超高效液相色谱-三重四极杆质谱法测定水中11大类145种药品和个人护理品

孙慧婧, 张蓓蓓, 崔冬妮, 董冰洁, 王 荟, 胡冠九

(1. 江苏省环境监测中心, 国家环境保护地表水环境有机污染物监测分析重点实验室, 江苏 南京 210019;2. 江苏省南京环境监测中心, 江苏 南京 210019)

药品和个人护理用品(pharmaceuticals and personal care products, PPCPs)属于新污染物中的一类,涵盖了所有人用和兽用的药品,如抗生素、降压药、降糖药、抗病毒药、β-受体激动剂等,以及个人护理品包括抗菌剂、驱虫剂和防腐剂等[1]。根据文献报道全球多个天然水体和饮用水中检出大量的PPCPs[2-8]。天然水体中的PPCPs主要来自于医院、污水厂和养殖场污水的排放[9,10]。PPCPs已经被证实对淡水鱼类和无脊椎动物会产生不良影响[11,12],例如咖啡因会影响海马的神经系统,导致海马反应缓慢并逐渐失去行为控制能力;二甲双胍对鱼类有生殖毒性,能够使雄鱼体内卵黄蛋白原基因表达上调;三氯生可以干扰藻类的光合作用和细菌的繁殖等。同时PPCPs在动植物体内产生富集,进而通过食物链进入人体,影响人体健康[13,14]。环境中多种PPCPs共存,混合物毒性可能会产生叠加效应[15],导致毒性增强,在低剂量的长期暴露下将会对人类健康和生态环境带来潜在危害。

PPCPs属于新污染物中的一大类,为加强新污染物治理,保障生态环境安全和人体健康,国家出台了《新污染物治理行动方案》,首次将新污染物调查试点监测纳入生态环境监测体系。因此建立覆盖目标物种类较全的水中药品和个人护理品的检测方法,获取水体环境中各类PPCPs的基础污染数据,可为后续生态环境管理部门加强过程控制、减少污染物排放、规范药品使用、构建完善的药品和个人护理品环境管理体系提供技术基础。

PPCPs种类繁多,且环境中水平低,因此建立灵敏度高、覆盖种类全面、多组分同时分析的高通量分析方法是准确掌握水环境中PPCPs污染水平、有效开展防治措施及风险评估的前提和基础。高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)可同时分析多种极性或非极性的PPCPs,成为环境中PPCPs测定的主要仪器方法[16-22],如许红睿等[21]建立了17种PPCPs的HPLC-MS/MS测定方法,并将其用于苏州市区113份水源水的分析。固相萃取法广泛用于水中有机物的分离富集,是一种常用的PPCPs前处理方法,但该方法采用选择性吸附与选择性洗脱的原理对目标化合物进行富集浓缩,因此测定的化合物种类具有局限性,且前处理过程冗长。本文在前期研究[23]基础上,考虑我国PPCPs的生产和使用情况,结合国家和地方标准[24-47]以及标准物质的易获得性,拓展了目标物的种类和数量,选取常见的药物及个人护理品,采用大体积直接进样的方式,建立了UHPLC-MS/MS测定地表水中11大类145种PPCPs的方法,该方法避免了复杂的前处理过程,操作简便快速,灵敏度高,同时具备高通量筛查的特点,为水中PPCPs的检测提供了简单快速的解决方法,同时为获取水体环境中各类PPCPs的基础污染数据以及构建完善的药品和个人护理品环境管理体系提供了技术支撑。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

超高效液相色谱-三重四极杆质谱联用仪(SCIEX Triple Quad 6500,美国Sciex公司); 0.22 μm再生纤维素滤膜(RC,美国Agilent公司);实验用水为Milli-Q超纯水(美国Millipore公司)。

甲醇、乙腈、甲酸、氨水(色谱纯,美国Merck公司);乙二胺四乙酸二钠(Na2EDTA,德国CNW公司)。

145种药物及个人护理品(53种抗生素、11种降压药、13种降糖药、6种抗病毒药、9种β-受体激动剂、10种硝基咪唑类、2种H2受体拮抗剂、10种精神麻醉类药物、1种降血脂药、18种非甾体抗炎药及12种其他类药品和杀菌剂类个人护理品)和45种内标的具体信息见表1和表2。所有标准品均购自上海安谱实验科技有限公司,纯度均大于98.0%。内标均购自德国Dr. Ehrenstorfer公司,纯度均大于98.0%。

表1 145种PPCPs的保留时间和质谱参数

表2 (续)

1.2 标准溶液配制

量取100 mL纯水,加入0.025 g Na2EDTA,再用甲酸或氨水调节pH值至6.0～8.0,配制成含有Na2EDTA的稀释溶液。

标准品用甲醇(头孢噻肟、头孢匹林、头孢克洛、头孢唑啉、头孢氨苄用50%(v/v)乙腈水溶液)配成1 000 μg/mL的标准储备液,于-20 ℃冰箱保存。用甲醇配制1 μg/mL的混合标准溶液,使用时用含Na2EDTA的稀释溶剂配制成需要的浓度。

45种内标分别用甲醇配制成100 μg/mL的内标储备液;用甲醇进一步稀释配制质量浓度为10.0 ng/mL的内标混合使用液。

1.3 样品前处理

根据文献[23]方法进行样品前处理。量取100 mL水样,经0.22 μm的再生纤维素滤膜过滤后,加入0.025 g Na2EDTA,再用甲酸或氨水调节pH值至6.0～8.0。取调节后的水样1.0 mL,加入10 μL内标使用液后,混匀,直接进样。

1.4 分析条件

1.4.1色谱条件

色谱柱:Phenomenex Kinetex C18柱(50 mm×3 mm, 2.6 μm,美国菲罗门公司);正离子模式:流动相A为含5 mmol/L甲酸铵的0.1%甲酸水溶液,流动相B为乙腈;负离子模式:流动相A为5 mmol/L甲酸铵水溶液,流动相B为乙腈;流速:0.4 mL/min;梯度洗脱程序: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。进样量:100 μL。

图 1 不同流动相条件下4种PPCPs的色谱图Fig. 1 Chromatograms of the four PPCPs under different mobile phase conditions

1.4.2质谱条件

采用ESI源,离子源加热温度为500 ℃,检测方式为智能化分时间段-多反应选择离子监测(Schedule-MRM)模式。正离子/负离子检测;喷雾电压为5 500 V/-4 500 V;雾化气压力为345 kPa (50 psi);辅助气压力为345 kPa (50 psi);气帘气压力为207 kPa (30 psi)。各化合物的质谱参数见表1。

2 结果与讨论

2.1 质谱条件的优化

配制145种药品和个人护理品及其内标混合溶液(100 μg/L),根据化合物的化学性质及结构,分别在ESI源正、负离子扫描模式下采用流动注射进入质谱进行扫描,确定最佳去簇电压、碰撞能量及各化合物的母离子和子离子等质谱参数,优化后的质谱条件见表1和表2。

2.2 色谱条件的优化

在ESI+模式下为了保证化合物更好的质子化,实验比对了0.1%甲酸水溶液-乙腈和含5 mmol/L甲酸铵的0.1%甲酸水溶液-乙腈作为流动相对目标物灵敏度和分离度的影响。结果表明,用含5 mmol/L甲酸铵的0.1%甲酸水溶液作为水相时,化合物的响应更高,分离更好,因此选用含5 mmol/L甲酸铵的0.1%甲酸水溶液作为正离子扫描模式下的水相。在ESI-模式下,实验对比了水-乙腈和5 mmol/L甲酸铵水溶液-乙腈作为流动相的效果,结果表明以水-乙腈为流动相时,部分化合物的色谱峰形差且响应低,以双氯芬酸、尼美舒利、帕瑞昔布、依托度酸为例,它们在该流动相下出现色谱峰前延、分叉、峰展宽等现象,加入5 mmol/L甲酸铵以后,峰形得到明显的改善,色谱峰尖锐对称(见图1),故选择5 mmol/L甲酸铵水溶液-乙腈作为ESI-模式下的流动相。最终确定ESI+模式下以含5 mmol/L甲酸铵的0.1%甲酸水溶液-乙腈为流动相,ESI-模式下以5 mmol/L甲酸铵水溶液-乙腈为流动相,145种化合物能实现较好的分离(见图2)。

图 2 145种PPCPs在正、负离子模式下的总离子流色谱图Fig. 2 Total ion chromatograms of the 145 PPCPs in positive and negative ion modes

2.3 Na2EDTA的影响

PPCPs中含F、N、O、S等富电子的基团种类较多,在水中与金属共存时易发生络合反应形成化合物-金属离子络合物。例如许多抗生素都含有羧基、羰基或哌嗪基等官能团,它们能充当潜在的电子供体与金属配位[48,49]。另有研究[50]表明,金属离子所带电荷数越高,与抗生素的络合倾向越大。Na+和K+等一价金属离子基本无络合能力,Ca2+和Mg2+具有较强的络合能力,Fe3+和Cu2+的络合能力最强。所以本研究选用含有Ca2+(30.2 mg/L)、Mg2+(8.9 mg/L)、Cu2+(0.01 mg/L)、Fe3+(0.01 mg/L)的地表水为研究对象,选择Na2EDTA作为金属离子抑制剂,考察Na2EDTA的加入对各类PPCPs回收率的影响(见图3),具体回收率数据见附表1(详见https://www.chrom-China.com)。

图 3 Na2EDTA添加对地表水样品中145种PPCPs回收率的影响Fig. 3 Effect of Na2EDTA addition on the recoveries of the 145 PPCPs in surface water samples

结果显示,未添加和添加Na2EDTA对大部分化合物回收率的影响不大,但对一部分化合物而言,添加Na2EDTA后回收率明显升高,例如降压药尼索地平的回收率从61.2%提高至98.1%;罗红霉素、克拉霉素等大环内酯类抗生素的回收率从43.6%～66.6%提升至95.3%～113%;司帕沙星、吡哌酸等喹诺酮类抗生素的回收率从50.3%～66.9%提升至93.2%～96.3%;金霉素、四环素等四环素类抗生素的回收率从52.2%～69.7%提升至90.1%～112%。虽然受金属干扰测定的化合物数量不多,但它们都是在环境中检出率较高的几类抗生素,因此选择在水样中加入Na2EDTA,以保证各类化合物能够被准确测定。

2.4 滤膜的选择

选择了6种孔径为0.22 μm,材质分别为聚醚砜(PES)、亲水性聚四氟乙烯(PTFE-Q)、聚四氟乙烯滤膜(PTFE)、混合纤维素滤膜(MCE)、聚丙烯滤膜(GHP)和再生纤维素的一次性针式过滤器,对100 ng/L的空白加标样品进行分析,所有组分的加标回收率如图4所示,结果显示,材质为RC时目标化合物的平均回收为84.4%～116%,均能满足检测要求,故选择RC滤膜过滤水样。

图 4 不同滤膜材质对145种PPCPs回收率的影响Fig. 4 Effect of different membrane materials on the recoveries of the 145 PPCPs

2.5 方法学验证

2.5.1线性范围与方法检出限

配制每种化合物的系列混合标准溶液,按确定的分析条件进行测定,以各物质的质量浓度(ng/L)为横坐标X,以其对应的峰面积与内标峰面积的比值为纵坐标Y,绘制标准曲线。结果显示,145种PPCPs在各自的线性范围内线性良好(见附表2)。

根据HJ 168-2020方法检出限的测定要求,将145种低浓度PPCPs标准溶液添加至超纯水中,按照样品分析过程平行测定7份。结果表明,145种PPCPs的方法检出限为0.015～5.515 ng/L(见附表2)。方法灵敏度高,完全能够满足环境水体中PPCPs检测的要求。

2.5.2准确度与精密度

分别于实验用水和空白地表水中加入低、中、高3种水平的混合标准工作液,每个水平各平行测定6次,考察其回收率及相对标准偏差。结果表明,方法的回收率为80.4%～128%,相对标准偏差为0.6%～15.6%(见附表3)。

表3 与其他方法的比较

2.6 与其他方法的比较

现有的分析方法能测定水中十几至上百种PPCPs,对于种类繁多的PPCPs而言,很难找到适合所有分析物的最佳pH值,因此前处理大多在不同pH值条件下进行固相萃取。目前EPA 1694[51]是PPCPs类物质的标准分析方法,该方法使用固相萃取对水中74种PPCPs进行前处理,范围涵盖了抗生素、降压药、降血脂药等多种药物类别,是非常全面的分析方法,但该方法需要经过2种不同的前处理过程和4种不同的仪器分析方法,整个分析方法耗时长,步骤繁琐,方法不容易普及。因此,亟须建立操作简单、易普及、测定结果可靠并且可以同时测定多种PPCPs的分析方法。本文方法与文献报道和标准方法相比(见表3),灵敏度可以满足痕量测定的要求,回收率良好,大大节约了前处理时间,能够达到快速分析及高通量筛查的目的,为环境水体中PPCPs的监测提供快速、高效、灵敏的分析方法。

2.7 实际样品的分析

采用本文建立的方法对20个地表水样品和6个饮用水样品进行测定,共有93种(64%)化合物被检出,结果见附表4和附表5。

20个地表水样品中PPCPs总含量为276.9～2 705.7 ng/L,平均含量为989.2 ng/L。其中抗病毒药、降糖药和精神麻醉类药品检出的含量所占比例最大(见图5),检出率为100%,含量最高的化合物分别为金刚烷胺(771.4 ng/L)、二甲双胍(632.8 ng/L)和咖啡因(452.6 ng/L)。6个饮用水样品中检出的PPCPs总含量为140.5～211.5 ng/L,平均含量为177.8 ng/L,主要检出抗生素、抗病毒药和降糖药(见图5)。

图 5 地表水和饮用水中11大类PPCPs的总含量占比Fig. 5 Proportion of the total content of the 11 types of PPCPs in surface water and drinking water

3 结论

本文建立了大体积直接进样测定水环境中145种PPCPs的超高效液相色谱-三重四极杆质谱法。方法无需对水样富集,精密度好,灵敏度高,操作方便,实用性强,可为大批量同时快速检测地表水和生活饮用水中145种PPCPs提供技术参考,为准确掌握水体中PPCPs的污染水平及环境管理提供技术支撑。