本發(fā)明涉及一種同位素化合物的制備方法，屬于植物培養(yǎng)和加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

穩(wěn)定同位素標(biāo)定的化合物在基礎(chǔ)科學(xué)，如化學(xué)，材料，醫(yī)藥，生物工程等領(lǐng)域，及臨床試驗，如幽門螺旋桿菌的檢測，糖尿病代謝研究等領(lǐng)域都有著很重要的作用。目前現(xiàn)有的氘(²H)，碳-13(¹³C)及氧-18(¹⁸O)等穩(wěn)定同位素標(biāo)定的化學(xué)品絕大多數(shù)都是以化學(xué)合成方法得到的。由于步驟較繁復(fù)，對合成中間體的要求也比較高，所以以化學(xué)合成方法生產(chǎn)的穩(wěn)定同位素化學(xué)品的價格一直居高不下。過高的價格給基礎(chǔ)科學(xué)及臨床應(yīng)用都帶來了很大的阻礙作用。另一方面，在世界范圍內(nèi)有關(guān)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化方面的研究得到了相當(dāng)?shù)闹匾?，其主要研究?qū)動力有如下幾點，以生物質(zhì)為原料來生產(chǎn)燃料及化學(xué)品可以減少溫室氣體的排放；現(xiàn)有石化資源在消耗殆盡之后，生物質(zhì)被視為最有希望取而代之的工業(yè)原料；現(xiàn)有廢棄生物質(zhì)的不合理利用會給大氣及生態(tài)環(huán)境帶來負面影響，然而合理利用廢棄生物質(zhì)可以使其變廢為寶。由于生物質(zhì)的復(fù)雜多樣性，對其轉(zhuǎn)化機理的深入研究往往十分困難。為解決這一難題，很多研究人員都在試圖尋找以穩(wěn)定同位素標(biāo)定的天然產(chǎn)物來進行深入的機理研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種同位素化合物的制備方法。

本發(fā)明的同位素化合物的制備方法，所述的同位素化合物是以同位素標(biāo)定的植物為原料制成。

優(yōu)選地，

所述的同位素化合物是以同位素標(biāo)定的植物為原料，經(jīng)過傳統(tǒng)分離方法、水分解方法、發(fā)酵方法或者熱轉(zhuǎn)化方法制成。

所述的同位素為氘(²H)，碳-13(¹³C)及氧-18(¹⁸O)中的一種或幾種。

所述的同位素標(biāo)定的植物通過如下方法培養(yǎng)獲得：

將植物幼苗或種子種植在全密閉溫室中，生長周期20-100天；所述的全密閉溫室中的培養(yǎng)條件為23-25攝氏度，濕度60-70％，光照22小時每天，光照強度1,200μmol m^-2s^-1，二氧化碳濃度0～500μl/l；

所述的植物培養(yǎng)過程中的同位素標(biāo)定方法為如下方法中的任意一種：

1)以²H₂O為唯一水分來源，以普通CO₂為二氧化碳來源，培育出氘(²H)標(biāo)定的植物；

2)以¹³CO₂為唯一碳來源，以普通H₂O為水分來源，培育出碳-13(¹³C)標(biāo)定的植物；

3)以H₂¹⁸O為水分來源，以普通CO₂為二氧化碳來源，培育出氧-18(¹⁸O)的植物；

或以C¹⁸O₂為二氧化碳來源，以普通H₂O為水分來源，培育出氧-18(¹⁸O)的植物；

4)以²H₂O為水分來源，以¹³CO₂為二氧化碳來源，培養(yǎng)出氘(²H)及碳-13(¹³C)標(biāo)定的植物；

5)以²H₂¹⁸O為水分來源，以普通CO₂為二氧化碳來源，培養(yǎng)出氘(²H)及氧-18(¹⁸O)標(biāo)定的植物；

6)以H₂¹⁸O為水分來源，以¹³CO₂為二氧化碳來源，培養(yǎng)出碳-13(¹³C)及氧-18(¹⁸O)標(biāo)定的植物；

或以普通H₂O為水分來源，以¹³C¹⁸O₂為二氧化碳來源，培養(yǎng)出碳-13(¹³C)及氧-18(¹⁸O)標(biāo)定的植物；

7)以²H₂¹⁸O為水分來源，以¹³CO₂為二氧化碳來源，培養(yǎng)出氘(²H)，碳-13(¹³C)及氧-18(¹⁸O)標(biāo)定的植物。

本發(fā)明的方法應(yīng)用范圍廣，能夠獲得同位素標(biāo)定的各種植物，可以用于分離各種同位素化合物，適用于各種植物及其化學(xué)產(chǎn)物的研究：

(1)中醫(yī)藥的研究：可以選取一些目標(biāo)中醫(yī)藥植物，對其進行同位素標(biāo)定進而提取其可能有效成分以便為生物活性實驗及機理研究提供更高效及直觀的原料。其中一些代謝中間體也可以為新藥設(shè)計提供標(biāo)定原料。

(2)碳水化合物基礎(chǔ)的生物質(zhì)的研究：可以選取一些可以生產(chǎn)淀粉及纖維素，并且生長周期較短的植物，如土豆，地瓜，玉米，及柳枝稷，虉草，芒草等植物。并且對產(chǎn)品進行預(yù)處理，分離出同位素標(biāo)定過的淀粉，纖維素，半纖維素及木質(zhì)素等。其中標(biāo)定過的淀粉可以作為發(fā)酵原料生產(chǎn)同位素標(biāo)定的化學(xué)品，也可以通過水解方法來生產(chǎn)單糖。纖維素，半纖維素可以通過水解，發(fā)酵及熱解方法來生產(chǎn)各種化學(xué)品。木質(zhì)素則是用來生產(chǎn)各種芳香類產(chǎn)品的最佳原料。

(2)油脂及蛋白質(zhì)化合物基礎(chǔ)的生物質(zhì)的研究：可以選取一些可以生產(chǎn)不同蛋白質(zhì)及油脂的生物質(zhì)，如海藻，大豆，油菜等植物。對產(chǎn)品預(yù)處理后可以分離出同位素標(biāo)定的甘油，脂肪酸，及蛋白質(zhì)等。其中甘油及脂肪酸可以直接作為標(biāo)定的化學(xué)品來銷售，標(biāo)定蛋白質(zhì)可以通過水解分離后來產(chǎn)生同位素標(biāo)定過的氨基酸進而可以作為化學(xué)品直接銷售。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步地詳細說明。

圖1為被13C增強過的柳枝稷的固體核磁碳譜。

圖2a和圖2b為燃燒¹⁸O或是²H標(biāo)定過的植物的質(zhì)譜圖。

圖3為被¹³C增強過的柳枝稷的分離產(chǎn)物木質(zhì)素的核磁碳譜。

圖4為被²H增強過的柳枝稷的水解產(chǎn)物葡萄糖的²H核磁譜。

具體實施方式

實施例1同位素標(biāo)定植物的培養(yǎng)

本實施例的同位素標(biāo)定植物的培養(yǎng)方法，是將土豆或柳枝稷植物幼苗或種子種植在全密閉溫室中，生長周期20-100天；全密閉溫室采用加拿大conviron公司的E8溫室。

全密閉溫室中的培養(yǎng)條件為23-25攝氏度，濕度60-70％，光照22小時每天，光照強度1,200μmol m^-2s^-1，二氧化碳濃度0～500μl/l；

所述的植物培養(yǎng)過程中的同位素標(biāo)定方法為：以²H₂O為唯一水分來源，以普通CO₂為二氧化碳來源，培育出氘(²H)標(biāo)定的植物。

實施例2-9同位素標(biāo)定植物的培養(yǎng)

實施例2-9與實施例1培養(yǎng)方法相同，僅同位素標(biāo)定方法不同，分別如下表所示

實施例10檢測同位素標(biāo)定的植物

實施例1-9的同位素標(biāo)定過的植物，通過固體核磁檢測分別能檢測到²H及¹³C，通過質(zhì)譜可以檢測出¹⁸O。也可以通過燃燒¹⁸O標(biāo)定過的植物來檢查生成的CO2或是H₂O中是否有¹⁸O。實驗證明經(jīng)燃燒(使用普通O₂)¹⁸O標(biāo)定過的植物后生成的CO₂或是H₂O均含有¹⁸O。

從圖1中可以看出，被¹³C增強過的柳枝稷的固體核磁碳譜(Bruker DSX 300NMR，Bruker 7mm MAS probe.柳枝稷球磨后裝在7mm ZrO轉(zhuǎn)子中,旋轉(zhuǎn)速度4kHz)。圖中可以清晰的看到所有生物質(zhì)基本組成成分，如纖維素，半纖維素及木質(zhì)素。

從圖2a和圖2b中可以看出，燃燒¹⁸O或是²H標(biāo)定過的植物后生成的H₂O均含有相應(yīng)的同位素(圖2a為生產(chǎn)的D₂O，圖2b為生成的H₂¹⁸O)。

實施例11用同位素標(biāo)定的植物制備同位素化合物

2.1傳統(tǒng)分離及水分解方法

2.1.1同位素標(biāo)定的生物質(zhì)基本組成成分

生物質(zhì)在NaClO₂(相應(yīng)同位素標(biāo)定過)及醋酸(相應(yīng)同位素標(biāo)定過)并在70℃水浴條件下加熱2小時將會得到纖維素與半纖維素的混合物。半纖維素可以通過使用KOH溶解后用乙醇沉淀的方法得到，纖維素作為KOH不溶解的產(chǎn)物進而得到分離。木質(zhì)素則可以從第一步NaClO₂(相應(yīng)同位素標(biāo)定過)及醋酸(相應(yīng)同位素標(biāo)定過)處理后的水溶部分分離出來。具體過程可參見文獻(Green Chemistry 13(11),3196-3202，2011)。通過這些分離方法可以從植物中得到纖維素，半纖維素，木質(zhì)素，油脂，蛋白質(zhì)，淀粉，果糖及其他碳水化合物等。其中從同位素標(biāo)定的植物中得到的這些同位素標(biāo)定的生物質(zhì)基本組成成分可以直接當(dāng)作產(chǎn)品銷售。圖3為被¹³C增強過的柳枝稷的分離產(chǎn)物木質(zhì)素的核磁碳譜。

2.1.2同位素標(biāo)定的六碳及五碳糖，甘油，飽和及不飽和脂肪酸及氨基酸的生產(chǎn)

通過簡單的水解過程(10-30％硫酸(相應(yīng)同位素標(biāo)定過)，80℃水浴條件下加熱2小時)，不同碳鏈長度的單糖(從淀粉及纖維素中得到)，甘油，飽和及不飽和脂肪酸(從油脂中得到)，以及各種氨基酸(以蛋白質(zhì)為原料)等可以從生物質(zhì)基本組成成分中的到。具體過程可參見文獻(Green Chemistry 13(11),3196-3202，2011)。這些同位素標(biāo)定的化合物可以直接當(dāng)作產(chǎn)品銷售。圖4為被²H增強過的柳枝稷的水解產(chǎn)物葡萄糖的²H核磁譜。

2.2通過發(fā)酵方法來生產(chǎn)化學(xué)品

通過簡單的分離得到生物質(zhì)基本組成成分之后，對于纖維素，半纖維素，淀粉及其他碳水化合物可以通過水解進一步得到單糖。通過發(fā)酵過程(酵母，大腸桿菌等，發(fā)酵條件PH＝5.0，溫度～30℃，無氧條件，時間2-24小時)，這些單糖可以轉(zhuǎn)化為，乙醇，丁醇，丙酮，3-羥基丁酮，各種碳鏈長度的有機酸，如乙酸，丙酸，丙烯酸，檸檬酸，乙二酸，丁二酸，戊二酸，己二酸，阿爾法羥基丙酸，乙?；峒捌渌黝愑袡C酸。其中通過簡單的加氘(Pd，Ru，Pt，D2壓力10Mpa，催化劑用量1-5％)可以使這些有機酸變?yōu)椴煌兼滈L度的醇。通過簡單的脫水反應(yīng)(酸性脫水條件，硫酸10％，沸石催化劑)，從單糖還可以生產(chǎn)5-羥甲基糠醛，糠醛等產(chǎn)物。通過加氫及催化轉(zhuǎn)化過程(Pd，Ru，Pt，D2壓力10Mpa，催化劑用量1-5％)5-羥甲基糠醛，糠醛等還可以轉(zhuǎn)化成一系列產(chǎn)品，如四氫呋喃，二甲基呋喃，對二甲苯，對二苯甲酸，2,5-呋喃二甲酸，丙烯氰，丙醇酸丙酯等一系列產(chǎn)品。氘(²H)，碳-13(¹³C)及氧-18(¹⁸O)標(biāo)定的這些化學(xué)品價格非常昂貴，通過同位素標(biāo)定植物進而通過發(fā)酵方法得到的這些同位素標(biāo)定的化學(xué)品會大大降低產(chǎn)品價格。

2.3通過熱轉(zhuǎn)化方法來生產(chǎn)化學(xué)品

熱轉(zhuǎn)化方法主要是應(yīng)用了在無氧條件下對生物質(zhì)進行分解，通過溫度不同，可分為液化，裂解，及氣化等過程。其中液化及裂解過程可以產(chǎn)生比較多的液體產(chǎn)物，氣化過程可以產(chǎn)生比較多的氣體產(chǎn)物。對于化學(xué)品的生產(chǎn)，液化(重水為溶劑，200℃,標(biāo)定過的硫酸為催化劑)及裂解(無氧裂解，500℃，時間30分鐘，無壓力，產(chǎn)物在干冰浴或是液氮中回收)過程比較合適。其中同位素標(biāo)定過的木質(zhì)素是裂解過程最理想的原料。通過無催化劑或是在沸石(催化劑及生物質(zhì)比例1：1)為催化劑的條件下，木質(zhì)素可以被裂解為各種芳香族產(chǎn)品，如苯酚，4'-羥基-3-甲氧基苯乙酮(香草酮)，甲基苯酚，愈創(chuàng)木酚，4-乙基苯酚，丁香醛，乙酰丁香酮，4-甲基愈創(chuàng)木酚，苯二酚，三甲基鄰苯二酚，乙烯基愈創(chuàng)酚，香蘭素，丁香酚，2,6-二甲氧基酚，4-丙烯基-2-甲氧基苯酚，4-羥基-3-甲氧基苯乙酮及其它上百種芳香族產(chǎn)品。氘(²H)，碳-13(¹³C)及氧-18(¹⁸O)標(biāo)定的這些化學(xué)品價格非常昂貴，通過同位素標(biāo)定植物進而通過熱轉(zhuǎn)化方法得到的這些同位素標(biāo)定的化學(xué)品會大大降低產(chǎn)品價格。

3.同位素的回收利用

除了在全密閉溫室中回收同位素標(biāo)定的水及二氧化碳外，在通過生物質(zhì)傳統(tǒng)分離，水解，發(fā)酵轉(zhuǎn)化，熱轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的廢棄物可以通過可控燃燒(用同位素標(biāo)定過的氧氣作為氧化劑)來回收同位素，使其變成相應(yīng)同位素標(biāo)定的水及二氧化碳進而降低整個轉(zhuǎn)化過程的成本。