紫菀的电化学指纹图谱研究_程旺兴

1、1004化学试剂2012 年 11 月化学试剂，2012，34( 11) ，1004 1008紫菀的电化学指纹图谱研究程旺兴* ，陈振华，陈佳，程铭恩，彭华胜，方成武( 安徽中医学院 药学院，安徽 合肥230031)摘要:通过别洛索夫-扎鲍京斯基( B-Z) 振荡反应研究不同产地中药紫菀鉴别的鉴别，将紫菀粉末加入 H2 SO4 -Ce( SO4 ) 2 - CH2 ( COOH) 2 -KBrO3 中，干扰化学振荡体系，用电化学工作站记录数据，并对温度、紫菀用量等反应条件进行了考察，确定体系的最佳实验条件为 12 mL ( 3. 0 mol /L) H2 SO4 溶液、3 mL ( 0. 1

2、mol /L) Ce ( SO4 ) 2 溶液、6 mL ( 1. 0 mol /L) CH2 ( COOH) 2 和 3 mL( 0. 2 mol /L) KBrO3 溶液，温度 310 K、加入 0. 4 g 紫菀粉末，获得了不同产地紫菀的电化学指纹图谱。通过对不同产地中药材紫菀电化学指纹图谱的研究，发现不同产地的紫菀的指纹图谱主要参数有较大区别。该方法简便、准确、可靠，可方便的用于不同产地紫菀的鉴别。关键词:电化学指纹图谱; 化学振荡体系; 紫菀; 振荡微观指纹图谱; 鉴别中图分类号:O657. 1文献标识码:A文章编号:0258-3283( 2012) 11-1004-05紫菀为菊科植

3、物紫菀( Aster tataricus L f ) 的干燥根及根茎，有润肺下气、消痰止咳的作用。主治气逆咳嗽、吐痰不利，肺虚久咳、痰中带血等1，2。目前，在有关紫菀指纹图谱技术的研究症，3-6报道中 以 HPLC 的研究和应用最为广泛和深入，但色谱指纹图谱技术存在前处理繁琐、分析时间长等局限性，而电化学指纹图谱技术是一种经济、简便、易行和有效的鉴别与评价中药的科学方7。电化学指纹图谱技术采用化学振荡体系，法调整组分浓度范围，寻找特征波形，绘制出能显示中药特性的振荡特征图谱，是解决中药识别的有8-13。本文以 B-Z ( Belousov Zhabotin-效途径sky) 振荡反应为基础研究了

4、不同产地紫菀的电化学指纹图谱，同时考察了电化学指纹图谱中反应物浓度的关系及影响电化学指纹图谱的主要因素，结果表明电化学指纹图谱能很好地鉴别不同产地的中药材紫菀。1 实验部分1. 1 主要仪器与试剂LK2005A 型电化学工作站( 天津兰力科化学电子高技术有限公司) ; HH-501 型超级恒温水浴锅( 江苏金坛市国盛实验仪器厂) ; CJJ78-1 型恒温磁力搅拌器( 城西晓阳电子仪器厂) ; FA1104N 型分析天平; HS3120 型超声器( 天津恒奥科技发展有限公司) ; 217 型复合甘汞电极( 上海精密科学仪器有限公司) ; 213 型金属铂电极( 上海精密科学仪器有限公司) ;

5、带夹套的玻璃反应器 ( 自制) ; 高速万能粉碎机( 天津市泰斯特仪器有限公司) ; SYZ-B 型石英亚沸高纯水蒸馏器( 江苏金坛市环宇科学仪器厂) 。硫酸( 上海振企化学试剂有限公司) ; 丙二酸、硫酸铈铵( 国药集团化学试剂有限公司) ; 溴酸钾( 天津市永大化学试剂开发中心) ; 所用试剂均为分析纯，水为二次蒸馏水; 中药材样本有安徽亳州十九里镇紫菀、河北安国张材紫菀、河北安国霍庄紫菀、吉林通化紫菀、内蒙古紫菀，由安徽中医学院药学院程铭恩老师和彭华胜老师提供，并由彭华胜老师鉴定 ( 将药材置于烘箱烘干至恒重，粉碎，过 50 目筛，备用) 。1. 2 实验方法加入过 50 目筛后干燥至恒

6、重的紫菀粉末、 12. 0 mL H2 SO4 溶液、6. 0 mL CH2 ( COOH) 2 溶液和 3. 0 mL Ce( SO4 ) 2 溶液 ( 以 0. 2 mol /L H2 SO4溶液配制) 于带有恒温夹套的反应器中，盖好带注射孔和电极的反应器盖。开启连接恒温夹套反应器的超级恒温水浴锅的循环泵，控制反应体系的温度为 310 K，用磁力搅拌器恒速搅拌 5. 0 min( 搅拌速度为 300 r /min) ，以 217 型饱和甘汞电极作参比，213 型金属铂电极作指示电极。通过注射器迅速加入 3. 0 mL KBrO3 溶液，即刻点击菜单采集数据，记录 E-t 曲线( 电化学指纹

7、图谱) 至电收稿日期:2012-03-14基金项目:国家自然科学基金资助项目 ( 30901973 ) ; 国家十二五科技支撑资助项目( 2011BAI04B05) 。作者简介:程旺兴( 1977-) ，男，安徽休宁人，硕士，副教授，主要研究方向为药物分析，E-mail: chengwangxing gmailcom。第 34 卷第 11 期程旺兴等: 紫菀的电化学指纹图谱研究1005位振荡消失，即获得电化学指纹图谱。2 结果与讨论2. 1 纯 B-Z 振荡体系按 1. 2 方法，以 CH2 ( COOH) 2 为耗散物，在Ce4 + 存在的条件下，用 KBrO3 氧化 CH2 ( COOH)

8、 2 ，得到典型的 B-Z 振荡体系 E-t 曲线图( 图 1) 。实验过程中，可以观察到溶液从黄色到无色再到黄，4 +3 +色的周期性变化过程 即从黄色 Ce 到无色 Ce 的周期性变化。因持续振荡时间超过 2 h，故本图只截取了其中的一段。图 1典型 B-Z 振荡体系 E-t 曲线Fig 1Typical oscillation profiles of E-t2. 2 体系中不同组分的浓度对电化学指纹图谱的影响化学振荡是一种处于远离平衡的热力学稳态，为了确保振荡体系稳定的基础上使扰动最大，达到稳定、灵敏的测定要求，通过固定其他组分浓度，改变单一组分的浓度值即单因素方法，以振荡反应的参数(

9、振幅、诱导期、振荡周期、振荡寿命等) 为依据确定了组分浓度范围，并选择出体系中不同组分浓度对振荡图形影响的最佳实验条件。本文以最大振幅( Emax ) 为参数来确定体系中不同组分的浓度。固定振荡反应的温度为 310 K，磁力搅拌器转速为 300 r /min，加入 0. 4 g( 精确至 0. 000 1 g) 安徽亳州十九里镇中药材紫菀粉末，以 12 mL( 3. 0 mol /L ) H2 SO4 溶液、6 mL ( 1. 0 mol /L ) CH2 ( COOH) 2 溶液、3 mL( 0. 1 mol /L) Ce( SO4 ) 2溶液、3 mL( 0. 2 mol /L) KBrO

10、3 溶液为基础，分别依次改变 H2 SO4 的浓度 ( 1. 0 6. 0 mol /L ) 、 CH2 ( COOH) 2 的 浓 度 ( 0. 1 1. 0 mol /L ) 、 Ce( SO4 ) 2 的浓度 ( 0. 01 0. 1 mol /L) 、KBrO3 的浓度( 0. 1 0. 5 mol /L) 。按 1. 2 中的方法，可获得紫菀不同组分浓度的电化学指纹图谱，其最大振幅与浓度的关系见图 2。比较图 2 的曲线，可以明显看出改变振荡体系中各组分的浓度将直接影响到测定体系的灵敏a. H2 SO4 ; b. CH2 ( COOH) 2 ; c. Ce( SO4 ) 2 ; d.

11、 KBrO3图 2 体系中不同组分的浓度变化对最大振幅的影响Fig 2 The maximum amplitude change with theconcentration of the different components of the system度，通过较为系统地研究了同一组分在不同浓度下对振荡体系的最大振幅的影响，由图中的曲线关系可以确定 KBrO3 、CH2 ( COOH) 2 、Ce( SO4 ) 2 、H2 SO4 的最佳浓度: 3 mL( 0. 2 mol /L) 溴酸钾溶液、6 mL ( 1. 0 mol /L) CH2 ( COOH) 2 溶液、3 mL( 0. 1 m

12、ol /L) Ce( SO4 ) 2 溶液、12 mL( 3. 0 mol /L)H2 SO4 溶液，组成 24 mL 的振荡底液，用于振荡体系的研究。2. 3 电化学指纹图谱的影响因素影响电化学指纹图谱的主要因素有搅拌速度、药材加入量、温度等，它们都会对化学振荡反应产生影响，都可能使体系从一种热力学稳态转变为另一种稳态，反映在振荡图形上就是振荡参数如诱导期、振荡时间等的变化。2. 3. 1 搅拌速度的影响按 1. 2 中的方法，在CH2 ( COOH) 2 = 1. 0 mol /L、H2 SO4= 3. 0 mol /L、Ce( SO4 ) 2= 0. 1 mol /L、KBrO3= 0.

13、 2 mol /L，振荡反应的温度为a. 0 r /min; b. 200 r /min; c. 300 r /min; d. 400 r /min;e. 600 r /min; f. 800 r /min图 3 不同搅拌速度时 B-Z 振荡体系的 E-t 曲线Fig 3 Effect of rotate speed on electrochemical fingerprints1006化学试剂2012 年 11 月310 K 的条件下，加入 0. 4 g( 精确至 0. 000 1 g) 安徽亳州十九里镇紫菀，磁力搅拌器转速为 0、200、300、400、600、800 r /min，可得其

14、相应的电化学指纹图谱( 图 3) 。搅拌有利于中药成分的浸出扩散，提高中药浸出速率。但实验表明，搅拌速率也影响中药电化学指纹图谱的振幅( E) 与周期。除了影响浸出速率外，搅拌速度也可能影响空气中氧在反应液中的溶解量，溶解氧作为体系中的一种物质有可能影响振荡反应，导致指纹图谱中振荡幅度和14。另外，当搅拌速率超过 600周期发生变化r /min 时，反应液中的气泡量增大。由于气泡的产生有一定的随机性，故体系的稳定性降低，电位变化异常，使指纹图谱曲线上出现无规律的毛刺，不利于指纹图谱分析研究。但搅拌速率过低，则不利于中药的浸出，振荡不能得到有效的抑制，电化学指纹图谱的振荡时间将会延长。由图 3

15、可见搅拌速度为 300 r /min 时，振幅最大，故本实验选用搅拌速率为 300 r /min。2. 3. 2 药材加入量的影响按 1. 2 中的方法，在CH2 ( COOH) 2 = 1. 0 mol /L、H2 SO4= 3. 0 mol /L、Ce( SO4 ) 2= 0. 1 mol /L、KBrO3= 0. 2 mol /L，振荡反应的温度为310 K，磁力搅拌器转速为 300 r /min 的条件下，分别加入 0. 1、0. 2、0. 3、0. 4、0. 5、0. 6、0. 7、0. 8、0. 9 g( 均精确至 0. 000 1 g) 安徽亳州十九里镇紫菀，分别测定其相应的指纹

16、图谱，见表 1。从表 1 中可以看出，中药用量不仅影响电化学指纹图谱的形状和信息参数 ( 主要是定量信息) ，而且并非任意用量都可产生完整的电化学指纹图谱，故测定指纹图谱时用量须适当。大部分中药成分对体系振荡反应呈抑制作用，当中药加入量太少时，诱导时间较短，振荡周期和振幅较大，振荡寿命( t振荡 ) 很长，检测电化学指纹图谱所需时间也很长，不利于指纹图谱检测和研究。随着用量增加，中药化学成分对振荡反应的抑制作用增强，体系振荡时间、振幅和振荡周期逐渐变小，而诱导时间逐渐变长; 当用量增大到某一值( 即检测中药电化学指纹图谱的用量限) 时，体系振荡反应完全被抑制，所得 E-t 曲线中振荡部分完全消

17、失，故不能产生包含丰富定性和定量信息的完整电化学指纹图谱。所以本实验选择 0. 4 g 紫菀药材，振荡寿命合适，利于定性分析。表 1 安徽亳州十九里镇紫菀不同加入量的电化学指纹图谱各种信息指标Tab 1 The information of electrochemical fingerprints corresponding different addition加入量 /gEmin /Vtin /st停振 /st振荡 /s0. 100 20. 583 29.381 513.201 503.820. 200 10. 579 215.76805.13789.370. 300 20. 536 532

18、.08658.14626.060. 400 10. 556 943.34478.74435.400. 500 10. 596 459.66398.61338.950. 600 20. 536 569.42272.19202.770. 700 10. 576 586.12165.1879.060. 800 10. 513 197.84134.4668.140. 900 10. 526 3加入量 /gE起振 /VE停振 /V振幅 /sEmax /mV0. 100 21. 0090. 656 137.52163.300. 200 11. 0170. 743 626.27151.200. 300 20

19、. 9960. 788 921.95145.900. 400 11. 0090. 833 819.70129.980. 500 11. 0040. 853 715.76114.000. 600 21. 0060. 876 413.13100.700. 700 11. 0090. 892 210.1366.300. 800 11. 0030. 909 99.19345.230. 900 12. 3. 3 温度的影响在CH2 ( COOH) 2= 1. 0 mol /L、H2 SO4=3. 0 mol /L、Ce( SO4 ) 2= 0. 1 mol /L、KBrO3=0. 2 mol /L 时，

20、加入 0. 4 g( 精确至 0. 000 1 g) 安徽亳州十九里镇紫菀，按 1. 2 方法，振荡反应的温度为 298、302、305、308、310、314、318 K，其电化学指纹图谱( 图 4) 。a. 298 K; b. 302 K; c. 305 K; d. 308 K; e. 310 K;f. 314 K; g. 318 K图 4 不同温度下 B-Z 振荡体系的 E-t 曲线Fig 4 Effect of temperature on electrochemical fingerprints化学振荡体系对温度十分敏感，温度的微小变化将明显地改变化学振荡体系的振幅、周期及诱导期。一

21、般而言，随着体系温度的升高，振荡体系的诱导期和振荡周期将缩短，振荡体系的振幅第 34 卷第 11 期程旺兴等: 紫菀的电化学指纹图谱研究1007增加，这对分析测定是有利的，可以提高单位时间内测定样品的个数，即有利于提高分析测定的效率。但当温度过高时，振荡反应衰减较快，不能保证分析测定结果的精密度。如图 5，本实验用0. 4 g( 精确至 0. 000 1 g) 安徽亳州十九里镇紫菀，按 1. 2 方法，从 298 K 到 318 K 研究了温度对B-Z 振荡体系的影响，结果表明，随着温度的升高，诱导时间、振荡周期和停振时间都缩短了，不利于图谱分析。所以选择合适的温度对反应时间的控制以及图谱稳定

22、性和重现性，均有重要的意义。在本实验中，测定体系的温度利用超级恒温水浴控制在 310 K 时进行较好，接近人体温度，利于紫菀的定性分析。2. 4 紫菀电化学指纹图谱的重现性在CH2 ( COOH) 2= 1. 0 mol /L、H2 SO4=3. 0 mol /L、Ce( SO4 ) 2= 0. 1 mol /L、KBrO3=0. 2 mol /L，振荡反应的温度为 310 K，磁力搅拌器转速为 300 r /min 的条件下，称取 5 份 0. 4 g( 精确至 0. 000 1 g) 安徽亳州十九里镇紫菀，按 1. 2 方法，平行操作 5 次，试验数据见表 2。表 2 紫菀电化学指纹图谱各

23、种信息参数的重现性Tab 2 The information of electrochemical fingerprints corresponding the repeatability加入量/g0. 400 00. 400 00. 400 00. 400 10. 400 2RSD/%Emin /V0. 603 80. 596 50. 593 40. 619 80. 580 02. 4t诱导 /s36. 5237. 0538. 1336. 7737. 151. 65t振荡 /s386. 49385. 09378. 19392. 24392. 871. 55t停振 /s421. 01422.

24、14416. 32429. 01430. 021. 36振幅 /s18. 1118. 0118. 3918. 3919. 132. 4Emax /mV125. 4127. 3128. 64131. 3128. 631. 7E起振 /V1. 0191. 0131. 0211. 0231. 0250. 45E停振 /V0. 851 90. 843 10. 857 70. 844 70. 847 10. 7由表 2 可见，同一来源的同种中药因化学成分及其含量相同，在相同实验条件下，其图形走势相同，测得的电化学指纹图谱的各种信息指标如诱导时间、振荡寿命、停振时间、振荡周期等较接近，亳州产紫菀的各种可量

25、化指标的 RSD3% ，有很好的重现性，为其定性定量分析奠定了现实基础。2. 5 各产地紫菀的振荡指纹图谱按 1. 2 方法，在CH2 ( COOH) 2= 1. 0 mol /L、H2 SO4= 3. 0 mol /L、Ce( SO4 ) 2= 0. 1 mol /L、KBrO3= 0. 2 mol /L，振荡反应的温度为 310 K，磁力搅拌器转速为 300 r /min 的条件下，称取不同产地的紫菀药材各 0. 4 g( 精确至 0. 000 1 g) ，测定其相应的电化学指纹图谱，见图 5，表 3。a. 安徽亳州十九里镇; b. 河北安国张材; c. 内蒙古; d. 吉林通化; e.

26、河北安国霍庄图 5 不同产地紫菀的电化学指纹图谱Fig 5 The electrochemical fingerprints of Radix Asteris from different areas表 3不同产地紫菀的电化学指纹图谱特征参数( 平行 3 次测量取平均值)Tab 3 The fingerprints information of Radix Asteris from different origins产地安徽亳州河北安国内蒙古吉林通化河北安国张材霍庄Emin /V0. 542 10. 379 20. 492 30. 191 70. 201 9t诱导 /s37. 1247. 28

27、47. 53154. 97257. 5t停振 /s423. 7306.69279. 31 344. 841 640. 72t振荡 /s386. 98259.16232.021 189. 871 383. 22E起振 /V1. 0130. 7740. 875 90. 742 60. 770 6E停振 /V0. 848 90. 737 30. 779 70. 630 70. 632 8振幅 /s18. 3915. 0413.724. 7727. 2Emax /mV128. 2570.376.9114. 27114. 55由图 5、表 3 可见，不同产地的紫菀指纹图谱的诱导时间、振荡寿命、最大振幅和

28、振荡周期等定量信息均有不同程度的差别。这些差别表明，尽管 5 个产地的紫菀所含化学成分或活性成分的种类大致相同，但生长气候、地域或采收季节等因素的差异导致了其成分含量不同。从图 5 中 d、e 与a、b、c 的比较可以看出，河北安国霍庄紫菀、吉林通化紫菀的指纹图谱中的诱导曲线与其他 3 个产地的明显不同，这些特征都有助于利用指纹图谱对不同产地的紫菀进行区别和鉴定。2. 6 不同产地紫菀的振荡微观指纹图谱15根据李宗孝等 提出的中草药振荡微观指纹图谱的观点，作出上述 5 个不同产地紫菀的第二振荡周期的微观指纹图谱，见图 6，可见，安徽亳州十九里镇，河北安国张材，内蒙古这 3 个产地的紫菀的振荡波

29、形相似，但安徽亳州十九里镇紫菀的振幅大于河北安国张材的紫菀，内蒙古紫菀的振荡电位最高; 吉林通化和河北安国霍庄紫菀的振荡波形相似，河北安国霍庄紫菀的振幅和振1008化学试剂2012 年 11 月荡周期均比吉林通化的大。a. 安徽亳州十九里镇; b. 河北安国张材; c. 内蒙古; d. 吉林通化; e. 河北安国霍庄图 6 不同产地紫菀的振荡微观指纹图谱Fig 6 The micro-oscillation fingerprints of Radix Asteris from different areas3 结论本文利用紫菀药材干扰化学振荡反应，严格控制反应条件所得到的电化学指纹图谱具有明显

30、的指纹特征。实验讨论了影响电化学指纹图谱的各种因素，确定了最佳的反应条件: 振荡反应的温度为 310 K，磁力搅拌器转速为 300 r /min，参与反应的各种试剂的体积和浓度: 12 mL( 3. 0 mol /L) H2 SO4 溶液、6 mL( 1. 0 mol /L) CH2 ( COOH) 2 溶液、3 mL( 0. 1 mol /L) Ce( SO4 ) 2 溶液、3 mL( 0. 2 mol /L) KBrO3 溶液。由于中药中所含的成分各不相同，所得到的电化学指纹图谱的特征参数如诱导时间、振荡寿命、振荡周期、最高电位、最大振幅、停振电位都具有指纹特征，利用这些特征参数以及电化学

31、指纹图谱上的整体特征可以对易混中药鉴别。该方法具有无需预处理、简单易行、实验快速、图谱具有“指纹性”等优点，值得推广使用。参考文献:1国家药典委员会 中华人民共和国药典( 一部) S北京: 化学工业出版社，2010: 3322吴弢，陈子珺，胡月娟，等 不同炮制方法的紫菀饮片祛痰作用的实验研究J 上海中医药大学学报，2006，20( 3) : 55-573夏运岳，金卫坤，陈幼亭，等 HPLC 法测定紫菀中槲皮素的含量J 中草药，1997，28( 4) : 207-2084高文远，张蓉，贾伟，等 HPLC 法测定紫菀中紫菀酮的含量J 中草药，2003，34( 10) : 953-9545周军辉，伍

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