基于疏水性深共晶溶剂的绿色样品预处理方法，用于大黄中蒽醌类化合物的色谱-质谱分析

《Journal of Chromatography A》：Hydrophobic Deep Eutectic Solvent-Based Green Sample Pretreatment Strategy for Chromatographic–Mass Spectrometric Analysis of Anthraquinones from Rheum palmatum L.

　　

Xialin Guo|Shenyan Wang|Rui Ma|Junmiao Liu|Meiling Chen|Xiaoxia Li|Xiaoliang Ren

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  基于绿色深共晶溶剂的样品预处理方法，用于蒽醌类物质的LC-MS分析。
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  HDES能使游离态和糖基化状态的蒽醌类物质富集程度提高60%。
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  机器学习分析表明液固比是关键参数。
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  HDES提取物相比甲醇具有更强的抗氧化活性。
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  非共价相互作用决定了HDES的选择性。

引言

大黄属植物的干燥根及根茎富含蒽醌类物质，这类物质赋予其通便、抗炎、抗菌以及抗氧化等功效[1]。诸如大黄素和芦荟大黄素之类的游离蒽醌类物质，能够调控NF-κB和MAPK等重要的炎症信号通路，同时还具备较强的抗氧化作用，因此在治疗便秘、结肠炎以及与氧化应激相关的疾病方面具有潜在应用价值[[2], [3], [4]]。然而，蒽醌类物质极强的疏水性严重限制了它们从复杂的植物基质中高效提取。传统的样品预处理方法主要依赖甲醇、乙醇等有机溶剂，但这些溶剂存在毒性问题，还会给环境带来负担，且溶剂回收过程需要消耗大量能源。此外，热辅助提取法可能会使目标化合物发生降解，或引入杂质，进而影响色谱分析的准确性[[5], [6], [7], [8]]。因此，针对疏水性蒽醌类物质开发绿色且高效的样品预处理方法，对于分析化学以及天然产物研究而言具有重要意义。

深共晶溶剂是一类通过氢键供体与受体之间的氢键作用而形成的绿色溶剂体系。自2003年Abbott等人首次报道这类溶剂以来[9]，由于其低毒性、可生物降解、蒸气压极低以及物理化学性质可调控等优点，它们在天然产物提取领域受到了广泛关注[10,11]。这类溶剂已被广泛应用于黄酮类、生物碱以及酚酸类物质的提取，且往往能展现出比传统有机溶剂更高的提取效率[[12], [13], [14], [15], [16]]。不过，大多数深共晶溶剂体系都是由胆碱盐、有机酸或多元醇等高极性成分构成的，这限制了它们在处理蒽醌类、萜类以及挥发性油等亲脂性化合物时的应用[17,18]。为克服这一局限，人们通过引入脂肪酸、萜类或芳香醇等疏水性成分，开发出了疏水性深共晶溶剂。这类溶剂既保留了深共晶溶剂的绿色特性，又具备可调控的极性，以及对疏水性分析物的更强亲和力[[19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]]。近期的一些研究已经证明了这类溶剂在环境和分析领域的应用潜力，比如在多环芳烃以及农药残留的富集方面表现优异，进一步凸显了它们在疏水性化合物提取方面的应用前景[[26], [27], [28], [29]]。

在天然产物的色谱-质谱分析中，样品预处理对分析的准确度以及化学信息的完整性起着决定性作用。理想的预处理方法不仅应当提升提取效率，还应扩大可检测的化学物质范围，从而实现对复杂样品矩阵的更全面分析[30,31]。然而，传统的以甲醇为基础的预处理方法往往选择性较差，会导致目标分析物无法被完全提取，同时还会将样品基质中的干扰物质一同提取出来，进而可能在质谱检测中引发基质效应和离子抑制现象[32,33]。由于疏水性深共晶溶剂具有成分多样且结构可调控的特点，为设计具有更广化学兼容性的预处理体系提供了良好基础。通过合理选择氢键供体与受体，这类溶剂能够将疏水结构与极性相互作用位点结合在一起，从而实现不同极性化合物的同时富集[[23], [24], [25]]。因此，基于疏水性深共晶溶剂的预处理方法，有望显著提升色谱-质谱分析过程中蒽醌类物质的分析完整性。

本研究开发了一种基于疏水性深共晶溶剂的预处理策略，用于高效富集并全面分析大黄属植物中的蒽醌类物质。如图1所示，该分析流程包括深共晶溶剂的筛选、溶解度评估，以及通过响应面法与机器学习技术对提取工艺的优化。研究过程中采用了高分辨率UPLC-Q-TOF-MS技术进行化学成分分析，同时借助量子化学计算和分子动力学模拟方法，探究深共晶溶剂与目标分析物之间的分子间相互作用。此外，还通过体外抗氧化试验来评估所获得提取物的生物活性。这一综合分析框架不仅提升了游离态和糖基化状态蒽醌类物质的富集效率，还扩大了其检测范围。总体而言，本研究提出了一种基于绿色深共晶溶剂的预处理方法，可用于提升色谱-质谱分析中蒽醌类物质的分析覆盖度，同时也从分子层面揭示了深共晶溶剂组分与蒽醌分子之间的相互作用机制。

章节要点

试剂与材料

研究中使用的分析级试剂包括丁子香酚（纯度≥98%）、香叶醛（纯度≥95%）、薄荷醇（纯度≥98%）、百里酚（纯度≥99%）、十四醇（纯度≥98%）、辛酸（纯度≥98%）、乳酸（纯度≥85%）、月桂酸（纯度≥98%）、肉桂酸（纯度≥99%）、没食子酸（纯度≥98%）、绿原酸（纯度≥98%）、吴茱萸碱（纯度≥98%）、苦参碱（纯度≥98%）、槟榔碱（纯度≥98%）、奎宁（纯度≥98%）以及旋花苷（纯度≥98%），这些试剂均购自上海源业公司。

HDES的制备

通过将14种天然生物活性成分两两组合，并设置三种摩尔比（1:1、1:2以及2:1），共制备出了273种不同的HDES体系。其中46种体系能形成均匀透明的液体，另有37种体系在室温下放置72小时后仍保持液态（见图2a以及表S2）。

实验结果表明，萜类化合物和芳香族化合物更容易形成稳定的HDES体系，而川芎嗪、肉桂酸、没食子酸以及阿魏酸则不太容易形成稳定的此类体系。

结论

本研究成功构建了一种基于疏水性深共晶溶剂的绿色样品预处理方法，并将其应用于大黄属植物中蒽醌类物质的富集、色谱-质谱表征以及生物活性评估。通过对37种不同HDES体系的系统筛选，最终确定香叶醛-肉桂醇（1:1）体系是用于处理目标蒽醌类物质的最佳预处理介质。

本研究还将响应面法与机器学习技术相结合，进一步优化了提取工艺。

CRediT作者贡献说明

Xialin Guo：负责原始稿件撰写、软件应用、项目管理以及方法设计工作。Shenyan Wang：负责稿件审阅与编辑、正式数据分析以及结果验证工作。Rui Ma：负责软件应用以及结果验证工作。Junmiao Liu：负责结果验证工作。Meiling Chen：负责项目管理以及资金申请工作。Xiaoxia Li：负责软件应用工作。Xiaoliang Ren：负责研究概念的构思工作。

数据可用性

本研究的相关数据，可在合理请求下从通讯作者处获取。

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Xialin Guo：负责原始稿件撰写、软件应用、项目管理以及方法设计工作。Shenyan Wang：负责稿件审阅与编辑、结果验证以及正式数据分析工作。Rui Ma：负责结果验证以及软件应用工作。Junmiao Liu：负责结果验证工作。Meiling Chen：负责项目管理以及资金申请工作。Xiaoxia Li：负责软件应用工作。Xiaoliang Ren：负责研究概念的构思工作。

利益冲突声明

所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。

致谢

本项研究得到了天津市科学技术规划项目的研究经费支持（项目编号：21JCQNJC01350）。