基于高壓制備液相的多維色譜技術在中藥分離純化中的應用

謝秀滿+孫萬陽+黃競怡+Navaneethakrishnan+Polachi佟玲+孫國祥

摘 要 中藥物質基礎復雜，對其活性成分的分離一直是中藥研究的難題。基于高壓制備液相的多維色譜系統在高壓制備液相色譜的基礎上，結合了多種分離技術，極大地提高了色譜系統的分離性能和分離效率，更有利于對物質基礎復雜的中藥樣品進行分離純化。本文介紹了基于高壓制備液相系統的多維色譜系統的基本原理、分離模式以及關鍵技術，并綜述了其在中藥分離純化中的應用。

關鍵詞 高壓制備液相； 中藥； 多維色譜； 溶劑兼容性； 接口技術； 綜述

20160104收稿；20160223接受

本文系“十二五” 科技重大專項“ 重大新藥創新”項目（No.2013zx09402202）和國家自然科學基金（Nos. 90612002， 81573586）資助

Email： gxswmwys@163.com

1 引 言

中藥廣泛應用于疾病的預防和治療[1]。快速分離純化技術對于理解中藥復雜的物質基礎、控制中藥質量和發現潛在活性物質具有重要意義，也是目前中藥研究的熱點問題之一。作為分析型高效液相色譜系統的延伸，高壓制備液相系統能夠在保證樣品分離度的前提下，大幅度提高載樣量，從而快速獲得高純度的目標化合物。目前，高壓制備液相在中藥、生物藥、生物制品、食品等樣品的分離研究中得到廣泛應用[2～6]。然而，由于中藥體系復雜，各個組分間含量差異大，且很多物質極性相似、性質相近，單純使用高壓制備液相色譜進行一維分離純化難以滿足多組分復雜樣品的分離要求[7，8]。對此，研究者在高壓制備液相色譜的基礎上，組合不同的分離技術，構建了多維制備色譜系統，有效解決了復雜體系樣品分離純化的難題。目前，基于高壓制備液相 色譜的多維色譜系統已應用于中藥、食品等研究工作中[9～11]。本文介紹了基于高壓制備液相的多維色譜系統的基本原理和關鍵技術，并綜述了其在中藥分離純化中的應用。

2 高壓制備液相系統的多維色譜技術

由于天然產物、中藥及代謝產物等樣品的復雜性，傳統的一維色譜在一次運行中，常常受峰容量（Peak capacity）和分辨率的限制，不能滿足分析和分離的需要[12]。根據Giddings等[13]的研究，多維分離模式的峰容量應為其構成的各個一維分離模式的峰容量的乘積，這使得在一定時間內從色譜柱中洗脫出來并達到一定分離度的色譜峰的數量大大增加，多維色譜（Multidimensional chromatography， MDC）技術也因此而得到了迅速發展[14]。高壓制備液相的多維色譜是在高壓制備液相色譜的基礎上，通過閥門控制或離線再進樣操作，結合其它分離機制或分離模式的色譜技術而形成的一項能對復雜樣品實現高容量分離純化的新技術，可實現樣品不同組分在一次操作中的多次分離。它不僅能提高色譜體系的峰容量和正交性[7，15]，還能降低色譜峰之間峰重疊[16]，使得多組分樣品、含量差異大樣品，性質相似樣品的分離制備成為可能。

2.1 分離模式

根據兩維間洗脫餾分是否直接進行連續性分離，可將多維色譜技術分為離線模式和在線模式。離線模式[17]指洗脫餾分不直接進行連續性分離，這種操作模式溶劑選擇性廣，對儀器要求不高，峰容量大[18]，但步驟繁多，自動程度不高，耗時耗力，樣品損失較多。對應于離線模式，在線模式是通過儀器系統自身對樣品進行捕獲、富集，最終實現多次分離的模式[19]，這種模式自動化程度高，連續性強，但對溶劑的兼容性要求較高。

二維以上的多維制備色譜通常結合了離線模式與在線模式，這種多維制備色譜更適用于性質相近、結構相似的組分的分離純化。然而，多維的分離操作會導致樣品的損失量增大，因此在分離分析過程中需要確保足夠的樣品量。

2.2 制備色譜柱

與分析型色譜柱相比，制備型色譜柱的上樣量和流速都可以提高3至4個數量級，甚至更高。制備色譜雖然不是分析色譜的簡單放大，但是兩者可以通過線性放大系數關聯起來。線性放大的基本假設是分析色譜系統和制備色譜系統的化學性質、傳質過程都保持不變，而進樣量、流量、收集體積等乘以線性放大系數，線性放大系數即為制備色譜柱截面積和分析色譜柱截面積之比[20]。

色譜柱的選擇要根據樣品的性質，對疏水性樣品可以選擇反相色譜柱，親水性樣品可選正相色譜柱和親水色譜柱，生物大分子可選擇離子交換色譜柱，碳水化合物可用疏水作用色譜柱，無機離子可使用離子色譜柱，合成聚合物可采用凝膠色譜柱，立體異構可采用環糊精固定相，而外消旋體樣品則可以考慮手性色譜柱[21]。在實際操作過程中，可以根據樣品、色譜柱以及流動相的特點，合理設計實驗對樣品進行純化。Zhang等[22]通過以NaHCO3緩沖液和0.035%三氟乙酸作為pH調節劑，根據在不同pH值條件下，色譜柱和樣品在流動相選擇性不同，從復雜樣品中純化出33種化合物單體。Wei等[23]采用苯基己基色譜柱，這種色譜柱在乙腈作用下對三酰基甘油具有疏水作用，而在甲醇作用下對三酰基甘油具有ππ鍵相互作用，實驗成功從不同食用油中分離純化出多種化合物單體。

2.3 在線多維色譜關鍵技術

多維的分離雖然為藥物研究帶來很大便利，然而如何解決不同維度溶劑體系兼容性問題，如何構建轉換接口以實現兩維溶劑體系的轉換，以及如何利用制備色譜柱等因素設計實驗對復雜樣品進行有效的分離純化仍是影響多維色譜發展的核心問題。

2.3.1 分離體系兼容性 影響分離體系兼容性的最主要因素是不同維度之間溶劑與溶劑、溶劑與樣品兼容性問題。只有對兩者進行合理的匹配，才可能實現最佳的分離效果。可以通過以下方法解決溶劑體系兼容性問題：

（1）使用兼容性溶劑 使用兼容性溶劑是解決該問題最簡單、最直接的辦法。陳芳芳[24]根據分子排阻色譜和反相色譜不同的分離機理，采用Sephadex LH20中壓柱作為第一維，以C18制備色譜柱作為第二維，構建了具有正交性的全二維在線中壓液相×制備型高效液相色譜的制備液相色譜系統（MPLC×prepHPLC），兩維都以甲醇/水為流動相，樣品在經第一維洗脫分離后儲存在富集柱上，然后被交替送入第二維制備液相色譜柱進行進一步分離，在經歷了兩種分離機制的色譜柱分離后，獲得18種純化的化合物單體。

（2）在線稀釋 在進行色譜分離時，可以采用初始流動相作為樣品溶劑來避免樣品、溶劑以及流動相不兼容的問題。因而可以將第一維餾分切割成小體積，與第二維流動相混合后進入第二維色譜柱中。Liu等[25]通過將一維反相色譜柱洗脫的餾分進行高有機相在線稀釋，然后經定量環到達第二維進行親水色譜柱分離，成功構建了在線RP/HILIC二維液相系統。這種系統在第一維反相色譜中可以有效對極性小的物質進行分離，在第二維親水色譜中能有效對極性大的物質進行分離，適合各成分間極性范圍廣的物質的分離。

（3）在線脫溶劑 可以通過萃取或過濾的方式實現在線脫溶劑，但這種方法由于萃取不徹底或者洗脫不徹底，造成一定的溶劑殘留，影響下一維分離。也可以通過控制樣品捕集器的溫度或真空度實現。田宏哲等[26]通過設計特定的樣品環，使第一維的餾分在樣品環中（90℃環境下）真空濃縮，第二維流動相經過該特定樣品環后將濃縮的樣品帶入到第二維色譜柱中進行分離，成功實現了6種多環芳香烴化合物的分離。在線脫溶劑是需要考慮的樣品的穩定性、耐熱性等因素，如果樣品耐熱性強、穩定性好，采用高溫真空濃縮會提高脫溶劑效率。

2.3.2 接口轉換技術 如果各維溶劑體系兼容，理論上可以將上一維樣品直接進入到下一維中，但是制備液相流速較大，如果直接進樣可能會導致下一維進樣體積過大，影響分離效率。所以需要通過設計樣品轉換接口對上一維樣品進行在線處理來解決這個問題。對于不兼容性溶劑體系，就更需要依賴這種轉換接口實現在線分離。捕集柱閥切換接口、樣品環閥切換接口、平行柱閥切換接口是常見的3種接口轉換技術。

捕集柱閥切換接口技術是在不同維度間形成樣品捕集過程，對上一維餾分進行在線的捕集，已達到降低第一維切割組分的溶劑體積或者改變溶劑組成比例，然后通過閥切換技術，使用強洗脫劑將樣品進樣到下一維。在這種模式下，捕集柱對切割餾分的保留能力大于第一維色譜柱，且餾分在第二維流動相洗脫條件下易于解吸，以確保餾分的回收率。因此，根據樣品以及流動相特點選擇適合的捕集柱至關重要。Qiu等[27]在對河套大黃化學成分分離純化的研究中，通過對3款不同型號色譜柱進行色譜柱大小、稀釋比例、柱直徑與柱長比值等因素的比較，選擇ODS Prepcolumn為捕集柱（15 mm×30 mm i.d.）， 硅膠填充中壓制備柱為第一維，將一維餾分濃縮在特定的固相捕集柱上后，再通過閥切換技術使流動相將樣品進入到第二維色譜柱中，分離純化出了25種化合物單體。

樣品環閥切換接口技術的環接口通常由兩個相同體積的樣品環和多通切換閥組成[28]，第一維色譜柱的洗脫產物分別交替的儲存在樣品環中，第二維的泵再將儲存環里的樣品帶入第二維進行分離[28]。使用這種接口模式時，第一維的流速較小，且要求各維流動相具有很好的兼容性，對樣品有很好的溶解性。Qiao等[29]通過兩個樣品環切換，將第一維餾分交替儲存到樣品環中，并且通過第一維儲存在樣品環中的流動相比例，實時調節第二維初始流動相比例，以降低溶劑兼容性問題的影響，大大提高了色譜體系的峰容量。平行柱閥切換接口技術的原理其實與樣品環閥切換接口模式很類似，不同的是它沒有樣品環作為中間儲備環節，第一維樣品直接交替轉移到第二維兩根或者多根色譜柱柱頭，在第二維柱頭實現譜帶壓縮或者樣品富集，當其中的一根色譜柱正在進樣時，第二根色譜柱正在進行洗脫。Machtejevas等[30]對血濾液中多肽類化合物的分析中，通過一維離子交換色譜柱平行串聯4根反相色譜柱，在96 min內分離出超過1000個色譜峰。

由于分析型液相色譜在樣品載樣量、流速等方面都小于制備色譜，因而它更容易對樣品進行稀釋、濃縮、轉移，更容易實現在線操作，因而接口轉換技術在分析領域發展相對較快[25，26，29，30]。但是，只要合理選擇流動相和色譜柱，構建合適的在線接口解決溶劑兼容性問題，就可以實現對樣品的在線多維分離制備。

3 高壓制備液相色譜的多維色譜在中藥研究中的應用

高壓制備液相色譜可以與不同色譜分離技術聯用，常見的聯用技術有傳統的柱層析法，凝膠滲透法[31]、逆流色譜法以及超臨界萃取法[32]等。高壓制備液相也可以通過與不同分離機制的色譜柱聯用對樣品進行多維分離。

3.1 高壓制備液相色譜聯用柱層析法在中藥研究中的應用

高壓制備液相色譜可以與傳統層析柱[33～35]技術聯用。通過柱層析法對樣品進行粗分離，然后將各餾分進行濃縮、富集，通過這種操作，樣品各成分相對含量大大提高，雜質峰減少，且可通過多次柱層析達到樣品純化的目的，有利于高壓制備液相進行下一維分析。Zhang等[36]通過低極性SP850大孔吸附樹脂對蛇竹石杉進行粗分離，除去樣品中極性組分， 獲得粗萃取物，然后采用低壓C18柱繼續對樣品富集，最后采用高壓制備液相色譜分離，對粗餾分進行分離純化，制備出了石杉堿A（純度99.1%）和石杉堿B（純度98.6%）。由于柱層析法自動化操作不高，耗時耗力，且容易造成樣品污染，因而它與高壓制備液相難以實現在線聯用。

3.2 高壓制備液相色譜法聯用逆流色譜的多維色譜在中藥研究中的應用

逆流色譜（Countercurrent chromatography，CCC）是利用不同物質在所選擇的兩相溶劑中的分配系數不同，通過多次逆流分溶對物質進行分離[37]。由于它不使用固相載體作固定相，因而克服了固相載體帶來的樣品吸附、損失、污染和峰形拖尾等缺點[38，39]。高壓制備液相色譜通過與之聯用在中藥研究中得到了相對廣泛的應用，見表1。

目前，大部分高壓制備液相與逆流色譜聯用大多采用離線模式。由于CCC樣品處理要求不高，上樣量大，在與制備液相聯用時通常作為第一維。Zhu等[40]采用三維分離體系從北五味子中純化出6種木酚素單體，該方法首先通過AB8大孔吸附樹脂對北五味子醇提物進行粗分離，然后采用高速逆流色譜對目標餾分進行第二維分離，最后通過高壓制備液相對目標餾分進行第三維分離。雖然這種方法操作復雜，但是通過組合不同分離機制色譜條件，整個色譜體系的峰容量得到了很大的提高，實現了對6種性質相近的木酚素的分離。對應于離線模式，在線模式在時間成本、勞動成本等方面具有突出的優勢。Liang等[41]構建一個在線二維色譜體系，以逆流色譜為第一維，當檢測到目標成分以后，六通閥將通路切換到第二維，當第一個目標峰全部進入第二維之后，第一維保持原有流動相比例不變，且流動相不洗脫，泵在第二維高壓制備液相工作，對第一個目標峰進行洗脫，洗脫完成后，第一維又開始工作，如此實現了對兩種抗氧化劑的純化，大大簡化了實驗操作步驟。

3.3 高壓制備液相色譜自身結合的多維色譜在中藥研究中的應用

通過相同或不同分離機制的色譜柱結合也可以實現多維色譜，見表2。正相（NP）、反相（RP）、體積排阻（SEC）、離子交換（IEX）等不同的液相色譜分離模式，由于分離機理的不同，分離選擇性也有很大差異[52]。van Beek等[53]首先通過硅膠柱層析（正相）對樣品進行富集，除去樣品中雜質，然后采用C18柱（反相）將銀杏葉中性質差別較大的物質進行分離，對于多個目標化合物的組分，進一步采用銀色譜法（離子交換）對性質相近組分進行第二維分離，成功從銀杏葉中獲得了6種極性相似的銀杏酚酸單體。高壓制備液相色譜自身聯用也可以采用相同分離機制色譜柱，連續多次分離[54]，Li等[55]通過將相同的色譜柱進行串聯建立循環制備液相，在檢測器未檢測到樣品信號前，柱通過閥切換技術使流動相進廢液，除去樣品中極性大的雜質，檢測到樣品信號以后，再通過閥切換使目標組分進入下一個色譜柱，然后使在兩根色譜柱上多次循環分離，直至目標組分完全分離，通過色譜峰信號一次收集所有餾分。串聯色譜柱，實際也就等同于增加了色譜柱長，增加理論塔板數，提高對物質分離的能力。

4 總結與展望

與一維制備技術相比， 基于高壓制備液相的多維色譜技術能顯著提高色譜峰容量和選擇性， 分離純化能力強， 可以解決單一色譜分離模式難以解決的分離分析問題。多維在線分離模式的發展， 使得儀器自動化程度大幅度提高， 降低了樣品的生產周期短以及生產成本。基于高壓制備液相的多維色譜制備技術已經逐漸成為中藥研究中重要的分析工具。

多維制備因其大量、高速的特點， 使得它在實現高自動化操作上面臨更大挑戰。接口技術、分離體系的兼容性問題仍然是其發展的關鍵性因素。在制備過程中， 如何自動化、大批量的將分離餾分進行濃縮富集， 快速獲得高純度目標化合物， 也是目前亟需解決的問題之一。可以相信， 隨著人們的不斷深入探索和研究， 以高壓制備液相為基礎的多維色譜制備技術會成為現代藥物研究中更具貢獻力的技術。

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Abstract Separation of the active ingredients of Chinese medicine is always difficult due to its complexity matrix. Recent years， the preparativehigh performance liquid chromatography （PreHPLC）based multidimensional chromatography combined with the characteristics of different separation technology improved the separation capability and efficiency， and was applied to the separation and purification of complex traditional Chinese medicine （TCM）. In this review， the based principle， separation mode and key technology of preparativeHPLCbased multidimensional chromatography， as well as its application in TCM research were introduced.

Keywords Preparativehigh performance liquid chromatography； Traditional Chinese medicine； Multidimensional chromatography； Solvent compatibility； Interface technology； Review