第十六章 药品质量控制中的现代分析方法与技术.doc
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1、第十六章 药品质量控制中的现代分析方法与技术第一节 从毛细管电泳到微流控芯片实验室林炳承 研究员,博士生导师,1944年11月生于浙江宁波。1968年毕业于南京工学院,1986年在中国科学院大连化物所获博士学位。20世纪80年代从事色谱研究。90年代从事毛细管电泳研究,1999年起开始芯片实验室研究。中国化学会毛细管电泳专业小组组长。德国洪堡基金、日本学术振兴会研究员,比利时布鲁塞尔自由大学访问学者,香港大学、德国Tbingen大学、美国Truman州立大学、意大利科学院访问教授。1987年初,林炳承由洪堡研究基金资助,到德国吐宾根大学深造。一次在接待美国波士顿大学的B. Karger教授时他
2、得知,美国Anak. Chem.(分析化学)杂志刚刚引入了一个有生物学背景的博士作为编辑,以加强分析化学和生命科学结合的力度。这一消息引起他很深的共鸣。他一直认为,当代化学需要关注两大对象,一是生命科学,二是材料科学,分析化学更多的是前者,这是20世纪后期科学发展进程决定的,不以个人的意志为转移。在众多的分析化学分支中,电泳技术已经在生物大分子的研究中显示出了独到的优势,80年代以来,人们开始注意把支撑电泳过程的载体从平板转移到50-100微米内径的毛细管上,从而有可能使电泳技术兼有高效、快速等特点,从那时起他萌生了以毛细管电泳研究为切入点进入生命科学领域的想法。回国以后,林炳承带领几名同事开
3、始着手筹建一个全新的毛细管电泳实验室。他们利用洪堡基金会赠送的价值4万马克的仪器和张存浩所长拨给的3万元基金,迅速开展了第一轮研究工作。此后他们又和美国伯乐公司合作,充分利用对方提供的价值8万美元的仪器和试剂、备件,有力地把研究工作推进到一个新的高度。当然,一个新学科的建立和发展,不会是一帆风顺的。90年代中前期,曾经有人对毛细管电泳的应用和市场前景产生质疑,并因此对其研究价值提出疑问。有一段时期,林炳承直面压力,反复思考,他以其丰富的学术积累和渊博的知识断定,这是一个应当坚持的方向,不能动摇。他抓住毛细管电泳在基因诊断中可能产生的作用,创造实验条件,促成与北京协和医科大学合作,根据基因诊断中
4、所涉及的问题,对毛细管电泳柱、筛分介质及理论等诸方面进行了深入的研究,并成功地在苯丙酮尿症等疾病的诊断上,取得了重大突破。与此同时,又和德国吐宾根大学合作,在毛细管电泳手性药物拆分研究方面取得了一系列重要的进展。其中粘度和水处于同一数量级、分辨率达到180万理论塔板数/米的筛分介质的研制,手性拆分中“侧位键合”模型的提出及其指导下的140种手性药物的拆分,尿中痕量喋啶类肿瘤标记物的测定等工作都取得了处于国际前沿的成果。1992年以来,林炳承领导课题组共发表论文146篇,出版毛细管电泳导论、高效液相色谱在生命科学中的应用等专著3部、文集6本,申请专利31项,其中授权12项,2002年获辽宁省自然
5、科学奖一等奖,先后主持第一、二、三、四、五届全国毛细管电泳会,第一、二、三、四届亚太国际毛细管电泳会。并被聘为国际“电泳”(Ekectrophoresis)杂志和“生物化学与生物物理方法”杂志(Jounak of Biochemicak and Biophysicak Methods, JBBM)惟一的中国编委。他的学术观点和研究水平得到了国内外学术界同行的公认,他为中国跻身于国际毛细管电泳领域的先进行列做出了重要贡献。十年磨一剑,林炳承为推进我国的毛细管电泳研究作出了不懈努力,倾注了大量的心血。他认为,正在研究的理论、技术和方法就其基本面来说总是不成熟、不完整的,一旦成熟和完善就将被写入教科
6、书,或被做成产品。一个资历较深的科学家的责任在于,当他的研究对象还不成熟、甚至是非常不成熟时,要看到它潜在的、本质的一面,并且牢牢地把它抓住。就在毛细管电泳达到它的技术顶峰,作为主流平台完成了人类基因组测序这一伟大工程的同时,一个以芯片为基础,有可能集实验室各种单元技术于一体,一度在业内被称之为芯片毛细管电泳的技术悄然出现,这就是当前被誉为21世纪重要科学前沿之一的微流控芯片实验室技术。林炳承凭着他敏锐的科研直觉,迅速果断地以芯片电泳为切入点,在非常短的时间内,把整个课题组的研究重点转向以医学诊断和药物筛选为最终目的的微流控芯片实验室研究。曾经有一些人不解地提出,林老师的毛细管电泳搞得这么好,
7、为什么又要去搞芯片?对此,林炳承有他自己的理解。他说:“搞科学研究,就得敢于去面对新的变化,我们的目的是探索、发现,一旦这一目标实现,还得敢于转移,再去寻找新的生长点。这一点和搞地质找矿有点相似,都不那么容易。在原来的那个领域你可能已经很有地位,也可能已得到国内外同行的公认,但是到一个新的领域,昔日的光环不复存在。这需要判断,需要勇气,需要重新学习,有时甚至需要从零开始。这样的做法,对自己会很累,但客观上往往很重要,因为你所寻求的可能关系到未来一段时期国家在世界上的竞争力,你还可能为国家培养出一大批急需的这一领域的高层次人才。”为了促成芯片研究工作在全国范围内的开展,林炳承随中国分析化学家代表
8、团陪同国家基金委部门领导到美国、加拿大考察,应邀到基金委作关于微流控芯片实验室的专题报告,在大年初三接到基金委化学部领导电话后,立即就组织芯片研究重大专项基金一事起草报告给基金委领导,在访问德国时多次用E-maik向所领导陈述意见在基金委、中国科学院和大连化物所的支持下,他领导课题组在很短时间内研制出激光诱导荧光芯片分析仪、电化学芯片分析仪和芯片聚合酶链反应(PCR)仪,研制出不同类型的玻璃芯片、PDMS芯片、可规模生产的注塑PMMA塑料芯片,并成功地实现了芯片上核酸、糖蛋白、多肽、氨基酸和手性分子的分离分析,开展了芯片平台上的单细胞、单分子检测研究。在抗击“非典”时期,课题组临危受命,迅速启
9、动“发热型病毒性呼吸道疾病早期检测系统的研究”攻关项目,最大限度地运用已有积累,在非常短的时间内,在自制的芯片仪和芯片上用自己设计的聚合酶链反应试剂盒进行“非典”病毒的阳性和阴性对照测定,在未见同类报道的情况下,取得了重要的阶段性成果。从毛细管电泳研究到微流控芯片实验室的建立,十几年来,林炳承牢牢把握住学科的研究方向,带领课题组始终活跃在学术研究的前沿。林炳承所抓的研究方向,得到了国家自然科学基金委员会的高度重视和认同。1992年以来,他连续主持承担了国家自然科学基金8个项目,其中包括5个面上项目、2个重点项目和1个重大项目子课题。而正是在这个过程中,这个课题组形成了自己核心的和极具特色的积累
10、。“把握方向、长期坚持、强化积累、推动发展”,林炳承力图将这样一种理念贯穿于他长期的科学实践之中。撰稿人:邹淑英点评:1987年,林炳承先生由美国分析化学杂志将加强分析化学与生命科学结合的力度,萌生了以毛细管电泳研究为切入点进入生命科学领域的想法。20世纪90年代中前期,直面质疑,与国内外有关单位合作,不仅使毛细管电泳技术在苯丙酮尿症的诊断上取得重大突破,而且在毛细管电泳手性药物拆分研究方面取得一系列重要进展。在毛细管电泳技术达到顶峰时,林先生又凭借敏锐的科学直觉,适时把研究重点转到以医学诊断和药物筛选为目的的微流控芯片技术上,经过近几年努力,已取得重要的阶段性成果高效毛细管电泳技术及其在中药
11、分析中的应用中药有效成分的分析有其特殊复杂性,首先是中药品种繁多,不同品种间活性成分的含量相差悬殊;其次中药中有效成分还受产地、栽培、生长环境和采收季节等多种因素的影响。对于由多种中药组成的复方制剂,情况就更复杂了。目前用于中药成分分析的方法有薄层色谱法(TLC)、气相色谱法(GC)、高效液相色谱法(HPLC)等,其中HPLC最常用。但用HPLC进行中药成分分析常遇到一些问题,一是分析时间长、分离效率低,即使采用梯度洗脱技术也难以使某些成分完全分离;二是色谱柱容易被污染,而且污染后难于清洗,使柱的使用寿命缩短。近十几年来发展很快的高效毛细管电泳(HighPerformanceCapillary
12、Electrophoresis,HPCE)是一种高效分离分析技术,它具有高效(每米理论塔板数在105以上)、快速(分析时间一般为十几分钟至几十分钟)、进样体积小(一般为nL级)、溶剂消耗少和抗污染能力强等特点,不仅广泛用于生物大分子如核酸、多肽和蛋白质等的分析,在中药有效成分的分析方面也显示出一定的优势。本文对HPCE的原理及其在中药分析中的应用情况进行了综述。1HPCE的原理HPCE是从传统电泳发展而来的,它以高压(可达30kV)下产生的强电场为驱动力,以小内径的石英毛细管(常用2070m,有效长度5075cm)为分离通道,依据各组分之间电泳淌度或分配系数的差异实现分离。在实际工作中,结合传
13、统电泳的工作方式与色谱技术的特点形成以下几种分离模式:毛细管区带电泳(CapillaryZoneElectrophoresis,CZE)、胶束动电毛细管色谱(MicellarElectrokineticCapillaryChromatography,MECC)、毛细管等速电泳(CapillaryIsotachophoresis,CITP)、毛细管凝胶电泳(CapillaryGelElectrophoresis,CGE)、毛细管等电聚焦电泳(CapillaryIsoelectricFocusing,CIEF)及近年刚刚兴起的毛细管电色谱(CapillaryElectrochromatograph
14、y,CEC)。其中应用较多的是CZE和MECC,也有CITP应用的报道。此外,以有机溶剂代替水配制缓冲溶液的非水毛细管电泳(NonaqueousCapillaryElectrophoresis,NACE)也有初步的应用报道。本文重点介绍CZE和MECC模式。1.1CZE当缓冲溶液的pH大于4时,毛细管内壁带上负电荷,相应地缓冲溶液带上正电荷,形成双电层。在高电场的作用下,溶液相对于毛细管壁向负极方向移动,这就是电渗流(EOF),EOF在HPCE中有重要意义。溶液中带正电荷的粒子,它的运动方向与EOF相同,所以首先洗脱;中性粒子随EOF一起移动;带负电荷的粒子运动方向与EOF相反,在EOF的作用
15、下最后流出毛细管柱。CZE中,离子的迁移顺序与所带电荷的类型(正、负)、荷电量的多少及离子半径的大小有关。需特别指出的是CZE不能分离中性粒子。CZE模式主要用于中药中一些能解离的成分的含量测定。1.2MECC在缓冲溶液中加入表面活性剂,可以将色谱技术和电泳技术结合起来,这结束了HPCE不能分离中性粒子的历史。以十二烷基硫酸钠(SDS)为例,它是一种阴离子表面活性剂,当其浓度高于临界胶束浓度(CMC)时形成带负电荷的胶束,胶束在电场的作用下向正极泳动。在中性和碱性情况下,EOF的速度比胶束迁移速度快,因此胶束的实际移动方向与EOF一致(指向负极)。待测粒子依据疏水性的不同在水相和胶束相之间进行
16、多次分配,其中疏水性强的中性粒子与胶束结合比较牢固,洗脱时间较长,就会与水溶性较好的中性粒子分离。在MECC中,中性粒子的分离机理只是它与胶束间的相互作用,而对于带电离子则同时有电泳迁移、静电作用、两相分配等多种分离机理。2HPCE在中药分析中的应用中药的有效成分种类繁多,HPCE首先应用于生物碱、黄酮苷类成分的分析,继而推广到香豆素类、强心苷、皂苷类、有机酚酸类等非挥发性成分的分析。本文从中药材有效成分分析和中药制剂成分分析两方面来进行归纳总结。2.1中药材有效成分的分析中药材的有效成分多为生物碱类、黄酮类、有机酸类、香豆素类及各种苷类,这些成分都可以用HPCE法进行分析。已经研究过的中药材
17、有麻黄、黄连、黄柏、黄芩、芍药、大黄、甘草、柴胡、厚朴、当归、马钱子、丹参、吴茱萸、淫羊藿等。2.1.1生物碱类生物碱类成分能解离带上正电荷,一般用CZE模式分析。Liu等和朱萱萱等建立了测定麻黄中6种生物碱:麻黄碱、伪麻黄碱、去甲麻黄碱、去甲伪麻黄碱、甲基麻黄碱、甲基伪麻黄碱的CZE方法。对不同品种麻黄中生物碱的含量和麻黄炮制方法进行研究,结果表明草麻黄中总生物碱含量较高,经闷润法炮制后总生物碱的得率最高。Liu等还分析了黄连中的黄连碱、小檗碱、表小檗碱、巴马汀、非洲防己胺、药根碱、5-羟基小檗碱、木兰花碱等,13min内可将上述8种生物碱完全分离。张国华等用均匀设计法优化小檗碱、巴马汀、药
18、根碱的分离条件,最优分析条件是:60mmol.L-1磷酸氢二钠(pH7.0)-35%甲醇,14kV电压,30,分析时间6min。以0.5mol.L-1醋酸钠(pH4.6)-50%乙腈为电解液,9min内可分离黄柏中的6种生物碱:小檗碱、巴马汀、药根碱、木兰花碱、黄柏碱和小檗红碱。用此法分析市售的31种黄柏药材,发现威氏黄柏和日本黄柏中小檗碱含量约占总生物碱量的80%,而在关黄柏和川黄柏中仅为40%。为联用质谱(MS)以提高方法的灵敏度,Henion等以可挥发的醋酸铵(60mmol.L-1)与40%的甲醇组成电解液测定黄柏中的9种生物碱,当信噪比为3时检测限达910-61.310-15mol。A
19、kada等建立的CZE方法也能分离黄连和黄柏中的黄连碱、小檗碱和巴马汀。林梅等分离了4种莨菪类生物碱,即阿托品、东莨菪碱、山莨菪碱和樟柳碱,并考察了在磷酸盐缓冲液中加入不同有机溶剂(甲醇、乙腈、四氢呋喃)对分离选择性的影响。生马钱子有剧毒,必须炮制后才能药用,Zong等以CZE测定了炮制前后马钱子中士的宁和马钱子碱的含量,结果表明炮制后2种生物碱的含量下降约90%,所以药性变得温和。长春花叶子中的长春新碱和长春碱的结构和pKa值都十分接近,需要较高浓度(0.2mol.L-1)的醋酸铵缓冲液才能分离。Stuppner等分析了绒毛钩藤根皮、花菱草和白屈菜中主要生物碱,外标法定量。分离白屈菜中生物碱
20、时,缓冲液中加入了12.5mmol.L-1-环糊精(-CD),它能与待测物形成包合物,提高了分析的选择性。Zhang等分离了甜菜中的生物碱类成分,样品需柱前衍生化,电解液为50mmol.L-1磷酸盐缓冲液(pH3.5)。用MECC可同时分离吴茱萸碱、吴茱萸次碱和去氢吴茱萸碱等9种生物碱类成分,但去氢吴茱萸碱的峰拖尾严重;改以CZE分析去氢吴茱萸碱,柱效能达到1.89105塔板,拖尾因子为1.19,基本满足定量的要求。Sun等研究9种阿朴啉类生物碱的分离,由于它们结构十分相似,采用MECC模式,分析时间仅9min,与HPLC比约缩短一半。罂粟壳和鸦片中的生物碱主要为吗啡、可待因、罂粟碱、去甲基吗
21、啡、二甲基吗啡、诺司咳平等,目前已有用CZE、MECC和NACE等测定此类成分含量的报道。其中NACE为首次报道,文中考察了乙腈、甲醇、甲酰胺、N-甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲亚砜、二甲基甲酰胺等作为电解液溶剂的可能性。6种生物碱在乙腈、甲醇、甲酰胺和N-甲基甲酰胺作溶剂的条件下能完全分离,但在甲醇、甲酰胺和N-甲基甲酰胺FA和NMF中峰高明显下降,进一步考察乙腈-甲醇混合比对分离选择性的影响,13为最优。Unger等将场放大技术(FieldAmplifiedSampleInjection,FASI)用于生物碱的分析,具体做法是在电迁移进样(16kV,8s)之前进以一小段70%甲醇。实验得到
22、的灵敏度(LOD)比流体动力学进样1s高1000倍。他们建立的CZE方法适用于吲哚类生物碱及生物胺、原小檗类生物碱、-咔啉类生物碱和鸦片中异喹唑啉类生物碱的分离,选用的电解液为:100mmol.L-1醋酸铵(用醋酸调pH至3.1)-50%乙腈。2.1.2黄酮类黄酮类化合物有很多重要的生理活性,广泛存在于植物中,多用MECC模式分离。Aramendia等和Shihabi等以CZE分离了5种异黄酮。Liu等以MECC分离了黄芩中的黄芩苷、黄芩素、汉黄芩素(Wogonin,W)、汉黄芩素-7-O-葡糖苷酸(WG)、木蝴蝶素A(oroxylinA,O)和木蝴蝶素A-7-O-葡糖苷酸(OG)。Morin
23、等研究了糖基不同的槲皮素糖苷的CZE分离,还比较了香叶木素、香叶木苷、香叶木素-7-O-葡糖苷、橙皮素、橙皮苷、蒙花苷(linarin)、异野漆树苷(isorhoifolin)等的CZE和MECC分离,认为黄酮苷能与硼砂形成带负电的络合物,依络合程度不同而达到分离,不含硼砂的电解液对黄酮苷无分离能力。Pietta等分离了洋接骨木花、金盏花、山金车花、银杏叶等中药中的芦丁、槲皮素、异槲皮素、山奈素等多种黄酮苷和苷元。他们还以pH8.5的硼砂-SDS缓冲液分离了心叶椴和阔叶椴叶子中的8种黄酮苷。Liang等对淫羊藿中的黄酮类化合物的分析进行了研究,以20mmol.L-1硼砂-48mmol.L-1S
24、DS-1mmol.L-11,3-二氨基丙烷(pH8.5)为电解液,20min内14种黄酮苷能完全分离,但淫羊藿苷(icariin)、淫羊藿糖苷B(epimedinB)和淫羊藿糖苷C(epimedinC)的峰部分重叠。根据它们的pKa值(均在10.7左右),当电解液为30mmol.L-1硼砂-12mmol.L-1SDS(pH10.45)时能完全分离,以胆酸盐(35mmol.L-1)或十六烷基三甲基溴化铵(40mmol.L-1)作为表面活性剂,都能分离十字花科植物中的12种黄酮类化合物。2.1.3蒽醌类此类化合物结构中多有羟基和羧基,用CZE和MECC都能分析。宗玉英等将25mmol.L-13-环
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