薄层色谱与质谱联用的研究进展

前言

薄层液相色谱(TLC)是一种常见且有效的液相色谱分离技术,在食品、医药、化妆品、刑侦与消防、工业工艺和环境检测等诸多领域都有广泛应用。尤其在医药领域,TLC几乎是所有化学药工艺研发过程中必不可少的中控方法,同时TLC在中药和药物辅料的检测中也占有非常重要的地位。据统计,2020版《中国药典》第一部中药分册中,有近94%的品种使用了TLC作为质量控制分析方法;2020版《中国药典》第四部辅料分册中有接近40个品种使用了TLC。

尽管柱液相色谱发展迅速,但TLC成本低、操作灵活便捷、样品前处理简单、通量高、仪器联用便捷等优势仍是柱色谱难以达到的。近年来TLC技术有两个发展趋势,一是检测手段多元化,例如与多种检测器联用(如红外光谱、拉曼光谱、表面增强拉曼光谱、质谱(MS)、离子迁移谱、荧光光谱、气相色谱、液相色谱、核磁共振等),或者与生物技术相结合从而形成效应导向分析(生物自显影);二是检测灵活化和便捷化,例如通过3D打印或平面打印等方法,薄层色谱正逐步成为一种“办公室色谱”技术,而手机终端上的数据处理也使数据分析更加简便高效。本文综述的薄层色谱-质谱联用(TLC-MS)技术是多元化检测趋势的代表,当前TLC仪器联用技术中最为活跃的研究方向之一,尤其在食品和医药领域(如化学药、天然产物或植物药、临床检测等方面)有广泛的应用空间。

目前TLC-MS联用的形式大致可以归纳为3种。

第一种是通过独立的接口仪器装置将薄层上的谱带转移出来,再送入质谱进行分析。

第二种是直接在薄层板上进行的“原位”质谱分析,即在薄层展开完成之后再进行质谱检测,此时谱带在薄层板上的相对位置已经固定,质谱扫描时先固定好质谱电离源的位置和角度,然后对正薄层板的位置再进行扫描检测。这种检测方式可称为静态检测;尽管也可以通过传送带等方式移动薄层板,使固定相上的谱带依次通过质谱扫描检测区域而得到连续的色谱图,但由于谱带上的相对位置并未发生变化,因此仍应归属为静态检测。

第三种是在薄层板上直接进行实时监测,这种监测方式与高效液相色谱(HPLC)相似,在谱带展开的同时进行检测,只要流动相带着样品成分经过检测点,检测器就会对相应的谱带有信号响应。检测时谱带在薄层板上的相对位置仍处于变化中,因此可称这种检测为动态检测。

1 TLC-MS接口仪器装置

对于上文所述的第一种TLC-MS检测方法,其目标是将薄层上的谱带提取出来,再送入质谱进行分析。常见的转移操作有两种,一种是手动操作,即在薄层分离后进行刮板操作,再用有效的提取液从吸附剂中提取目标化学成分,进行纯化和浓缩处理后进行质谱分析,也称为间接上样或者离线联用;另一种则是借助TLC-MS接口仪器用提取液直接对目标谱带进行提取,自动过滤后送往质谱电离源。

对于自动化的TLC-MS接口仪器来说,使用过程主要包括3个操作步骤,即TLC分离、目标成分的接口转移、质谱分析。商业化仪器接口装置生产商主要有瑞士CAMAG、美国Advion等,目前我公司也开发了TLC-MS接口的商品化仪器,原理上与进口仪器相同,结构上与之相似(如图1所示)。基于接口仪器装置的TLC-MS联用检测,在化学合成领域、食品、生物医药、环境检测方面都取得了不错的应用效果,既可用于有机成分的分析也可用于元素分析。

使用过程中,接口仪器对准TLC板上的目标谱带后,与之紧密接触,然后使用指定体积的溶剂(如甲醇等)对它进行洗脱,过滤后通过内部管路输送至质谱进行分析,最后对接口仪器管路进行反向冲洗。这种设计不易引入不溶性杂质,因此也无需再在MS前加预柱。但是常见的问题是取样探头和薄层之间的密封不足,时常会有少量洗脱液析出,造成谱带的扩散,应用超薄薄层色谱(UTLC,固定相厚度一般为1~50 μm)时可取洁净滤纸放于取样探头和薄层之间以缓解这一问题。

2 TLC-MS原位检测

TLC-MS技术联用的第二种形式则是在薄层板上直接进行原位检测,这种方法的样品前处理相对简单,常用于低聚糖、氨基酸、脂类等基质成分复杂的生物成分分析。这种仪器技术的关键在于兼容模式电离源的设计,目前报道的原位检测电离源主要有快原子轰击电离源,激光解吸电离源(LDI)、电喷雾电离源、大气压化学电离源、大气压余辉电离源和等离子体类电离源。样品成分由于吸附在薄层板上,因此需要解吸和电离,常见的解吸方式主要有加热解吸、快原子轰击或高能Ar离子解吸、激光和喷雾辅助解吸。

2.1 薄层色谱与快原子/快离子轰击源质谱的联用

2.2 薄层色谱与激光辅助解吸/烧蚀源质谱的联用

2.3 薄层色谱与ESI源质谱的联用

2.4 薄层色谱与大气压化学电离源质谱的联用

2.5 薄层色谱与即时直接分析质谱的联用

2.6 薄层色谱与流动大气压余辉电离源质谱的联用

2.7 薄层色谱与低温等离子体源质谱的联用

2.8 薄层色谱与其他电离源质谱的联用

3 薄层展开的实时质谱监控技术

HPLC常与MS仪器直接联用进行实时监测,但是这种技术在TLC中却并不常见。在液相色谱-质谱联用的仪器系统中,有泵系统的支持,质谱电离源的主要功能之一是除溶剂;相比之下,除少数强制流薄层(如加压薄层和旋转薄层)外,其他TLC技术主要凭借毛细作用力驱动流动相,而没有外力支持,同时流动相的量也不大。另外,TLC的分离能力不及HPLC,这也是TLC-MS应用不及HPLC-MS的主要原因。总体来看,实时在线检测的TLC-MS可以分为强制流薄层色谱-质谱联用和常规薄层色谱-质谱联用,这里说的强制流薄层色谱是以毛细作用力和其他辅助作用力共同驱动展开剂流动的TLC方法,而常规薄层色谱法则是指仅凭借毛细作用力为驱动力的TLC方法。

4 效应导向薄层色谱与质谱的联用

效应导向分析(EDA)是指将化学分析与生物测试相结合,用于识别样品中有活性或者毒性的成分(如天然药物、代谢产物、副产物、工艺杂质/污染物、降解产物、掺假药物和残留物等)的技术,在TLC中的应用常被称为薄层色谱-生物自显影技术,例如自由基清除活性、酶抑制剂活性、微生物抑制活性化合物的检测和物质筛选,或者免疫检测等。如果将生物导向与薄层-质谱分析相结合,则可以有效提高活性化合物筛选的工作效率。近年来,这些应用一般体现于食品和生物制药领域,在TLC-MS联用方面多采用接口仪器装置。

总结与展望

TLC-MS已经引起了人们的关注,尤其是薄层-生物自显影等技术的广泛使用,更突显了质谱与薄层色谱结合的迫切性。如何在现有仪器基础上进行“即插即用”型部件的设计与商品化是目前推广这一技术的主要瓶颈,值得关注;同时兼备灵活扫描功能、高通量和实时监测功能的TLC-MS技术也很令人期待。另外,各原位检测TLC-MS方法的解吸-电离方式各有特点,它们之间的对比也是有待于进一步讨论的应用问题。相信不久的将来,这些问题会一一解决,而TLC-MS技术也会有更丰富的应用。