超高效液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜法測定水中11大類145種藥品和個人護理品

孫慧婧, 張蓓蓓, 崔冬妮, 董冰潔, 王 薈, 胡冠九

(1. 江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心, 國家環(huán)境保護地表水環(huán)境有機污染物監(jiān)測分析重點實驗室, 江蘇 南京 210019;2. 江蘇省南京環(huán)境監(jiān)測中心, 江蘇 南京 210019)

藥品和個人護理用品(pharmaceuticals and personal care products, PPCPs)屬于新污染物中的一類,涵蓋了所有人用和獸用的藥品,如抗生素、降壓藥、降糖藥、抗病毒藥、β-受體激動劑等,以及個人護理品包括抗菌劑、驅(qū)蟲劑和防腐劑等[1]。根據(jù)文獻(xiàn)報道全球多個天然水體和飲用水中檢出大量的PPCPs[2-8]。天然水體中的PPCPs主要來自于醫(yī)院、污水廠和養(yǎng)殖場污水的排放[9,10]。PPCPs已經(jīng)被證實對淡水魚類和無脊椎動物會產(chǎn)生不良影響[11,12],例如咖啡因會影響海馬的神經(jīng)系統(tǒng),導(dǎo)致海馬反應(yīng)緩慢并逐漸失去行為控制能力;二甲雙胍對魚類有生殖毒性,能夠使雄魚體內(nèi)卵黃蛋白原基因表達(dá)上調(diào);三氯生可以干擾藻類的光合作用和細(xì)菌的繁殖等。同時PPCPs在動植物體內(nèi)產(chǎn)生富集,進而通過食物鏈進入人體,影響人體健康[13,14]。環(huán)境中多種PPCPs共存,混合物毒性可能會產(chǎn)生疊加效應(yīng)[15],導(dǎo)致毒性增強,在低劑量的長期暴露下將會對人類健康和生態(tài)環(huán)境帶來潛在危害。

PPCPs屬于新污染物中的一大類,為加強新污染物治理,保障生態(tài)環(huán)境安全和人體健康,國家出臺了《新污染物治理行動方案》,首次將新污染物調(diào)查試點監(jiān)測納入生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系。因此建立覆蓋目標(biāo)物種類較全的水中藥品和個人護理品的檢測方法,獲取水體環(huán)境中各類PPCPs的基礎(chǔ)污染數(shù)據(jù),可為后續(xù)生態(tài)環(huán)境管理部門加強過程控制、減少污染物排放、規(guī)范藥品使用、構(gòu)建完善的藥品和個人護理品環(huán)境管理體系提供技術(shù)基礎(chǔ)。

PPCPs種類繁多,且環(huán)境中水平低,因此建立靈敏度高、覆蓋種類全面、多組分同時分析的高通量分析方法是準(zhǔn)確掌握水環(huán)境中PPCPs污染水平、有效開展防治措施及風(fēng)險評估的前提和基礎(chǔ)。高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC-MS/MS)可同時分析多種極性或非極性的PPCPs,成為環(huán)境中PPCPs測定的主要儀器方法[16-22],如許紅睿等[21]建立了17種PPCPs的HPLC-MS/MS測定方法,并將其用于蘇州市區(qū)113份水源水的分析。固相萃取法廣泛用于水中有機物的分離富集,是一種常用的PPCPs前處理方法,但該方法采用選擇性吸附與選擇性洗脫的原理對目標(biāo)化合物進行富集濃縮,因此測定的化合物種類具有局限性,且前處理過程冗長。本文在前期研究[23]基礎(chǔ)上,考慮我國PPCPs的生產(chǎn)和使用情況,結(jié)合國家和地方標(biāo)準(zhǔn)[24-47]以及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的易獲得性,拓展了目標(biāo)物的種類和數(shù)量,選取常見的藥物及個人護理品,采用大體積直接進樣的方式,建立了UHPLC-MS/MS測定地表水中11大類145種PPCPs的方法,該方法避免了復(fù)雜的前處理過程,操作簡便快速,靈敏度高,同時具備高通量篩查的特點,為水中PPCPs的檢測提供了簡單快速的解決方法,同時為獲取水體環(huán)境中各類PPCPs的基礎(chǔ)污染數(shù)據(jù)以及構(gòu)建完善的藥品和個人護理品環(huán)境管理體系提供了技術(shù)支撐。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

超高效液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀(SCIEX Triple Quad 6500,美國Sciex公司); 0.22 μm再生纖維素濾膜(RC,美國Agilent公司);實驗用水為Milli-Q超純水(美國Millipore公司)。

甲醇、乙腈、甲酸、氨水(色譜純,美國Merck公司);乙二胺四乙酸二鈉(Na2EDTA,德國CNW公司)。

145種藥物及個人護理品(53種抗生素、11種降壓藥、13種降糖藥、6種抗病毒藥、9種β-受體激動劑、10種硝基咪唑類、2種H2受體拮抗劑、10種精神麻醉類藥物、1種降血脂藥、18種非甾體抗炎藥及12種其他類藥品和殺菌劑類個人護理品)和45種內(nèi)標(biāo)的具體信息見表1和表2。所有標(biāo)準(zhǔn)品均購自上海安譜實驗科技有限公司,純度均大于98.0%。內(nèi)標(biāo)均購自德國Dr. Ehrenstorfer公司,純度均大于98.0%。

表1 145種PPCPs的保留時間和質(zhì)譜參數(shù)

表2 (續(xù))

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

量取100 mL純水,加入0.025 g Na2EDTA,再用甲酸或氨水調(diào)節(jié)pH值至6.0～8.0,配制成含有Na2EDTA的稀釋溶液。

標(biāo)準(zhǔn)品用甲醇(頭孢噻肟、頭孢匹林、頭孢克洛、頭孢唑啉、頭孢氨芐用50%(v/v)乙腈水溶液)配成1 000 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)儲備液,于-20 ℃冰箱保存。用甲醇配制1 μg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,使用時用含Na2EDTA的稀釋溶劑配制成需要的濃度。

45種內(nèi)標(biāo)分別用甲醇配制成100 μg/mL的內(nèi)標(biāo)儲備液;用甲醇進一步稀釋配制質(zhì)量濃度為10.0 ng/mL的內(nèi)標(biāo)混合使用液。

1.3 樣品前處理

根據(jù)文獻(xiàn)[23]方法進行樣品前處理。量取100 mL水樣,經(jīng)0.22 μm的再生纖維素濾膜過濾后,加入0.025 g Na2EDTA,再用甲酸或氨水調(diào)節(jié)pH值至6.0～8.0。取調(diào)節(jié)后的水樣1.0 mL,加入10 μL內(nèi)標(biāo)使用液后,混勻,直接進樣。

1.4 分析條件

1.4.1色譜條件

色譜柱:Phenomenex Kinetex C18柱(50 mm×3 mm, 2.6 μm,美國菲羅門公司);正離子模式:流動相A為含5 mmol/L甲酸銨的0.1%甲酸水溶液,流動相B為乙腈;負(fù)離子模式:流動相A為5 mmol/L甲酸銨水溶液,流動相B為乙腈;流速:0.4 mL/min;梯度洗脫程序:0～1.5 min, 5%B; 1.5～10.0 min, 5%B～70%B; 10.0～13.0 min, 70%B～90%B; 13.0～14.0 min, 90%B; 14.0～14.2 min, 90%B～5%B; 14.2～15.0 min, 5%B。進樣量:100 μL。

圖 1 不同流動相條件下4種PPCPs的色譜圖Fig. 1 Chromatograms of the four PPCPs under different mobile phase conditions

1.4.2質(zhì)譜條件

采用ESI源,離子源加熱溫度為500 ℃,檢測方式為智能化分時間段-多反應(yīng)選擇離子監(jiān)測(Schedule-MRM)模式。正離子/負(fù)離子檢測;噴霧電壓為5 500 V/-4 500 V;霧化氣壓力為345 kPa (50 psi);輔助氣壓力為345 kPa (50 psi);氣簾氣壓力為207 kPa (30 psi)。各化合物的質(zhì)譜參數(shù)見表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)譜條件的優(yōu)化

配制145種藥品和個人護理品及其內(nèi)標(biāo)混合溶液(100 μg/L),根據(jù)化合物的化學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu),分別在ESI源正、負(fù)離子掃描模式下采用流動注射進入質(zhì)譜進行掃描,確定最佳去簇電壓、碰撞能量及各化合物的母離子和子離子等質(zhì)譜參數(shù),優(yōu)化后的質(zhì)譜條件見表1和表2。

2.2 色譜條件的優(yōu)化

在ESI+模式下為了保證化合物更好的質(zhì)子化,實驗比對了0.1%甲酸水溶液-乙腈和含5 mmol/L甲酸銨的0.1%甲酸水溶液-乙腈作為流動相對目標(biāo)物靈敏度和分離度的影響。結(jié)果表明,用含5 mmol/L甲酸銨的0.1%甲酸水溶液作為水相時,化合物的響應(yīng)更高,分離更好,因此選用含5 mmol/L甲酸銨的0.1%甲酸水溶液作為正離子掃描模式下的水相。在ESI-模式下,實驗對比了水-乙腈和5 mmol/L甲酸銨水溶液-乙腈作為流動相的效果,結(jié)果表明以水-乙腈為流動相時,部分化合物的色譜峰形差且響應(yīng)低,以雙氯芬酸、尼美舒利、帕瑞昔布、依托度酸為例,它們在該流動相下出現(xiàn)色譜峰前延、分叉、峰展寬等現(xiàn)象,加入5 mmol/L甲酸銨以后,峰形得到明顯的改善,色譜峰尖銳對稱(見圖1),故選擇5 mmol/L甲酸銨水溶液-乙腈作為ESI-模式下的流動相。最終確定ESI+模式下以含5 mmol/L甲酸銨的0.1%甲酸水溶液-乙腈為流動相,ESI-模式下以5 mmol/L甲酸銨水溶液-乙腈為流動相,145種化合物能實現(xiàn)較好的分離(見圖2)。

圖 2 145種PPCPs在正、負(fù)離子模式下的總離子流色譜圖Fig. 2 Total ion chromatograms of the 145 PPCPs in positive and negative ion modes

2.3 Na2EDTA的影響

PPCPs中含F(xiàn)、N、O、S等富電子的基團種類較多,在水中與金屬共存時易發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)形成化合物-金屬離子絡(luò)合物。例如許多抗生素都含有羧基、羰基或哌嗪基等官能團,它們能充當(dāng)潛在的電子供體與金屬配位[48,49]。另有研究[50]表明,金屬離子所帶電荷數(shù)越高,與抗生素的絡(luò)合傾向越大。Na+和K+等一價金屬離子基本無絡(luò)合能力,Ca2+和Mg2+具有較強的絡(luò)合能力,Fe3+和Cu2+的絡(luò)合能力最強。所以本研究選用含有Ca2+(30.2 mg/L)、Mg2+(8.9 mg/L)、Cu2+(0.01 mg/L)、Fe3+(0.01 mg/L)的地表水為研究對象,選擇Na2EDTA作為金屬離子抑制劑,考察Na2EDTA的加入對各類PPCPs回收率的影響(見圖3),具體回收率數(shù)據(jù)見附表1(詳見https://www.chrom-China.com)。

圖 3 Na2EDTA添加對地表水樣品中145種PPCPs回收率的影響Fig. 3 Effect of Na2EDTA addition on the recoveries of the 145 PPCPs in surface water samples

結(jié)果顯示,未添加和添加Na2EDTA對大部分化合物回收率的影響不大,但對一部分化合物而言,添加Na2EDTA后回收率明顯升高,例如降壓藥尼索地平的回收率從61.2%提高至98.1%;羅紅霉素、克拉霉素等大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的回收率從43.6%～66.6%提升至95.3%～113%;司帕沙星、吡哌酸等喹諾酮類抗生素的回收率從50.3%～66.9%提升至93.2%～96.3%;金霉素、四環(huán)素等四環(huán)素類抗生素的回收率從52.2%～69.7%提升至90.1%～112%。雖然受金屬干擾測定的化合物數(shù)量不多,但它們都是在環(huán)境中檢出率較高的幾類抗生素,因此選擇在水樣中加入Na2EDTA,以保證各類化合物能夠被準(zhǔn)確測定。

2.4 濾膜的選擇

選擇了6種孔徑為0.22 μm,材質(zhì)分別為聚醚砜(PES)、親水性聚四氟乙烯(PTFE-Q)、聚四氟乙烯濾膜(PTFE)、混合纖維素濾膜(MCE)、聚丙烯濾膜(GHP)和再生纖維素的一次性針式過濾器,對100 ng/L的空白加標(biāo)樣品進行分析,所有組分的加標(biāo)回收率如圖4所示,結(jié)果顯示,材質(zhì)為RC時目標(biāo)化合物的平均回收為84.4%～116%,均能滿足檢測要求,故選擇RC濾膜過濾水樣。

圖 4 不同濾膜材質(zhì)對145種PPCPs回收率的影響Fig. 4 Effect of different membrane materials on the recoveries of the 145 PPCPs

2.5 方法學(xué)驗證

2.5.1線性范圍與方法檢出限

配制每種化合物的系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,按確定的分析條件進行測定,以各物質(zhì)的質(zhì)量濃度(ng/L)為橫坐標(biāo)X,以其對應(yīng)的峰面積與內(nèi)標(biāo)峰面積的比值為縱坐標(biāo)Y,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示,145種PPCPs在各自的線性范圍內(nèi)線性良好(見附表2)。

根據(jù)HJ 168-2020方法檢出限的測定要求,將145種低濃度PPCPs標(biāo)準(zhǔn)溶液添加至超純水中,按照樣品分析過程平行測定7份。結(jié)果表明,145種PPCPs的方法檢出限為0.015～5.515 ng/L(見附表2)。方法靈敏度高,完全能夠滿足環(huán)境水體中PPCPs檢測的要求。

2.5.2準(zhǔn)確度與精密度

分別于實驗用水和空白地表水中加入低、中、高3種水平的混合標(biāo)準(zhǔn)工作液,每個水平各平行測定6次,考察其回收率及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。結(jié)果表明,方法的回收率為80.4%～128%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.6%～15.6%(見附表3)。

表3 與其他方法的比較

2.6 與其他方法的比較

現(xiàn)有的分析方法能測定水中十幾至上百種PPCPs,對于種類繁多的PPCPs而言,很難找到適合所有分析物的最佳pH值,因此前處理大多在不同pH值條件下進行固相萃取。目前EPA 1694[51]是PPCPs類物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)分析方法,該方法使用固相萃取對水中74種PPCPs進行前處理,范圍涵蓋了抗生素、降壓藥、降血脂藥等多種藥物類別,是非常全面的分析方法,但該方法需要經(jīng)過2種不同的前處理過程和4種不同的儀器分析方法,整個分析方法耗時長,步驟繁瑣,方法不容易普及。因此,亟須建立操作簡單、易普及、測定結(jié)果可靠并且可以同時測定多種PPCPs的分析方法。本文方法與文獻(xiàn)報道和標(biāo)準(zhǔn)方法相比(見表3),靈敏度可以滿足痕量測定的要求,回收率良好,大大節(jié)約了前處理時間,能夠達(dá)到快速分析及高通量篩查的目的,為環(huán)境水體中PPCPs的監(jiān)測提供快速、高效、靈敏的分析方法。

2.7 實際樣品的分析

采用本文建立的方法對20個地表水樣品和6個飲用水樣品進行測定,共有93種(64%)化合物被檢出,結(jié)果見附表4和附表5。

20個地表水樣品中PPCPs總含量為276.9～2 705.7 ng/L,平均含量為989.2 ng/L。其中抗病毒藥、降糖藥和精神麻醉類藥品檢出的含量所占比例最大(見圖5),檢出率為100%,含量最高的化合物分別為金剛烷胺(771.4 ng/L)、二甲雙胍(632.8 ng/L)和咖啡因(452.6 ng/L)。6個飲用水樣品中檢出的PPCPs總含量為140.5～211.5 ng/L,平均含量為177.8 ng/L,主要檢出抗生素、抗病毒藥和降糖藥(見圖5)。

圖 5 地表水和飲用水中11大類PPCPs的總含量占比Fig. 5 Proportion of the total content of the 11 types of PPCPs in surface water and drinking water

3 結(jié)論

本文建立了大體積直接進樣測定水環(huán)境中145種PPCPs的超高效液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜法。方法無需對水樣富集,精密度好,靈敏度高,操作方便,實用性強,可為大批量同時快速檢測地表水和生活飲用水中145種PPCPs提供技術(shù)參考,為準(zhǔn)確掌握水體中PPCPs的污染水平及環(huán)境管理提供技術(shù)支撐。