CN108414609A - 一种中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置，属于检测技术领域。由中药蒸制器、样品溶液输送器、电喷雾发生器和质谱仪组成，电喷雾发生器产生的带电粒子的流动方向与质谱仪的入口方向平行；样品溶液输送器末端置于电喷雾喷头和质谱仪入口处之间，样品溶液输送器产生的目标分析物小液滴的流动方向与电喷雾发生器产生带电粒子的流动方向以及质谱仪的入口方向垂直，带上电荷的目标分析物小液滴在电场和气流的作用下通过质谱仪入口进入质谱仪进行后续的分析检测。本发明装置实现了在不经过任何样品预处理的前提下对中药样品中的营养成分进行原位、在线、非破坏、高通量的快速检测，结构简单、制造成本低、检测快速。
Description
技术领域
本发明属于检测技术领域，具体涉及一种中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置。
背景技术
中药在我国已有数千年的应用历史，一般分为动物药、植物药、矿物药三类。中药内含多种类型的化学成分，如淀粉、糖类、多肽类、蛋白质和各种微量元素等，可用于预防和治疗疾病并具有康复和保健作用。中药在使用之前常常需要经过蒸制处理，具有以下好处：一、改变药物性能，扩大用药范围；二、增强疗效；三、缓和药性；四、减少副作用；五、便于软化切割。但是蒸制时间或者蒸制方式不当，反而会导致一些营养成分的含量发生变化，进而导致某些药理作用的不同。因此，探究中药在蒸制过程中营养成分变化过程对于最大程度地开发中药的药用价值具有重要意义。
但是样品中大量复杂基体的干扰使得现有的分析技术与检测手段需要经过复杂的样品预处理过程，严重影响了分析的速度、灵敏度以及选择性。近几十年来发展起来的质谱分析技术因其灵敏度高、特异性强、检测快速、高通量、样品耗量少等特点在各前沿科学以及生产领域得到广泛的应用与发展。如质谱分析法在食品科学领域对食品中痕量添加剂的检测、在环境检测中对环境污染物的快速检测等。因此，质谱分析技术的开发与利用是当今科学所研究的一个重要课题。
质谱分析技术的核心是离子化技术，中性的目标分析物必须经过离子化后才可以被质谱检测到。因此，在不需要复杂样品预处理的前提下，如何将样品中的待测物快速、高效、非破坏、高通量的离子化进而被质谱仪检测到是当今科学亟待解决的问题。
对于中药样品中营养物质变化过程的传统检测方法主要是将中药进行粉碎、研磨、离心、提纯等处理，得到去除复杂基质的目标分析物后才能进行质谱分析。这些处理过程繁琐、费时，而且用化学物质处理的过程会对样品造成破坏和污染，严重影响了中药样品中营养成分的检测和利用。
因此，一种中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置的研发，对于不需要进行任何样品预处理的、原位、在线、非破坏、高通量的快速检测中药样品中的营养成分具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种在不需要样品粉碎、研磨、离心、分离等预处理手段的前提下对中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置。
本发明所述的在线质谱检测装置由中药蒸制器、样品溶液输送器、电喷雾发生器和质谱仪组成；
其中，中药蒸制器由水位计1、温度计2、金属外壳4、功率可调的加热炉5、注水管6、排气管7、中药样品8、表面为斜面的支撑台9和多孔承载台10组成；功率可调的加热炉5设置在金属外壳4外部的底侧，注水管6和排气管7设置在金属外壳4的顶部，多孔承载台10设置在金属外壳4内部的中间偏上位置处，表面为斜面的支撑台9放置在多孔承载台10上，中药样品8放置在支撑台9上；通过注水管6向金属外壳4内注入水3，水3的液面距多孔承载台10的距离由水位计1进行实时监控；调节加热炉5的功率，对金属外壳4进行加热并将热量传递给水3，观察温度计2的示数，使水逐渐升温至持续沸腾状态，水蒸气通过排气管7排出；水蒸气对中药样品8进行蒸制，从而产生含有目标分析物的汁液；
样品溶液传输器由汁液收集槽11、第一连接管道12、带有第一气体入口14的气体喷管13组成；汁液收集槽11设置在支撑台9斜面的底部，为圆柱形结构，其前端直径大于后端直径，汁液收集槽11的后端连接第一连接管道12，在第一连接管道12出口处的外侧环绕设置有带有第一气体入口14的气体喷管13；由第一气体入口14通入的载气(氮气作为载气，控制载气压力为0.1～0.6MPa)使得气体喷管13中的气体包围在第一连接管道12出口处的外侧周围，致使在第一连接管道12和汁液收集槽11的接口处形成负压；支撑台9的倾斜角度使蒸制过程中产生的含有目标分析物的汁液流入到汁液收集槽11中；在气流的辅助作用下，含有目标分析物的汁液在第一连接管道12中向前传输，从而在气体喷管13的末端形成大量的微小液滴喷出；气体喷管13的直径略大于第一连接管道12的直径，保证气体进入即可。
电喷雾发生器由带有第二气体入口16的电喷雾喷头15、带有高压接入口18的第二连接管道17和电喷雾试剂产生器19组成；第二连接管道17的一端连接电喷雾试剂产生器19，带有第二气体入口16的电喷雾喷头15环绕设置在第二连接管道17另一端出口处的外侧；电喷雾试剂产生器19可以是色谱泵、进样泵等，在高压输入接口18施加的高电压使电喷雾试剂产生器19产生的电喷雾试剂带上电荷，带上电荷的电喷雾试剂在第二连接管道17中向出口处流动；在第二气体入口16处通入电喷雾载气，使电喷雾喷头15中的第二连接管道17出口处的周围充满气体，在气体辅助下经第二连接管道17出口处流出的电喷雾试剂在电喷雾喷头15出口处形成电喷雾带电粒子；本发明使用的电喷雾发生器选择甲醇作为电喷雾试剂，控制色谱泵或进样泵的进样流速为5～25μL/min，氮气作为电喷雾载气，控制氮气气压0.5～1.2MPa，在高压接入口18处加上2～5kV的电压，甲醇在气流和电场的作用下在电喷雾喷头15出口处形成带电粒子。
第一连接管道12的内径比第二连接管道17的内径略大，在实施例中第一连接管道12为PEEK管，第二连接管道17为毛细管。
电喷雾喷头15置于质谱仪的入口处，电喷雾发生器产生的带电粒子的流动方向与质谱仪的入口方向平行；气体喷管13的末端置于电喷雾喷头15和质谱仪入口处之间，样品溶液输送器产生的目标分析物小液滴的流动方向与电喷雾发生器产生带电粒子的流动方向以及质谱仪的入口方向垂直。
电喷雾发生器产生的带电粒子与样品溶液传输器产生的目标分析物小液滴在质谱仪入口前的空间内发生液滴-液滴萃取和电荷转移，带电粒子将电荷传递给目标分析物小液滴，而使原本中性的目标分析物小液滴带上电荷。这些带上电荷的目标分析物小液滴在电场和气流的作用下通过质谱仪入口进入质谱仪进行后续的分析检测。
本发明的中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置，突破了传统方法中对于复杂基体中样品的分析技术与检测手段需要经过复杂的样品预处理过程的限制，实现了在不经过任何样品预处理的前提下对中药样品中的营养成分进行原位、在线、非破坏、高通量的快速检测。本装置结构简单、制造成本低、检测快速，是一种可以很好地检测到中药蒸制过程中营养成分变化过程的装置。
附图说明
图1为本发明中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置结构示意图；
图2为电喷雾发生器结构示意图；
图3为样品溶液输送器；
图4为中药蒸制器结构示意图；
图5为实施例1人参样品分析所得的一级质谱指纹谱图(扫描范围m/z为50～500、50～800、50～1200的一级质谱指纹谱图，分别对应图a、图b和图c)；
图6为实施例1人参样品中三种物质的信号强度随蒸制时间的变化关系图。
如图1所示，一种中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置，由电喷雾发生器、中药蒸制器、样品溶液输送器和质谱仪组成；其中，中药蒸制器由水位计1，温度计2，水3，金属外壳4，功率可调的加热炉5，注水管6，排气管7，中药样品8，表面为斜面的支撑台9和多孔承载台10组成；样品溶液传输器由汁液收集槽11，第一连接管道12，气体喷管13，第一气体入口14组成；电喷雾发生器由电喷雾喷头15，第二气体入口16，第二连接管道17，高压接入口18和电喷雾试剂产生器19组成。
如图4所示，中药蒸制器的金属外壳4的尺寸为长15～20cm，宽10～15cm，高30～40cm，金属外壳4、注水管6、排气管7支撑台9和多孔承载台10均为不锈钢材质。支撑台9的倾斜角度为15～25度，多孔承载台10的孔径为2～4mm，汁液收集槽11的前端内径为3～8mm，后端内径为1～3mm，水面3距多孔承载台10的距离在5～12cm，多孔承载台10距金属外壳4顶部的距离为5～10cm。
具体实施方式
实施例1：
以实验时使用的人参组织为例，来说明中药蒸制过程中营养成分的在线质谱检测装置的使用步骤。
1.中药蒸制器的金属外壳4的尺寸为长16cm，宽12cm，高35cm，金属外壳4、注水管6、排气管7、支撑台9(倾斜角度20度)和多孔承载台10(孔径3mm)均为不锈钢材质。多孔承载台10距金属外壳4顶部的距离为5cm。汁液收集槽11的前端内径为5mm，后端内径为1.5mm。采用煤油温度计2，量程0～200℃；注水管6内径4cm，排气管7内径4cm。水位计1为玻璃材质，可用来观察水位高度。加热炉5的功率范围0～1000W。
2.利用实验台、铁架台、铁夹、PKKE管(内径0.75mm，外径1/16inch)、石英毛细管(内径0.10mm，外径0.19mm)等支撑与连接部件将中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置搭建好，使电喷雾发生器产生的带电粒子的流动方向与质谱仪的入口方向平行；气体喷管13的末端置于电喷雾喷头15和质谱仪入口处之间，样品溶液输送器产生的目标分析物小液滴的流动方向与电喷雾发生器产生带电粒子的流动方向以及质谱仪的入口方向垂直。
通过注水管6向中药蒸制器中加入水，通过观察水位计1进行实时监控使得水面3距多孔承载台10的距离在8cm，打开加热炉5，将加热功率调至1000W，观察温度计2的示数，使水3逐渐升温至持续沸腾状态(约98℃)，将加热功率调至600W保持65min，水蒸气通过排气管7排出。人参样品8放置在支撑台9上，经过蒸制的人参样品8会流出含有目标分析物的汁液，这部分汁液流入到聚丙烯材质的汁液收集槽11中，在第一气体入口14处通入氮气，控制氮气气压为0.4MPa，在气体的辅助下被蒸制出来的汁液经第一连接管道12(PEEK管)被样品溶液输送器传送到质谱仪入口前端并形成目标分析物小液滴。第二连接管道17为石英毛细管，内径0.10mm，外径0.19mm。电喷雾喷头15材质为不锈钢，内径0.22mm。
3.实验用电喷雾发生器，由Orbitrap FusionTM ThibridTM质谱仪(美国ThermoScientific公司)的液相色谱部分提供甲醇电喷雾试剂，控制色谱泵进样流速为15μL/min，氮气作为电喷雾载气，控制氮气气压0.8MPa，在高压电接口加上4kV的电压，甲醇在电场的作用下形成带电粒子，并在气流和电场的作用下在电喷雾喷头的末端形成电喷雾。
4.电喷雾发生器产生的带电粒子与经样品传输器传送出来的目标分析物小液滴在质谱仪入口前端发生电荷转移，电荷从带电粒子转移给目标分析物小液滴，离子化后的目标分析物小液滴通过质谱仪入口进入质谱仪进行分析检测。
5.质谱仪条件：质谱仪型号为Orbitrap FusionTM TribridTM，设置正离子检测模式，离子传输管温度250℃，质量扫描范围m/z 50～1200其他参数由质谱仪自动优化。
在优化后的质谱条件下对未经任何预处理的人参样品进行直接质谱分析，得到一级质谱指纹谱图，如图5所示，分别为扫描范围为m/z 50～500、50～800、50～1200的一级指纹谱图。由图5可知，m/z 104为胆碱脱去一个水分子后再结合一个氢离子(H+)得到的信号；m/z 175为精氨酸分子结合一个氢离子(H+)的信号；m/z 219为一个葡萄糖分子结合一个钾离子(K+)得到的信号；m/z 381为一个蔗糖分子结合一个钾离子(K+)得到的信号。说明本发明所述装置可以成功地检测到人参样品中的特征物质信号。
以时间为横坐标，胆碱(m/z 104)、精氨酸(m/z 175)、蔗糖(m/z 381)的信号强度为纵坐标作图，得到三种物质的信号强度随蒸制时间的变化曲线(图6)，可以看到在32min左右胆碱(m/z 104)的信号强度呈现最大值；在38min左右精氨酸(m/z 175)的信号强度呈现最大值；在42min左右蔗糖(m/z 381)的信号强度呈现最大值。结果证明人参在蒸制过程中产生的不同营养成分含量随时间呈现不同的变化，而利用本发明装置可清楚地在线检测这些成分以及他们的变化趋势。
Claims (6)
1.一种中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置，其特征在于：由中药蒸制器、样品溶液输送器、电喷雾发生器和质谱仪组成；其中，中药蒸制器由水位计(1)、温度计(2)、金属外壳(4)、功率可调的加热炉(5)、注水管(6)、排气管(7)、中药样品(8)、表面为斜面的支撑台(9)和多孔承载台(10)组成；功率可调的加热炉(5)设置在金属外壳(4)外面的底侧，注水管(6)和排气管(7)设置在金属外壳(4)的顶部，多孔承载台(10)设置在金属外壳(4)内部的中间偏上位置处，表面为斜面的支撑台(9)放置在多孔承载台(10)上，中药样品(8)放置在支撑台(9)上；通过注水管(6)向金属外壳(4)内注入水(3)，水(3)的液面距多孔承载台(10)的距离由水位计(1)进行实时监控；调节加热炉(5)的功率，对金属外壳(4)进行加热并将热量传递给水(3)，观察温度计(2)的示数，使水逐渐升温至持续沸腾状态，水蒸气通过排气管(7)排出；水蒸气对中药样品(8)进行蒸制，从而产生含有目标分析物的汁液；
样品溶液传输器由汁液收集槽(11)、第一连接管道(12)、带有第一气体入口(14)的气体喷管(13)组成；汁液收集槽(11)设置在支撑台(9)斜面的底部，为圆柱形结构，其前端直径大于后端直径，汁液收集槽(11)的后端连接第一连接管道(12)，在第一连接管道(12)出口处的外侧环绕设置有带有第一气体入口(14)的气体喷管(13)；由第一气体入口(14)通入的载气使得气体喷管(13)中的气体包围在第一连接管道(12)出口处的外侧周围，致使在第一连接管道(12)和汁液收集槽(11)的接口处形成负压；支撑台(9)的倾斜角度使蒸制过程中产生的含有目标分析物的汁液流入到汁液收集槽(11)中；在气流的辅助作用下，含有目标分析物的汁液在第一连接管道(12)中向前传输，从而在气体喷管(13)的末端形成大量的微小液滴喷出；
电喷雾发生器由带有第二气体入口(16)的电喷雾喷头(15)、带有高压接入口(18)的第二连接管道(17)和电喷雾试剂产生器(19)组成；第二连接管道(17)的一端连接电喷雾试剂产生器(19)，带有第二气体入口(16)的电喷雾喷头(15)环绕设置在第二连接管道(17)另一端出口处的外侧；在高压输入接口(18)施加的高电压使电喷雾试剂产生器(19)产生的电喷雾试剂带上电荷，带上电荷的电喷雾试剂在第二连接管道(17)中向出口处流动；在第二气体入口(16)处通入电喷雾载气，使电喷雾喷头(15)中的第二连接管道(17)出口处的周围充满气体，在气体辅助下经第二连接管道(17)出口处流出的电喷雾试剂在电喷雾喷头(15)出口处形成电喷雾带电粒子；
电喷雾喷头(15)置于质谱仪的入口处，电喷雾发生器产生的带电粒子的流动方向与质谱仪的入口方向平行；气体喷管(13)的末端置于电喷雾喷头(15)和质谱仪入口处之间，样品溶液输送器产生的目标分析物小液滴的流动方向与电喷雾发生器产生带电粒子的流动方向以及质谱仪的入口方向垂直；
电喷雾发生器产生的带电粒子与样品溶液传输器产生的目标分析物小液滴在质谱仪入口前的空间内发生液滴-液滴萃取和电荷转移，带电粒子将电荷传递给目标分析物小液滴，而使原本中性的目标分析物小液滴带上电荷；这些带上电荷的目标分析物小液滴在电场和气流的作用下通过质谱仪入口进入质谱仪进行后续的分析检测。
2.如权利要求1所述的一种中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置，其特征在于：第一气体入口(14)通入的载气为氮气，压力为0.1～0.6MPa。
3.如权利要求1所述的一种中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置，其特征在于：电喷雾试剂产生器(19)是色谱泵或进样泵，选择甲醇作为电喷雾试剂，控制色谱泵或进样泵的进样流速为5～25μL/min，氮气作为电喷雾载气，控制氮气气压0.5～1.2MPa，在高压接入口18处加上2～5kV的电压。
4.如权利要求1所述的一种中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置，其特征在于：金属外壳(4)、注水管(6)、排气管(7)、支撑台(9)和多孔承载台(10)的材质为不锈钢；汁液收集槽(11)的材质为聚丙烯，第一连接管道(12)为PEEK管，第二连接管道(17)为石英毛细管。
5.如权利要求1所述的一种中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置，其特征在于：中药蒸制器的金属外壳(4)的尺寸为长15～20cm，宽10～15cm，高30～40cm；支撑台(9)的倾斜角度为15～25度，多孔承载台(10)的孔径为2～4mm；汁液收集槽(11)的前端内径为3～8mm，后端内径为1～3mm；水面(3)距多孔承载台(10)的距离在5～12cm，多孔承载台(10)距金属外壳(4)顶部的距离为5～10cm。
6.如权利要求1所述的一种中药蒸制过程中营养成分变化过程的在线质谱检测装置，其特征在于：质谱仪型号为Orbitrap FusionTM TribridTM，设置正离子检测模式，离子传输管温度250℃，质量扫描范围m/z 50～1200。
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