Name: 高效液相色谱-ESI-Q-MS 与红霉素通过光致降解法鉴定水生环境中的药物 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-01T14:30:00.000+00:00
Duration: 5 min 46 s
Description: 了解利用高效液相色谱-电喷雾-四极杆-飞行时间质谱技术进行水中药品非靶向分析的方法。本研究评估了紫外光照射降解红霉素等药物污染物的动力学过程，为环境保护提供重要数据支持。

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Melanie Voigt 感谢下莱茵应用科学大学研究生院提供的奖学金。作者感谢其所在机构提供的进一步财政支持。

1. 样品制备：固相萃取
<ol>
	<li>收集约1 L水用于样品制备。</li>
	<li>使用孔径为 2 µm 的蓝色滤膜过滤样品，以去除粗颗粒。</li>
	<li>使用 3 mL 甲醇和 3 mL 超纯水平衡固相萃取柱。</li>
	<li>将滤液（1 L）上样至固相萃取柱，并通过适度真空提高流速。 例如，一种隔膜泵。 
	注意：可同时平行运行多个固相萃取柱。</li>
	<li>用3 mL超纯水洗涤样品。</li>
	<li>用3 mL甲醇从柱芯吸附剂中洗脱分析物。</li>
	<li>使用旋转蒸发仪将3 mL洗脱液浓缩至干。</li>
	<li>将残留物溶于1 mL超纯水中。</li>
	<li>通过注射器滤膜过滤溶液，并将滤液收集至小瓶中，用于HPLC-ESI-Q-TOF-MS非靶向分析。</li>
</ol>
2. 非靶向与靶向分析及串联质谱的高效液相色谱-电喷雾电离-四极杆-飞行时间质谱法
<ol>
	<li>将样品瓶转移至HPLC-ESI-Q-TOF-MS自动进样器。</li>
	<li>设置所有相关参数（表1用于HPLC-ESI-Q-TOF-MS 
	注意：如果使用有限的碰撞能量， 即，碰撞能量（CE）≠ 0，离子将发生碎裂。此模式对应于靶向的串联质谱（MS/MS）方法。</li>
	<li>开始测量。</li>
	<li>分析所得色谱图和质谱图。</li>
</ol>
3. 紫外照射实验
<ol>
	<li>溶解抗生素化合物， 例如， 红霉素（750 mg/L），溶于超纯水中，终浓度为20 mg/L。</li>
	<li>将750 mL溶液加入用铝箔包裹的1 L光反应器中。</li>
	<li>将提供15 W功率的灯引入反应器中。</li>
	<li>以500 rpm的转速启动磁力搅拌器。</li>
	<li>通过逐滴加入 HCl（0.1 M）或 NH₃ 调节 pH 值至所需范围 3–4、6–7 或 8–93 （必要时为 0.1 M）。以 pH 6–7 为例。</li>
	<li>使用注射器在0时间点吸取2 mL反应溶液作为样品，转移至2 mL玻璃小瓶中。</li>
	<li>打开紫外灯，并记录已流逝的时间。 
	注意：通常10分钟的照射时间已足够。若需确保光反应完全，可能需要根据第一次实验系列的结果，进行第二次实验系列。 
	注意：紫外线照射可能导致失明。</li>
	<li>在实验开始的前5分钟内，每30秒从溶液中吸取2 mL样品；随后每60秒取样一次，直至实验结束。将样品转移至2 mL样品瓶中。</li>
	<li>将小瓶储存于 -4 °C，直至进行 HPLC-ESI-Q-TOF-MS 分析。</li>
	<li>使用步骤2中所述的方法，采用HPLC-ESI-Q-TOF-MS分析16个样品。</li>
</ol>
4. 动力学分析
<ol>
	<li>准备合适的软件，例如 MATLAB R2016b 的曲线拟合工具箱。</li>
	<li>根据一级动力学拟合母体抗生素化合物光诱导降解的质量-面积随时间变化的数据，见公式 242,43 
	<img alt="First-order reaction rate equation \(c_A = c_{A0} \cdot e^{-k_1t}\) formula." src="/files/ftp_upload/57434/57434eq1.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="Equation 1">   (2) 
	浓度 <img alt="Complex reaction rate equation, chemical kinetics formula, scientific calculation." src="/files/ftp_upload/57434/57434eq2.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="Equation 2"> 指反应物A的初始浓度， cA 反应时间内的实际浓度 t 速率常数 k1 从第一个反应步骤A到B。</li>
	<li>使用公式 3 和公式 4 拟合降解产物的质量-面积随时间变化的曲线，因其可被描述为连续或后续反应中的中间产物。 即，根据反应模型 A →B → C → D，生成产物 B 或 C。 
	<img alt="Chemical kinetics, dynamic equilibrium equation; rate constants, concentration formula analysis." src="/files/ftp_upload/57434/57434eq3.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="Equation 3">   (3) 
	<img alt="Chemical kinetics equation; cC in reaction mechanism formula." src="/files/ftp_upload/57434/57434eq4v5.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="Equation 4">   (4) 
	浓度 cB 和 cC 参照中间产物 B 和 C；以及 k2,k3 对应的速率常数 B 到 C，C 到 D。</li>
	<li>如果照射时间不足以观察到光解产物的降解，则使用公式5拟合数据。该降解物可视为终产物D，其浓度为 CD 以获得速率常数。 
	<img alt="Chemical reaction kinetics equation, formula for concentration dynamics, educational diagram." src="/files/ftp_upload/57434/57434eq6.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="Equation 6">   (5)
	<ol>
		<li>若反应以B为终产物，则使用公式6而非公式3计算B的浓度。若终产物为C，则使用公式7而非公式4计算C的浓度。 
		<img alt="Reaction kinetics formula \(c_B = c_{A_0}(1-e^{-k_1t})\), evaluates concentration change." src="/files/ftp_upload/57434/57434eq7.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="Equation 7">   (6) 
		<img alt="Chemical kinetics equation cC showing reaction rate dynamics; symbol formula." src="/files/ftp_upload/57434/57434eq8.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="Equation 8">   (7)</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用公式 8 确定半衰期 t1/2. 
	<img alt="Half-life formula \( t_{1/2} = \frac{\ln 2}{k} \); decay rate calculation equation." src="/files/ftp_upload/57434/57434eq10.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="Equation 10">   (8)</li>
</ol>

作者声明不存在竞争性财务利益。

本报告中展示的非靶向分析示例，采用高效液相色谱-电喷雾电离-四极杆飞行时间质谱（HPLC-ESI-Q-TOF-MS）、串联质谱（MS/MS）以及与标准品比对作为最终确证手段，实现了地表水中药物的鉴定。利用飞行时间质谱（TOF-MS）进行非靶向分析的优势在于，能够检测在特定保留时间下存在的所有离子，并凭借高质荷比精度预测化合物的初步分子式。作为TOF质谱仪的替代方案，已有研究报道采用轨道离子阱（orbital ion trap）进行水中污染物分析44。分子式预测可作为快速筛选标准品的起点。通过Q-TOF-MS仪器的靶向质谱方法，仅允许预选定的离子通过四极杆过滤器，从而实现对特定化合物的检测。通常情况下，靶向分析在水质分析中也常采用三重四极杆质谱仪进行45。为校正因仪器不完美导致的实测质量与理论质量之间的偏差，可进行色谱行为与标准品的比对。靶向的MS/MS方法也可用于化合物的鉴定分析。在此方法中，离子被选择、碎裂，并检测其碎片离子。由于MS/MS的灵敏度低于MS，所检测水样中药物浓度过低，未能获得有意义的碎片信息。然而，若能检测到碎片离子，则可更可靠地鉴定化合物。灵敏度不足的问题可通过增大初始水样体积并进行浓缩来克服。此外，采样后应尽快进行分析，以避免潜在的生物降解46,47,48,49。否则，样品应保存在-20 °C条件下，以防止化合物降解或发生化学反应。
有时相同的质荷比（m/z）值会在不同的保留时间出现。这可能是由于异构体需要不同的分析技术所致。也有可能完全未检测到任何化合物，但这并不一定证明其不存在；这些化合物可能只是未能形成离子，或浓度低于检测限。水的类型也会影响药物的存在情况。与污水及污水处理厂的出水相比，药物极少进入水源水和地下水中48,50,51,52,53。
在降解实验中，应预先对辐照光源进行表征，因为灯的光子通量或光子辐照度对降解过程及降解机制具有显著影响。初次尝试时，可使用真空紫外/短波紫外（VUV/UVC）灯，例如低压汞灯即可满足需求。通常情况下，可添加过氧化氢（H₂O₂），2O2, 加速降解27,36,37,54. 当使用不同的灯时， 例如使用UVA灯时，应确保羟基自由基的形成。 例如，通过添加二氧化钛 23,24,30,31对于许多化合物（如红霉素）而言，起作用的主要是羟基自由基，而非药物自身的光反应性27是诱导降解的物种。
为确定动力学参数，将代表浓度的质谱检测色谱图中信号峰面积对辐照时间作图。为拟合数据，建议使用合适的软件。此处采用了 MATLAB 的曲线拟合工具，可快速利用正确的方程对数据进行计算和拟合。中间体的动力学需通过更复杂的方程确定。拟合的质量参数 即，R2 均方根误差（RMSE）也易于获得。
本研究展示了对河水的分析，以检测和鉴定药物污染物，并在超纯水中研究了红霉素的光降解过程。在环境水体（如地表水）中，由于存在腐殖质等吸光物质，会获得不同的降解速率和速率常数。根据作者的经验，降解通常进行得较慢，但有时也可达到相近的速率41,56。
水环境中药品（尤其是抗生素）的全球性问题及其引发的危害仍在持续加剧1。由于化学品、代谢产物及其降解产物种类繁多、性质各异，非靶向分析将成为在环境中发现这些物质的最重要分析手段57。为了实现有效去除，需要基于高级氧化工艺设计污水处理厂的新型处理环节，其中可能包括紫外辐照。

药品经常在水生环境中被检出1,2,3,4,5。其中一个重要来源是污水处理厂（WWTP）的排放废水6,7,8,9。药品在整个水循环中的存在情况已在图里亚河盆地进行了典型研究10。其中，抗生素是一类特别有害的药物，因为它们常常未经生物处理阶段降解而直接排出，并可能在环境中引发细菌耐药性11,12,13。大环内酯类是一类在人类医学和兽医学中均广泛应用的抗生素药物，其代表性化合物在排放废水中已被检测到浓度高达 1 µg/L14,15,16,17,18,19。红霉素（Ery）便是其中之一20,21。在水体中，红霉素常与脱水红霉素A（Ery A - H2O）共存，后者是一种脱水产物22,23。红霉素因酸性不稳定而发生脱水反应。红霉素与脱水红霉素的比例取决于pH值24,25,26,27。
从化学结构上看，大环内酯类化合物含有一个大环内酯环，其上连接有多种糖基。 例如，脱氧糖胺、克拉定糖或麦卡霉糖。由于大环内酯类是通过发酵过程获得的化学修饰天然产物，常以混合物形式存在。所称的A、B、C型组分 等等糖基取代基的不同导致了差异。糖基部分及其在内酯环上的位置决定了大环内酯类的作用方式28,29为了最大限度地减少对环境的危害，应在药物进入水生环境之前将其完全矿化27,30,31,32.
本研究的第一部分涉及地表水中药品的检测，这对于监测排放废水和开放水体均具有重要意义。为了在不同基质中筛查微克量级的多种未知物质，非靶向分析是首选方法20,33,34,35。特别是高效液相色谱-电喷雾电离四极杆飞行时间质谱法（HPLC-ESI-Q-TOF-MS）因其高特异性和高灵敏度已被证明具有极高的应用价值。在确定物质结构后，可通过采用靶向质谱方法进一步提高检测灵敏度，即让四极杆工作于选择模式，并将碰撞池中的碰撞能量设为零，从而使离子以非碎裂状态到达飞行时间（TOF）检测器。
本研究的第二个重点是红霉素的去除。为去除此类药物，采用了所谓的高级氧化工艺（AOPs）。 例如，由紫外光照射启动36,37,38降解过程的关键在于通过真空紫外/紫外C（VUV/UVC）辐照水体产生羟基自由基，如反应式1所示。
H2O + hν(&#60;200 nm) → H2O* → H. + .OH&#160; &#160; &#160; &#160; (1)
羟基自由基具有2.8 V的高氧化电位，有利于物质的降解36,37。
本文描述了在考虑pH影响的情况下，利用真空紫外光/紫外光（vacuum UV/UVC）照射降解水中红霉素的方法。使用高级氧化工艺（AOPs）可能导致生成更具危害性的产物，这被认为是其应用的一个缺点39,40。因此，必须持续照射直至药物完全矿化。为了更准确地估算照射时间，需确定反应的动力学模型、反应速率常数以及原始药物及其光降解产物的半衰期。为此，通过HPLC-ESI-Q-TOF-MS测定获得浓度-时间（c-t）曲线，并利用MATLAB将其与化学动力学模型进行比较。降解反应动力学符合一级反应动力学特征，光降解产物被描述为连续或后续反应中的中间产物27,41。

<table><tbody><tr><td>液相色谱用甲醇，LiChrosolv</td><td>Merck</td><td>1060181000</td><td></td></tr><tr><td>甲酸</td><td>Fluka</td><td>94318</td><td></td></tr><tr><td>HCl</td><td>Riedel-de Haen</td><td></td><td></td></tr><tr><td>NH3</td><td>Riedel-de Haen</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Simplicity 185 水纯化系统</td><td>EMD Millipore</td><td></td><td>用于制备 MilliQ 水</td></tr><tr><td>红霉素</td><td>BioChemica AppliChem</td><td>A2275,0005</td><td></td></tr><tr><td>Rotilabo 滤器，型号 113A</td><td>Roth</td><td>AP78.1</td><td></td></tr><tr><td>SPE 小柱 Oasis HLB 3cc (60mg)</td><td>Waters</td><td>WAT094226</td><td></td></tr><tr><td>BAKER SPE-12G</td><td>J.T. Baker</td><td></td><td></td></tr><tr><td>膜泵 PC3001 VarioPro&amp;nbsp;</td><td> Vacuubrand</td><td></td><td></td></tr><tr><td>旋转蒸发仪；Laborota 4000 efficient</td><td>Heidolph Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>注射器，2 mL</td><td>Terumo</td><td></td><td></td></tr><tr><td>尼龙注射器滤膜 Target2</td><td>Thermo Scientific</td><td>10301345</td><td></td></tr><tr><td>C-18 CoreShell 色谱柱，50 mm × 2.1 mm，2.6 &amp;mu;m 粒径</td><td>Thermo Scientific</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HPLC 1200</td><td>Agilent</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ESI-Q-ToF-MS 6530</td><td>Agilent</td><td></td><td></td></tr><tr><td>光反应器，UV Labor Reactor System 3</td><td>Peschl Utraviolet GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>真空紫外/紫外C波段灯，TNN 15/32，15 W</td><td>Heraeus</td><td></td><td></td></tr><tr><td>pH计，pHenomenal pH 1100L</td><td>vwr</td><td>662-1657</td><td></td></tr><tr><td>磁力搅拌器</td><td>Heidolph Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MassHunter 工作站 B.06.00</td><td>Agilent</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MATLAB R2016b</td><td>Mathworks</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

利用高效液相色谱-电喷雾电离-四极杆-飞行时间质谱法鉴定水环境中药物并光诱导降解去除红霉素

Identification of Pharmaceuticals in The Aquatic Environment Using HPLC-ESI-Q-TOF-MS and Elimination of Erythromycin Through Photo-Induced Degradation

在整个水循环过程中监测药物残留对水生环境以及最终对人类健康日益重要。目前主要采用靶向分析和非靶向分析方法。尽管通常借助三重四极杆质谱仪进行的靶向分析可能具有更高的灵敏度，但仅能识别预先选定的化合物。本研究采用带有四极杆质量分析器（Q）的飞行时间质谱仪（TOF-MS），这是目前最强大的非靶向分析手段。在固相萃取和高效液相色谱（HPLC）的联用基础上，该非靶向方法能够以高灵敏度和高选择性检测所有可电离物质。充分利用Q-TOF-MS仪器的性能，串联质谱（MS/MS）实验可加速并简化化合物的鉴定过程，而靶向质谱方法虽可提高灵敏度，但依赖于标准品进行定性。本文展示了从莱茵河河水样品中鉴定四种药物的过程。莱茵河发源于瑞士格劳宾登州的托马湖，流经1232.7公里后，在荷兰南贝弗兰附近注入北海。鉴于有效去除水循环中药物残留具有重要意义，本文在实验室规模上演示了紫外-C（UV-C）辐照的处理效果。该方法可快速降解药物，文中以大环内酯类抗生素红霉素为例进行了说明。利用上述HPLC-Q-TOF-MS方法，获得了母体药物及其光降解产物的浓度-时间变化图。在建立一级连续反应动力学方程的基础上，通过计算拟合可确定相应的动力学参数，这些参数可能有助于在将紫外辐照作为污水处理第四处理阶段进行考虑时，预测所需的辐照时间和条件。

经过固相萃取后，在所有情况下均得到黄色至深绿色的溶液，表明其中含有叶绿素类物质（图1）。该水样中含有的药物通常不会导致明显的颜色变化，因为其浓度和吸光度一般过低。因此，需要采用高效液相色谱法（HPLC）和高分辨质谱法来分析药物的存在。
在非靶向分析中，采用了高效液相色谱-电喷雾电离-四极杆-飞行时间质谱（HPLC-ESI-Q-TOF-MS），因其具有出色的质荷比准确性，可获得每种化合物离子的精确质量。所进行分析得到的质谱检测色谱图以基峰色谱图（BPC）形式呈现，该图显示了在色谱分离过程中记录的每个质谱图中强度最高的峰。图2所示示例为来自莱茵河的水样的BPC图。
BPC 显示出二十多个峰，反映了不同的质荷比（m/z）值，因而代表不同的化合物，其中七种在 BPC 中被标记。由于这些物质未知 先验的第一步通常是确定其分子式。这可通过飞行时间检测器（TOF）提供的精确质量和同位素分布模式实现，但由于环境样品中样品浓度较低，并非所有情况下都能观察到同位素模式。借助公共数据库（如德国环境署（UBA）建立的“环境中的药品”数据库，包含约630种化合物），通常可初步鉴定出少量候选物质。最终确证可通过与市售标准品进行比对，或分析其二级质谱（MS/MS）碎片图谱来完成（图3).
本研究中，通过与标准品的保留时间进行比对，实现了对德国地表水中常见药物的鉴定。这些物质包括β-受体阻滞剂美托洛尔（metoprolol）、镇痛药卡马西平（carbamazepine），以及大环内酯类抗生素红霉素A（erythromycin A）及其衍生物脱水红霉素A（anhydroerythromycin A）。其中，红霉素被选为本研究进一步深入分析的示例。所研究的莱茵河水样pH值为7.6，平均温度为16.5 °C。在此pH条件下，水样中也预期存在脱水红霉素。为进行详细分析，将水样的提取离子色谱图（EICs）与参比标准品进行了比对（图4）。
比较结果显示，美托洛尔、卡马西平和脱水红霉素的保留时间与所检测到的分析物之间具有良好的一致性。参考标准品脱水红霉素的提取离子流图（EIC）显示了两个峰，表明红霉素分子中有两个不同位点发生了脱水反应，生成了两种化合物。然而，在莱茵河水样品中仅鉴定出一种脱水红霉素异构体。红霉素本身仅以痕量存在，因此无法获得其MS/MS谱图。该抗生素及其脱水产物的精确质量数见表2。通过提取离子流图（EIC）、质荷比（m/z）值和保留时间，可在莱茵河水样品中鉴定出美托洛尔、卡马西平、红霉素和脱水红霉素。
对于水生环境而言，防止药物通过废水处理厂进入地表水至关重要。为寻求高效的去除方法，以红霉素为例，在不同pH值条件下进行了UV-C辐照实验。通过提取EICs得到的峰面积-时间曲线记录了浓度-时间（c-t）图。降解过程依据公式2进行描述。红霉素由红霉素A、红霉素B以及脱水红霉素A组成，其中后者含有两种异构体。c-t曲线及红霉素A的计算拟合结果如图5所示。在pH为7时，观察到降解速率加快。该现象适用于所研究的全部四种化合物，相关数据未展示。因此，红霉素的光诱导降解应在接近中性的pH条件下进行。对于莱茵河水样，无需调节pH值。
在三种 pH 条件下均检测到药物的光降解产物。表 3 给出了这些光降解产物及其相应结构推测的概览。在对光降解产物进行动力学分析时，以质荷比 m/z = 720 的产物为例。光降解产物通常可被视为反应中间体。因此，这些光降解产物被描述为连续的后续反应过程。中间体类型的选择依据是使用合适软件计算所得拟合优度，以决定系数（R2）和残差均方误差（RMSE）作为评判标准。由于红霉素在酸性条件下不稳定，在光照前已存在可能在光照过程中产生的降解产物。这一情况对方程 3 和方程 4 造成的影响是初始浓度不为零，因此在方程中引入了一个修正因子。图 6 展示了根据方程 3 和方程 4 计算得到的实验数据及拟合曲线。
该中间体示例表现出浓度先呈S形上升，随后为指数衰减的变化趋势。这表明其属于后续跟随反应的中间体。连续反应的中间体则不会出现S形增长。统计质量参数也显示，后续跟随反应模型的拟合优度略为更优。连续反应的决定系数R2为0.9898，低于后续跟随反应的0.9976。因此，所研究的光产物被判定为后续跟随反应的中间体。动力学拟合计算得到了相应的k值，半衰期则根据公式5计算得出。所有相关动力学参数均汇总于表3中。
在 pH 7 时观察到最快的降解速率，其次是 pH 9，而 pH 3 时的降解速率最慢（图5）。该结果同样适用于光解产物的生成与降解过程。共观察到三种光降解产物，其 m/z 值分别为 750.46（对应 Ery F）、720.45（对应 Ery C）和 192.12（对应 DPEry192，即红霉素结构中糖苷键结合的糖组分）（图7）。在 pH 3 和 pH 9 条件下，DPEry192 未观察到降解；在 pH 9 条件下，Ery F 也未观察到降解。在这些情况下，光照时间不足以观察中间产物的完全降解。然而，可通过使用对应于终产物的公式 5 确定其生成速率常数。
<img alt="色谱溶剂萃取过程，两个小瓶中含有有色和无色溶液。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57434/57434fig1.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="图1"> 
图1。莱茵河样品经固相萃取（左）与超纯水（右）处理后的对比。 绿色表明存在含叶绿素的物质。<a href="/files/ftp_upload/57434/57434fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="质谱色谱图，归一化强度的 m/z 峰，x 轴为时间（分钟）" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57434/57434fig2.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="图 2"> 
图 2．固相萃取后水样的 HPLC-ESI-Q-TOF-MS 总离子流色谱图（BPC）。 所有色谱图均归一化至最高峰。图中标注了从相应质谱图中获得的代表性 m/z 值。 <a href="/files/ftp_upload/57434/57434fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="显示分子分析和谱图拟合的质荷比峰的质谱图" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57434/57434fig3.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="图3"> 
图3．红霉素A的Q-TOF-MS谱图（下方）及其离子m/z = 734.4689的MS/MS谱图（上方）。谱图显示了红霉素A的准分子离子及其同位素分布，以及在30 eV碰撞能量下产生的碎片离子。<a href="/files/ftp_upload/57434/57434fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="瞬态吸收光谱图；数据包括光学激发，时间/分钟 vs. 归一化%" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57434/57434fig4.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="图 4"> 
图 4。莱茵河水样（蓝色）和超纯水中的参比化合物（红色）中（A）美托洛尔、（B）卡马西平、（C）红霉素A 和（D）脱水红霉素A 的归一化提取离子色谱图（EICs）。 参比化合物的保留时间与水样中相应药物的保留时间一致。美托洛尔（A）和脱水红霉素（D）的信噪比较卡马西平（B）和红霉素（C）更高，表明后两者仅以痕量存在。 <a href="/files/ftp_upload/57434/57434fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="衰减动力学图，显示动力学研究中浓度随时间变化的指数拟合曲线。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57434/57434fig5.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="图 5"> 
图 5。红霉素A在pH 3（红色）、pH 7（绿色）和pH 9（蓝色）条件下的归一化浓度-时间曲线。 溶液照射10分钟。在pH 7条件下，红霉素从样品中完全去除。浓度-时间曲线可用一级动力学方程描述。动力学速率常数分别为0.10（pH 3）、0.59（pH 7）和=0.21（pH 9）。 <a href="/files/ftp_upload/57434/57434fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="质谱峰面积图，质谱峰面积随时间变化，数据分析，科学结果。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57434/57434fig6.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="图6"> 
图6。红霉素在pH 9条件下光降解产物（m/z = 720）的浓度-时间曲线分别按公式3（A）和公式4（B）拟合结果的比较。 连续反应拟合优度（A）：R2 = 0.9898，RMSE = 4.645E+04；后续跟进反应拟合优度（B）：R2 = 0.9976，RMSE = 2.366E+04。 <a href="/files/ftp_upload/57434/57434fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="化学转化图；红霉素衍生物 Ery C、Ery A-H2O、Ery F、DPEry192 的结构。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57434/57434fig7.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="Figure 7"> 
图7。红霉素A、红霉素B、脱水红霉素及其光降解产物的结构。 本图改编自 Voigt et al.27。产物经UVC照射10分钟后形成，并通过HPLC-Q-TOF-MS和MS/MS进行鉴定。<a href="/files/ftp_upload/57434/57434fig7large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<table fo:keep-together.within-page="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td>液相色谱</td>
			<td colspan="6"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>色谱柱：</td>
			<td colspan="6">反相 C-18</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>色谱柱：</td>
			<td colspan="6">CoreShell 色谱柱；</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>色谱柱规格：</td>
			<td colspan="6">50 mm × 2.1 mm，2.6 μm 粒径</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>色谱柱温度</td>
			<td colspan="6">40 °C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>进样体积：</td>
			<td colspan="6">5 µL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>流速：</td>
			<td colspan="6">0.3 mL/min</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>流动相：</td>
			<td colspan="6">溶剂 A：含 0.1% 甲酸的水</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td colspan="6">溶剂 B：含 0.1% 甲酸的甲醇</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>梯度程序：</td>
			<td colspan="6"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>时间 /min</td>
			<td>0</td>
			<td>1</td>
			<td>10</td>
			<td>11.1</td>
			<td>11.2</td>
			<td>12</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A:B 溶剂比例</td>
			<td>99:1</td>
			<td>70:30</td>
			<td>25:75</td>
			<td>1:99</td>
			<td>1:99</td>
			<td>99:1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>质谱分析</td>
			<td colspan="6"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>离子源：</td>
			<td colspan="6">双 AJS 电喷雾离子源（正离子模式）</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>气体与离子源参数</td>
			<td colspan="6"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>气化温度：</td>
			<td colspan="6">300 °C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>干燥气流速：</td>
			<td colspan="6">8.0 L/min</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>雾化气压力：</td>
			<td colspan="6">14 psig</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>鞘气温度：</td>
			<td colspan="6">300 °C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>鞘气流速：</td>
			<td colspan="6">8 L/min</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>质量扫描范围：</td>
			<td colspan="6">100 - 1000 m/z</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>采集速率：</td>
			<td colspan="6">1 谱图/秒</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>采集时间：</td>
			<td colspan="6">1000 ms/谱图</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>瞬态/谱图</td>
			<td colspan="6">10014</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>靶向质谱方法</td>
			<td colspan="6"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>碰撞能量（CE）：</td>
			<td colspan="6">0 eV</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>目标质量 - 表格</td>
			<td colspan="6">734.4685</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>质谱/质谱分析（通常为自动 MS/MS 模式）</td>
			<td colspan="6"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>碰撞能量（CE）：</td>
			<td colspan="6">30 eV</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>绝对阈值</td>
			<td colspan="6">3000 计数</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>相对阈值</td>
			<td colspan="6">0.01 %</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>质量扫描范围：</td>
			<td colspan="6">100 - 100 m/z</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>采集速率：</td>
			<td colspan="6">1 谱图/秒</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>采集时间：</td>
			<td colspan="6">1000 ms/谱图</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>瞬态/谱图</td>
			<td colspan="6">9964</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>靶向 MS/MS 方法</td>
			<td colspan="6"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>目标质量 - 表格</td>
			<td colspan="6">734.4685</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1. 用于水中药品HPLC-ESI-Q-TOF-MS分析的条件与参数。 建议在色谱运行之间引入清洗步骤，即在两次分析之间进样纯超纯水样品，或通过延长色谱方法的运行时间，以洗脱所有物质。
<img alt="药物化合物分析图谱；质荷比数据、保留时间、化学结构、HPLC-MS 研究。" src="/files/ftp_upload/57434/57434table2.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="表 2"> 
表 2. 在莱茵河样品中检测到的药物及其保留时间、理论与实测的 [M+H]+ 值和化学结构。 ESI 模式设为正离子模式，以检测 [M+H]+ 离子。由于常规实验中已知的原因，保留时间可能有轻微波动。
<table fo:keep-together.within-page="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td>pH 3</td>
			<td>pH 3</td>
			<td>pH 7</td>
			<td>pH 7</td>
			<td>pH 7</td>
			<td>pH 7</td>
			<td>pH 7</td>
			<td>pH 7</td>
			<td>pH 9</td>
			<td>pH 9</td>
			<td>pH 9</td>
			<td>pH 9</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>产物</td>
			<td>k1 [min-1]</td>
			<td>t1/2 [min] (k1)</td>
			<td>k1 [min-1]</td>
			<td>k2 [min-1]</td>
			<td>k3 [min-1]</td>
			<td>t1/2 [min] (k1)</td>
			<td>t1/2 [min] (k2)</td>
			<td>t1/2 [min] (k3)</td>
			<td>k1 [min-1]</td>
			<td>k2 [min-1]</td>
			<td>t1/2 [min] (k1)</td>
			<td>t1/2 [min] (k2)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ery A </td>
			<td>0.1</td>
			<td>6.81</td>
			<td>0.59</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>1.18</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>0.21</td>
			<td>-</td>
			<td>3.37</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ery B </td>
			<td>0.05</td>
			<td>14.23</td>
			<td>0.66</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>1.04</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>0.22</td>
			<td>-</td>
			<td>3.21</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ery A – H2Oa </td>
			<td>0.11</td>
			<td>6.53</td>
			<td>0.59</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>1.17</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>0.19</td>
			<td>-</td>
			<td>3.72</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ery A – H2Ob</td>
			<td>0.15</td>
			<td>4.76</td>
			<td>1.11</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>0.63</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>0.21</td>
			<td>-</td>
			<td>3.35</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ery F </td>
			<td>未观察到</td>
			<td>-</td>
			<td>0.89</td>
			<td>0.35</td>
			<td>-</td>
			<td>0.78</td>
			<td>1.98</td>
			<td>-</td>
			<td>1.09*</td>
			<td>-</td>
			<td>0.64</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ery C</td>
			<td>未测定</td>
			<td>-</td>
			<td>0.74</td>
			<td>5.27</td>
			<td>0.78</td>
			<td>0.94</td>
			<td>0.13</td>
			<td>0.89</td>
			<td>0.17</td>
			<td>0.18</td>
			<td>4.04</td>
			<td>3.92</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DPEry192</td>
			<td>0.35*</td>
			<td>1.97</td>
			<td>未观察到</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>0.30*</td>
			<td>-</td>
			<td>2.34</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="13">* 未观察到进一步降解</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表3. 红霉素及其光降解产物降解的反应动力学速率常数及相应的半衰期（数据改编自 Voigt et al.27）。红霉素由红霉素A、红霉素B以及两种形式的脱水红霉素组成。实验中观察到三种光降解产物，分别称为Ery F、Ery C和DEry192。

我们介绍了一种利用飞行时间质谱进行非靶向分析的方案，该方法是识别水中药物的有力工具。我们展示了利用紫外光照射消除这些药物的应用。本文阐述了包括辐照、化合物分离、鉴定以及降解曲线动力学建模在内的完整分析过程。

在整个水循环过程中监测药物残留对水生环境以及最终对人类健康正变得日益重要。

该方法有助于回答环境保护中的关键问题，例如水环境中抗生素的检出情况。此技术的主要优势在于能够检测极低浓度的药物污染物，并可同时进行识别。尽管该方法可用于研究药物及废水对河流水体的影响，也可应用于其他体系，例如水环境中的农药或类激素物质。开始此实验步骤时，收集约一升水样以制备样品。将样品通过蓝色带状滤膜过滤，以去除粗颗粒。随后向固相萃取小柱中加入三毫升甲醇，以进行平衡。等待甲醇完全流出小柱后，加入三毫升超纯水。待水完全流出小柱后，将滤液上样，并使用隔膜泵或其他中等真空装置以提高流速。因此，预浓缩步骤非常重要。务必使用具有合适固相的固相萃取小柱。用三毫升超纯水洗涤样品，然后用三毫升乙醇将分析物从柱上吸附剂中洗脱下来。使用旋转蒸发仪浓缩并干燥洗脱的分析物。将所得残余物溶解于1毫升超纯水中。随后，通过注射器滤膜过滤该溶液。将样品储存于样品瓶中，直至准备进行HPLC-ESI-QTOF-MS非靶向分析。开始紫外照射实验时，将目标抗生素化合物溶解于超纯水中，使其终浓度为20毫克每升。取750毫升该溶液转移至1升光反应器中。接下来，加入磁力搅拌子，并将一支15瓦的紫外灯放入反应器中。以500转/分钟的速度开始搅拌。通过逐滴加入盐酸或氨水，将pH值调节至所需数值。使用注射器将两毫升反应溶液转移至一个两毫升的玻璃小瓶中。将此小瓶标记为零时样品。随后，打开紫外灯并开始记录经过的时间。在实验开始的前五分钟内，每30秒采集一次2毫升的样品；随后在实验剩余时间内每60秒采集一次样品。将样品管储存于4°C，直至准备进行分析。开始液相色谱-质谱分析时，将小瓶转移至自动进样器。根据文本方案中表一列出的所有相关参数进行设置，并启动测定。利用高分辨率质谱及串联质谱技术，是对水体中药品进行非靶向分析最有前景的方法。然后按照文本方案中所述进行动力学分析和曲线拟合。本研究中分析了河水和超纯水样品，以检测和鉴定药物污染物。经过固相萃取后，每个河水样品均呈现黄绿色或深绿色，表明其中含有叶绿素类物质。超纯水样品保持澄清，符合预期。代表性河水样品的基峰色谱图中包含超过25个峰，每个峰代表一种不同的化合物。随后通过推导分子式并与现有的参考标准品进行比对，对这些物质进行鉴定。该比较揭示了德国地表水中存在多种药物，包括β-受体阻滞剂美托洛尔、镇痛药卡马西平，以及大环内酯类抗生素红霉素A及其衍生物脱水红霉素A。随后在不同pH值条件下进行UVC辐照实验，以红霉素为例确定有效的去除条件。浓度-时间图显示，在pH 7时降解速度最快，而在pH 3时最慢，表明该抗生素的光诱导降解应在中性pH条件下进行。按照此程序，还可进一步开展其他方法，如SESP-NMR、arbitrip MS-OTUC，以回答有关降解产物氧化及末端基团鉴定等其他问题。观看本视频后，您应能够充分理解如何在人工水体和环境水体中分析药物，并研究其在光辐照条件下的去除机制。请注意，操作化学品、药品以及河水或废水时可能存在危险，因此在进行本实验前或实验过程中，必须采取相应预防措施，例如穿戴个人防护装备、使用外部防护设备，若涉及废水操作，还应提前接种相关疫苗。

identification-pharmaceuticals-aquatic-environment-using-hplc-esi-q

Research

科研

JoVE Journal

Environment

环境

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一种用于水样中小分子污染物免疫学分析的自动化固相萃取简易方法

内分泌干扰物（EDC）对水生环境构成重大风险。市政污水处理厂是地表水中雌激素活性的主要来源。本文提供的方法可用于评估污水处理工艺在去除内分泌干扰物方面的有效性和适用性。...

采用化学与生态毒理学多方法联用评估废水处理工艺去除雌激素活性效能

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