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May2022ROCKANDMINERALANALYSIS394-403
营娇龙,秦晓鹏,郎杭,-串联质谱法同时测定水体中37种典型抗生素[J].岩矿测试,2022,41(3):
394-403.
YINGJiaolong,QINXiaopeng,LANGHang,-Triple
QuadrupoleMassSpectrometry[J].RockandMineralAnalysis,2022,41(3):394-403.
【DOI:.11-2131/】
超高效液相色谱-串联质谱法同时测定水体中37种典型抗生素
营娇龙1,秦晓鹏2,郎杭3,郭健一4,熊玲1,张占昊1,刘菲1
((北京)水资源与环境学院,水资源与环境工程北京市重点实验室,北京100083;
,北京100012;
,北京100038;
,北京102308)
摘要:目前抗生素的环境检出受到人们的广泛关注,但能够同时测试地表水和地下水中七大类抗生素的方法仍
较为缺乏。本文采用超高效液相色谱-串联三重四极杆质谱法(UPLC-MS/MS),建立了同时测定地表水和地
下水中磺***类、四环素类、大环内酯类、喹诺***类、***霉素类、β-内酰***类和其他类共七大类37种抗生素的分
析方法。该方法对水中抗生素有较好的富集作用及灵敏度,~,基质加标回收率大多为
60%~130%。采用本方法测定了北京市永定河地表水、潮白河地表水及潮白河流域地下水中的抗生素。结果
表明:永定河地表水中以磺***类、喹诺***类和大环内酯类为主,%、%%,其中
氧***;潮白河地表水中磺***类、喹诺***类和***霉素类抗生素的检出率均为100%,
;潮白河流域地下水中以磺***类、喹诺***类和β-内酰***类抗生素为主,
%、%%,磺***。污水处理厂附近样品中抗生素的
检出率及浓度均明显高于其他点位。本研究建立的方法简单、快速、准确,为地表水和地下水中的抗生素监
测提供方法支撑,为水资源的合理利用及水中新污染物的治理提供了科学依据。
关键词:抗生素;超高效液相色谱-串联三重四极杆质谱法;地下水;地表水;北京市
要点:
(1)建立的UPLC-MS/MS同时定量测试七大类37种抗生素的方法,可应用于地表水和地下水中抗生素的
检测。
(2)该方法应用于北京市永定河地表水、潮白河地表水与潮白河流域地下水中抗生素的检测,均有不同程度
的检出。
(3)污水处理厂附近地表水和地下水中抗生素含量相对较高。
中图分类号::A
抗生素被广泛用于预防和治疗人类及动物的某用量逐年增加,而其中超过一半的抗生素无法被人
些传染性疾病,可提高生长速度及效率,此外也被广和动物吸收,以原形排入环境中[3]。抗生素通常具
泛应用于水产养殖[1-2]。近年来抗生素的生产和使有较高的水溶性,已在各类水体环境中被广泛
收稿日期:2021-11-06;修回日期:2021-12-23;接受日期:2022-01-27
基金项目:国家自然科学基金重点基金“典型抗生素对地下水系统中反硝化过程的影响机理研究”(41731282);中国地质
调查局地质调查项目“地下水中有机污染组分对补给方式的响应———水样测试分析质量控制”(DD20190323)
第一作者:营娇龙,博士研究生,水文地质学专业。E-mail:******@。
通信作者:刘菲,博士,教授,从事有机物污染监测与地下水污染治理研究。E-mail:******@。
—493—
第3期营娇龙,等:超高效液相色谱-串联质谱法同时测定水体中37种典型抗生素第41卷
检出[2]。水体环境中长期存在的痕量抗生素会影液相色谱-质谱联用仪:超高效液相色谱-串
响微生物种群数量、对水生生物有毒害作用,抑制植联三重四极杆质谱仪(H-Class,Xevo-TQ-S,美
物体的光合作用甚至影响硝化反硝化作用的正常进国Waters公司),配备电喷雾电离源(ESI),色谱柱
行[4-5]。由于水体环境中长期存在着抗生素,细菌为WatersACQUITYUPLCBEHC18色谱柱(
耐药性问题逐渐显现,成为潜在的生态危害[6],因×50mm)。
此对水体中抗生素的检测日益受到人们的关注,开标准物质:15种磺***类抗生素(磺***二***嘧
发不同类型抗生素的同时检测方法已是分析工作者啶、磺***醋酰、磺***吡啶、磺***二甲氧嘧啶、磺***二甲
的重点研究课题。异唑、磺***多辛、磺******哒嗪、磺***苯吡唑、磺***噻
抗生素按照化学结构或作用机理进行分类。唑、磺***嘧啶、磺***间甲氧嘧啶、磺******嘧啶、磺***
化学结构上具有明显区别的六大类抗生素,分别为喹恶啉、磺***甲恶唑及磺***甲氧哒嗪),2种四环素
磺***类、四环素类、大环内酯类、喹诺***类、***霉素类类抗生素(四环素及土霉素),3种大环内酯类抗生
和β-内酰***类抗生素。而另外一部分抗生素由于素(林可霉素、罗红霉素及替米考星),8种喹诺***类
不具有与以上抗生素相近的性质或结构被归为其他抗生素(沙拉沙星、吡哌酸、***罗沙星、氧***沙星、西
类,该类抗生素的应用较为广泛,但相关的环境调查诺沙星、萘啶酸、恶喹酸及***甲喹),2种***霉素类抗
较为缺乏。抗生素的检测方式已有多种,其中液相生素(***霉素及甲砜***霉素),2种β-内酰***类抗
色谱技术被广泛应用于抗生素检测,尤其是液相色生素(苯唑西林及头孢拉定)及5种其他类抗菌剂
谱-串联质谱技术由于具有灵敏度高、检出限低、多(噻苯唑、甲硝唑、甲氧苄***嘧啶、硝呋酚酰肼及卡
组分同时检测等优点,被用于各类水体中抗生素调巴多),共37种标品,
查[7-9]。近年来超高效液相色谱-串联三重四极杆GmbH公司。
1313
质谱法(UPLC-MS/MS)的应用已有一些报道,如同位素内标:磺***吡啶-C6(SPD-C6)、
[10][11]1313
董恒涛等和朱峰等采用该方法测定了地表水磺******达嗪-C6(SCPD-C6)及二***沙星-D3
中喹诺***类和β-内酰***类抗生素的浓度;Xue(DIF-D3)购自德国WITEGA公司;去***金霉素
等[12]测定了地下水中六大类35种抗生素;马健生(DEOCY);
[13]1313
等采用该方法揭示了哈尔滨市地下水中六大类红霉素-C-D6(ERY-C6-D6)购自加拿大
29种抗生素的分布特征。但以上报道均没有涉及TLCPharmaceuticalStandards公司。替代物磺***二
第七大类(其他类)抗生素。甲嘧啶-D6(SDX-D6)及氧***沙星-D3(OFL-
本文建立了一种采用UPLC-MS/MS同时测定D3)购自德国WITEGA公司。
水体中七大类(包括其他类)共37种抗生素的分析甲醇和乙***(色谱纯)购自德国Merck公司。盐
方法。这37种抗生素包括:15种磺***类、2种四环酸、氢氧化钠购自中国北京化工厂,甲酸购自美国
素类、3种大环内酯类、8种喹诺***类、2种***霉素Sigma-Aldrich公司。乙二***四乙酸二钠购自中国国
类、2种β-内酰***类抗生素和5种其他类抗菌剂,药集团。所有试剂均为分析纯及以上纯度。
通过空白检出率、空白及基质加标回收率测定评价37种抗生素储备液的配制:准确称取37种抗生
了方法的可靠性。,定容至100mL,配
表水和潮白河流域地表水、地下水样品,应用该方法制成浓度为100mg/L的储备液,于-20℃避光保存。
分析其中七大类抗生素的浓度水平及分布特征, 样品采集
证了方法的实用性。同时也明确了北京市研究区水地表水和地下水样品采集于2021年5月,均遵
体环境中抗生素的分布情况,为水资源的合理利用循标准《地下水污染地质调查评价规范》(DD2008
及水体中新污染物的治理提供科学依据。-01)采样程序进行。地表水选取水流平稳、远离
岸边在水面10cm以下的位置采集,尽量避免泥沙
1 实验部分及颗粒物。所有样品采集1L储存于1L棕色玻璃瓶
仪器和主要试剂中,均于当日运回实验室于-4℃避光保存,并于7d
固相萃取仪:AutoSPE-06C固相萃取仪(SPE,内前处理完毕。
美国Reeko公司),萃取柱为OasisHLBSPE柱永定河流域采样点位于北京市门头沟区、房山
(6mL,500mg,美国Waters公司)。区和丰台区(图1)。由于研究区永定河均位于城区
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岩 矿 测 试
第3期2022年
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图1 研究区采样点分布图
Distributionofsamplingpointsinthestudyarea
内,难以采集到离河岸较近的地下水,~。随后将10μL替代物标准储备液
的地下水无法说明地下水和地表水之间抗生素的关(SDX-D6和OFL-D3,浓度为4mg/L,溶剂为甲醇)
联,而目前国内外文献中尚未对永定河地表水中抗加入每个样品中。
生素开展系统调研,故本项目组仅采集了永定河地Na2EDTA溶液对SPE柱进行连续活化,活化完成后
表水中的数据。潮白河流域采样点位于潮白河入北将制备好的1L水样以6mL/min通过SPE柱。用
京城区段(怀柔区、顺义区及密云区)。具体采样点10mL超纯水浸出SPE柱后在氮气保护下干燥
位置描述如下。30min,
永定河地表水采样点编号为S1~S9。除S1外醇的混合溶液(V/V=5∶95)洗脱。最后利用氮气
均位于永定河北京段下游,处于永定河出山后入城在30℃的条件下将洗脱液吹扫至1mL以下,并使用
区段。其中S1、S3~S6取自永定河干流;S2取自莲甲醇-水溶液(V/V=1∶1)将洗脱液体积定容至
13
石湖公园旁无名支流;S7~S9取自支流小清河。,将10μL内标混合物(SPD-C6、SCPD-
1313
潮白河地表水采样点编号为S10~S15。其中C6、DIF-D3、DEOCY及ERY-C6-D6,浓度为
S10~S13取自潮白河干流;S14取自城北减河上;4mg/L,溶剂为甲醇)添加到最终样品中。直至仪器
S15位于怀河上。分析前,样品均于-4℃避光储存。
潮白河地下水采样点编号为G1~G9。 质量控制
G1位于城北减河入潮白河下游左岸;G2及G8位于前处理及分析过程的质量保证及控制遵循美国
远离城区的村庄内;G3、G5~G7、G9紧临潮白河干EPA8270D和8000B方法。在永定河地表水和潮
流右岸;G4位于怀河入潮白河处左岸。白河流域地表水及地下水分析处理中,分别添加一
样品前处理个实验室空白、一个实验室空白加标、一个平行样和
样品前处理是采用实验室前期研究成果[12]。一个样品基质加标到检测序列中。测试过程中两组
,在1L水样中空白样品中抗生素的检出浓度均低于检出限,空白
加入6g的Na2EDTA,通过盐酸和氢氧化钠溶液将pH及基质加标回收率均在60%~130%之间。
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第3期营娇龙,等:超高效液相色谱-串联质谱法同时测定水体中37种典型抗生素第41卷
2 方法线性范围、检出限及回收率
抗生素测试方法及优化校准曲线的配制:浓度分别为4、12、20、40、60、
根据本文课题组前期的研究[7,12,14-15],对抗生80、100、120、140μg/L标准混合溶液(内标浓度均为
素分析方法进行了改进和优化[15],使得测试方法能40μg/L),以各抗生素峰面积与其对应内标物峰面
够应用于七大类共37种抗生素,补充了之前方法所积的比值为纵坐标,样品浓度为横坐标进行线性分
忽略的其他类抗生素。首先对有机流动相进行优析。经上机定量分析,所有目标检测物均有良好的
化,分别使用甲醇、乙***、甲醇/乙***(V/V=1∶1)作线性关系,。
为有机流动相来分离37种抗生素。结果发现甲醇方法检出限(MDL)是通过向1L超纯水中加入
作为流动相时,总离子流图中大部分抗生素的峰形37种抗生素标准溶液,连续分析7个空白加标样
拖尾较为明显。而乙***作为流动相时,部分目标抗品,加标配制浓度列于表2,用校准曲线计算样品中
生素无法被质谱检测到,这是由于乙***具有较强的目标分析物的浓度,计算7次测定浓度的标准偏差,
极性,大部分目标分析物会在很短的时间内从色谱按下列公式计算方法检出限。37种抗生素的检出
柱上洗脱下来,不能使所有物质较好地分离。~,如表2所示。
用甲醇-乙***(V/V=1∶1)作为流动相时,37种目MDL=s"t(n-1,1-α=)
标分析物在15min内可以较好地分离,同时峰形对式中:s—加标样品测试结果的标准偏差;t—自由度
称性强且没有明显的拖尾。接着在超纯水中不加甲为n-1时的Student’s值,查t值表得到当n=7
%、%甲酸,对目标分析物的时,在99%置信区间(α=)下,t=;n—加
峰形进行优化。%甲酸后,抗标样品数量,n≥7。
生素检测的灵敏度显著提高,这是由于流动相中的实验室空白样品中37种抗生素的浓度均低于
氢离子浓度升高,增强了正离子模式下分子离子相应的方法检测限(MDL),替代物的回收率范围为
+
[M+H]的形成,检测信号增强使得峰形更好。%~%,平行样中抗生素浓度的RSD小
%甲酸的加入则使得流动相中氢离子浓度过高,于10%,平行性较好。在超纯水、地表水和地下水
+
进而抑制了[M+H]的形成,检测信号减弱,抗生中分别设置加标样品,以评价该方法在不同水体环
素检测的灵敏度下降。境中的适用性。实验室空白加标、地表水及地下水
最终液相色谱条件为:%甲酸
加标是将10μL37种抗生素的混标(浓度为4mg/L,
水溶液,流动相B为甲醇和乙***混合液(V/V=
溶剂为甲醇)分别加入1L超纯水、地表水及地下水
1∶1,%甲酸),,梯度洗脱
中,随后采用上述前处理及分析测试方法进行抗生
参数如下(以流动相B变化为例):0min,10%B;
素浓度分析。地表水加标样品选择为S6点,该点除
0~5min,10%~40%B;~,40%~80%
磺***嘧啶(4ng/L)、磺***甲唑()及甲砜***
B;~,80~100%B;~,
霉素()外其余抗生素均未检出;地下水加
100~10%B;~,10%B。样品进样量
标样品选择为G1点,该点除***霉素()及苯
为1μL,柱温为40°C。
唑西林()外其余抗生素均未检出。80%
通过将抗生素单标直接注入质谱检测器内,通过
以上的超纯水加标(n=3)、地表水基质加标(n=2)
masstune模块扫描并调节锥孔电压选择出准确的分
和地下水基质加标(n=2)的抗生素回收率的RSD
子离子使其响应值达到最大。随后通过逐渐增加碰
撞能,选择信号稳定且强度较大的子离子和母离子组在10%以内。
成检测离子对。之后不断优化每个离子对的碰撞能各抗生素在三种水中回收率的平均值见表2。
和锥孔电压。%的抗生素回收率在60%~130%,
管电压、锥孔电压和碰撞能等条件。在MS/%的抗生素回收率在60%~130%,
中,%的抗生素回收率在60%~130%。
应监测模式。离子源温度和脱溶剂温度分别为120℃地表水和地下水中抗生素的平均回收率低于超纯
和500℃。碰撞气体和脱溶剂气体的流速分别设置为水,说明样品基质的复杂性对抗生素的回收率是有
10L/h和900L/h。所分析的37种抗生素的母离子、影响的。地表水中抗生素的回收率略低于地下水,
锥孔电压和碰撞能等质谱条件如表1所示。这种差异主要集中于磺***类抗生素。甲砜***霉素在
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岩 矿 测 试
第3期2022年
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表1 37种抗生素的定量内标和质谱参数
Table1 Quantitativeinternalstandardandmassspectrometricparametersof37antibiotics
母离子锥孔电压子离子1/子离子2/
抗生素类别抗生素名称英文缩写内标
m/z(V)碰撞能(V)碰撞能(V)
13
磺***二***嘧啶SM2SPD-/15
13
磺***醋酰SASPD-/20
13
磺***吡啶SPDSPD-/26
13
磺***二甲氧嘧啶SDMSCPD-/30
13
磺***二甲异唑SIZSPD-/14
13
磺***多辛SDOSCPD-/28
13
磺******哒嗪SCPDSCPD-/28
13
磺***类磺***苯吡唑SPPSCPD-/28
13
磺***噻唑STSPD-/14
13
磺***嘧啶SDSPD-/14
13
磺***间甲氧嘧啶SMMSPD-/16
13
磺******嘧啶SM1SCPD-/24
13
磺***喹恶啉SQSPD-/16
13
磺***甲恶唑SMZSPD-/14
13
磺***甲氧哒嗪SMPSCPD-/16
/26
四环素类DEOCY
/12
/16
13
大环内酯类罗红霉素ROXERY-C6-/18
/40
13
沙拉沙星SARERY-C6-/32
吡哌酸PPADIF-/30
***罗沙星FLEDIF-/26
氧***沙星OFLDIF-/26
喹诺***类
西诺沙星CINDIF-/20
萘啶酸NDADIF-/24
喹酸OXADIF-/30
***甲喹FLUDIF-/16
***/25
***霉素类DEOCY
甲砜***/22
/20
β-内酰***类DEOCY
/44
/22
/20
其他类甲氧苄***/28
/16
/12
地表水中的回收率过高(%),这可能是由于孢拉定在环境中浓度降低的主要原因[16],可能是由
地表水中较高的离子含量,促进了其在地表水中的于三种水均呈中性或弱碱性更有利于β-内酰***类
离子化以及[M+H]+分子离子的形成,导致检测信抗生素在水体中的水解[17],导致其回收率较低。另
号增强浓度偏大。西诺沙星和萘啶酸的回收率超过外甲硝唑在三种水基质中的回收率均较低,约为
100%,说明在检测时有仪器离子效应,样品基质中40%,但其回收率在多次测试中均是稳定的。回收
某些离子会与其结合,增强了其响应值和检出浓度。率较低的头孢拉定和甲硝唑在后续测试中的数据仅
头孢拉定在三种水体中的回收率均不高,水解是头供参考。
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第3期营娇龙,等:超高效液相色谱-串联质谱法同时测定水体中37种典型抗生素第41卷
表2 不同水基质中各抗生素加标回收率的平均值和方法率及检出浓度如图2所示。从图中可知17种抗生
检出限素在测试中被检出,包括磺***类抗生素(磺***吡啶、
Table2 Averagerecoveriesofantibioticsindifferentaqueous磺******哒嗪、磺***嘧啶、磺***甲恶唑),大环内酯类
matrixesanddetectionlimits抗生素(林可霉素、罗红霉素、替米考星),喹诺***类
回收率(%)
方法检抗生素(氧***沙星、西诺沙星、萘啶酸、***甲喹),***
空白检方法检
超纯水地表水地下水出限配霉素类抗生素(***霉素、甲砜***霉素),-内酰***类
抗生素名称出浓度出限β
加标加标加标制浓度
(ng/L)(ng/L)抗生素(苯唑西林、头孢拉定)及其他类抗菌剂(甲
(ng/L)
(n=3)(n=2)(n=2)硝唑、甲氧苄***嘧啶)。六大类抗生素在永定河地
磺***二***%、%、
磺***
磺***%、%、%%,在潮白河地表水
磺***,分别为磺***类
磺***二甲异(100%)、大环内酯类(50%)、喹诺***类(100%)、***
磺***
磺******(100%)和其他类(%)。在潮白河地下
磺******类、大环内酯类、喹诺***
磺***、***霉素类和β-内酰***类抗生素五类抗生素,检
磺***
%、%、%、%和
磺***
磺******%。所有在地下水体中有检出的抗生素均在地
磺***。抗生素的环境分布受到其理化性质
磺***
的影响,检出浓度和检出率较高的磺***类抗生素具
磺***
,在固体颗粒上的吸附能力较
[18],更易于在水体中迁移。氧***沙星较长的半衰
期使得其能够持续在环境中存在[19]。大环内酯类
[20]
,
[21]。
永定河地表水抗生素分布特征
***
氧***,磺***甲
,%,永定河流
***沙星、林可
******甲恶唑,、
***。浓度平均值最高的三种抗生素也是磺***
甲砜***、氧***沙星和林可霉素,、
/L。与北京市其他地表水体相
[22-23]
,其检出浓度显著低于清河、温榆河等。与
,永定河地表水中抗生素
甲氧苄***
[24-25]
。采集于永定河干流的S1、S2、S4、S5和S6
注:ND表示未检出。点的抗生素总检出浓度均小于50ng/L,说明永定河
干流受到抗生素污染较轻。S7、S8、S9三个点抗生素
实际地表水和地下水样品抗生素测试结果检出率及浓度均较高,、
/L。这三个点布设于房山区小
使用本文建立的方法对永定河9个地表水采样清河与其支流九子河上,分别位于某污水处理厂上游
点及潮白河6个地表水采样点、9个地下水采样点500m、附近及下游2000m处,说明污水处理厂对附近
抗生素含量进行了测试,其中被检出抗生素的检出地表水中抗生素的浓度有一定的影响。
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岩 矿 测 试
第3期2022年
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图2 永定河流域地表水(n=9)、潮白河流域地表水(n=6)和潮白河流域地下水(n=9)中抗生素的检出率及检出浓度
Detectionrateandconcentrationofantibioticsinsurfacewater(n=9)ofYongdingRiver,surfacewater(n=6)ofChaobai
Riverandgroundwater(n=9)ofChaobaiRiverBasin
潮白河流域地表水与地下水抗生素分布相似[27]。与潮白河流域地表水中抗生素的检出率
特