Determination of 22 antibiotics in marine sediments by online solid-phase extraction purification-ultra-high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry

doi:10.3724/SP.J.1123.2024.08001

Abstract

Abstract:

This study developed a novel method for the detection of 22 antibiotics in marine sediments by integrating online solid-phase extraction（SPE） with ultra-high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry（UHPLC-MS/MS）. The method was subsequently applied to the analytical determination of antibiotics in offshore bay sediments. Optimal experimental conditions were established through systematic optimization of sample extraction and online SPE parameters. Sediment samples were extracted using an acetonitrile-EDTA/McIlvaine buffer solution（1∶1， v/v）， diluted with ultrapure water， and then purified and enriched using a large-pore styrene/divinylbenzene-packed PLRP-S online SPE column. The processed samples were separated on a Poroshell EC-C18 column（50 mm×2.1 mm， 1.9 µm） and detected in electrospray ionization（ESI） positive ion mode with multiple reaction monitoring（MRM） acquisition. The entire analytical process was completed within 14 min. The results showed that the 22 antibiotics showed good linearity in their respective mass concentration ranges with the correlation coefficients（R²）≥0.990 0， the limits of detection（LODs， S/N=3） were 0.001‒0.08 ng/g， and the limits of quantification（LOQs， S/N=10） were 0.004‒0.4 ng/g. The spiked recoveries of the 22 antibiotics under three spiked levels（low， medium and high） were 45.1%‒145.6% with the relative standard deviations（RSDs）<14%. The method was used to detect antibiotics in winter and summer sediment samples from Shandong Sishili Bay offshore. The results showed that a total of 19 antibiotics from five classes were detected in nine summer sediment samples， with the contents ranging from 0.01 to 34.64 ng/g； and oxytetracycline exhibited the highest detection level. A total of 20 antibiotics from five classes were detected in 10 winter sediment samples， with the contents ranging from 0.004-19.11 ng/g； and ofloxacin showed the highest detection level. Compared with the commonly used offline SPE method， this method greatly simplifies the sample purification process and provides a simple and effective method for the routine detection of common antibiotics in marine sediments.

Key words: online solid-phase extraction（SPE）, ultra-high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry（UHPLC-MS/MS）, sediments, antibiotics, Sishili Bay

CLC Number:

O658

WANG Lanxiang, CHEN Junhui, SHENG Cancan, FAN Shengqing, HE Xiuping, LI Xianguo. Determination of 22 antibiotics in marine sediments by online solid-phase extraction purification-ultra-high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry[J]. Chinese Journal of Chromatography, 2025, 43(8): 915-925.

Figures/Tables 9

References

[1]	Kuemmerer K. Chemosphere， 2009， 75（4）： 417
[2]	Sarmah A K,， Meyer M T,， Boxall A B A. Chemosphere， 2006， 65（5）： 725
[3]	Li F F,， Chen L J,， Chen W D， et al. Mar Pollut Bull， 2020， 151： 110810
[4]	Zhang R J,， Zhang R L,， Li J， et al. Environ Sci Pollut R， 2017， 24（10）： 9690
[5]	Wang X T,， Lin Y F,， Zheng Y， et al. Environ Pollut， 2022， 293： 118541
[6]	Zhang R J,， Tang J H,， Li J， et al. Environ Pollut， 2013， 174： 71
[7]	Maghsodian Z,， Sanati A M,， Mashifana T， et al. Antibiotics-Basel， 2022， 11（11）： 1461
[8]	Wu Q,， Xiao S K,， Pan C G， et al. Sci Total Environ， 2022， 806： 150439
[9]	Han Q F,， Song C,， Sun X， et al. Chemosphere， 2021， 279： 130381
[10]	González-Gaya B,， García-Bueno N,， Buelow E， et al. Sci Total Environ， 2022， 806： 151190
[11]	Zhang M S,， Yang H Y,， Yang K J， et al. J Chromatogr A， 2024， 1725： 464926
[12]	El Tahir Y,， Elshafie E I,， Asi M N， et al. Antibiotics-Basel， 2021， 10（11）： 1305
[13]	Chomthong K,， Kunpatee K,， Pimpitak U， et al. Sensor Actuat B-Chem， 2024， 410： 135667
[14]	Wang Y X,， Li J H,， Ji L， et al. Molecules， 2022， 27（7）： 2160
[15]	Xu J,， Yang M,， Wang Y H， et al. J Food Compos Anal， 2021， 103： 104120
[16]	Chen M,， Yi Q T,， Hong J J， et al. Anal Methods-UK， 2015， 7（5）： 1896
[17]	Zhang J W,， Liang Y P,， Qin L T， et al. Journal of Analytical Science， 2023， 39（1）： 54
[17]	张健威,，梁延鹏,，覃礼堂，等. 分析科学学报， 2023， 39（1）： 54
[18]	Li Z J,， Zhang H C,， Shen G X， et al. Asian Journal of Ecotoxicology， 2020， 15（1）： 209
[18]	李贞金,，张洪昌,，沈根祥，等. 生态毒理学报， 2020， 15（1）： 209
[19]	Zheng C P,， Ma J P. Chemical Analysis and Meterage， 2023， 32（11）： 119
[19]	郑昌萍,，马继平. 化学分析计量， 2023， 32（11）： 119
[20]	Zhang X G,， Liu D,， Liu H R， et al. Chinese Journal of Chromatography， 2017， 35（10）： 1055
[20]	张晓光,，刘东,，刘红冉，等. 色谱， 2017， 35（10）： 1055
[21]	Kim C,， Ryu H D,， Chung E G， et al. J Chromatogr B， 2018， 1084： 158
[22]	Wang J M,， Chen J H,， Yang J B， et al. Chinese Journal of Chromatography， 2021， 39（8）： 889
[22]	王九明,，陈军辉,，杨建勃，等. 色谱， 2021， 39（8）： 889
[23]	Liu X,， Sun X L,， Cao J. Chinese Journal of Chromatography， 2021， 39（12）： 1324
[23]	刘欣,，孙秀兰,，曹进. 色谱， 2021， 39（12）： 1324
[24]	Shen N,， Han T Z,， Sheng C C， et al. Chinese Journal of Analytical Chemistry， 2024， 52（2）： 286
[24]	申楠,，韩同竹,，盛璨璨，等. 分析化学， 2024， 52（2）： 286
[25]	Xu L,， Luo Y,， Xu B J. Journal of Instrumental Analysis， 2010， 29（1）： 17
[25]	徐琳,，罗义,，徐冰洁. 分析测试学报， 2010， 29（1）： 17
[26]	Lyu K,， Liu X W,， Deng C X. Chemistry Environmental， 2019， 38（11）： 2415
[26]	吕凯,，刘晓薇,，邓呈逊，等. 环境化学， 2019， 38（11）： 2415
[27]	Axel M,， Ewelina K,， Jenny-Maria B， et al. Environ Sci Pollut R， 2017， 24（9）： 8692
[28]	Shen F,， Xu Y J,， Wang Y， et al. J Chromatogr A， 2022， 1677： 463304
[29]	Pan L,， Huang J J,， Chen J H， et al. Sci Total Environ， 2022， 853： 158545
[30]	Liu C Y,， Liu X L,， Zhao X R， et al. Chinese Journal of Analysis Laboratory， 2020， 39（4）： 410
[30]	刘承友,，刘晓雷,，赵兴茹，等. 分析试验室， 2020， 39（4）： 410
[31]	Tong L,， Liu H,， Xie C， et al. J Chromatogr A， 2016， 1452： 58
[32]	Tong H Y,， Zhu K Y,， Lan Y Y， et al. Oceanologia et Limnologia Sinica， 2023， 54（4）： 1028
[32]	仝浩玉,，朱恺彧,，兰宇宇，等. 海洋与湖沼， 2023， 54（4）： 1028
[33]	Xu Y F,， Gao H,， Li R J， et al. Mar Environ Res， 2024， 197： 106470
[34]	Chen H,， Liu S,， Xu X R， et al. Mar Pollut Bull， 2015， 95（1）： 365
[35]	Shi H,， Yang Y,， Liu M， et al. Mar Pollut Bull， 2014， 83（1）： 317

Time/min	Quaternary pump			Six-way valve switching	Binary pump
Time/min	φ（A₁）/%	φ（B₁）/%	Flow rate/ （mL/min）	Six-way valve switching	Time/min	φ（A₂）/%	φ（B₂）/%	Flow rate/ （mL/min）
0	98	2	1	1-6	0	90	10	0.3
2	98	2	1	1-2	2	90	10	0.3
3	20	80	1	1-2	5	77	23	0.3
6	20	80	1	1-2	8	40	60	0.3
7	98	2	1	1-2	9	0	100	0.3
9	98	2	1	1-6	11	0	100	0.3
12	98	2	1	1-6	12	90	10	0.3

Time/min	Quaternary pump			Six-way valve switching	Binary pump
Time/min	φ（A₁）/%	φ（B₁）/%	Flow rate/ （mL/min）	Six-way valve switching	Time/min	φ（A₂）/%	φ（B₂）/%	Flow rate/ （mL/min）
0	98	2	1	1-6	0	90	10	0.3
2	98	2	1	1-2	2	90	10	0.3
3	20	80	1	1-2	5	77	23	0.3
6	20	80	1	1-2	8	40	60	0.3
7	98	2	1	1-2	9	0	100	0.3
9	98	2	1	1-6	11	0	100	0.3
12	98	2	1	1-6	12	90	10	0.3

Compound	Molecular formula	t_R/min	Precursor ion（m/z）	Product ions（m/z）	Fragmentor/V	CEs/eV	Internal standard
Sulfadiazine（SDZ）	C₁₀H₁₀N₄O₂S	3.467	250.9［M+H］⁺	155.9， 92.1^*	100	13， 33	/
Sulfathiazole（STZ）	C₉H₉N₃O₂S₂	3.661	256.0［M+H］⁺	92.0， 156.0^*	105	13， 29	/
Sulfamerazine（SMR）	C₁₁H₁₂N₄O₂S	3.796	265.0［M+H］⁺	156.0， 92.0^*	115	17， 33	/
Trimethoprim（TMP）	C₁₄H₁₈N₄O₃	3.872	291.3［M+H］⁺	123.1， 230.1^*	145	26， 17	/
Oxytetracycline（OTC）	C₂₂H₂₄N₂O₉	4.072	461.2［M+H］⁺	443.0， 426.1^*	115	11， 21	/
Norfloxacin（NOR）	C₁₆H₁₈FN₃O₃	4.123	320.0［M+H］⁺	276.1， 302.1^*	130	17， 25	NOR-D5
Fleroxacin（FLE）	C₁₇H₁₈F₃N₃O₃	4.133	370.1［M+H］⁺	268.9， 326.0^*	130	24， 20	FLE-D3
Ofloxacin（OFL）	C₁₈H₂₀FN₃O₄	4.135	362.0［M+H］⁺	261.0， 318.1^*	140	29， 21	OFL-D3
Sulfamethazine（SMZ）	C₁₂H₁₄N₄O₂S	4.184	278.9［M+H］⁺	92.0， 185.9^*	120	33， 17	/
Pefloxacin（PEF）	C₁₇H₂₀FN₃O₃	4.218	334.2［M+H］⁺	233.1， 290.1^*	130	28， 16	PEF-D5
Ciprofloxacin（CIP）	C₁₇H₁₈FN₃O₃	4.238	332.1［M+H］⁺	314.1， 231.0^*	130	21， 49	CIP-D8
Tetracycline（TET）	C₂₂H₂₄N₂O₈	4.385	445.2［M+H］⁺	154.0， 410.1^*	120	22， 20	/
Lomefloxacin（LMX）	C₁₇H₁₉F₂N₃O₃	4.391	352.1［M+H］⁺	308.1， 265.1^*	130	18， 25	LMX-D5
Enrofloxacin（ENR）	C₁₉H₂₂FN₃O₃	4.584	360.1［M+H］⁺	342.1， 316.1^*	130	25， 21	ENR-D5
Difloxacin（DFH）	C₂₁H₁₉F₂N₃O₃·HCl	5.136	400.1［M+H］⁺	299.1， 382.1^*	135	30， 20	DFH-D3
Sulfamethoxazole（SMX）	C₁₀H₁₁N₃O₃S	5.462	254.0［M+H］⁺	155.9， 92.0^*	104	17， 29	/
Florfenicol（FF）	C₁₂H₁₄Cl₂FNO₄S	5.489	375.0［M+NH₄］⁺	340.0， 241.0^*	105	14， 25	/
Chlortetracycline（CTC）	C₂₂H₂₃ClN₂O₈	5.582	479.1［M+H］⁺	462.0， 444.0^*	135	16， 22	/
Erythromycin（ERY）	C₃₇H₆₇NO₁₃	6.522	734.4［M+H］⁺	576.3， 158.0^*	155	17， 29	/
Dehydrated erythromycin（ERY-H₂O）	C₃₇H₆₅NO₁₂	6.876	716.4［M+H］⁺	558.4， 158.1^*	150	25， 9	/
Clarithromycin（CTM）	C₃₈H₆₉NO₁₃	7.084	748.4［M+H］⁺	590.3， 158.0^*	165	21， 29	/
Roxithromycin（ROX）	C₄₁H₇₆N₂O₁₅	7.153	837.4［M+H］⁺	558.3， 679.3^*	170	25， 21	/
NOR-D5	C₁₆H₁₃D₅FN₃O₃	4.123	325.1［M+H］⁺	307.1^#	130	25
FLE-D3	C₁₇H₁₅D₃F₃N₃O₃	4.133	373.1［M+H］⁺	269.1， 329.2^*	130	30， 20
OFL-D3	C₁₈H₁₇D₃FN₃O₄	4.134	365.1［M+H］⁺	261.1， 321.1^*	130	30， 21
CIP-D8	C₁₇H₁₀D₈FN₃O₃	4.197	340.1［M+H］⁺	296.1， 322.1^*	130	20， 30
PEF-D5	C₁₇H₁₅D₅FN₃O₃	4.198	339.1［M+H］⁺	295.1， 321.1^*	130	19， 22
LMX-D5	C₁₇H₁₄D₅F₂N₃O₃	4.371	357.1［M+H］⁺	313.1， 270.1^*	130	18， 25
ENR-D5	C₁₉H₁₇D₅FN₃O₃	4.582	365.1［M+H］⁺	321.1^#	130	21
DFH-D3	C₂₁H₁₆D₃F₂N₃O₃·HCl	5.135	403.1［M+H］⁺	299.1， 385.2^*	135	33， 23

Compound	Molecular formula	t_R/min	Precursor ion（m/z）	Product ions（m/z）	Fragmentor/V	CEs/eV	Internal standard
Sulfadiazine（SDZ）	C₁₀H₁₀N₄O₂S	3.467	250.9［M+H］⁺	155.9， 92.1^*	100	13， 33	/
Sulfathiazole（STZ）	C₉H₉N₃O₂S₂	3.661	256.0［M+H］⁺	92.0， 156.0^*	105	13， 29	/
Sulfamerazine（SMR）	C₁₁H₁₂N₄O₂S	3.796	265.0［M+H］⁺	156.0， 92.0^*	115	17， 33	/
Trimethoprim（TMP）	C₁₄H₁₈N₄O₃	3.872	291.3［M+H］⁺	123.1， 230.1^*	145	26， 17	/
Oxytetracycline（OTC）	C₂₂H₂₄N₂O₉	4.072	461.2［M+H］⁺	443.0， 426.1^*	115	11， 21	/
Norfloxacin（NOR）	C₁₆H₁₈FN₃O₃	4.123	320.0［M+H］⁺	276.1， 302.1^*	130	17， 25	NOR-D5
Fleroxacin（FLE）	C₁₇H₁₈F₃N₃O₃	4.133	370.1［M+H］⁺	268.9， 326.0^*	130	24， 20	FLE-D3
Ofloxacin（OFL）	C₁₈H₂₀FN₃O₄	4.135	362.0［M+H］⁺	261.0， 318.1^*	140	29， 21	OFL-D3
Sulfamethazine（SMZ）	C₁₂H₁₄N₄O₂S	4.184	278.9［M+H］⁺	92.0， 185.9^*	120	33， 17	/
Pefloxacin（PEF）	C₁₇H₂₀FN₃O₃	4.218	334.2［M+H］⁺	233.1， 290.1^*	130	28， 16	PEF-D5
Ciprofloxacin（CIP）	C₁₇H₁₈FN₃O₃	4.238	332.1［M+H］⁺	314.1， 231.0^*	130	21， 49	CIP-D8
Tetracycline（TET）	C₂₂H₂₄N₂O₈	4.385	445.2［M+H］⁺	154.0， 410.1^*	120	22， 20	/
Lomefloxacin（LMX）	C₁₇H₁₉F₂N₃O₃	4.391	352.1［M+H］⁺	308.1， 265.1^*	130	18， 25	LMX-D5
Enrofloxacin（ENR）	C₁₉H₂₂FN₃O₃	4.584	360.1［M+H］⁺	342.1， 316.1^*	130	25， 21	ENR-D5
Difloxacin（DFH）	C₂₁H₁₉F₂N₃O₃·HCl	5.136	400.1［M+H］⁺	299.1， 382.1^*	135	30， 20	DFH-D3
Sulfamethoxazole（SMX）	C₁₀H₁₁N₃O₃S	5.462	254.0［M+H］⁺	155.9， 92.0^*	104	17， 29	/
Florfenicol（FF）	C₁₂H₁₄Cl₂FNO₄S	5.489	375.0［M+NH₄］⁺	340.0， 241.0^*	105	14， 25	/
Chlortetracycline（CTC）	C₂₂H₂₃ClN₂O₈	5.582	479.1［M+H］⁺	462.0， 444.0^*	135	16， 22	/
Erythromycin（ERY）	C₃₇H₆₇NO₁₃	6.522	734.4［M+H］⁺	576.3， 158.0^*	155	17， 29	/
Dehydrated erythromycin（ERY-H₂O）	C₃₇H₆₅NO₁₂	6.876	716.4［M+H］⁺	558.4， 158.1^*	150	25， 9	/
Clarithromycin（CTM）	C₃₈H₆₉NO₁₃	7.084	748.4［M+H］⁺	590.3， 158.0^*	165	21， 29	/
Roxithromycin（ROX）	C₄₁H₇₆N₂O₁₅	7.153	837.4［M+H］⁺	558.3， 679.3^*	170	25， 21	/
NOR-D5	C₁₆H₁₃D₅FN₃O₃	4.123	325.1［M+H］⁺	307.1^#	130	25
FLE-D3	C₁₇H₁₅D₃F₃N₃O₃	4.133	373.1［M+H］⁺	269.1， 329.2^*	130	30， 20
OFL-D3	C₁₈H₁₇D₃FN₃O₄	4.134	365.1［M+H］⁺	261.1， 321.1^*	130	30， 21
CIP-D8	C₁₇H₁₀D₈FN₃O₃	4.197	340.1［M+H］⁺	296.1， 322.1^*	130	20， 30
PEF-D5	C₁₇H₁₅D₅FN₃O₃	4.198	339.1［M+H］⁺	295.1， 321.1^*	130	19， 22
LMX-D5	C₁₇H₁₄D₅F₂N₃O₃	4.371	357.1［M+H］⁺	313.1， 270.1^*	130	18， 25
ENR-D5	C₁₉H₁₇D₅FN₃O₃	4.582	365.1［M+H］⁺	321.1^#	130	21
DFH-D3	C₂₁H₁₆D₃F₂N₃O₃·HCl	5.135	403.1［M+H］⁺	299.1， 385.2^*	135	33， 23

Compound	Linear range/（ng/L）	Linear equation	R²	LOD/（ng/g）	LOQ/（ng/g）
SDZ	0.5‒25	y=459.71x+0.33	0.9970	0.04	0.08
STZ	0.5‒25	y=592.93x+18.43	0.9946	0.02	0.04
SMR	0.5‒25	y=586.29x‒22.08	0.9934	0.04	0.08
TMP	0.5‒25	y=1051.10x‒29.21	0.9986	0.04	0.4
OTC	5‒250	y=695.39x‒450.82	0.9937	0.04	0.16
NOR	4‒25	Y=165.16X‒1.27	0.9927	0.004	0.04
FLE	2‒25	Y=615.94X‒99.01	0.9944	0.004	0.08
OFL	1‒25	Y=754.94X+146.03	0.9945	0.02	0.08
SMZ	0.5‒25	y=201.04x‒17.27	0.9940	0.04	0.08
PEF	2‒25	Y=126.27X‒9.86	0.9900	0.02	0.08
CIP	2‒25	Y=105.57X+1.52	0.9947	0.04	0.08
TET	5‒250	y=126.41x+11.38	0.9941	0.08	0.16
LMX	0.5‒25	Y=205.93X‒43.79	0.9910	0.004	0.04
ENR	1‒25	Y=666.73X+98.76	0.9922	0.02	0.04
DFH	0.5‒25	Y=375.66X+30.04	0.9990	0.004	0.04
SMX	0.5‒25	y=439.94x+7.33	0.9992	0.004	0.08
FF	0.5‒25	y=98.61x+16.18	0.9964	0.002	0.004
CTC	40‒250	y=49.53x‒16.87	0.9911	0.04	0.4
ERY	0.5‒25	y=392.43x+18.37	0.9992	0.002	0.004
ERY- H₂O	0.5‒25	y=469.58x+15.03	0.9973	0.001	0.004
CTM	0.5‒25	y=578.81x+11.37	0.9972	0.001	0.004
ROX	0.5‒25	y=69.51x+2.66	0.9939	0.002	0.004