楊 陽，劉雪懿，焦淑玲，高文運(yùn)

（1.西安醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院 藥物研究所，陜西 西安710021；2.西北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院國家微檢測系統(tǒng)工程研究中心，陜西 西安 710069）

α-酮酸（Alpha-keto acid）是一種具有雙官能團(tuán)的生物活性物質(zhì)，涉及生物代謝和機(jī)體多種生理病理過程，可作為有機(jī)合成和生物合成的中間體，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化妝品等領(lǐng)域[1]。

近年來，α-酮酸在機(jī)體代謝調(diào)控和疾病診斷治療方面的作用越來越受到重視。例如在腎病的防治方面，α-酮酸與低蛋白飲食搭配可以用于減緩慢性腎炎的發(fā)展進(jìn)程，通過減少內(nèi)源性尿素生成和炎癥反應(yīng)等措施，不僅降低了患者蛋白尿的排泄，而且提高了機(jī)體的抗氧化能力，有效緩解氧化自由基對細(xì)胞及機(jī)體的損傷，還改善了患者體內(nèi)電解質(zhì)紊亂現(xiàn)象，起到保護(hù)腎功能作用[2,3]。此外，丙酮酸（PA）具有增強(qiáng)心臟功能的作用，可以用于感染性休克的靜脈復(fù)蘇，也是心力衰竭的冠狀動脈內(nèi)輸液和體外循環(huán)心臟停搏液中的一種成分，還能保護(hù)心臟免受因缺血再灌注或氧自由基暴露而造成的可逆性損傷（如昏迷）[4]。不僅如此，由于腫瘤細(xì)胞中糖酵解活性增強(qiáng)，使PA水平升高，故PA水平測定可作為口腔癌或其他惡性腫瘤的篩查工具[5]。在最新對PA的研究中，提出以PA為靶點(diǎn)的治療策略可適用于多種組織癌癥的治療[6]。還有一類常見的α-酮酸是α-酮戊二酸（AKG），AKG能夠調(diào)節(jié)機(jī)體的能量代謝，具有促進(jìn)機(jī)體生長，維持腸道健康，改善骨質(zhì)等多種生理功能[7]。α-酮酸還可用于氨基酸代謝先天缺陷疾病的診斷，如楓糖漿尿癥（MSUD）、苯丙酮尿癥（PKU）、高蛋氨酸血癥、酪氨酸血癥。

由于α-酮酸的上述作用，其檢測方法對于疾病的診斷治療，生物代謝過程研究具有重要意義。本文主要描述α-酮酸的各種檢測方法在生物學(xué)研究和醫(yī)藥研究方面的應(yīng)用，并闡述其優(yōu)勢、應(yīng)用范圍以及檢測時(shí)需要注意的問題。

1 α-酮酸的檢測方法

1.1 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）檢測方法的選擇性好，靈敏度高，但由于α-酮酸不具備揮發(fā)性，需要進(jìn)行衍生化反應(yīng)。最早使用的衍生化試劑為2,4-DNPH、五氟苯肼（pentafluorophenyl-hydrazine），所生成的衍生物會以順反異構(gòu)體形式存在不易被分離。而另一種試劑OPD形成的衍生化產(chǎn)物的揮發(fā)性差。為了解決上述問題，可以采用兩步衍生化法。例如α-酮酸先與OPD生成喹喔啉類成分，再進(jìn)行硅烷化，常用的硅烷化試劑是N，O-雙（三甲基硅基）氟乙酰胺（BSTFA）（見圖 1（1），F(xiàn)igure1（1））[8]。但由于硅的同位素會產(chǎn)生背景干擾，故選用不含硅元素的衍生化試劑替代，例如N,N-二甲基甲酰胺二甲基縮醛（DMF-DAA）（見圖 1（2））。后為了簡化衍生步驟，Matsukawa等人[9]使用N-苯基-1,2苯二胺（NPhe-PDA）（見圖2）作為衍生化試劑，產(chǎn)物1-苯基-3-甲基喹喔啉-2-酮（1-phenyl-3-methylquinoxalin-2-one）滿足GC-MS的分離和檢測條件。

圖1 （1）喹喔啉與N，O-雙（三甲基硅基）氟乙酰胺反應(yīng)（2）喹喔啉與N,N-二甲基甲酰胺二甲基縮醛反應(yīng)Fig.1 （1）Quinoxaline reacts with BSTFA（2）Quinoxaline reacts with DMF-DAA

圖2 α-酮酸與N-苯基-1,2苯二胺反應(yīng)Fig.2 α-keto acid reacts with N-Phe-PDA

此外，為了有效地避免硅同位素干擾，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的檢測[10]，Nguyen等人[11]采用氣相色譜-質(zhì)譜選擇離子監(jiān)測（SIM）模式對硅烷化的衍生物進(jìn)行檢測，該實(shí)驗(yàn)對衍生化條件進(jìn)行優(yōu)化，提高了α-酮酸衍生物的穩(wěn)定性，并在質(zhì)譜掃描和SIM兩種模式下對衍生物進(jìn)行分析，每個(gè)化合物的3個(gè)特征離子用于峰確認(rèn)，而一個(gè)目標(biāo)離子用于定量，得到了易被檢測的特征離子，可以提高檢測靈敏度，在一定程度上避免復(fù)雜樣品（人的尿液、血漿和大鼠腦組織液）的基體干擾，實(shí)現(xiàn)了樣品中17種酮酸的定性定量分析。

1.2 毛細(xì)管電泳

毛細(xì)管電泳（CE）是近30年來發(fā)展起來的新型分離技術(shù)[12]，是基于在電場中離子遷移速度的不同來實(shí)現(xiàn)各組分分離。由于苯丙酮酸具有電活性，CE與紫外檢測器聯(lián)用可實(shí)現(xiàn)生物樣品中苯丙酮酸的分離檢測[13]，從而對苯丙酮尿癥進(jìn)行無創(chuàng)診斷。CE還可與安培檢測器聯(lián)用測定苯丙酮尿癥患者尿液中的苯丙酮酸和苯乙酸，實(shí)現(xiàn)了患者尿液中兩種標(biāo)志成分的同時(shí)測定[14]。此外，還可以對汗液中的丙酮酸進(jìn)行分析，樣品可不經(jīng)預(yù)處理，具有分析速度快、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)[15]。

1.3 高效液相色譜

高效液相色譜（HPLC）基于傳統(tǒng)液相色譜采用高壓輸液系統(tǒng)，使樣品中各成分實(shí)現(xiàn)高效快速的分離。不僅能夠滿足藥物分析、疾病檢測等方面α-酮酸的測定需求，也可應(yīng)用于環(huán)境中α-酮酸的監(jiān)測。通過聯(lián)接不同的檢測器，是現(xiàn)在對各種樣品中α-酮酸進(jìn)行檢測的主流技術(shù)。

1.3.1 示差折光檢測器 示差折光檢測器（RID）是一種通用型檢測器，是利用組分與流動相折射率之差對待測成分進(jìn)行檢測，對糖類和有機(jī)酸的檢測靈敏度較高，該檢測器可以用于發(fā)酵液中α-酮酸的檢測。付永前等人[16]在檢測米根霉富馬酸發(fā)酵液中有機(jī)酸（如AKG）的實(shí)驗(yàn)中提到，之所以使用RID進(jìn)行測定，是由于發(fā)酵液中的尿素、脂類等培養(yǎng)基成分在有機(jī)酸檢測波長范圍內(nèi)均有較強(qiáng)的吸收，使用紫外檢測器進(jìn)行分析時(shí)易受到干擾，而培養(yǎng)基成分在RID中的出峰不影響對目標(biāo)物質(zhì)的檢測。所建液相方法在AKG濃度0.05～10g·L-1范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，r=0.9996，其檢測限為 10mg·L-1。

1.5.2 熒光檢測器 熒光檢測器（FD）可用于檢測能產(chǎn)生熒光或其衍生物能發(fā)熒光的物質(zhì)，其靈敏度比紫外檢測器要高，是對血漿、細(xì)胞類等生物樣品中α-酮酸分析常用的檢測器之一。使用FD對α-酮酸進(jìn)行檢測時(shí)，由于α-酮酸不能產(chǎn)生熒光，需要對其進(jìn)行衍生化反應(yīng)，能使α-酮酸產(chǎn)生熒光的試劑有OPD、1,2-二氨基-4,5-亞甲二氧基苯（1,2-diamino-4,5-methylenedioxy-benzene，DMB）（見圖 3）、4'-肼基-2-二苯乙烯（4'-Hydrazino-2-stilbazole,4H2S）（見圖4）等。其中最常使用的是OPD，它在2mol·L-1的鹽酸中對α-酮酸進(jìn)行衍生，在50℃下加熱30min，所得衍生物熒光發(fā)射波長410nm，激發(fā)波長在350nm。所得含量測定結(jié)果批內(nèi)、批間變異系數(shù)均小于10%，回收率在90%～110%之間[17]。這種衍生化試劑相較其他熒光衍生化試劑反應(yīng)速度較快，而且對α-酮酸具有較好的選擇性。但OPD對光敏感，易氧化，所以Fuchs等人[18]在使用OPD前要在100～120℃與正庚烷重新結(jié)晶，且OPD溶液要新鮮制備。

圖3 α-酮酸與1,2-二氨基-4,5-亞甲二氧基苯反應(yīng)Fig.3 α-keto acid reacts with DMB

圖4 α-酮酸與4'-肼基-2-二苯乙烯反應(yīng)Fig.4 α-keto acid reacts with 4H2S

1.5.3 紫外檢測器 紫外檢測器（UVD）是測定生物樣品中α-酮酸常用的檢測器，在使用這種檢測器時(shí)，一般情況下會對α-酮酸進(jìn)行衍生化，以便于得到分離度高、響應(yīng)值強(qiáng)的分析圖譜。例如在測定血漿中 α-酮戊二酸（AKG）時(shí)，選用 2,4-DNPH，2-硝基苯肼（2-NPH）作為衍生化試劑[19]。但二者所得衍生化產(chǎn)物均會以順反異構(gòu)體的形式存在,相比氣相色譜，高效液相色譜分離效率更高，使衍生物的順反異構(gòu)體能得到較好的分離。但與2-NPH反應(yīng)生成的異構(gòu)體需在不同波長下檢測，方法不夠便捷。除這種衍生化試劑外，常用的衍生化試劑還有OPD，以及一些新型衍生化試劑，例如Khalida P.Mahar等人[20]使用1，2-二氨基-1，2-二苯乙烷（1,2-diamino-1,2-diphenylethane SDA）（見圖5）進(jìn)行柱前衍生，pH值為3.2和T=100℃條件下，反應(yīng)30min，于255 nm處進(jìn)行檢測。Makahleh等人[21]也采用了新型衍生化試劑 2，4，6-三氯苯肼（2,4,6-trichloro phenyl hydrazine，TCPH）（見圖6），并且對尿液樣品預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化，可得到更加準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。

圖6 α-酮酸與2，4，6-三氯苯肼反應(yīng)Fig.6 α-keto acid reacts with TCPH

還可以選擇不經(jīng)衍生化進(jìn)行HPLC測定。例如果酒[22]、水果[23]等樣品在測定PA或AKG時(shí)，通過向流動相加入緩沖鹽或酸，并調(diào)節(jié)適宜pH值，選擇合適的流速和柱溫進(jìn)行梯度洗脫，可以實(shí)現(xiàn)待測成分的分離。除此之外，還可以選擇向流動相中加入離子對試劑進(jìn)行分離。陶國慶等人[24]在測定細(xì)胞內(nèi)AKG含量時(shí)，通過向流動相中加入離子對試劑四丁基氫氧化銨（TBAH），調(diào)節(jié)pH值為4，使待測的AKG成分與其他細(xì)胞代謝物得到較好分離，在214nm處進(jìn)行測定。該方法線性方程相關(guān)系數(shù)高，AKG含量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.38%,平均回收率達(dá)99.38%。此外，尿液等樣品中復(fù)方α-酮酸片的有效成分也可不經(jīng)衍生化實(shí)現(xiàn)測定，其中黃小雅等人[25]運(yùn)用離子對色譜法對尿液中復(fù)方α-酮酸片的4種酮代氨基酸鈣進(jìn)行檢測，選用乙腈、20mmol·L-1NaH2PO4緩沖液和15mmol·L-1TBAH為流動相，調(diào)pH值為7.0，在210nm處檢測，經(jīng)驗(yàn)證4種成分在20～200mg·L-1范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，平均回收率在86.79%～112.00%。

在運(yùn)用離子對色譜檢測基礎(chǔ)上，Zaifa等人[26]提出了樣品前處理的優(yōu)化對尿液中復(fù)方α-酮酸片的4種酮代氨基酸鈣檢測的重要性，他們對尿液進(jìn)行三相中空纖維液相微萃取，這種純化方法對有機(jī)溶劑的消耗較少，而且具有較高的富集作用，是一種環(huán)保、高效的樣品制備方法。樣品經(jīng)處理后，減少了尿液中內(nèi)源性物質(zhì)的干擾，提高了檢測的靈敏度。經(jīng)驗(yàn)證四種α-酮酸類成分在0.1～10mg·L-1內(nèi)均有較好線性關(guān)系，含量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于6.27%，加標(biāo)回收率在 92%～118%，檢測限為 5.8～100.7μg·L-1，富集倍數(shù)在11～202之間。

1.5.4 質(zhì)譜檢測器 液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用在近些年在α-酮酸檢測方面應(yīng)用廣泛，F(xiàn)rancisco等人[27]采用HPLC-MS測定豬肉和伊比利火腿中α-酮酸的含量，進(jìn)一步說明α-酮酸對發(fā)酵類食品香味的影響。在使用HPLC-MS測定生物樣品中α-酮酸時(shí)，往往不需要衍生化，這樣大大縮減了檢測時(shí)間，而且避免了一些因衍生化而產(chǎn)生的干擾。這時(shí)液相方法的關(guān)鍵是色譜條件和質(zhì)譜參數(shù)的選擇。在Ruiting等人[28]所發(fā)表文獻(xiàn)中，運(yùn)用電噴霧電離正負(fù)離子測定，并且采用同位素標(biāo)記內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行定量，消除因生物基體效應(yīng)所造成的影響，提高檢測的靈敏性。Zhang等人[29]在測定血清和肌肉中的支鏈酮酸時(shí)，選擇用甲醇提取，能有效去除蛋白，并對提取液進(jìn)行濃縮，采用高分辨質(zhì)譜（HRMS）進(jìn)行測定，提高了檢測的靈敏度和準(zhǔn)確性。

超高效液相色譜（Ultra Performance Liquid Chromatography，UPLC）是在原有高效液相色譜的基礎(chǔ)上，對儀器整體系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使分析效率大大提高。例如細(xì)胞內(nèi)的α-酮酸與苯肼（phenyl hydrazine）的衍生化產(chǎn)物，經(jīng)UPLC分離后通過電噴霧質(zhì)譜進(jìn)行檢測，使用同位素示蹤法對其衍生物及衍生物異構(gòu)體進(jìn)行測定。這種檢測技術(shù)相比傳統(tǒng)的液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用，可實(shí)現(xiàn)更加高效、快速的分析。黃琪等人[30]使用超高效液相色譜串聯(lián)四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜法（UPLC-Q-TOF-MS）可以同時(shí)測定生物樣品中三羧酸循環(huán)中間體（如AKG）。其檢測限低于60nM，回收率大于95%。

1.6 其他方法

除上述方法外，還有核磁共振技術(shù)、酶反應(yīng)分析、電化學(xué)方法、傳感器分析檢測等方法也被用于檢測α-酮酸。

1.6.1 核磁共振技術(shù) J.E.A.等人[31]發(fā)表的文獻(xiàn)中提到，NMR可用于啤酒中有機(jī)酸的定量，對啤酒中發(fā)現(xiàn)的6種主要酸（包括丙酮酸）進(jìn)行了不同的核磁共振方法的比較。與傳統(tǒng)的積分方法相比，偏最小二乘法（PLS）回歸的使用使定量更快，并且研究了使用不同參考方法（毛細(xì)管電泳，直接和間接紫外檢測，以及酶促分析）建立PLS模型的性能。核磁共振積分結(jié)果與PLS積分結(jié)果基本一致，這些結(jié)果使PLS-NMR方法成為啤酒中有機(jī)酸定量的一個(gè)有趣的選擇。

1.6.2 酶反應(yīng)分析 酶反應(yīng)分析是通過酶促反應(yīng)將α-酮酸轉(zhuǎn)化為易被紫外檢測的成分，進(jìn)行定量分析。比如Theerasak等人[32]曾報(bào)道過的，用酶動學(xué)方法測定醫(yī)療產(chǎn)品和運(yùn)動補(bǔ)充劑中的AKG，不需要比色探針或偶聯(lián)反應(yīng)就可以建立AKG含量測定的標(biāo)準(zhǔn)曲線，在20～160μM范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，檢測限為4.09μM，定量限為13.62μM。這種方法具有檢測快速，專屬性好，不需要繁瑣的樣品處理，對環(huán)境無影響等優(yōu)點(diǎn)，適用于質(zhì)控實(shí)驗(yàn)室的AKG的常規(guī)分析。

1.6.3 電化學(xué)法 黃穎等人[33]將電化學(xué)法用于對羥基苯丙酮酸（pHPP）的檢測，根據(jù)pHPP在碳納米管修飾電極上的電化學(xué)行為進(jìn)行分析，考察了多種因素對測定的影響。使用修飾電極通過差分脈沖伏安法進(jìn)行測定，pHPP響應(yīng)值較裸玻碳電極檢測有明顯的增強(qiáng)，經(jīng)驗(yàn)證pHPP氧化峰電流強(qiáng)度與其濃度大小在 5×10-12～1×10-10mol·L-1范圍內(nèi)呈較好的線性關(guān)系，檢測限為 1.36mol·L-1。

1.6.4 傳感器技術(shù) 傳感器技術(shù)是現(xiàn)在的一個(gè)研究熱點(diǎn)，由于其分析方法簡單、響應(yīng)時(shí)間短、檢測結(jié)果靈敏度高等特點(diǎn)，該技術(shù)可應(yīng)用于PA的測定。檢測PA的傳感器種類有酶傳感器[34,35]、比色傳感器[36]、無酶傳感器[37]。酶傳感器檢測的優(yōu)點(diǎn)就是對待測成分專屬性很強(qiáng)，這種檢測器檢測為避免干擾響應(yīng)，會在丙酮酸氧化酶敏感電極上加上多離子絡(luò)合雙層體系[34]，或是采取更簡便的措施，在探針上固著一層由丙酮酸氧化酶與戊二醛形成交聯(lián)的不溶膜，然后在表面覆蓋一層聚四氟乙烯膜[35]，這樣既避免干擾，又降低成本。然后是比色傳感器，這種傳感器檢測原理是由于PA可以使 C-rich DNA轉(zhuǎn)換為i-基序DNA，從而失去保護(hù)金納米粒子（AuNPS）免受鹽誘導(dǎo)聚集效應(yīng)的能力。通過加入丙酮酸脫羧酶（PDC）將PA轉(zhuǎn)化為乙醛和CO2，使溶液pH值由酸性變?yōu)橹行?，C-rich DNA可以保持原有狀態(tài)，并保護(hù)AuNPS免受鹽誘導(dǎo)聚集效應(yīng)。通過向樣品加入PDC前后的吸光度差值可以定量PA，其檢測限為3.0μM[36]。最近被用于該領(lǐng)域的是無酶傳感器，這是一種用PA分子印跡聚合物（PA-IP）對碳糊電極（CPES）進(jìn)行修飾的傳感器，PA-IP不僅可以在電極表面富集PA，使目標(biāo)化合物信號增強(qiáng)，而且能有效地與草酸、檸檬酸等干擾物質(zhì)信號分離。這種傳感器可在較寬濃度范圍內(nèi)和亞微摩爾水平上測定PA，檢測限為0.1～200μM，并實(shí)現(xiàn)了血樣和尿樣中PA的測定[37]。

2 結(jié)論

α-酮酸作為糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)代謝過程中的重要成分，在生物學(xué)研究方面，α-酮酸是生物代謝過程中的關(guān)鍵成分，一些α-酮酸在生物體內(nèi)進(jìn)入三羧酸循環(huán)，為生物體提供能量。通過對α-酮酸的含量分析，能夠?qū)ι锎x過程有更進(jìn)一步的認(rèn)識。在臨床實(shí)踐方面，由于α-酮酸與氨基酸的相互轉(zhuǎn)化和一些疾病的產(chǎn)生密切相關(guān)，因此，通過對血液、尿液、組織液等生物樣品中α-酮酸的含量測定，可以用于疾病診斷。在藥物合成方面，因α-酮酸結(jié)構(gòu)的特殊性，它可作為一些藥物的合成中間體，所合成藥物被用于治療慢性腎病、惡性腫瘤、高血壓等疾病。通過藥物中α-酮酸的含量測定，可以對藥物質(zhì)量進(jìn)行控制。綜上所述，α-酮酸的檢測方法對于生物學(xué)研究、臨床實(shí)踐等領(lǐng)域都有著非常重要作用。

近幾十年現(xiàn)代分離分析方法的快速發(fā)展，使α-酮酸檢測方法不斷完善，從而加速了α-酮酸的研究進(jìn)程。液質(zhì)聯(lián)用的應(yīng)用范圍較廣，而且能得到精密準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，是目前α-酮酸的主流檢測手段。此外，一些正在研究開發(fā)的新技術(shù)在α-酮酸的檢測中也取得了較好的結(jié)果，這些檢測手段的持續(xù)發(fā)展將會有助于未來醫(yī)藥和生物學(xué)領(lǐng)域中α-酮酸的進(jìn)一步研究。