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分散固相萃取/超高效液相色谱-串联质谱法测定沼液中7种磺胺类兽药残留

徐彦 ,  杨继伟 ,  李剑 ,  徐巧 ,  俞晓峰 ,  姜佳钦

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (8) : 267 -272.

PDF (3719KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (8) : 267-272. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.047
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分散固相萃取/超高效液相色谱-串联质谱法测定沼液中7种磺胺类兽药残留

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Dispersive solid phase extraction coupled with ultra high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry for determination of seven kinds of sulfonamides residues in biogas slurry

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摘要

本研究建立了一种使用金属有机框架材料UiO-67与氧化石墨烯合成的UiO-67/GO作为吸附剂的分散固相萃取结合超高效液相色谱-串联质谱法,用于检测沼液中7种磺胺类兽药的残留量。使用调pH为6的Na2EDTA-McIlvaine缓冲溶液对样品提取,UiO-67/GO作为吸附剂对目标物进行吸附。使用5%氨水-甲醇进行洗脱后,通过超高效液相色谱-串联质谱在MRM模式下进行定量分析,结果显示,在0.1~500 μg/L的浓度范围内,7种磺胺类药物表现出良好的线性关系,r2均大于0.99,加标回收率为71.2%~92.9%,相对标准偏差(RSD)为4.2%~9.0%,检出限为0.1~0.4 μg/L,定量限为0.3~1.2 μg/L。研究结果表明,该方法适用于检测养殖场沼液中的磺胺类药物残留。

Abstract

In this study,a dispersive solid phase extraction coupled with ultra high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry method is established through using UiO-67/GO,which is synthesized from metal-organic framework material and graphene oxide,as the adsorbent for the determination of 7 kinds of sulfonamides residues in biogas slurry.The slurry samples are extracted by Na2EDTA-McIlvaine buffer solution with a pH of 6,and UiO-67/GO is used as an adsorbent to adsorb the target substance.The target substance is purged with 5% ammonia-methanol,and quantitatively analyzed in MRM mode by ultra high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry.Results show that within the concentration range of 0.1-500 μg/L,these seven kinds of sulfonamides show good linear relationship,with R2 above 0.99,the spike recoveries between 71.2% and 92.9%,the relative standard deviation (RSD) of 4.2%-9.0%,the limits of detection between 0.1 μg/L and 0.4 μg/L,and the limits of quantification between 0.3 μg/L and 1.2 μg/L.It is verified that this method is suitable for detecting sulfonamides residues in biogas slurry in breeding farms.

Graphical abstract

关键词

金属有机框架 / 分散固相萃取 / 超高效液相色谱-串联质谱 / 沼液 / 磺胺

Key words

metal organic frameworks / dispersive solid phase extraction / ultra high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry / biogas slurry / sulfonamides

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徐彦,杨继伟,李剑,徐巧,俞晓峰,姜佳钦. 分散固相萃取/超高效液相色谱-串联质谱法测定沼液中7种磺胺类兽药残留[J]. 现代化工, 2025, 45(8): 267-272 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.047

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磺胺类药物作为一种广谱抗菌类药物,在控制革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的感染,以及某些原生动物疾病方面,起到了极其关键的作用[1]。由于磺胺类药物具有广谱抗菌能力强、效率高和成本低等优点,被广泛应用于临床、畜牧、水产养殖等领域[2-3]。然而,由于磺胺类药物的极性较高,在水中具有良好的溶解性,很容易通过废弃未使用的药物、医院和畜牧场排放的废水以及人和动物的排泄物转移到水环境中,对生态系统造成危害[4-6]。沼液是指在养殖过程中产生的废水、水泡粪的粪水,经过干湿分离、厌氧处理以分解杂质,以及后续的好氧处理等一系列程序后,最终形成的有机肥料水,磺胺类药物作为沼液中常见的抗生素残留,对人体健康和环境造成的影响不容忽视[7-8]。金属有机框架(MOFs)材料是一类由金属离子或团簇和有机配体构成的新型多孔材料[9]。UiO-67/GO是一种用UiO-67修饰在GO表面合成的新型MOFs材料。一方面,UiO-67具有MOFs材料所特有的表面积大、孔隙率高、大孔径的优点,而且在水和有机溶剂中具有较高的热稳定和化学稳定性能[10-11]。UiO-67中含有联苯骨架以及大量的Zr—O键,同时还存在未成键的不饱和Zr原子[12]。因此,通过π-π相互作用、疏水作用以及Zr—O—NH2—和Zr—O2S—之间的氢键作用,可以高效率吸附芳香结构的磺胺类药物[13-14]。另一方面,氧化石墨烯(GO)具有亲水性,可利用羟基、环氧基和碳环酸基,在溶液中具有良好的分散性,是制备新型复合材料的理想平台[15]。本研究将自主合成的UiO-67/GO材料作为沼液样品的吸附剂,并进一步对影响前处理的条件进行优化,结合超高效液相色谱-串联质谱法,该方法简单方便,用于检测沼液中7种磺胺类兽药的残留量。易于操作,为沼液中磺胺类抗生素的检测提供了一种新选择。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)配备超高效液相色谱仪和EXPEC 5210三重四级杆质谱仪(中国杭州谱育科技公司)。
氧化石墨烯(GO)、氯化锆(ZrCl4)、4,4'-联苯二甲酸(H2BPDC)、二甲基甲酰胺(DMF)(上海麦克林公司);乙二胺四乙酸二钠(Na2EDTA·2H2O)、一水合柠檬酸(C6H8O7·H2O)、Na2HPO4(分析纯,华东医药集团);冰醋酸(HAC)、盐酸(HCl)、氨水(分析纯,上海凌峰)、甲酸(FA,色谱级,西班牙Scharlau公司);甲醇(色谱级,德国Merck公司);超纯水由美国Millipore的水净化系统制得;沼液样品来源于中国杭州市临安区正兴牧业。
标准试剂:磺胺噻唑、磺胺对甲氧嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲氧嗪、磺胺氯哒嗪、磺胺间甲氧嘧啶、磺胺喹沙啉购自安谱(上海)。

1.2 标准溶液配制

将上述7种标准溶液溶解在甲醇中,配置成浓度为500 μg/L的标准储备液,并通过甲醇进一步稀释以制备标准工作溶液,且溶液需即配即用,放置于冰箱4℃避光保存。通过将上述7种标准工作溶液加入空白基质溶液中,逐级稀释,制备基质校准曲线,即配即用。

1.3 UiO-67/GO的制备

将30 mg GO和93.2 mg ZrCl4溶解在20 mL的DMF溶液中,水浴超声,形成均一溶液。通过离心分离沉淀物,加入96.8 mg 4,4'-联苯二甲酸、0.1 mL HCl(37%,12 mol/L)和400 mg冰醋酸,磁力搅拌约30 min。在此过程中,混合溶液转移至 50 mL不锈钢高压釜中,在120℃条件下连续反应24 h,离心得到UiO-67/GO黑色物质,并用DMF溶液多次洗涤以去除游离的锆离子。沉淀物用甲醇洗涤3次,在60℃真空干燥8 h,合成UiO-67/GO材料。

1.4 样品前处理

取10 mL样品溶液,加入Na2EDTA-McIlvaine缓冲溶液,调节pH=6,涡旋混匀,向离心管中加入15 mg的UiO-67/GO纳米材料,涡旋10 min进行吸附。离心(8 000 r/min,5 min),弃去上清液,超纯水清洗。随后加入5 mL洗脱液5%氨水-甲醇,涡旋10 min,将目标分析物从吸附剂中洗脱下来,在40℃下氮吹至干,用1 mL甲醇-水(体积比1∶1)复溶,过0.22 μm滤膜,供LC-MS/MS进样分析。

1.5 色谱和质谱条件

1.5.1 色谱条件

色谱柱:Waters BEH C18色谱柱(2.1×100 mm,1.7 μm);柱温:40℃;流速:0.3 mL/min;进样体积:5.0 μL;流动相A:含0.1%甲酸的2 mmol/L甲酸铵水;流动相B:甲醇。梯度洗脱程序:流动相A在0~0.5 min,95%;0.5~2 min,95%~70%;2~5 min,70%~60%;5~8 min,60%~20%;8~10 min,20%~5%;10~10.1 min,5%~95%;10.1~12 min,95%。

1.5.2 质谱条件

选用电喷雾电离源(ESI)为离子源,电离模式为正离子模式,离子喷雾电压为4.8 kV,去溶剂气温度为480℃,雾化气和碰撞气均为氮气,分别为0.6、0.4 MPa,选用多反应监测(MRM)扫描模式。表1中列出了7种目标分析物的质谱信息。

2 结果与讨论

2.1 通过不同表征验证UiO-67/GO合成

2.1.1 红外

如图1所示的傅里叶变换红外光谱进一步证实了UiO-67/GO的存在。GO、UiO-67和UiO-67/GO的红外光谱有一些共同之处,在UiO-67/GO中观察到了UiO-67的Zr—O2键(位于660、770 cm-1处)以及C—O—Zr键(位于1 500、1 650 cm-1处),进一步验证了锆基MOF在纳米复合材料中的结构保持不变[16];此外,在UiO-67/GO中观察到了属于GO羧基的C—O键(1 042 cm-1),这可以归因于GO在纳米复合材料中的保存,进一步证明了UiO-67/GO的成功合成[17]。

2.1.2 X射线衍射

如图2所示的UiO-67/GO的晶体结构表征对GO和UiO-67的典型晶体结构进行了X射线衍射分析和指标化,UiO-67/GO与UiO-67的数据一致,说明GO的存在并没有阻碍UiO-67的形成,UiO-67的结构得到了保留。此外,在UiO-67/GO图中没有明显出现GO峰,这可能是由于GO含量较低或Zr离子被捕获在纳米片表面所致。

2.1.3 扫描电镜和透射电镜

图3显示了在扫描电镜和透射电镜下,UiO-67呈现不规则晶体性质紧密分布。而对于UiO-67/GO,UiO-67颗粒无序分散在GO表面,阻止了GO片层的聚集。由于Zr离子和GO的结合使GO表面的空间有限,晶体粒径比母体UiO-67要略小。

2.1.4 氮气吸附脱附

根据图4显示,能够观察到在高压条件下,等温线呈现出一个滞后环,从这一点起,吸附量显著上升。依据IUPAC对曲线形态的分类标准,该吸附与解吸过程被界定为Ⅳ型的吸附-解吸等温线,这一过程可以细分为3个阶段。第一个阶段是单分子层的吸附过程。第二个阶段是多分子层的吸附过程。第三个阶段是发生毛细凝聚的过程,是仅在介孔材料中观察到的独特现象[18]。实验结果表明,UiO-67/GO的比表面积、孔体积和孔径分别为191.38 m2/g、0.14 cm3/g和5.72 nm,呈现良好吸附性。

2.2 UiO-67/GO用量

在分散固相萃取过程中,吸附剂用量的多少关系着目标物是否能够尽可能地被吸附并且干扰杂质的影响能否降到最低。在加标20 μg/L的10 mL空白沼液样品中,如图5所示,通过比较不同量的 UiO-67/GO(范围5~25 mg)对萃取回收率的影响,可以观察到当UiO-67/GO的使用量低于15 mg时,吸附剂的用量超过15 mg时,回收率随着UiO-67/GO含量的提升而逐步提高;然而,当吸附材料的使用量超过15 mg时,继续增加吸附剂的使用量,目标物质的回收率并未显示出显著的提升。基于经济性的考量,采用15 mg UiO-67/GO作为吸附剂的最优使用量。

2.3 提取缓冲液pH

提取缓冲液pH对吸附速率有显著影响。据报道,通常采用pH 4~6的弱酸性溶液对磺胺类药物进行提取[19]。因此,Na2EDTA-McIlvaine缓冲溶液被选为后续实验的样品提取溶液,根据目标物性质和提取液缓冲范围,在3~8范围内考察了提取缓冲液pH的影响。结果如图6所示,pH从3逐步升高至6时,各目标物回收率总体呈上升趋势,而当pH>6时开始明显降低。为了确保每种目标物都有令人满意的回收率,选用pH=6为最佳条件。

2.4 洗脱液类型

洗脱溶剂的类型对洗脱效率有显著影响,因此选择一种合适的洗脱液十分重要。在以往的文献中,对于磺胺类药物通常选择甲醇作为洗脱液[3,5]。本研究分别采用甲醇、5%甲酸-甲醇和5%氨水-甲醇作为洗脱液,对吸附目标物的UiO-67/GO进行洗脱。结果如图7所示,当使用5%甲酸-甲醇作为洗脱液时,各目标物的回收率均低于20%,要明显低于其他2种洗脱液;而采用5%氨水-甲醇作为洗脱液的回收率要优于单独采用和目标物结合的质子,起到中和作用,显著增强洗脱效果。该现象与文献的研究结果一致。因此,在后续的实验中采用5%氨水-甲醇作为洗脱液。

2.5 吸附时间和洗脱时间

因为吸附时间对化合物在吸附剂与样品溶液间达到分配平衡有重要影响,所以在很大程度上决定了吸附效率和分析所需的时间。因此,在5~25 min的时间段内对吸附时间进行了优化。如图8所示,当提取时间由5 min逐渐增加至10 min时,提取效率呈现出明显的提升,15 min后观察到的变化并不显著,这表明在10 min内已经达到了吸附平衡状态。较短的平衡时间说明UiO-67/GO对磺胺类化合物的吸附速率非常快。因此,最佳吸附时间为10 min。
充分的洗脱时间在样品制备过程中起着至关重要的作用,能保证样品的充分解吸,获得满意的回收率。因此,同样考察了5~25 min不同洗脱时间的影响。如图9所示,在5~10 min的时间段内,回收率随着洗脱时间的延长而持续提升,并在10 min时达到了最高点。之后回收率未发生显著变化。因此,最佳洗脱时间为10 min。

2.6 方法学验证

在最优条件下对本实验的线性范围、检出限、定量限与加标回收率进行了评估。基质匹配校准曲线的线性范围为0.1~500 μg/L,7种目标物的线性拟合曲线相关系数r2均大于0.99,说明线性良好。在2、20、50 μg/L 3个添加水平下对方法的准确度和精密度进行验证,结果在表2中列出。不同加标水平下7种磺胺类抗生素的回收率为71.2%~92.9%。日内精密度为4.2%~9.0%,日间精密度为6.1%~14.5%。本实验的检出限(LODs)为0.1~0.4 μg/L,定量限(LOQs)为0.3~1.2 μg/L。

2.7 样品分析

为评价所建立方法的实用性,检测了杭州市临安区35份沼液样品(15份养牛场沼液和20份养猪场沼液)。在2个养猪场沼液样本中各检出了磺胺氯哒嗪和磺胺间甲氧嘧啶,检出浓度分别为2.9、47.5 μg/L,其他目标物均未在样品中检出。

3 结论

利用UiO-67对磺胺类药物的选择性吸附以及氧化石墨烯(GO)在水中良好的分散性和吸附性,将UiO-67与GO作为原料合成了UiO-67/GO材料,将其作为吸附剂,开发了一种通过分散固相萃取结合超高效液相色谱串联质谱法来测定沼液中7种磺胺类兽药的分析方法,具有操作便捷、提取效率高和经济环保等优点,在沼液中7种磺胺类兽药残留量的检测中具有很大的发展前景。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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