气相色谱-离子迁移谱联用技术在中药材分析中的应用

张博涵 夏 磊 于丽燕

1.苏州大学苏州医学院，江苏苏州 215123；2.华熙生物科技股份有限公司，山东济南 250101；3.中国药科大学继续教育学院，江苏南京 210009

中国中药资源种类多样，具有丰富的生物多样性，有一万余种药用动植物[1]。药材质量对临床治疗产生直接影响，因此控制中药材的质量与鉴别中药材的产地具有重要意义。中药材产地对质量有较大的影响[2]，研究一种能够准确鉴别中药材产地的方法，对于监控中药材质量和保护消费者权益意义重大。目前中药材加工和炮制工艺复杂，导致加工后的中药材产品难以根据外观区分，且中药的安全性、功效和质量与中药成分很大程度上受到药材加工工艺的影响，因此探索中药材加工过程中的物质变化具有重要的意义。气味作为中药材中的挥发性物质的重要表征，可以真实地反映中药材的内在本质，对挥发性物质的分析有助于了解中药材在加工过程中成分的变化[3]。中药材传统鉴别中多通过对中药材气味的鉴别来判别真伪和优劣，但传统鉴别方法带有较大的主观性，需要鉴定者具有丰富的鉴别经验。采用现代分析技术对中药材气味进行客观分析对于提高药材鉴别准确度和可信度具有极大的研究价值。

气相色谱- 离子迁移谱联用技术（gas chromatography-ion migration spectrometry，GC-IMS）为一种新兴的气体分析技术。该技术在物质分析时，无需对药品进行前处理，并且对于物质的分离效率较高。作为一种联用技术，其具有离子迁移谱检测速度快和信息量大等优点，可以在短时间内对样品中的气味物质的分子特征进行分析。目前在药物分析、环境保护、医学和食品等领域，GC-IMS已被广泛应用。

1 气相色谱-离子迁移谱联用技术原理

最早的离子迁移谱技术用于检查测定时，需要将以气体或微粒形式存在的样品离子化，形成检测离子群。然后通过离子栅门，生成的离子群在电场E（V/cm）作用下漂移或分离。在离子检测过程中，离子群与高纯氮气相互作用，在漂移电场及漂移气体共同作用下离子群匀速通过漂移区，到达检测器进行检测。该速度为飘移速度V （cm/sec），根据以下公式可得，气体环境中离子群在电场作用下漂移速度与电场强度成正比：

上式中，K 简称为迁移率（cm2/V·s）。该常数与样品物质所形成的离子的相关特征有关，温度、湿度以及压力等仪器周围的环境条件因素也会对其产生一定影响。在分析过程中，为了便于比较不同种类离子群的迁移率，分别测量每个离子的迁移率K 作为实验参数（即温度和压力）的函数。这些参数通常归一化为标准条件，得到约化迁移率（K0）。将离子的迁移率转化为约化迁移速率进行计算，计算公式为：

式中T-漂移区温度（K）；P-漂移气体压强（torr 或mmHg）。在离子迁移谱的分析过程中，通常采用离子迁移时间（Td， s 或ms）的不同来进行离子的分离定性。因为样品的离子迁移系数不同，其通过漂移区域的漂移速度也不同，致使不同样品离子通过漂移管的迁移时间也不相同：

式中d 为漂移管的长度（cm）。在GC-IMS 联用技术中，首先载气携带样品通过色谱柱进行分离，被分离的各组分进入到IMS 的电离室内进行电离。此时挥发性样品在载气的作用下进入电离反应区，载气分子和样品分子在离子源放射性Ni 的作用下发生一系列的电离反应和离子－分子反应，形成各种产物离子。在电场的驱动下，这些产物离子通过周期性开启的离子门进入迁移区，与逆向流动的中性迁移气体分子不断碰撞而损失能量，因此在电场中各自迁移速率不同，使得不同的离子到达探测器上的时间不同而得到分离。其基本原理如图1 所示。

图1 气相色谱-离子迁移谱联用技术分离示意图

气相色谱与离子迁移谱的融合使用可以充分发挥各自的优势，获得的谱图数据含有丰富的信息。图2 为气相色谱-离子迁移光谱的三种典型的表现形式，其中X 轴代表离子迁移时间（ms），Y轴代表气相色谱保留时间（s），Z 轴代表离子强度（V），Z 轴数据的大小通过颜色变化表示。

图2 三种气相色谱-离子迁移谱谱图的表示方法

2 在中药材质量分析中的应用研究

近年来，GC-IMS 技术在中药材的分析领域中也有一定的应用，下面重点介绍了该技术在不同中药材分析检测中的发展状况，旨在探讨GC-IMS 技术作为一种新型的检测技术在中药材的产地鉴别、真伪鉴别以及不同炮制方法中气味变化等不同方面的应用潜力。

2.1 中药材的产地鉴别

不同产地的药材，其品质、理化性质及生物学效应也存在差异，因此明确药材产地是指导临床用药的重要参考。

李军山等[4]采用GC-IMS 技术测定15 批连翘药材中挥发性成分，快速准确地将不同连翘产地区分为3 大类，该方法为不同地区连翘的品质评判提供参考。采用GC-IMS 技术也可以对不同产地贝母的挥发性物质进行定性和相对定量分析，为贝母的质量监控及产地鉴别提供参考[5]。GC-IMS 技术结合化学计量学能够快速区分不同产地的瓜蒌皮，基于此可实现对山东、河北产区瓜蒌皮的快速区分[6]。李曼祎等[7]则结合GC-IMS 技术及偏最小二乘法鉴别4 个主要产区的枸杞，通过检测不同产地枸杞含量差异较大的挥发性物质，分析枸杞生长环境对成分的影响。

目前对于黄芪产地的鉴别可采用传统鉴别法、显微镜鉴别法和化学分析等方法。一种快速、准确和操作简便的黄芪产地鉴别方法，对于监控黄芪上市产品的质量有重大意义。本实验室采用气相色谱-离子迁移谱联用技术结合数字图像处理，研究黄芪的二维指纹谱的提取，并使用化学计量学方法实现黄芪不同产地的快速判别，结果表明该方法为黄芪的产地鉴定提供指导。

2.2 不同炮制方法对中药材的影响

中药的安全性、功效和质量与成分很大程度上受到药材加工工艺的影响，不同的中草药材具有不同的加工方法，即使是同一种中药材，其不同的产地也会采用不同的加工方法，因此，检验药材在加工过程中的成分改变意义重大。

陈树鹏等[8]采用GC-IMS 技术分析烘干与晒干两种干燥方式九制陈皮的挥发性成分，采用偏最小二乘回归分析，探讨了不同工艺产品之间的差异。林秀敏等[9]对不同浓度酒洗当归及酒洗、酒浸、酒炙等不同方法炮制酒当归样品进行鉴别并分析其成分变化，为不同当归炮制品的鉴别以及深入探索炮制对当归成分变化的影响提供参考。焦焕然等[10]将气相色谱-离子迁移谱技术与高效液相色谱连用，分析瓜蒌热风干燥与传统干燥方式对药材成分变化的影响，为研发新的瓜蒌干燥工艺、提高瓜蒌产量和药材品质提供思路。何佳等[11]采用GC-IMS 技术分析加工前后的麦冬样品中的挥发性有机物，借助主成分分析技术，快速鉴别加工前后的浙麦冬，并对加工前后的浙麦冬进行分类。杨冰月等[12]采用顶空GC-IMS 技术测定款冬花生品和蜜炙品的挥发性有机物，构建顶空气相色谱-离子迁移指纹图谱，该方法可用于识别与评价款冬花生品和蜜炙品挥发性有机物的种类和差异。王雨晨等[13]应用GC-IMS 技术快速鉴别和分析不同干燥方法的太子参，为优化太子参的生产及选择新的质量控制标准提供科学依据。石典花等[14]采用气相-离子迁移谱联用技术分析侧柏叶及不同炒制程度侧柏炭的气味，以期为建立新的侧柏炭的质控标准提供理论依据和技术支持。周倩等[15]通过气相-离子迁移谱联用技术分析甘草及其炮制品炙甘草饮片的气味，并建立指纹图谱，为甘草和炙甘草饮片的质量评价提供了一种快速高效的新方法。Cao 等[16]采用GC-IMS 技术将白芍生品和炮制品分为两大类，研究发现生品和炮制品中主要成分含量差异显著。Li 等[17]采用气相色谱与离子迁移谱联用技术相结合的顶空系统作为筛选系统，对白术粗样品和加工样品进行了区分，结果表明该方法对分类、鉴别不同炮制工艺的中药材具有一定的参考价值。

不同的炮制方法可以在一定程度上改变药材的挥发性物质，使用GC-IMS 技术构建指纹图谱结合化学计量学方法能够准确对中药材炮制工艺过程和炮制程度进行连续控制及判别，同时为炮制过程监督、预警、改良提供可视化的检测方法。

2.3 中药材的真伪鉴别

不同道地药材其有效成分含量也不相同，因此不同产地的中药材将直接影响临床疗效。目前市场上仍然存在使用假冒伪劣药材冒充正品药材的现象，因此，建立准确的药材鉴别方法对于市场规范和临床治疗意义重大。

樊洪利等[18]使用顶空GC-IMS 技术可快速鉴别北柴胡与藏柴胡。曹雅静等[19]采用顶空气相色谱-离子迁移谱联用技术建立沉香特征峰指纹图谱，成功鉴定出有浸泡痕迹的沉香伪品。严爱娟等[20]首次采用GC-IMS 技术结合化学计量法分析覆盆子及其混淆品山莓气味中存在明显差异的化学物质，为覆盆子的鉴伪提供新的思路。王振洲等[21]采用气相-离子迁移谱联用技术鉴别红参、西洋参和人参，通过气相离子迁移系统联合数据分析软件实现参类的产地溯源，为人参的鉴别及临床使用的准确性给出参考。郭凤柳等[22]采用气相-离子迁移谱联用技术对川贝母及其他贝母进行鉴别，为川贝母的快速真伪鉴别提供新的思路与数据支持。广陈皮由于其独特的药效和口感，价格远高于其他柑橘品种（统称“陈皮”）的干果皮。因此，某些商人将陈皮伪装成广陈皮，以获得更高的利润，Lv 等[23]采用顶空气相色谱-离子迁移谱联用技术测定挥发性有机化合物，对广陈皮和陈皮进行鉴别，分析结果表明，广陈皮和陈皮通过该方法可以有效区分。

2.4 不同贮藏期中药材的气味变化

中药材受到自然界温度、湿度、霉菌等因素影响时，会发生霉变和虫蛀等现象，而失去原有的活性成分，影响其质量和疗效，因此可以通过检测中药所含化学成分变化从而判断中药材是否变质。

林史珍等[24]采用GC-IMS 技术，在高温高湿加速破坏条件下模拟苦杏仁在贮藏时成分变化的过程，检测苦杏仁中挥发性物质的变化规律，为评价苦杏仁品质提供了一种快速高效的新方法。Yuan等[25]采用气相色谱-离子迁移技术探讨了如何快速鉴别三种同属不同种的百合药材方法。Yang 等[26]采用顶空GC-IMS 技术对金丝小枣进行了不同冷藏期的分析。该技术可以很好地识别红枣果实的挥发性成分，并根据挥发性成分的差异对不同时期的红枣果实进行分类。蔡惠钿等[27]基于GC-IMS 对潮州老香黄在老化过程产生的挥发性物质进行分析，结果表明该方法可以有效区分不同陈化时间老香黄的显著差异成分。梁天一等[28]通过GC-IMS分析不同年份新会陈皮中的挥发性风味物质，结果表明，不同陈化年份陈皮的挥发性风味物质差异性显著。同时，GC-IMS 技术也可以对不同产地的陈皮进行风味物质方面的深入研究，未来有可能为陈皮的产地鉴定提供参考依据。

3 展望

GC-IMS 技术在中药材产地鉴别和假冒伪劣鉴别中具有很大的发展空间，不但可以分析中药材挥发性有机成分的组成差异，对于挥发性有机成分组成相似的样品，也可以根据特征性挥发性物质含量差异达到准确分类。GC-IMS 技术在此背景下展现出了良好的应用前景。

GC-IMS 技术在中药材分析鉴定中的应用已经达到了一定的水平，但仍存在一些不足之处，由于部分试验样本量有限，建立的模型可能不是最优模型，且离子迁移谱数据库还不够完善，各商业仪器的数据库也不能通用，仍有部分离子无法鉴别，需通过其他技术进一步进行定性分析。下一步应建立全面详尽的气相色谱离子迁移技术数据库，也可与质谱等技术联用进一步提高定性能力。我们将在探索中不断加以完善，达到更有效、更简单的中药材质量分析的目的。