$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
W wyniku ekstrakcji do fazy stałej, we wszystkich przypadkach uzyskano roztwór od żółtawego do ciemnozielonego, co wskazywało na obecność substancji zawierających chlorofil (Rysunek 1). Farmaceutyki zawarte w tej próbce wody nie prowadziłyby do widocznego zabarwienia, ponieważ ich stężenie i absorbancja byłyby na ogół zbyt niskie. Zamiast tego występowanie farmaceutyków musi być analizowane za pomocą HPLC i spektrometrii mas o wysokiej rozdzielczości.
W analizie nieukierunkowanej, HPLC-ESI-Q-TOF-MS został użyty ze względu na jego wyjątkową dokładność masy, pozwalającą na uzyskanie dokładnej masy dla każdego jonu związku. Chromatogram z detekcją masy przeprowadzonej analizy został przedstawiony jako chromatogram piku podstawowego (BPC), który wyświetla najbardziej intensywny pik z każdego widma masowego zarejestrowanego w trakcie separacji chromatograficznej. Przykład pokazany w Rysunek 2 przedstawia BPC próbki wody z rzeki Ren.
BPC zawierał więcej niż dwadzieścia pięć pików odzwierciedlających różne wartości m/z, stąd różne związki, z których siedem było oznaczonych w BPC. Ponieważ substancje te były nieznane a priori, pierwszym krokiem do ich identyfikacji jest zwykle wyprowadzenie wzoru cząsteczkowego. Osiąga się to dzięki dokładnemu wzorowi masy i izotopu zapewnianemu przez detekcję TOF, chociaż wzór izotopowy może nie być obserwowany we wszystkich przypadkach ze względu na niskie stężenia próbek w próbkach środowiskowych. Dzięki publicznej bazie danych, takiej jak Pharmaceuticals in the Environment Niemieckiej Agencji Ochrony Środowiska (UBA), zawierającej około 630 związków, często udaje się wstępnie zidentyfikować niewielką grupę kandydatów. W celu uzyskania ostatecznego dowodu można przeprowadzić porównanie z dostępnymi na rynku wzorcami referencyjnymi lub rozważyć wzorce fragmentacji MS/MS (Rysunek 3).
W tej pracy porównanie z normami dotyczącymi czasu retencji przyczyniło się do identyfikacji farmaceutyków bardzo często znajdowanych w niemieckich wodach powierzchniowych. Substancje te obejmują metoprolol, β-bloker, karbamazepinę, lek przeciwbólowy oraz antybiotyk makrolidowy erytromycynę A i jej pochodną anhydroerytromycynę A. Erytromycyna służy jako przykład dalej badany w tym badaniu. Badana próbka rzeki Ren miała pH 7,6 i średnią temperaturę 16,5 °C. Przy tym pH oczekuje się, że anhydroerytromycyna będzie również obecna w próbce wody. W celu szczegółowej analizy wyekstrahowane chromatogramy jonowe (EIC) próbki wody porównano z wzorcami referencyjnymi (Rysunek 4).
Porównanie pokazuje dobrą zgodność między czasem retencji metoprololu, karbamazepiny i anhydroerytromycyny a obserwowanymi analitami. EIC wzorca referencyjnego anhydroerytromycyny wykazywał dwa piki, stąd dwa związki, w których odwodnienie nastąpiło w dwóch różnych miejscach erytromycyny. Jednak w próbce z rzeki Ren zidentyfikowano tylko jeden izomer anhydroerytromycyny. Sama erytromycyna była obecna tylko w śladowych ilościach. W związku z tym nie można było uzyskać widma MS/MS. Dokładne masy antybiotyku i jego odwodnienia podano w tabeli 2. Za pomocą EIC, a więc wartości m/z i czasu retencji, w próbce rzeki Ren można było zidentyfikować metoprolol, karbamazepinę, erytromycynę i anhydroerytromycynę.
Jeśli chodzi o środowisko wodne, ważne jest, aby zapobiec przedostawaniu się farmaceutyków przez oczyszczalnie ścieków i wód powierzchniowych. W poszukiwaniu skutecznej eliminacji przeprowadzono eksperymenty z napromieniowaniem UV-C przy różnych wartościach pH, na przykład dla erytromycyny. Wykresy stężenie-czas (c-t) zarejestrowano za pomocą wykresów pola masy w funkcji czasu pochodzących z EIC. Degradację opisano zgodnie z równaniem 2. Erytromycyna składa się z erytromycyny A i B oraz anhydroerytromycyny A, z dwoma izomerami tej ostatniej. Krzywe c-t erytromycyny A i ich dopasowania obliczeniowe są pokazane na Rysunek 5. Przy pH 7 zaobserwowano przyspieszoną degradację. Dotyczy to wszystkich czterech badanych związków, dane nie pokazane. W związku z tym fotoindukowana degradacja erytromycyny powinna odbywać się w okolicach neutralnego pH. W przypadku próbki z rzeki Ren dostosowanie pH nie było wymagane.
Fotodegradacje farmaceutyków zostały również zidentyfikowane przy wszystkich trzech wartościach pH. Przegląd tych fotodegradatów wraz z odpowiadającymi im propozycjami struktury przedstawiono w tabeli 3. Do analizy kinetycznej fotodegradacji jako przykład służy produkt o m/z = 720. Fotodegradaty można często opisać jako produkty pośrednie reakcji. W związku z tym fotodegradaty opisano w kategoriach następującej po sobie i następującej po sobie reakcji następczej. Decyzja między otrzymanymi rodzajami półproduktów opiera się na dobroci pasowania obliczonej za pomocą odpowiedniego oprogramowania, w którym jako kryteria przyjęto współczynnik determinacji (R2) i resztkowy błąd średniokwadratowy (RMSE). Ze względu na fakt, że erytromycyna jest niestabilna kwasowo, ulega degradacji, która nastąpiłaby po napromieniowaniu, była obecna przed napromienianiem. Wynikowym efektem dla równań 3 i 4 było skończone stężenie początkowe. W związku z tym do równań dodano współczynnik. Rysunek 6 pokazuje dane eksperymentalne i dopasowania obliczone zgodnie z równaniem 3 i 4.
Ten przykład produktu pośredniego pokazał wzrost stężenia wraz ze wzrostem sigmoidalnym, po którym następuje wykładniczy zanik. Wskazuje to na późniejszą reakcję następczą pośrednią. Kolejna reakcja pośrednia nie wykazuje wzrostu sigmoidalnego. Statystyczne parametry jakości wykazały również nieco lepszą zgodność dopasowania zgodnie z modelem późniejszej reakcji następczej. Współczynnik determinacji R2 kolejnej reakcji wynosił 0,9898, a zatem był niższy niż w przypadku kolejnej reakcji następczej wynoszący 0,9976. W związku z tym badany fotoprodukt został zinterpretowany jako produkt pośredni w stosunku do późniejszej reakcji następczej. Wartości k wynikały również z dopasowania obliczeniowego, okres połowicznego rozpadu obliczono zgodnie z równaniem 5. Wszystkie istotne parametry kinetyczne zebrano w tabeli 3.
Najszybszą degradację zaobserwowano przy pH 7, następnie pH 9, natomiast najwolniejszą degradację stwierdzono przy pH 3 (Rysunek 5). Odkrycie to odnosi się również do powstawania i degradacji produktów fotograficznych. Zaobserwowano trzy fotodegradacje. Ich wartości m/z wynosiły 750,46 odpowiadające Ery F, 720,45 Ery C i 192,12 DPEry192, glikozydowo wiązanemu cukrowi o strukturze erytromycyny (Ryc. 7). Nie zaobserwowano degradacji produktu fotograficznego dla DPEry192 przy pH 3 i 9 oraz dla Ery F przy pH 9. W tych przypadkach czas napromieniania nie był wystarczająco długi, aby zaobserwować całkowitą degradację produktu pośredniego. Niemniej jednak stałą szybkości formowania można wyznaczyć za pomocą równania 5, które odpowiada produktowi końcowemu.

Rysunek 1. Porównanie próbek z rzeki Ren po uzdatnianiu SPE (po lewej) i wodzie ultraczystej (po prawej). Zielone zabarwienie wskazuje na substancje zawierające chlorofil. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2. BPC próbki wody po SPE mierzonej za pomocą HPLC-ESI-Q-TOF-MS. Wszystkie chromatogramy znormalizowano do najwyższego piku. Oznaczono przykładowe wartości m/z uzyskane z odpowiedniego widma MS. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3. Widmo Q-TOF-MS erytromycyny A (na dole) i widmo MS/MS jonu m/z = 734,4689 (na górze). Widma pokazują quasi-molekularny jon erytromycyny A z jego wzorem izotopowym i fragmentami przy przyłożonej energii zderzenia 30 eV. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4. Znormalizowane EIC (A) metoprololu, (B) karbamazepiny, (C) erytromycyny A i (D) anhydroerytromycyny A w próbce rzeki Ren (niebieski) oraz w ultraczystej wodzie ze związków odniesienia (czerwony). Czasy retencji związków odniesienia i farmaceutyków w próbce wody są takie same. Stosunek sygnału do szumu metoprololu (A) i anhydroerytromycyny (D) jest wyższy niż karbamazepiny (B) i erytromycyny (C), co wskazuje, że te ostatnie były obecne tylko w śladowych ilościach. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5. Znormalizowane krzywe stężenie-czas fotodegradacji erytromycyny A przy pH 3 (czerwony), pH 7 (zielony) i pH 9 (niebieski). Roztwory napromieniano przez 10 min. Przy pH 7 erytromycyna została całkowicie usunięta z próbki. Krzywe stężenie-czas można opisać za pomocą równań kinetycznych pierwszego rzędu. Stałe szybkości kinetycznej wynosiły 0,10 (pH 3), 0,59 (pH 7) i =0,21 (pH 9). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6. Porównanie dopasowań krzywych stężenie-czas fotoprodegradacji erytromycyny z m/z = 720 przy pH 9 zgodnie z równaniami 3 (A) i 4 (B). Dobroć dopasowania kolejnej reakcji (A): R2 = 0,9898, RMSE = 4,645E+04, oraz następującej po niej reakcji następczej (B): R2 = 09976, RMSE = 2,366E+04. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7. Struktura erytromycyny A, erytromycyny B i anhydroerytromycyny oraz produktów ich fotodegradacji. Rysunek ten został zmodyfikowany na podstawie Voigt et al. 27. Produkty zostały uformowane po 10 minutach naświetlania UVC i zidentyfikowane za pomocą HPLC-Q-TOF-MS i MS/MS. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Chromatografia cieczowa
kolumna:
odwrócona faza C-18
kolumna:
kolumna CoreShell;
kolumna:
50 mm x 2,1 mm wymiary, wielkość cząstek 2,6 μm
Temperatura kolumny
40 °C
Objętość wtrysku:
5 μL
płynąć:
0,3 ml/min
Faza mobilna:
Rozpuszczalnik A: woda zawierająca 0,1% kwasu mrówkowego
Rozpuszczalnik B: metanol zawierający 0,1% kwasu mrówkowego
Program gradientu:
Czas /min
0
1
10
Rozdział 11.1
Rozdział 11.2
12
Stosunek rozpuszczalnika A:B
99:1
Godzina 70:30
godz. 25:75
1:99
1:99
99:1
Spektrometria mas
źródło:
Podwójny AJS ESI (tryb pozytywny)
Gaz i źródło
Temperatura gazu:
300 °C
Gaz suszący:
8.0 L/min
Nebulizatora:
14 psig
Temperatura gazu w osłonie:
300 °C
Przepływ gazu w osłonie:
8 l/min
Zakres masy:
100 - 1000 m/z
Szybkość pozyskiwania:
1 widma/s
Czas akwizycji:
1000 ms/widmo
Stan nieustalony/widmo
10014
Dla docelowej metody MS
Energia zderzenia (CE):
0 eV
Preferowana masa - tabela
734.4685
Dla MS/MS (zazwyczaj automatyczny tryb MS/MS)
Energia zderzenia (CE):
30 eV
Próg bezwzględny
3000 zliczeń
Próg względny
0.01 %
Zakres masy:
100 - 100 m/z
Szybkość pozyskiwania:
1 widma/s
Czas akwizycji:
1000 ms/widmo
Stan nieustalony/widmo
9964
Dla docelowej metody MS/MS
Preferowana masa - tabela
734.4685
Tabela 1. Warunki i parametry stosowane do analizy HPLC-ESI-Q-TOF-MS farmaceutyków w matrycach wodnych. Zaleca się wprowadzenie etapu płukania między seriami chromatograficznymi poprzez przetworzenie próbki czystej wody ultraczystej między dwiema analizami lub poprzez wydłużenie czasu trwania metody chromatograficznej w celu wymycia wszystkich substancji.

Tabela 2. Farmaceutyki znalezione w próbce rzeki Ren wraz z ich czasem retencji, teoretycznym i obserwowanym [M+H]+ oraz ich strukturą. Tryb ESI został ustawiony na dodatni, tak aby wykryto jony [M+H]+. Czas przechowywania może się minimalnie różnić ze zwykłych znanych eksperymentalnie powodów.
Odczyn pH 3
Odczyn pH 3
Odczyn pH 7
Odczyn pH 7
Odczyn pH 7
Odczyn pH 7
Odczyn pH 7
Odczyn pH 7
Odczyn pH 9
Odczyn pH 9
Odczyn pH 9
Odczyn pH 9
produkt
K1 [min-1]
t1/2 [min] (k1)
K1 [min-1]
K2 [min-1]
K3 [min-1]
t1/2 [min] (k1)
t1/2 [min] (k2)
t1/2 [min] (k3)
K1 [min-1]
K2 [min-1]
t1/2 [min] (k1)
t1/2 [min] (k2)
Ery: A
0,1
Godzina 6,81
0,59 pkt.
-
-
Pytanie 1,18
-
-
0,21 pkt.
-
Rejon 3,37
-
Ery, B
0,05
Godzina 14.23
0,66 pkt.
-
-
Klasa 1,04
-
-
0,22 pkt.
-
Pytanie 3,21
-
Ery A – H
2Oa
0,11
Lokal 6,53
0,59 pkt.
-
-
Pytanie 1,17
-
-
0,19 pkt.
-
Pytanie 3,72
-
Ery A – H
2Ob
0,15 pkt.
Z godziny 4,76
Pytanie 1.11
-
-
0,63 pkt.
-
-
0,21 pkt.
-
Godzina 3,35
-
Ery F
Nie zaobserwowano
-
0,89 pkt.
0,35 pkt.
-
0,78 pkt.
1,98
-
1,09*
-
0,64 pkt.
-
Ery C
nie określono
-
0,74 pkt.
Norma 5,27
0,78 pkt.
0,94 pkt.
0,13
0,89 pkt.
0,17 pkt.
0,18
Norma 4.04
3,92 pkt.
DPEry192 powiedział:
0,35*
1,97 pkt.
Nie zaobserwowano
-
-
-
-
-
0,30*
-
Godzina 2,34
-
* Nie zaobserwowano dalszej degradacji
Tabela 3. Kinetyczne stałe szybkości i odpowiadające im okresy półtrwania degradacji erytromycyny i jej fotodegradacji zaadaptowane z Voigt et al.27. Erytromycyna składa się z erytromycyny A, erytromycyny B i dwóch form anhydroerytromycyny. Zaobserwowano trzy fotodegradacje. Są one określane jako Ery F, Ery C i DEry192.