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文档简介

药物色谱分析概论 闻 俊 药物分析学教研室,上海市国和路325号药学大楼804室 TelEmail:,每时每刻的挑战:混合物的分离分析,3,mixture,Purpose Analysis Preparation Mathematically: chemometrics Physically: extraction, chromatography, fractionation, Chemically: tandem MS, ,4,色谱与中药研究,中药现代化中药质量控制 中药指纹图谱 中药材化学成分提取分离 中药材资源及品质鉴定研究 中成药及中药材有效成份的定量分析 药效、药代动力学、代谢组学,5,课程概况,理论课:36学时,6,提取 蒸馏 离心 过滤 ,常用的分离方式,色谱Chromatography,7,Why it is called chromatography? Tsweet (Russian botanist) - 1906 First coined the term chromatography which means color mapping from his separation of plant pigments on calcium carbonate columns.,Mikhail Semenovich Tsvet 1872 - 1919,8,流动相 (石油醚),固定相 (碳酸钙),固 定 相 颗 粒,流动相Mobile phase,混 合 物 组 分,Stationary phase,11,定义: 色谱法是一种物理和物理化学的分离分析方法,其原理是利用不同物质在流动相与固定相两相中的吸附、分配等差异而导致分离。,特点: 能解决一般分离方法所不易解决的物理常数相近、化学性质类似的同系物、异构体、复杂多组分混合物的分离分析问题。具高灵敏度、高选择性、高效能、快速、应用范围广等特点,12,色谱法概论,百年历史回顾 基本内容 发展趋势,13,1906年,Tsweet 发现色谱分离现象。 色谱分离方法虽然早被发现,但令人遗憾的是这种高效分离方法被遗忘达二十几年之久,不为人们所重视。主要原因是Tsweet的论文以俄文发表在本国期刊上。, 百年历史 ,1931年,当德国人库恩(Kuhn)、法国人莱德列尔(Lederer)等公布了他们分离类胡萝卜素的两种同分异构体文章,被遗忘了25年的色谱法,才出现复兴。,14,1941年,Martin和Synge,分配色谱法 发明了利用物质在两种不相混溶的溶剂中因分配系数的不同而达到分离的“分配色谱法”。1952年获Nobel奖。 在研究羊毛中的氨基酸成分,把一种液体涂渍在某种细粉(称为载体)上,然后再装在玻璃管内,这样液体就固定住了,随后让第二种不相混溶的液体流过。他们以硅胶为载体,把水涂渍其上,以氯仿为流动相,结果获得了巨大的成功。, 百年历史 ,15,1944年,Consden、Gordon与Martin 发明了以纸代替吸附剂的“纸色谱法”。 1938年,薄层色谱法首次用作酊剂中成分的分离。 1956年,Stahl系统研究了硅胶的规格、性能及薄层厚度对薄层色谱的影响。 1959年,Perflodin,空间排阻色谱法 分离生物大分子。, 百年历史 ,16,1952年,James和Martin,气相色谱法 以气体为流动相,固定液的“气-液色谱法”, 百年历史 ,1954年,各种检测器的出现:TCD,FID,ECD,1957年,Golay,开口毛细管柱,1952年,Martin和Synge,塔板理论 1956年,Van Deemter,速率理论,1959年,Martin等人,裂解气相色谱法PGC,60年代,GC-MS商品化仪器的出现,17,1965-1968年,高效液相色谱法 条件:(1)高压泵的出现 (2)高效微粒填充剂 (3)柱分离与光学检测器 Giddings和Snyder,提出液相色谱速率方程, 百年历史 ,18, 百年历史 ,1981年,Jorgenson和Lukacs,毛细管电泳法 使用了内径75m,100cm长的毛细管,1984年,Terabe,胶束电动色谱法 在CE电解质溶液中加入表面活性剂,1983和1987年,Hjerten,毛细管凝胶电泳法和毛细管等电聚焦电泳,1989年,出现商品化仪器,19,色谱法的主要应用,药学研究:药物质量控制、手性药物分离、化学单体制备 食品检测:孔雀石绿、瘦肉精、三聚氰胺 刑侦法医:中毒分析,毒品筛查,兴奋剂检测 农业应用:农药残留,20,色谱法的基本内容 分类与分离机制 色谱参数 色谱理论 定性定量方法,21,按流动相/固定相分类 按操作模式分类,22,按分离机制分类 吸附色谱法 分配色谱法 离子交换色谱法 分子排阻色谱法,23,溶质分子,m,a,m 流动相 a 吸附剂,吸附层,Adsorption chromatography,24,吸附色谱法,分离原理 利用被分离组分对固定相表面吸附中心吸附能力的差别而实现分离。 吸附过程是试样中组分的分子(X)与流动相分子(Y)争夺吸附剂表面活性中心的过程,即为竞争吸附过程 。,25,Partition chromatography,流动相中的溶质分子,进入固定相内部的溶质分子,m,s,m 流动相 s 固定相,固定相,载体,26,分配色谱法,分离原理 利用被分离组分在固定相或流动相中的溶解度差别而实现分离。,溶质分子在固定相中溶解度越大,或在流动相 中溶解度越小,则K越大。在LLC中K主要与流 动相的性质 (种类与极性) 有关;在GLC中K与 固定相极性和柱温有关。,27,+,-,resin bone,-,+,resin bone,Cation ion exchange,Anion ion exchange,MP SP,MP SP,28,离子交换色谱法,分离原理 利用被分离组分离子交换能力的差别而实现分离。 分为阳离子交换色谱法和阴离子交换色谱法。,29,MP SP,Size Exclusion Chromatography,30,分子排阻色谱法,分离原理 根据被分离组分分子的线团尺寸进行分离。也称为空间排阻色谱法。 渗透系数: Kp =Xs/Xm (0Kp1 ) 由溶质分子的线团尺寸和凝胶孔隙的大小所决定。在一定分子线团尺寸范围内,Kp与分子量相关,即组分按分子量的大小分离。,31,按两相的相对极性分类 反相色谱和正相色谱 反相色谱-固定相极性流动相极性,Normal Phase Chromatography SP Polarity MP Polarity Reversed Phase Chromatography SP Polarity MP Polarity,32,色谱参数 * 定性参数 * 柱效参数 * 分离参数 * 相平衡参数,33,定性参数-保留值 保留时间(tR):从进样开始到某个组分的色谱峰顶点的时间间隔。 死时间:(tm或t0):在色谱过程中,不保留组分的保留时间。 调整保留时间(tR):扣除死时间后的样品保留时间。 tR=tR-tm 保留体积(VR);死体积(Vm或V0);VR,34,Chromatographic elution curve / Chromatogram,signal,retention time;tR retention volume;VR dead time;t0(tM) dead volume;V0(VM) adjusted retention time;tR adjusted retention volume;VR relative retention; r (=) retention index; I,35,柱效参数 标准差():正态分布曲线两拐点间距离的一半(相当于0.607h处峰宽的一半) 峰宽(W):过色谱峰两侧拐点作切线,在基线上的截距为峰宽 半峰宽(W1/2):峰高一半(0.5h)处的峰宽 W=4=1.699W1/2 W1/2=2.355 理论(塔)板数(n)和板高(H),36,Chromatographic elution curve / Chromatogram,signal,retention time;tR retention volume;VR dead time;t0(tM) dead volume;V0(VM) adjusted retention time;tR adjusted retention volume;VR relative retention; r (=) retention index; I,standard deviation; peak width at half height; W1/2h peak width; W,37,分离参数-分离度(R) 分离度:用以衡量相邻峰的分离情况,定量分析时,应使R1.5,38,39,相平衡参数 * 分配系数,K与组分、固定相、流动相性质和温度有关。 K大,样品移动速度慢, K小,移动快。,tR,t0,=K,Vs,Vm,k与组分、两相性质和温度有关,还与两相体积有关 K或k不等,是分离的先决条件,* 容量因子,41,Retention time Partition coefficient Thermodynamics (phase equilibrium) Plate theory (Martin & Synge),Column efficiency Peak width Kinetics (process kinetics) Rate theory (Van Deemter),RESOLUTION,塔板理论 速率理论,42,塔板理论,始于马丁(Martin)和辛格(Synge)提出的塔板模型。 分馏塔:在塔板上多次气液平衡,按沸点不同而分离。 色谱柱:组分在两相间的多次分配平衡,按分配系数不同而分离。,43,塔板理论热力学理论,基本假设 在柱内一小段高度H内,组分可以很快在两相中达到分配平衡。H称为塔板高度 载气通过色谱柱不是连续前进,而是间歇式的,每次进气为一个塔板体积 样品都加在0号塔板上,样品沿色谱柱方向的扩散可以忽略 分配系数在各塔板上是常数,44,M0+freshS1,M0+freshU2,S0+freshM1,S0+freshM1,S1+M1,Step 2,Step 1,Step 0,Plate 0,Plate 1,Plate 2,KA=4, KB=1,Isp Imp,KI =,45,Step 7,Step 5,Step 1,Step 3,46,Table Fraction of solute in each plate after each advance,*: p = fraction solute in SPms, q = fraction solute in MPmm,47,理论(塔)板数(n)和板高(H)的计算,H = L/n n或H,柱效,48,塔板理论解决的问题: 1 流出曲线的形状 2 浓度极大点的位置(tR) 3 评价柱效高低,塔板理论的缺陷: 由于基本假设与实际的不相符,使之不能解释板高受哪些因素影响,不能说明为什么在不同流速下,可以测得不同的理论塔板数这一实验事实,49,Band Broadening,50,速率理论(Van Deemter方程),1956年,荷兰学者范第姆特(Van Deemter)提出了色谱过程动力学理论速率理论。,塔板高度,涡流扩散项,纵向扩散项,传质阻抗项,H = A + B/u + Cu,51,Band Broadening: Eddy Diffusion 涡流扩散,52,Band Broadening: Longitudinal Diffusion 纵向扩散,53,涡流扩散项A(多径扩散) A=2dp,纵向扩散项B/u(分子扩散) B=2Dg,载体适当细粒度、颗粒均匀,增大载气分子量或线速度,空心毛细管柱A=0,packing irregular,average particle diameter,obstruction factor,diffusion coefficient of solute in the mobile phase,54,Band Broadening: Resistance to Mass Transfer 传质阻抗,55,传质阻力项Cu C=Cg+Cl,df小,Dl大,C就小,56,LC中Giddings 液相色谱速率方程式 H = A + B/u + (Cm + Csm + Cs) u H = A + (Cm + Csm + Cs) u H = A + (Cm + Csm) u,57,58,色谱法的定性定量分析,59,定性分析 1 利用保留值定性 与对照品比较 tR(样)=tR(对) 增加峰高 相对保留值(相对保留时间),r1,2=tR1/tR2,求保留指数,与文献值对照 2 两谱联用定性,GC-MS,GC-FTIR等,60,常用的定量方法,峰面积百分比法 常用于有关物质的测定 外标法 在液相色谱中用的最多 内标法 准确,但是麻烦 在气相色谱中用的最多,外标法定量,配制一系列已知浓度的标样,外标法定量,实际色谱图,标准曲线,内标法定量(一),配制一系列浓度的标样,其中加有内标样,内标法定量(二),标准曲线,特点: 无需各组份都被检出、洗脱 需要标样,需要内标样 结果与进样体积无关,66,色谱法的发展,生物色谱法 中药色谱指纹图谱,67,生物色谱法 (Biochromatography),80年代中后期,生命科学与色谱分离技术交叉 将活性生物大分子、活性细胞膜、甚至活细胞固着于色谱担体上,作为一种生物活性填料,用于液相色谱法,形成一种能够模仿药物与生物大分子、靶体或细胞相互作用的色谱系统,表征药物与生物大分子、靶体间的相互作用。 中科院大连化学物理研究所 邹汉法、西安交通大学 贺浪冲、南京中医药大学国家规范化中药药理实验室,68,对于中药等成分复杂的研究对象,生物色谱法由于固定相能够特异性、选择性地与活性成分结合,可以排除大量非作用杂质成分的干扰,是研究中药等复杂对象的有效手段。,药物在生物色谱柱上的保留行为直接与其活性或与生物大分子、靶体、细胞结合相关,具有一定的药理学或生理学意义;,69,分子生物色谱法 (Molecular Biochromatography) 仿生物膜色谱法 (Artificial Biomembrane Chromatography) 生物膜色谱法 (Biomembrane chromatography) 细胞生物色谱法(Cell Biochromatography),70,例 邹汉法等以血浆中两种主要的载体蛋白:人血清白蛋白(HSA)和-酸性糖蛋白(AGP)为固定相,对常用中药当归、川芍、茵陈、黄芪、赤芍、银杏叶、丹参等进行了分析 分子生物色谱指纹图谱,用于快速鉴别中药材及其提取物 快速筛选中药活性成分 中药活性成分在HSA、AGP柱上的保留行为直接与各成分的血浆结合率相关,71,Separation of four kinds of Chinese tradltional medicine on the HSA column (A)当归 (B)黄芪 (C) 赤芍 (D)川芎 流动相:乙腈:50 mmolL phosphate buffer(pH 7.4)15:85,72,例 贺浪冲研究细胞膜色谱法(Cell Membrane Chromatography, CMC),以冠状动脉细胞膜、心肌细胞膜、血管细胞膜、大脑细胞膜等作为固定相,对常用中药丹参、人参、白芍及其方药等中的有效成分进行了筛选.,73,Immobilized liposome chromatography (ILC) is regarded as a powerful tool to study drug-membrane interactions in LC. Liposome formed by phosphatidylcholine, the main components found in cell membrane, was noncovalently or covalently immobilized on the silica particles as chromatographic stationary phase.,Cell membrane,Stationary phase,脂质体柱,74,五味子提取物在脂质体柱上的分离,75,全二维色谱分离五味子提取物,Three-dimensional landscape images,Two-dimensional contour plot,76,中药指纹图谱,技术水平较低,现代技术应用少。 参差不齐,许多十几年未变。 中药质量标准无法说明发挥药效的化学成分的数量和含量,也无法保证每批中药的成分一致性(稳定性),国际未接受。 体系存在缺陷,无法被国际认可,亟待提高和发展,77,一、背景中医药特色与优势,为中华民族的繁衍作出了巨大的作用。 公共卫生资源充分发挥作用;在国家初级保健系统中的重要地位。 降低了疾病发生率,提高了公众的生命质量,特别是在治疗慢性病、养生保健等有优势。 新药研发费用远较化学合成药物为低。,78,传统中药的不足,研究开发体系不完善 生产不规范和规模小 国内外认可程度不高,79,中药现代化的关键问题,理念: 将传统中药的优势特色与现代科学技术相结合,按照国际规范进行研究、开发、生产、管理和使用。 原则:保持中医药优势特色;与现代科学技术充分结合;具备国际认可的标准规范。 核心: 保证中药质量的稳定和可控,提升中药药效、减少毒副作用。,80,四性的核心是标准。 质量标准的现代化是中药现代化的瓶颈,处于优先解决的战略问题。 指纹图谱是以现代分析技术为依托的是一种新的质控模式 ,是增加一种中药特有的分析内容。,81,现行中药质量控制模式 借鉴化学药品质量控制的模式 人参皂苷Rg1+Re不得少于0.25,而人参叶规定Rg1+Re不得少于2.25%。粉葛中规定不得少于0.3,而野葛则不得少于2.4,82,现行中药质量控制模式的局限性,借鉴化学药品的质量控制模式,靠天然药物化学的发展。建立以测定某单一成分为目标的分析方法和既定性又定量的质量标准。 单一化学成分分析的观点,与中医理论的“整体”观相悖。 化学药单一成分,单一靶点 中药多成分,多靶点,非线性多元交互,83,化学药是由成分已知、数量有限、含量确定的化合物组成。 中药药效学的物质基础是有效化合物群,中药是内含部分未知,数量无限、含量难确定的化合物组成。 西药是一白色体系,中药是一灰色体系。,84,新分析方法的产生,指纹图谱技术 以现代分析技术为依托的指纹图谱分析技术是用代表中药药效学物质基础的化合物群所表征的图谱来综合评价中药质量。 符合中医理论和中药化学成分的特点,能较全面地反映中药质量的本来面貌,也符合国际药品质量控制的理念。 指纹图谱技术是建立现代中药质量标准的核心和基石之一。,85,目前的指纹图谱研究手段主要是色谱法和光谱法。 包括薄层色谱(TLC)、气相色谱(GS)、高效液相色谱(HPLC)、超临界流体色谱(SFC)、高效毛细管电泳色谱(HPCE); 紫外光谱(UV)、红外光谱(IR)、核磁共振谱(HMR)、质谱(MS)、扫描电镜指纹谱(SEM) 、X射线指纹谱(XRD); DNA指纹谱 采用多种现代分析仪器联用方式得到的多维多信息特征谱等。,86,建立符合中医药特色的质量标准体系,逐步由指标性成分向活性成分的测定过渡,由单一成分向多个成分测定和指纹图谱整体控制模式的转化。,2005年版中国药典设计方案目标之一,87,1990年版药典:对照药材 2000年中药注射剂指纹图谱研究的技术要求(暂行) 2002年中药注射剂色谱指纹图谱实验研究技术指南(试行),关于中国药典2010年版的主要工作,完善主要检查方法应用指导原则,如“注射剂安全性检查指导原则”、“中药指纹(特征)图谱技术指导原则”、“发酵产品及半合成产品杂质控制的指导原则”、“生产过程质量控制分析方法指导原则”等 增订药品命名原则,修订 “药品稳定性试验指导原则”等,增订晶型控制的指导原则 增订血液制品病毒灭活技术指南、生物制品生产用牛源性原材料的管理要求等,88,二、中药指纹图谱 相关概念,1.定义:运用现代分析技术表征和评价具有代表性中药化学成分群信息。 “现代分析技术”指:光谱、色谱、波谱、联用技术,以及化学计量学和计算机技术等。 “中药化学成分群”指:药材、饮片、中药提取物和成药中与药理活性相关的,由次生代谢产物组成的化合物群。,89,“代表性”指:中药化学成分群信息须具有统计学意义的样本数,以保证建立的标准成分考虑中药的生产,以及安全、有效和稳定。 “表征”指:将化学成分群信息通过一定的分析方法所获得的图谱。 “评价”指:通过相关技术参数,经过信息处理、化学计量学和计算机技术等过程,对表征图谱进行数字和智能评判。 指纹图谱具有整体、专属和模糊性。,90,2.指纹图谱的制定原则,指纹图谱作为中药质量标准的分析项目之一,依据药品应具有安全性、有效性、稳定性和可控性的要求,应符合系统性、特征性、稳定性的原则。 体现三原则,才能保证药品四性。,91,系统性是指图谱所反映的化学成分全部信息,其中包括中药有效部位所含主要成分的种类,或指标成分的全部。 特征性是指图谱中反映的化学成分信息是具有高度选择性的,这些信息的综合结果,将有助于特征区分中药的真伪与优劣。 稳定性指的是所建立的指纹图谱,在规定的方法与条件下,不同的操作者和不同的实验室应能作出相同的指纹图谱。,92,药材 herbs,中药制剂 Preparations,.现代中药质量标准体系,93,.国内指纹图谱技术发展状况,1)普遍达成共识,认为对中药质量控制具有全面性、完备性和普遍性。 2)标准研究和技术走在国际前列。 3)国内相关研究单位,包括药典会、高校科研院所、中药生产单位等建立了一个非常实用、科学的技术平台,是一个飞跃。 4)培养了一支队伍。 5)注射液已完成了解、协调工作,统一标准工作在有序展开。 6)发展了理论,积累了经验。,94,.指纹图谱的地 位作用,注射剂用中药材指纹图谱研究的技术要求 中药注射剂及其有效部位或中间体指纹图谱的检测标准 不可能弄清全部成分的中药可以在不要求搞清的前提下建立分析 用整体指纹图谱综合和特征评价质量 目的保证中药的稳定性和可控,95,中药材 预处理,中药液相色谱 分析条件,分离,指纹图谱,1.计算机辅助指纹图谱评价 2.多成分定量分析方法建立,.色谱指纹图谱平台流程,96,.指纹图谱的关键环节,1)图谱获取:保证图谱全面、稳定和重现,获取规范化。 2)图谱解析数字化。 3)评价信息化和计算机化。,97,中药,提取、分离,色谱、光谱及多维联用,中药指纹图谱,信息处理,聚类分析,相似度判定,信息挖掘,药效活性研究,谱效学研究,化学计量学,药物信息学,鉴别,质量控制,三、指纹图谱的获取规范化,98,指纹图谱获取 Acquisition,有效组分 提取分离,分离分析 条件优化,多维多息化学指纹图谱 信息获取与融合,多维联用 分析,活性成分 分析鉴定,.指纹图谱获取的影响因素,99,中药材、中药制剂,提取分离,常规提取分离方法 超临界流体萃取 超声、微波提取 漩流、半仿生提取 全自动多溶剂提取 色谱分离,固相萃取 双水相分离,样品,无机离子,有机小分子,生物大分子,IC ICP ICP/MS,挥发性组分,非极性组分,中极性组分,强极性组分,IR, GC, HPLC, CE, TLC, GC/MS, HPLC/MS, HPLC/DAD/MS/MS, HPCE/MS, IC,GPC CE ESI/MS,色谱指纹图谱的分析方法策略,100,. 方法学验证Validation,专属性(specificity) 精密性(precision) 保留时间精密度 峰面积精密度 重复性(repeatability) 保留时间重现性 峰面积重现性 稳定性(stability) 线性(linearity) 耐受性(robustness) 参照物检出限(LOD),101,多维、联用等分析 Analysis,药效检测 pharmacology,信息处理 Information process,中 药 药 效 组 分 指 纹 图 谱,中药指纹图谱发展趋势,质量表征和评价 Quality evaluation,新药研发 R&D of Drugs,质量控制 Quality control,指纹图谱获取 Acquisition,方法学验证Validation,指纹图谱应用Application,Functional fingerprinting of TCM,102,中药指纹图谱数据库,中药材指纹图谱,中间体指纹图谱,中药制剂指纹图谱,不 同 产 地,不 同 采 收 期,不 同 炮 制 方 法,不 同 药 用 部 位,不 同 处 理 方 法,不 同 炮 制 方 法,不 同 产 地 原 料,不 同 工 艺 条 件,中药指纹图谱库,标准指纹图谱库,高维指纹图谱库,编码技术等,103,中药指纹图谱分析示例,104,建立对照指纹图谱,用于建立对照指纹图谱的样品图谱,105,生成的对照图谱,生成的对照图谱(平均值法),106,样品检查,样品检查,相似度评价结果,107,色谱指纹图谱应用示例,108,知母为百合科植物知母(Anemarrhena sphodeloides Bge.)的干燥根茎,为常用中药 主要成分为皂苷类,黄酮类,木脂素等 芒果苷和新芒果苷是其清热作用 的有效成分,.知母的指纹图谱研究,109,色谱条件,色谱柱:Hypersil填料,C18-ODS柱(5m,4.6250mm,大连依利特);流动相:采用梯度洗脱,A相为乙腈,B相为25mmol/L磷酸二氢钾缓冲液(pH 3.0);流速:1.0ml/min,运行时间60min,检测波长257nm,柱温为25。 梯度程序:,110,溶液制备,供试品溶液 药材粉末0.2g 80%甲醇25ml 超声20min,过滤,残渣,80%甲醇25ml,滤液,过滤,超声20min,滤液,合并滤液,挥干

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