張 權(quán),齊夢蝶,康 瑩,王方方,曲繼旭,孫志蓉,郭有枝,王春國,劉 勇
(1.北京中醫(yī)藥大學(xué),北京 100102;2.福建省源容生物科技有限公司,福建 三明 354500)
無患子(SapindusmukorossiGaertn.)為無患子科(Sapindaceae)無患子屬(Sapindus)的一種落葉喬木植物[1]。無患子具有一定的文化淵源,如無患子果實,又名菩提子,即最早記載的念珠[2]。無患子果皮被認(rèn)為是一種綠色天然的洗滌用品,自古以來人們就有用無患子果皮浸泡液洗發(fā)、沐浴、洗衣服的傳統(tǒng),稱其為“肥皂樹”、“洗手果樹”[3-4]。此外,無患子果皮還具有抗菌、抗腫瘤、保肝、抗血小板聚集、抗?jié)?、?zhèn)痛以及抑制胰脂肪酶等多種藥理活性[5]。通過對無患子屬植物不同部位進行分離鑒定,現(xiàn)已確定了70余種化合物,主要為苷類成分。根據(jù)母核官能團特點,可將這些成分歸為常春藤型、齊墩果酸型、甘遂烷型、達瑪烷型三萜皂苷和倍半萜苷,其結(jié)構(gòu)示于圖1。
LC/MS以其高靈敏度、高專屬性、分析快速等特點,已成為復(fù)雜中藥化學(xué)成分快速鑒別的主要技術(shù)之一[6-10]。國內(nèi)外對無患子果皮的成分鑒別已有相關(guān)報道,如李銳等[11]通過串聯(lián)質(zhì)譜分析,在無患子果皮中鑒定了12種苷類成分;王小淳等[12]運用LC/MS分析發(fā)現(xiàn)了數(shù)個未見報道的苷類成分。但是,目前對無患子果皮成分的表征多采用低分辨質(zhì)譜,缺乏高分辨質(zhì)譜的碎裂信息,以及相近母核類型和復(fù)雜成分普遍存在等因素,難以實現(xiàn)復(fù)雜成分鑒別和精細結(jié)構(gòu)區(qū)分。高分辨率、高精度(<1×10-6)和多級碎片信息是質(zhì)譜鑒定化合物的必要條件。LTQ Orbitrap MS是將線性離子阱質(zhì)譜和高分辨質(zhì)譜結(jié)合的雜交型質(zhì)譜儀,同時具有離子阱質(zhì)譜的多級碎裂和Orbitrap的高分辨能力,有助于實現(xiàn)常規(guī)化合物的鑒定和復(fù)雜成分的定性分析[13-14]。多級質(zhì)譜(MSn)數(shù)據(jù)多采用數(shù)據(jù)依賴性采集技術(shù)(data-dependent acquisistion, DDA),即將一級全掃描得到的母離子信號進行選擇、分離并碎裂成更小的碎片子離子,再進行二級掃描,以此類推,獲得相互關(guān)聯(lián)的MSn多級碎片信息[15]。但是,常規(guī)的數(shù)據(jù)依賴性采集技術(shù)更傾向于采集和檢測高豐度的離子,對于復(fù)雜成分組來說,大量目標(biāo)組分無法檢測到二級碎片信息,而母離子列表(parent ion list, PIL)采集技術(shù)能夠選擇特定母離子進行MSn分析,提高了掃描速度,在一定程度上克服了低豐度目標(biāo)組分難以檢測多級碎片的難題[16]。另外,對于常規(guī)的裂解模式CID(collision induced dissociation),質(zhì)譜分析會出現(xiàn)低質(zhì)量碎片缺失效應(yīng),造成母核結(jié)構(gòu)相近化合物無法進行精細結(jié)構(gòu)深入?yún)^(qū)分的困境;而高能碰撞(high energy collision dissociation, HCD)碎裂模式,母離子通過HCD進行碎裂,然后子離子在Orbitrap中進行高分辨和高精度的二級掃描,該碎裂模式提高了碎裂效率,實現(xiàn)了對低質(zhì)量碎片信息的檢測,同時提供了精確質(zhì)量數(shù)的碎片離子[17-18]。此外,對海量質(zhì)譜數(shù)據(jù)的分析和深入挖掘,耗費了大量的人工精力,而質(zhì)譜數(shù)據(jù)的計算機智能計算(Insilico)技術(shù)正成為未來中藥小分子質(zhì)譜數(shù)據(jù)深度挖掘的主要手段之一。Mass Frantier是一款最新的用于小分子結(jié)構(gòu)鑒定的質(zhì)譜軟件,如其中的Fragment Ion Search(FISH)模塊可以將碎裂規(guī)則或診斷離子導(dǎo)入軟件進行高通量篩查,得到的化合物被認(rèn)為是與目標(biāo)化合物具有相似的母核和碎裂規(guī)則;MS Tree Match是一種譜圖比對技術(shù),通過軟件內(nèi)置或用戶自建的數(shù)據(jù)庫對相同水平(MSn)、具有相同母離子m/z的相應(yīng)質(zhì)譜圖進行譜圖匹配,軟件自動給出1~999的匹配值用于化合物數(shù)據(jù)庫的快速篩查。
圖1 無患子屬植物苷類成分的主要結(jié)構(gòu)類型Fig.1 Structure types of glycosides in Sapindus
本研究擬采用UHPLC-LTQ-Orbitrap MS技術(shù)對無患子果皮中苷類成分進行快速篩查和鑒定,并且區(qū)分母核結(jié)構(gòu)相近的化合物,預(yù)測可能存在的新成分,以形成一套較為完整的成分表征策略。
LTQ-Oribitrap XL線性離子阱-串聯(lián)靜電場軌道阱質(zhì)譜儀:美國Thermo Scientific公司產(chǎn)品,配有熱噴霧離子源(HESI)、Xcalibur 2.1化學(xué)工作站;Thermo Scientific Dionex Utimate 3000 UHPLC Plus Focused超高效液相色譜系統(tǒng):美國Thermo Scientific公司產(chǎn)品,配有二元梯度泵、自動進樣器、柱溫箱、二級管陣列(DAD)檢測器;Chromeleon 7工作站:美國 Thermo Scientific 公司產(chǎn)品;Millipore Synergy UV型超純水機:美國Millipore公司產(chǎn)品;R200D型電子分析天平(十萬分之一):德國Sartorius公司產(chǎn)品。
常春藤皂苷元(批號HA0820KA14,純度≥98%)、齊墩果酸(批號K01016CA14,純度≥98%)對照品:均購自上海源葉生物科技有限公司;水為超純水;甲醇、乙腈:均為質(zhì)譜級,美國Fishier Scientific公司產(chǎn)品;其余試劑均為分析純;無患子果:采自福建建寧,經(jīng)北京中醫(yī)藥大學(xué)資源系孫志蓉教授鑒定原植物為無患子SapindusmukorossiGaertn.。
精確稱取1.02 mg常春藤皂苷元和1.04 mg齊墩果酸,分別置于2 mL容量瓶中,用甲醇溶解并稀釋至刻度,搖勻,得0.51 g/L常春藤皂苷元和0.52 g/L齊墩果酸標(biāo)準(zhǔn)液,過0.45 μm微孔濾膜,備用。
將無患子果皮烘干、粉碎,稱取50 g果皮粉末,加入250 mL H2O,60 ℃回流提取3次,每次分別為3、2、2 h,合并、濃縮,定容至100 mL容量瓶中。AB-8大孔樹脂富集,上樣量50 mL,徑高比1∶10,流速1 mL/min,水洗脫至molish反應(yīng)呈陰性,然后用95%乙醇洗脫,流速1 mL/min,至大孔樹脂柱無色,收集95%乙醇洗脫液,減壓濃縮至無醇味,-80 ℃冰凍12 h,冷凍干燥48 h,得6.7 g皂苷粉末,得率為26.8%。取0.115 00 g皂苷粉末,溶于10 mL甲醇中,過0.45 μm微孔濾膜,即得供試品溶液。
1.4.1色譜條件色譜柱:Waters Acquity UPLC BEH-C18柱(2.1 mm×50 mm×1.7 μm);流動相:A為乙腈,B為0.1%甲酸水溶液;洗脫程序:0~2 min(5%~32%A),2~14 min(32%~36%A),14~15 min(36%~40%A),15~25 min(40%~50%A),25~28 min(50%~80%A),28~28.1 min(80%~5%A),28.1~32 min(5%A);流速0.4 mL/min;柱溫30 ℃;DAD檢測波長210 nm;進樣量4 μL。
1.4.2質(zhì)譜條件HESI離子源,負離子檢測模式,離子源溫度350 ℃,電離源電壓4 kV,毛細管電壓35 V,管透鏡電壓110 V,鞘氣和輔助氣均為高純氮氣(純度>99.99%),鞘氣流速 40 L/h,輔助氣流速20 L/h;采用傅里葉變換高分辨全掃描方式(TF,F(xiàn)ull scan,分辨率30 000)數(shù)據(jù)依賴性DDA-MS2;母離子列表PIL-MS2和PIL-MS3;運用CID和HCD相結(jié)合的碎解方式等多種策略。
運用HighChem Mass Frontier 7.0軟件對成分進行解析,其搜索、解析途徑分為兩種:一是構(gòu)建無患子屬植物苷類成分的特征碎片模板,在FISH Filter中進行相似結(jié)構(gòu)高通量搜索;二是構(gòu)建離子樹(MS tree)數(shù)據(jù)庫,總結(jié)已鑒定化合物的裂解信息,以MS tree的形式錄入數(shù)據(jù)庫,進行MS Tree Match的高通量匹配,以Match得分大于400作為匹配閾值。
本研究運用UHPLC-LTQ Orbitrap MS技術(shù)整合多種數(shù)據(jù)采集、挖掘策略,對無患子果皮中的苷類成分進行系統(tǒng)研究,共鑒別出67個化合物。首先,采用常規(guī)的DDA-MS2采集方法,根據(jù)常春藤皂苷元、齊墩果酸等標(biāo)準(zhǔn)品的裂解規(guī)律和特征碎片進行快速篩查,結(jié)合精確分子質(zhì)量和相關(guān)文獻[19-38],共鑒別出38種化合物;采用PIL-MS2,PIL-MS3和HCD高能碰撞采集方法,實現(xiàn)了18個母核結(jié)構(gòu)相近化合物的精細區(qū)分和結(jié)構(gòu)鑒別;采用Mass Frantier軟件進行數(shù)據(jù)庫對比和質(zhì)譜碎片預(yù)測,共推測出11種新成分。
在LTQ-Orbitrap MS中(分辨率30 000),齊墩果酸的準(zhǔn)分子離子峰為m/z455.351 97[M-H]-,選擇母離子進行CID裂解,在二級質(zhì)譜圖中出現(xiàn)m/z409、407、391、375、297、247、219等特征碎片離子。其中,碎片離子m/z409是由于C28位脫羧反應(yīng),母核失去1分子甲酸形成的, C21和C22位進一步失去氫,形成共軛結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定碎片離子m/z407;碎片離子m/z409中性丟失1分子H2O形成m/z391;C24位角甲基不穩(wěn)定進一步丟失1分子CH4形成碎片離子m/z375;碎片離子m/z247是由齊墩果酸發(fā)生逆狄爾斯-阿爾德(RDA)反應(yīng)形成的,m/z247的C28位進一步中性丟失1分子CO形成m/z219碎片離子[19]。齊墩果酸二級質(zhì)譜圖和可能的裂解途徑示于圖2a和圖3。
常春藤皂苷元的準(zhǔn)分子離子峰為m/z471.346 88,選擇母離子進行CID裂解,在二級質(zhì)譜圖中出現(xiàn)m/z425、405、393、377、347、203等特征碎片離子。其中,碎片離子m/z453是母核丟失1分子H2O形成的,m/z453中C28位丟失1分子CO及C4位脫CH4O后,分別形成m/z425和m/z393碎片離子。其中,m/z393脫去CH4后形成m/z377,進一步丟失2分子角甲基后形成m/z347,m/z377發(fā)生逆狄爾斯-阿爾德裂解后形成m/z203等碎片離子[6,19,20]。常春藤皂苷元二級質(zhì)譜圖和可能的裂解途徑示于圖2b和圖4。
常春藤型和齊墩果酸型三萜皂苷的結(jié)構(gòu)多樣且復(fù)雜,主要體現(xiàn)在糖鏈的數(shù)目和鍵合的位置,單糖的種類、數(shù)目以及連接順序、位點,乙?;臄?shù)目以及鍵合位置的不同。根據(jù)以上裂解規(guī)律和母核特點,發(fā)現(xiàn)m/z471、393碎片離子和m/z455、407碎片離子可以作為區(qū)分兩種類型三萜皂苷的特征碎片離子。
圖2 負離子模式下,齊墩果酸(a)和常春藤皂苷元(b)的二級質(zhì)譜圖Fig.2 MS2 spectra of oleanolic acid (a) and hederagenin (b) at negative ion mode
圖3 負離子模式下,齊墩果酸的質(zhì)譜裂解途徑Fig.3 Fragmentation pathways of oleanolic acid at negative ion mode
圖4 負離子模式下,常春藤皂苷元的裂解途徑Fig.4 Fragmentation pathways of hederagenin at negative ion mode
2.2.1常春藤型和齊墩果酸型的快速篩查和鑒別運用LTQ-Orbitrp MS儀,采用常規(guī)DDA-MS2數(shù)據(jù)采集方法,結(jié)合高分辨質(zhì)譜精確分子質(zhì)量,根據(jù)常春藤型皂苷元m/z471、393,齊墩果酸m/z455、407等特征碎片,對無患子果皮中三萜皂苷類成分進行快速篩查和鑒別,共鑒別了16種常春藤型三萜皂苷,2種齊墩果酸型三萜皂苷,結(jié)果列于表1(化合物1~18)。
2.2.2達瑪烷型皂苷類成分的快速篩查和鑒別無患子果皮中達瑪烷型三萜皂苷的結(jié)構(gòu)多樣性體現(xiàn)在母核官能團種類和鍵合位置的不同,以及糖鏈的差異[21-22]。根據(jù)其母核特點,常以達瑪烷皂苷苷元碎片離子m/z505、492、489、475、459等作為區(qū)分達瑪烷型三萜皂苷的特征碎片離子[23],據(jù)此對無患子果皮中該類成分進行快速篩查和鑒別,共鑒別了5種達瑪烷型皂苷類成分,結(jié)果列于表1(化合物19~23)。
2.2.3倍半萜苷類成分的快速篩查和鑒別
無患子倍半萜糖苷類化合物的基本骨架主要分為羥基鄰位C11上有氫的A型倍半萜苷和羥基鄰位C11上沒有氫而形成雙鍵的B型倍半萜苷兩類。它們在軟電離狀態(tài)下均產(chǎn)生一系列糖苷鍵丟失的碎片離子,最后脫去1分子葡萄糖和1分子水[19],其特征碎片離子為m/z531、529、401、399等。本研究以此作為診斷離子對無患子果皮中倍半萜苷進行快速篩查和鑒別,共鑒別了12種A型倍半萜苷類成分,5種B型倍半萜苷類成分,結(jié)果列于表1(化合物24~38)。
以倍半萜糖苷化合物34為例,說明其鑒別過程:
化合物34在總離子流圖(TIC)的保留時間為4.97 min,高分辨質(zhì)譜中顯示的精確準(zhǔn)分子離子峰為m/z677.337 59[M-H]-,根據(jù)元素組成分析,該化合物的分子式為C50H84O28(質(zhì)量偏差為-0.44×10-6)。在CID裂解下,MS2圖譜中產(chǎn)生了m/z545、531、399、307、247等碎片離子。m/z545的C8和C12位中性丟失1分子H2O,形成五元環(huán)結(jié)構(gòu),其相連的葡萄糖基進一步發(fā)生六元環(huán)上的跨環(huán)開裂,丟失C3H6O2形成m/z307碎片離子,m/z307進一步失去C2H4O2,形成m/z247碎片離子[6,19]。上述碎片離子具體歸屬為:m/z545[M-H-Ara]-,m/z531[M-H-Rha]-,m/z399[M-H-Rha-Ara]-,m/z307[M-H-H2O-Rha-C3H6O2]-,m/z247[M-H-H2O-Rha-C3H6O2-C2H4O2]-。結(jié)合相關(guān)文獻[24],化合物34鑒別為Pyishiauoside Ⅱb,其二級質(zhì)譜圖和可能的裂解途徑分別示于圖5和圖6。
圖5 化合物34的二級質(zhì)譜圖Fig.5 MS2 spectrum of compound 34
2.3.1HCD高能碰撞用于5種常春藤型皂苷的鑒別采用常規(guī)的數(shù)據(jù)依賴型數(shù)據(jù)采集DDA-MS2和源內(nèi)CID裂解,發(fā)現(xiàn)一些分子質(zhì)量較大的化合物裂解不完全,不能夠提供準(zhǔn)確的母核信息。以化合物39為例:在高分辨質(zhì)譜中,保留時間為24.88 min,精確準(zhǔn)分子離子峰為m/z1 007.522 64[M-H]-,根據(jù)元素組成分析,分子式為C52H80O19(質(zhì)量偏差為1.63×10-6)。經(jīng)源內(nèi)CID裂解后,在MS2中呈現(xiàn)m/z965、947、923、791、687、645、603、585等碎
片離子,示于圖7a。其中,m/z965碎片離子為準(zhǔn)分子離子m/z1 007脫去乙酰基形成的,進一步脫去1分子H2O,形成m/z947 碎片離子;m/z965丟失乙?;纬蒻/z923碎片離子;碎片離子m/z791與m/z923的質(zhì)量數(shù)相差132 u,提示存在阿拉伯糖或木糖;同理,m/z645與m/z791相差146 u,提示糖鏈中存在鼠李糖;m/z687可能是由于鼠李糖發(fā)生環(huán)內(nèi)裂解,丟掉-C4O3H而產(chǎn)生[23];m/z645進一步丟掉1分子乙?;纬伤槠x子m/z603,后者脫去1分子水形成m/z585碎片離子。由此推測,化合物39為1分子鼠李糖或阿拉伯糖和1分子鼠李糖的化合物,但是,由于缺少母核的碎片信息,無法鑒別其為哪種類型的苷類成分。使用高能碰撞HCD進行裂解,更易獲得難以裂解成分的多級質(zhì)譜圖,并顯著改善CID裂解中產(chǎn)生的低質(zhì)量碎片丟失效應(yīng)[18]。如在HCD中出現(xiàn)m/z471常春藤皂苷元診斷離子,示于圖7b。結(jié)合文獻[25],鑒別化合物39為Rarasaponin Ⅳ及其同分異構(gòu)體,可能的裂解途徑示于圖8。使用該策略對另外4種常春藤型皂苷的鑒別結(jié)果列于表1(化合物40~43)。
圖6 化合物34的裂解途徑Fig.6 Fragmentation pathways of compound 34
注:a.CID裂解模式;b.HCD裂解模式圖7 化合物39的二級質(zhì)譜圖Fig.7 MS2 spectra of compound 39
圖8 化合物39的裂解途徑Fig.8 Fragmentation pathways of compound 39
2.3.2PIL-MS2和PIL-MS3對13種甘遂烷型皂苷的鑒別四氫呋喃環(huán)甘遂烷型皂苷為無患子屬植物特有的成分,其母核是由C21和C23通過醚鍵連接,C21一般為取代基,末端有4個碳鏈連接在C23上[26]。鑒別此類化合物時,發(fā)現(xiàn)一些化合物沒有二級信息,并且一些化合物的母核與齊墩果酸分子式相同,需要進一步的裂解信息以確保鑒別的準(zhǔn)確性。針對這兩個問題,本實驗采用了PIL-MS2,PIL-MS3的采集策略,13個甘遂烷型皂苷化合物得到了鑒別,結(jié)果列于表1(化合物44~56)。以化合物44為例:其在高分辨質(zhì)譜中的保留時間為24.51 min,顯示的精確準(zhǔn)分子離子峰為m/z763.462 16[M-H]-,根據(jù)元素組成分析,該化合物的分子式為C42H68O12。在CID裂解下,MS2圖譜中產(chǎn)生了與齊墩果酸質(zhì)量數(shù)相同的m/z455
碎片離子,示于圖9a,但其豐度比五環(huán)三萜皂苷裂解所產(chǎn)生的齊墩果酸苷元離子豐度大得多。采用PIL-MS2,PIL-MS3的采集策略,發(fā)現(xiàn)其進一步裂解產(chǎn)生了m/z437、373、339碎片離子,示于圖9b,與齊墩果酸裂解產(chǎn)生的m/z409、407、391等特征碎片離子有本質(zhì)區(qū)別。結(jié)合文獻[24],確定化合物44的二級圖譜中m/z455并非齊墩果酸苷元,而為甘遂烷三萜皂苷的母核。各碎片離子的歸屬為m/z617 [M-H-Rha]-,m/z599 [M-H-Rha-H2O]-,m/z455 [M-H-Rha-Glc]-,m/z437 [M-H-Rha-Glc-H2O],m/z373 [M-H-Rha-Glc-C5H6O],m/z339 [M-H-Rha-Glc-C5H6O-H2O-CH4]。結(jié)合文獻[24],鑒別該化合物為Sapimukoside B或其同分異構(gòu)體,可能的裂解途徑示于圖10。
圖9 化合物44的二級(a)和三級(b)質(zhì)譜圖Fig.9 MS2 (a), MS3 (b) spectra of compound 44
圖10 化合物44的裂解途徑Fig.10 Fragmentation pathways of compound 44
相對于大分子如蛋白質(zhì)組,中藥小分子的質(zhì)譜數(shù)據(jù)深度解析十分有限,如實驗中獲得的無患子果皮質(zhì)譜二級譜圖約1 850張,95%以上的質(zhì)譜數(shù)據(jù)無法得到解析。本研究主要整合了Mass Frontier的FISH和MS Tree Match技術(shù),用于無患子果皮中未見報道成分的高通量篩查。
構(gòu)建無患子果皮中三萜皂苷和倍半萜糖苷類成分的特征碎片模板,進行FISH高通量篩查,共篩選出30個目標(biāo)化合物,示于圖11a。對其二級質(zhì)譜進行解析,推測出4個新成分,列于表1(化合物57~60)。
注:a.FISH;b.MS Tree Match圖11 Mass Frontier篩選結(jié)果Fig.11 Screening results for Mass Frontier
將表1中化合物1~60的MSn信息導(dǎo)入Mass Frontier軟件,構(gòu)建無患子果皮苷類成分?jǐn)?shù)據(jù)庫。使用Dot-product算法對相同母離子下的相同水平(MSn)質(zhì)譜圖進行MS Tree Match的高通量匹配,并選取Match得分大于400作為匹配閾值,結(jié)果共得到153個目標(biāo)化合物,示于圖11b。對上述化合物進行二級譜圖解析,推測出7個新成分,列于表1(化合物61~67)。對上述推測的11種新成分進行HCD碎裂驗證,HCD除了具有高能碰撞的優(yōu)勢,還具有提供高質(zhì)量分辨能力和精確質(zhì)量數(shù)的二級譜圖信息的能力,大大提高了新成分結(jié)構(gòu)預(yù)測的準(zhǔn)確性。
本研究采用UHPLC-LTQ Orbitrap MS法建立了多種數(shù)據(jù)采集、挖掘策略用于無患子果皮中苷類成分的快速鑒別,對無患子果皮中母核結(jié)構(gòu)相近化合物的精細區(qū)分以及新成分的預(yù)測和驗證進行了探討。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)無患子果皮中67種苷類化合物的鑒別,可為無患子質(zhì)量控制及藥效學(xué)研究提供參考數(shù)據(jù),有助于復(fù)雜中藥成分的快速定性分析。
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