高效液相色谱-电喷雾串联质谱法检测环境水样中22种抗生素类药物
2023-02-24
来源:欧得旅游网
・492・ 色 谱 第28卷 were detected both in the two samples. Key words:high performance liquid chromatography—electrospray ionization tandem mass spectrometry(HPLC—ESI MS/MS);solid—phase extraction(SPE);antibiotics;environmental water samples 抗生素(antibiotics)是指由细菌、霉菌或其他 微生物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其他 活性的一类物质。抗生素类药物主要应用于人和动 物的疾病治疗,同时也以亚治疗剂量长期添加于动 器制造有限公司);Milli—Q超纯水仪(美国Milli— pore公司)。 甲醇和乙腈(色谱纯,美国Fisher公司),氨水 (50%,体积分数)和甲酸铵(纯度为99%,美国Alfa 物饲料中,以预防疾病和促进动物生长 。目前广 泛使用的抗生素类药物有喹诺酮类(quinolones, QNs)、四环素类(tetracyclines,TCs)、磺胺类(sul— fonamides,SAs)和大环内酯类(macrolides, MALs)等。人畜服用的抗生素类药物大多不能被 充分吸收利用而随排泄物进入污水或直接排入环 境。虽然许多抗生素的半衰期较短,但由于其被频 繁地使用并进人环境,导致其形成“假持续”现 象 。这已经成为水资源重复利用的一个巨大挑 战,同时诱发了各类抗生素耐药细菌的产生,对人类 健康和整个生态系统构成了长期潜在的威胁。 近年来,高效液相色谱技术,包括高效液相色 谱一荧光法(HPLC—FLD) 、高效液相色谱・紫外检 测法(HPLC・UV) 和高效液相色谱一质谱法 (HPLC-MS) 等,已经成为抗生素类药物残留 检测的首选技术。Ib ̄fiez等 采用超高效液相色 谱一四极杆飞行时间串联质谱(UPLC—Q TOF MS)同 时检测了地表水和污水中的42种抗生素类药物残 留。目前国内对于环境水样中多种抗生素残留同时 检测方法的报道还较少。 本文建立了采用HPLC—MS/MS同时检测环境 水样中3类22种抗生素类药物的分析方法。采用 固相萃取(SPE)技术对环境水样中样品进行富集和 净化。该方法具有选择性强、灵敏度高、重现性好等 优点,可满足各种环境水样中抗生素类药物残留检 测的要求。 1实验部分 1.1仪器、试剂与材料 UltiMate 3000液相色谱仪,配有UltiMate 3000 自动进样器,P680二元梯度泵和Chromeleon 6.70 色谱工作站(美国Dionex公司);API3200三重四 极杆串联质谱检测系统(美国应用生物系统公司), 配有电喷雾离子源(ESI)和Analyst 1.4.1工作软 件;Oasis HLB SPE柱(5 mL,200 mg)(美国Wa— ters公司);Votex涡旋混合器(海门市其林贝尔仪 Aesar公司),甲酸(纯度为98%,美国Fluka公司), 乙二胺四乙酸二钠盐(Na,EDTA)(分析纯,国药集 团化学试剂有限公司)。喹诺酮类抗生素药物标准 品:氧氟沙星(ofloxacin,OFL,纯度为99.9%)、诺 氟沙星(norfloxacin,NOR,纯度为99。9%)、环丙沙 星(ciprofloxacin,CIP,纯度为99.9%)、沙拉沙星 (sarafloxacin hydrochloride, SAR,纯度为 95.0%)、氟罗沙星(fleroxacin,FLE,纯度为 99.5%)、洛美沙星(1omefloxacin hydrochloride, LOM,纯度>98%)、双氟沙星(dilfoxacin hydro- chloride,DIF,纯度为98.O%)、恩诺沙星(enro- lfoxacin,ENR,纯度为99.9%)(均购于美国Sig— ma—Aldrich公司);大环内酯类抗生素药物标准品: 红霉素(erythromycin A—dihydrate,ERY,纯度为 99.1%)、罗红霉素(roxithromycin,ROX,纯度≥ 90%)、交沙霉素(josamycin,JOS,纯度≥98%)、酒 石酸泰乐菌素(tylosin tartrate,TYL,纯度为 82.4%)、螺旋霉素(spiramycin,SPI,纯度为 88.9%)(均购于美国Sigma—Aldrich公司);磺胺类 抗生素药物标准品:磺胺嘧啶(sulfadiazine,SDZ, 纯度为99.7%)、磺胺甲基嘧啶(sulfamerazin, SMR,纯度为99.9%)、磺胺间二甲氧嘧啶(sulfadi— methoxin,SDM,纯度为99.4%)、磺胺二甲基异恶 唑(sulifsoxazole,SIA,纯度≥99.0%)、磺胺间甲氧 嘧啶(sulfamonomethoxine,SMM,纯度>98%) (均购于美国Sigma—Aldrich公司),磺胺噻唑(sul- fathiazole,ST,纯度>98%)、磺胺吡啶(sulfapyri- dine,SPD,纯度>98%)、磺胺甲基异恶唑(sulfa- methoxazole,SMX,纯度>98%)(均购于日本东京 化成工业株式会社),磺胺二甲基嘧啶(sulfametha- zine,SDMD,纯度为99%)(购于美国Acros Organ・ ics公司);替代物标准品:诺氟沙星一d (norfloxa- cin—d ,NOR—d ,纯度为99%)(美国Sigma—Aldrich 公司),磺胺甲基异恶唑.d (sulfamethoxazole—d , SMX—d4)、磺胺二甲基嘧啶-d4(suffamethazine—d4, SDMD—d )、红霉素一”C,d3(erythromycin-”C,d3, 第5期 ERY一”C高立红,等:高效液相色谱一电喷雾串联质谱法检测环境水样中22种抗生素类药物 d )(购于加拿大Toronto Research ・493・ ,梯度洗脱条件:0~2 rain,10%A;2~12 rain, 10%A~70%A;12~16 min,70%A~100%A。保 持3 rain;19~19.1 min,100%A~10%A;19.1~ 33 min,l0%A。进样量:15 L。 1.2.2质谱条件 Chemicals公司)。 标准储备液和标准工作液的配制:分别称取 l0.0 mg标准品,用甲醇溶解并定容于25 mL棕色 容量瓶中,配制成质量浓度为400 mg/L的标准储 备液,于一20℃下保存。取各标准储备液适量,用 甲醇配制所需浓度的混合标准工作液,密封,于4℃ 下保存备用。 1.2仪器条件 采用电喷雾离子源(ESI),分析物在正离子扫 描下以多反应监测(MRM)模式分析。采用针泵进 样,分别进行Q1和Q3扫描确定离子对,进而优化 去簇电压(DP)等参数(见表1)。在选定的色谱条 1.2.1色谱条件 件下,接人流动相对离子源Gas1、Gas2和离子喷雾 XTerra MS C】R型色谱柱(2.1 mm×100 mm, 电压等参数进行优化,使信号稳定、灵敏度最高。优 3.5 m,美国Waters公司);流动相A:甲醇一乙腈 化的质谱分析条件:气帘气压力为0.14 MPa,碰撞 (1:1,v/v),流动相B:O.3%甲酸水溶液(含0.1% 气压力为0.02 MPa,离子喷雾电压为5 000 V,温度 (体积分数)甲酸铵,pH 2.9);流速:O.2 mL/min; 为600℃,Gasl:0.38 MPa;Gas2:0.45 MPa。 表1 测定22种抗生素类药物和4种替代物的质谱条件 Table 1 Experimental conditions of electrospray ionization tandem mass spectrometry for the determination of 22 antibiotics and 4 surrogates .494. 色 谱 第28卷 SDMD—d 283.1 l6O.0 186.0 SMX-d 257.9 1l2.0 160.0 SPI 843.4 l74.】 3l8 3 JOS 828.3 174.2 229.1 TYL 916.3 174.0 772.3 ERY 734.3 158.2 昕 576.3 ∞ ROX 837.4 l58 1 579.4 738.O l62.1 4 4 4 4 0 58O.3 9 O O O 9 4 4 7 6 5 5 5 5 5 5 5 O 8 8 O 5 0 0 Quantitative ion. 1.3样品前处理方法 脱时,3类抗生素的回收率都在80%以上;采用甲醇 环境水样经0.45 m滤膜过滤后,准确量取 洗脱时,尽管SAs类和MALs类抗生素的回收率在 200 mL,依次加入0.2 g Na2EDTA,5 ng NOR—d5m m¨9∞如∞船” ” ∞ 80%以上,但QNs类抗生素的回收率较低,为65% SDMD—d ,SMX—d 和20 ng ERY一 C,d ,摇匀,然 ~80%。因此本文采用氨水一甲醇溶液进行洗脱。另 后用Oasis HLB SPE小柱(6 mL,200 mg)进行富 外,分别考察了不同洗脱液用量(4,6,8和l0 mL) 集净化。上样前,HLB小柱依次用5 mL甲醇和5 对抗生素回收率的影响。结果发现,当洗脱液用量 mL水进行活化;上样时,流速控制在1勰 如 钉 mL/min左 铝如 大于或等于6 mL时,22种抗生素可被完全洗脱,因 右;上样后,先用12 mL水清洗HLB小柱,然后在负 此洗脱液用量确定为6 mL。 压下抽干,最后用6 mL氨水一甲醇(5:95,v/v)洗 2.1.3 水样pH值的选择 脱。洗脱液在35℃下用氮气吹干浓缩至1 mL以 用甲酸和氨水将水样(去离子水)调至不同的 6 6 4 5 8 8 7 8 8 7 6 2 7 4 7 2 下,最后用初始比例流动相定容至1O 5 8 5 0 O 5 mL,待测。5 O O 0 O pH值(pH 2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,7.0,8.0),考 察其对抗生素回收率的影响。结果发现,当pH为 2结果与讨论 4.0~8.0时,目标化合物的回收率较高。由于天然 2.1 SPE条件优化 水样的pH值一般在pH 4.0~8.O之间,因此本文 2.1.1 SPE柱的选择 不对实际水样的pH值进行调节,这与文献[11]中 Oasis HLB固相萃取柱填充的是亲水亲脂平 所报道的一致。 衡、水可浸润的反相吸附剂,是一种可适用于酸性、 2.2色谱条件的优化 中性及碱性化合物的通用型萃取柱;Oasis WAX萃 流动相的pH值对抗生素的分离和保留具有重 取柱填充的是混合型弱阴离子反相吸附剂,对强酸 要的影响。在低pH条件下,22种抗生素都可实现 性化合物具有高的选择性。根据目标化合物的化学 良好分离。本文采用0.3%甲酸水溶液(含0.1%甲 性质,考察了Oasis HLB柱和Oasis WAX柱的萃取 酸铵)缓冲体系来控制流动相B的pH值(pH 效果。实验结果发现,HLB柱对目标化合物萃取效 2.9),且甲酸有利于目标化合物的离子化,可得到 率较高,且该柱在于涸情况下不影响被测组分的回 较高的检测灵敏度。 收率。因此,本文采用Oasis HLB固相萃取柱对样 分别考察了甲醇、乙腈、甲醇一乙腈(1:l,v/v) 品进行富集和净化。 体系作为流动相A对22种抗生素色谱行为的影 2.1.2 洗脱液的选择 响。结果表明,3种流动相体系都能得到尖锐对称 分别采用甲醇和氨水一甲醇(5:95,v/v)溶液为 的峰形,但甲醇一乙腈(1:1,v/v)体系作为流动相 洗脱液进行试验。结果发现,采用氨水一甲醇溶液洗 时,质谱的响应值更高。因此本文采用甲醇一乙腈(1 第5期 高立红,等:高效液相色谱一电喷雾串联质谱法检测环境水样中22种抗生素类药物 ・495・ 140000 l20000 b l 100000 E 80000 0 60000 ; 。 40000 20000 O } O 2 4 6 8 lO l2 14 l6 18 ,/mIn 350000 300000 250000 200000 至l50000 l00000 50000 0 O 2 4 6 8 1O l2 14 16 l8 t/mln 图1 (a)22种抗生素混合标准溶液、(b】8种喹诺酮类 抗生素、(C)9种磺胺类抗生素和{d)5种大环内 酯类抗生素混合溶液的色谱图 Fig.1 Cbromatograms of f a)a mixture solutlon of 22 antibiotic standards。(b)8 standard quin・ olones。(c)9 standard sulfonamides and(d) 5 stundard macrolides b.quinolones:1.FLE;2.OFL;3.NOR;4.CIP;5.LOM 6.ENR;7.DIF:8.SAR.c.suffonamides:1.SDZ;2 ST;3 SPD;4.SMR;5.SDMD;6.SMM;7.SMX;8.SIA;9.SDM d macrolides:1.SPI;2.ERY;3.TYL;4.JOS;5.ROX. :1,v/v)和0.3%甲酸水溶液(含0.1%甲酸铵)作 为流动相,在流速为0.2 mL/min条件下,考察并最 终确定了1.2.1节的梯度淋洗程序。如图1所示, 其中图1a为22种抗生素混合标准溶液的色谱分离 图,图1b~d分别为喹诺酮类、磺胺类和大环内酯 类抗生素标准溶液的色谱分离图。 2.3线性范围和检出限 在选定的色谱和质谱条件下,对一系列质量浓 度的混合标准溶液(替代物NOR—d 、SDMD-d 、 SMX—d 的质量浓度固定为5 p ̄g/L,ERY-”C,d 固定为20 p ̄g/L)进行分析。以各分析物和替代物 定量离子对的峰面积之比进行定量,得到的各分析 物检测的线性范围和线性相关系数等参数见表2所 示。结果表明,22种化合物均在较宽的范围内具有 良好的线性,仪器的检出限(LOD)(信噪比为3)为 0.01~0.1 g/L,因此方法对实际环境水样的检出 限可以达到0.05~0.5 ng/L。 表2 22种抗生素的线性回归方程、相关系数(r ) 及检出限(LODs,S/N=3) Table 2 Regression equations。correlation coefficients (r )and limits of detection(LODs。S/N=3) of 22 antibiotics Y:the ratio of peak areas between those of analytes and surrogate;x:mass concentration,t ̄g/L. 2.4方法的精密度与准确度 分别在自来水和污水样品中进行加标回收实 验,加标水平为25 ng/L和500 ng/L,按1.3节所述 方法对样品进行处理,平行测定3份,考察方法的回 ・496・ 色 谱 第28卷 收率和重现性。NOR—d 、SMX—d 、SDMD—d 和 ERY_13C,具有良好的精密度与准确度。自来水中的加标回收 率为54.9%~130%,相对标准偏差(RSD)为2.85% ~d,作为替代物在富集之前与混合标准溶 液一起加入到水样中。分析结果列于表3。从表3 中可以看出:本文采用的前处理方法对22种抗生素 28.6%;污水中的加标回收率为57.4%一138%, RSD为2.02%~23.2%。 表3 自来水和污水样品中22种抗生素的加标回收率和相对标准偏差{RSD)(n=3) Table 3 Spiked recoveries and relative standard deviations(RSDs J of 22 antibiotics in tap water and waste water samples(n=3 ND:not detected 第5期 高立红,等:高效液相色谱一电喷雾串联质谱法检测环境水样中22种抗生素类药物 ・497・ 2.5实际水样分析 采集北京市朝阳区高碑店湖和海淀区小清河表 层水,采样时间为2009年l2月l1日。采用优化的 SPE条件和HPLC-MS/MS分析条件,分别对高碑 店湖水样(1 )和小清河水样(2 )进行分析,结果列 于表4。研究结果表明,两个水样中均检出部分抗 生素类药物,其中OFL、SDZ、SPD、SMX、ERY和 ROX含量较高,最高为2 样品中SDZ的含量为715 ng/L。高碑店湖和小清河分别为高碑店污水处理 厂和清河污水处理厂的受纳河体,这说明抗生素在 污水处理过程中未被完全去除,从而进入水环境中。 它们的迁移转化和生态效应值得进一步研究。 表4环境水样中抗生素的含量 Table 4 Concentrations of 22 antibiotics in the environmental water samples ng/L Analyte I# 2# Analyte 1# 2# FLE ND 2.69 SPD 18O 169 NOR 5.05 21.O SDM ND ND DIF ND ND SDMD 9.O0 23.3 0FL 44.5 500 SIA ND ND CIP ND 2.3O SMR ND ND SAR ND ND SMM ND ND LOM O.915 1.86 SPI ND l0.9 ENR ND 2.92 JoS ND ND ST ND ND TYL ND 7.93 SMX 386 578 ERY 640 463 SDZ 474 715 ROX 379 294 ND:not detected;1#:water sample from Gaobeidian Lake in Beijing:2#:water sample rfom Xiaoqinghe River in Beijing, 3 结语 本文采用SPE与HPLC—MS/MS联用技术建立 了环境水样中22种抗生素类药物残留的分析方法。 该方法具有较高的灵敏度和选择性。将其应用于北 京市高碑店湖和小清河水样中抗生素类药物残留分 析,两个水样中均可检出抗生素类药物残留,其中以 磺胺嘧啶含量最高。 参考文献: Wang R,Lju T Z,Wang T.Acta Ecologica Sinica(王冉,刘 铁铮,王恬.生态学报),2006,26(1):265 [2] Zhou Q X,Luo Y,Wang M E.Asian Journal ofEcotoxicolo— gy(周启星,罗义,王美娥.生态毒理学报),2007,2(3): 243 [3] Nakata H,Kannan K,Jones P D,et a1.Chemosphere, 2005,58:759 [4] Liu JJ,L.m LM,Jiang ZG,et a1.Chinese Journal ofAnaly- sis Laboratory(刘靖靖,林黎明,江志刚,等.分析试验室), 2007,26(8):5 [5] Chen H H,Dai J,Wang H X,et a1.Journal of Instrumental AnMysis(陈辉华,戴军,王洪新,等.分析测试学报), 2008,27(9):951 [6] Garcia—Mayor M A,Garcinufio R M,Fernandez-Hernando P,et a1.J Chromatogr A,2006,1122:76 『7] Tunel E,Martin-Esteban A.Tadeo J L.Anal Chim Acta. 2006,562:30 [8] Li YW,Mo CH,Zhao N,et a1.Chinese Journal ofAnalyti- cal Chemistry(李彦文,莫测辉,赵娜,等.分析化学), 2008,36(7):954 [9] Granelli K,Elgerud C,Lundstr6m A,et a1.Anal Chim Ac— ta.2009.637:87 [1O] Carretero V,Blasco C,Pic6 Y.J Chromatogr A,2008, 1209:162 [11] McClure E L,Wong C S.J Chromatogr A,2007,1169:53 [12] SunG D,Su Z Y,ChenM,et a1.Chinese Journal ofChro- matography(孙广大,苏仲毅,陈猛,等.色谱),2009,27 (1):54 [13] Xu W H,Zhang G,Zou S C,et a1.Environmental Chemis- try(徐维海,张干,邹世春,等.环境化学),2006,25(2): 232 [14] Ding J,RenNQ,Chen LG,et a1.AnalChinaAeta,2009, 634:215 [15] Xiao Y,Chang H,Jia A,et a1.J Chromatogr A,2008, 1214:100 [16] Abuin S,Codony R,Compafi6 R,et a1.J Chromatogr A, 2006,1114:73 [17] SU Z Y,Chen M,Yuan D X,et a1.Journal ofXiamen Uni- versity:Natural Science(苏仲毅,陈猛,袁东星,等.厦门 大学学报:自然科学版),2007,46(Suppl 1):72 [18] Ib ̄fiez M,Gue ̄ero C,Sancho J V,et a1.J ChromatogrA, 2009,1216:2529