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),導致海馬反應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上調(diào);三氯生可以干擾藻類的光合作用和細菌的繁殖等。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[15],導致毒性增強,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。

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確掌握水環(huán)境中PPCPs污染水平、有效開展防治措施及風險評估的前提和基礎。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]基礎上,考慮我國PPCPs的生產(chǎn)和使用情況,結(jié)合國家和地方標準[24-47]以及標準物質(zhì)的易獲得性,拓展了目標物的種類和數(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)標的具體信息見表1和表2。所有標準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 標準溶液配制

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。

標準品用甲醇(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的標準儲備液,于-20 ℃冰箱保存。用甲醇配制1 μg/mL的混合標準溶液,使用時用含Na2EDTA的稀釋溶劑配制成需要的濃度。

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

1.3 樣品前處理

根據(jù)文獻[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-多反應選擇離子監(jiān)測(Schedule-MRM)模式。正離子/負離子檢測;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)標混合溶液(100 μg/L),根據(jù)化合物的化學性質(zhì)及結(jié)構(gòu),分別在ESI源正、負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)生絡合反應形成化合物-金屬離子絡合物。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,與抗生素的絡合傾向越大。Na+和K+等一價金屬離子基本無絡合能力,Ca2+和Mg2+具有較強的絡合能力,Fe3+和Cu2+的絡合能力最強。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的空白加標樣品進行分析,所有組分的加標回收率如圖4所示,結(jié)果顯示,材質(zhì)為RC時目標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準溶液,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X,以其對應的峰面積與內(nèi)標峰面積的比值為縱坐標Y,繪制標準曲線。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標準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種水平的混合標準工作液,每個水平各平行測定6次,考察其回收率及相對標準偏差。結(jié)果表明,方法的回收率為80.4%～128%,相對標準偏差為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)的標準分析方法,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。本文方法與文獻報道和標準方法相比(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。