86]、抗坏血酸[87]及氨基酸[88]也是离子色谱应用研究的热点。

2.2 中药与中成药

中药质量的控制有利于指导合理用药,实现中药的国际化、现代化,中药成分检测是控制中药质量的重要手段。近年来,离子色谱法在中药检测中的应用发展迅速。李桂镇等[89]使用ICSPE-C18前处理柱去除杂质和有机物,采用离子色谱-电导法测定中药萝芙木中常见有机酸和无机阴离子的含量。赵彪希等[90]采用水作提取剂、醇类化合物为沉淀剂,Sevag法去除蛋白,制备了鲜冬虫夏草粗多糖(FCSP),并使用离子色谱-脉冲安培法分析其单糖组成,结果表明FCSP 由葡萄糖(59.13%)、甘露糖(21.73%)和半乳糖(19.14%)等3种单糖组成。史万忠等[91]采用离子色谱-脉冲安培法测定洋常春藤中游离糖(阿拉伯糖、D-无水葡萄糖、D-果糖和蔗糖)的含量,并用该法对来自全国不同产地11批洋常春藤不同药用位置中游离糖的含量进行了测定,该法可为后续洋常春藤质量控制指标的建立提供参考。YANG 等[92]将IonPac NG1 型反相柱与Ion-Pac AS19型阴离子交换柱相连,用于阿胶中六价铬离子的测定,该法将阿胶萃取液直接进样,然后采用反相柱在线去除样品中的水溶性有机物后进行阀切换,其余组分被泵入阴离子交换柱进行分离,再通过三通与酸化的二苯卡巴肼溶液发生衍生化反应,在波长535 nm 处检测,该方法提供了一种复杂基质中六价铬离子含量测定的高效检测方法。

在中药加工过程中,会采用硫黄熏蒸法来处理一些根茎类药材,有助于药材贮藏中的防虫、防霉以及漂白增色。但是,亚硫酸盐是一种较强的还原剂,会造成药材有效成分的损失,降低药材质量和疗效。同时,药材中过量亚硫酸盐残留也会使服用者产生恶心、呕吐等肠胃不适症状。因此,测定中药中的亚硫酸盐残留量具有重要意义。饶毅等[93]采用水蒸气蒸馏法进行样品前处理,以过氧化氢溶液作为吸收液,采用离子色谱阴离子交换法测定大黄药材馏出液中二氧化硫的残留量。孙磊等[94]采用加酸水蒸气蒸馏法提取样品,采用离子色谱法测定69 种127批中药材中的二氧化硫总含量,可为中药材中二氧化硫残留限量的标准制定提供依据。吴越等[95]采用碱性溶液提取中药材中游离态、可逆结合态的亚硫酸盐,应用在线渗析技术去除中药材碱提取液中的大分子杂质,采用离子色谱-直流安培法测定SO32－的含量。《中华人民共和国药典》(2015版,Ch P2015)[96]规定中药材及饮片中亚硫酸盐(以二氧化硫计)残留量不得超过150 mg·kg－1,并且将离子色谱法作为检测方法。在苦碟子注射液的生产过程中,会加入硫酸溶液去除钙离子,但是残留的硫酸盐和亚硫酸盐会与蛋白质中的巯基发生可逆反应,从而出现过敏症状。宋玉国等[97]采用Ion-Pac AS18柱作为分离柱,氢氧化钾溶液作为淋洗液,测定了苦碟子注射液中硫酸盐和亚硫酸盐的含量。王欣美等[98]采用离子色谱法同时测定了中药注射剂中的亚硫酸钠和柠檬酸的含量,适合大批量样品的分析和质量控制。

2.3 氨基糖苷类抗生素

氨基糖苷类抗生素主要用于治疗革兰氏阴性菌感染,是临床应用较早的一类广谱抗菌药物[99]。该类药物由氨基糖与氨基环醇通过氧桥连接而成,根据来源可分为天然和人工半合成两大类,天然抗生素包括由链霉菌属培养液中提取的链霉素、卡那霉素、妥布霉素、大观霉素等;人工半合成抗生素主要有阿米卡星、萘替米星等。氨基糖苷类抗生素结构中含有多个醇羟基(－OH),在强碱性溶液中易解离成阴离子,可直接使用阴离子交换柱进行分离,脉冲安培法进行检测[100],无需柱后加碱。三氟乙酸、五氟丙酸或七氟丁酸等可与氨基糖苷类化合物形成离子对,增强抗生素在反相色谱中的保留,因脉冲安培检测中的金工作电极需在碱性条件下工作,故此方法需柱后加碱[101]。ChP2015将离子色谱法引入氨基糖苷类抗生素的检测中,采用三氟乙酸及五氟丙酸体系作为离子对试剂,在C18色谱柱上分离,并在柱后加碱后采用脉冲安培检测器测定依替米星及其制剂和相关物质的含量,该方法专属性强、重复性好、信号响应稳定[102]。

2.4 赋形剂、其他非活性配方与包装材料

赋形剂是药物制剂中除主药以外的附加成分,对制剂的成型及质量稳定等起关键作用。常见的赋形剂有片剂中的黏合剂、填充剂、崩解剂、润滑剂,半固体制剂软膏剂、霜剂中的基质,液体制剂中的防腐剂、抗氧剂、矫味剂等。离子色谱法在赋形剂及其他非活性配方成分检测中的应用也有不少报道[103-104]。甘油磷酸钠是医药领域常用的营养剂和辅助剂,在甘油磷酸钠的制备过程中,会生成α-甘油磷酸钠和β-甘油磷酸钠两种产物,常规检测手段难以区分二者。栾绍嵘等[105]采用离子色谱-抑制电导法成功实现了α-甘油磷酸钠和β-甘油磷酸钠的分离和检测。朱雪妍[106]采用离子色谱法测定血栓通注射液中氯化钠、柠檬酸钠的含量,通过该方法可对血栓通注射液生产过程中添加的辅料进行监控,保证了药品的安全性。《中华人民共和国药典》(2020年版,简称Ch P2020)新增了离子色谱法,并用于乳糖玉米淀粉共处理物中有关物质的分析。

药用卤化丁基橡胶塞是一种常见的药用包装材料,常用于玻璃输液瓶和西林瓶的密封,按所含卤素的不同可将之分为药用氯化丁基橡胶塞和药用溴化丁基橡胶塞[107]。有机卤化物在环境中难降解,一些挥发性有机卤化物对臭氧层有极大的破坏作用,进而严重危害环境和人类健康。因此对于橡胶制品中卤素总量的监测与控制是十分必要的[108]。吴红洋等[108]采用炽灼残渣法对胶塞进行前处理,采用离子色谱法测定溴化丁基橡胶塞中溴化物的含量,同时考察了溴化物在药品中的迁移情况,可为药品的质量控制和安全性评价提供依据。

2.5 制药过程产生的废水

随着国家对制药行业重视程度的提高,制药工业发展迅速,但随之而来的是制药过程废水的处理问题。制药过程产生的废水排放量大,成分复杂且难降解,给环境治理带来了诸多难题。制药过程中产生的废水来源一般为生产过程排放水、洗涤废水和药厂循环冷却水[109]。药厂循环冷却水中所含的有机物浓度水平较低,一般可直接排放;而排放水、洗涤废水的直接排放会对环境造成很大的危害。厌氧生物处理是制药过程产生的废水处理中最为经济有效的技术,但是废水中Cl－、SO42－等离子浓度水平过高会对厌氧菌产生抑制作用。王强等[109]采用离子色谱-电导法同时测定乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、Cl－、NO2－、NO3－、SO42－等8种物质的含量,并用此法分析青霉素和维生素C 生产废水。羟胺是一种重要的医药中间体,当废水中羟胺质量浓度高于5 mg·L－1时会干扰微生物处理废水的效能。FERNANDO 等[110]采用阳离子交换色谱-脉冲安培法测定制药废水中痕量羟胺,测定下限低至0.5 mg·L－1,远低于废水中羟胺含量的规定上限。此外,对于洗涤废水中阴离子与残留洗涤剂的分析,离子色谱法具有明显优势[111-112]。

3 离子色谱法在药典中的新增应用

ChP2020首次收载了离子色谱法,包括鉴别、含量测定、有关物质和特定组分的限度检查等检验项目。使用的检测器包含电导检测器、安培检测器、紫外检测器。ChP2020 进行了一些品类补充,对保障药品质量、维护公众用药安全有着重要的意义。表1列举了离子色谱法在ChP2020中的新增应用。

表1 ChP2020中离子色谱法的新增应用Tab.1 New applications of ion chromatography in the ChP2020

表1 (续)

4 结语

离子色谱技术的发展提高了该方法对阴阳离子、有机酸、有机胺、糖、氨基酸等的分析能力,在生物、医药领域的应用,如生物样品分析、药品生产质量管理、主成分含量测定与杂质分析、溶剂残留检测、中药有效成分分析和有害物质检测、赋形剂、医药废水处理中具有独特的优势,应用将越来越广泛,相关检测标准也将越来越多。