抗生素(antibiotics)又称抗生菌,是微生物(包括细菌、真菌、放线菌属)或高等动植物在生活过程中产生的具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物,能干扰其他生活细胞发育功能的化学物质。自1928年英国科学家Alexander Fleming首次从青霉素菌中分离出青霉素,人类便开始在畜禽养殖、医疗卫生、食品加工等行业广泛使用抗生素。畜禽养殖行业常用到的抗生素有磺胺类(sulfonamides,SAs)、喹诺酮类(quinolones,QNs)、四环素类(tertacyclines,TCs)、氯霉素类(chloram phenicols,CPs)等。因β -受体激动剂( β -agonists)能促进动物生长和提高瘦肉率而作为添加剂在畜禽养殖行业中使用。抗生素对人体的危害表现在毒性损伤、变态反应、过敏反应、“三致”作用和耐药性等方面,如氯霉素可引起再生性、障碍性和溶血性贫血;磺胺类抗生素易使人产生过敏和变态反应[1];施奉英等[2]研究发现北京某规模化养猪场的大肠杆菌粪便分离株对土霉素、磺胺嘧啶和四环素的耐药性为97.6% ,对金霉素的耐药性为90.5% ;与国外相比,国内猪大肠杆菌的耐药性更高[3],药敏谱更窄,可选择的药物也更少。β -受体激动剂进入人体后会对心脏产生刺激,严重的甚至会导致心脏癌变。抗生素和β -受体激动剂大多不被畜禽充分吸收,而是随排泄物进入环境[4]。目前的污水处理工艺对此类兽药残留的处理甚微,污染物经雨水淋滤、地表径流等途径对地表水和地下水造成潜在威胁[5, 6, 7],进而影响人类和畜禽饮用水的安全。近年来,在环境中检出抗生素和β -受体激动剂的事件时有发生,Sarmah等[8]分析了地下水样,发现包括氯四环素、土霉素、林肯霉素、磺胺甲嘧啶等多种抗生素以及抗生素代谢产物的存在。1998年欧盟全面禁止在饲料中使用生长素;2012年美国和韩国开始规范饲料中抗生素的使用[9]。我国农业部公告第176号[10]规定禁止在饮用水中添加β -受体激动剂类药物。但至今尚未建立饮用水中抗生素残留的检验依据,因此,我国亟待制订抗生素在畜禽养殖行业的使用规范,确保抗生素的规范使用。
现在环境中抗生素的检测更侧重于地表水、河水、湖泊等,针对畜禽饮用水和环境水中β -受体激动剂的检测报道则很少。抗生素和β -受体激动剂常用的检测方法有高效液相色谱法[11, 12, 13]和液相色谱-质谱联用法[14, 15, 16, 17, 18, 19]。液相色谱-质谱联用法具有高灵敏度、高选择性、检测快速等优点,在抗生素和β -受体激动剂的检测中得到广泛应用。
本文旨在建立固相萃取-超高效液相色谱-串联质谱测定畜禽饮用水中4类23种常见的抗生素(磺胺类、喹诺酮类、四环素类、氯霉素类)和3种β -受体激动剂(克伦特罗、莱克多巴胺、沙丁胺醇)的分析方法,为畜禽饮用水中相关兽药残留分析和环境风险评价提供科学依据。
XEVO TQ-S三重四极杆液相色谱-质谱联用仪(美国Waters公司); WD-12水浴氮吹仪(杭州奥盛仪器有限公司); FE20 pH计(梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司);负压固相萃取装置(天津博纳艾杰尔科技有限公司); C18固相萃取柱(6 mL/200 mg,德国CNW公司); Oasis HLB固相萃取柱(6 mL/200 mg,美国Waters公司)。
磺胺类:磺胺醋酰(sulfacetamide,SA)、磺胺甲噻二唑(sulfamethizole,STZ)、磺胺二甲异恶唑(sulfisoxazole,SMO)、磺胺氯哒嗪(sulfachloropyridazine,SCP)、磺胺嘧啶(sulfadiazine,SD)、磺胺甲基异恶唑(sulfamethoxazole,SMX)、磺胺噻唑(sulfathiazole,ST)、磺胺-6-甲氧嘧啶(sulfamonomethoxine,SMM)、磺胺甲基嘧啶(sulfamerazine,SM1)、磺胺邻二甲氧嘧啶(sulfadoxine,SDO)、磺胺吡啶(sulfapyridine,SP)、磺胺对甲氧嘧啶(sulfameter,SME)、磺胺甲氧哒嗪(sulfamethoxypyridazine,SMP)、磺胺二甲嘧啶(sulfamethazine,SM2)、磺胺苯吡唑(sulfaphenazole,SNZ)、磺胺间二甲氧嘧啶(sulfadimethoxine,SDM);四环素类:金霉素(chlorotetracycline,CTC)、土霉素(oxytetracycline,OTC)、四环素(tetracycline,TC);喹诺酮类:恩诺沙星(enrofloxacin,ENR)、环丙沙星(ciprofloxacin,CIP);氯霉素类:氯霉素(chloramphenicol,CAP)、氟苯尼考(florfenicol,FFC); β -受体激动剂:克伦特罗(clenbuterol,CLE)、莱克多巴胺(ractopamine,RAC)、沙丁胺醇(salbutamol,SAL)均购自德国Dr. Ehrenstorfer公司;克伦特罗-D9(clenbuterol-D9,CLE-D9)、莱克多巴胺-D3(ractopamine-D3,RAC-D3)、沙丁胺醇-D3(salbutamol-D3,SAL-D3)均购自加拿大CDN公司。纯度均高于95% 。
甲醇、乙腈为色谱纯(美国Fisher公司);甲酸为色谱纯(赛默飞世尔科技(中国)有限公司);高氯酸为分析纯(金鹿化工有限公司);乙二胺四乙酸二钠(Na2EDTA)、柠檬酸、磷酸氢二钠、氨水均为分析纯(国药集团化学试剂有限公司)。
准确称取1 mg(精确至0.01 mg)23种抗生素、3种β -受体激动剂和对应的氘代β -受体激动剂标准品,用甲醇分别配制100 mg/L 的标准储备液,于-18 ℃保存。准确移取0.10 mL磺胺类抗生素、β -受体激动剂和0.20 mL喹诺酮类、四环素类和氯霉素类抗生素标准储备液;用甲醇分别配制1 mg/L 磺胺类抗生素、β -受体激动剂和2 mg/L 喹诺酮类、四环素类和氯霉素类抗生素的混合中间使用液;用甲醇稀释混合中间使用液,分别配制0.5、2.5、5.0、10.0、15.0、25.0 μ g/L 的磺胺类抗生素和β -受体激动剂系列标准工作溶液,分别配制1.0、5.0、10.0、20.0、30.0、50.0 μ g/L 的喹诺酮类、四环素类和氯霉素类抗生素系列标准工作溶液;取氘代β -受体激动剂标准储备液各50 μ L,用甲醇配制100 μ g/L 的内标混合液。
采集36家北京郊区规模化畜禽养殖场的畜禽饮用水样品,采集时间为2015年春季。北京地区畜禽饮用水的来源主要是地下水和市政供水,本次采集的样品均为地下水。将样品装满于1 L硬质玻璃瓶,密封,于4 ℃冷藏避光保存,24 h内完成测定。
将水样置于室温,经0.45 μ m玻璃纤维滤膜过滤,准确量取250.0 mL,置于500 mL玻璃烧杯中,加入50 μ L 100 μ g/L 的内标混合液于待测样品中,用高氯酸调节pH至5.0,加入0.5 g Na2EDTA,充分混匀,待上柱净化。
预先依次用5 mL甲醇和超纯水活化HLB固相萃取柱。样品以5 mL/min 的流速通过HLB柱后,用5 mL 5%(v/v)甲醇水溶液淋洗,弃去淋洗液,负压抽干30 min;最后用5 mL甲醇、2 mL 5%(v/v)氨化甲醇洗脱,收集洗脱液。洗脱液于45 ℃下用氮气吹干,用0.1%(v/v)甲酸水定容至0.5 mL,超声混匀1 min,过0.22 μ m微孔滤膜净化,待测定。
色谱柱:BEH C18(50 mm×2.1 mm,1.7 μ m,美国Waters公司);进样量:5 μ L;流速:0.3 mL/min;柱温:40 ℃;流动相:A为乙腈;B为0.1%(v/v)甲酸水溶液。梯度洗脱程序:0 min,5%A; 0~1.0 min,5%A~10%A; 1.0~2.0 min,10%A~20%A; 2.0~5.0 min,20%A~70%A; 5.0~5.1 min,70%A~5%A; 5.1~6.0 min,5%A。
离子源:电喷雾离子(ESI)源;扫描方式:正离子或负离子;离子源温度:150 ℃;监测方式:多时段-多离子反应监测(multi-period MRM)。相关质谱参数和分段时间见表 1。
选用HLB和C18两种固相萃取柱进行净化,实验结果表明,采用C18柱净化,大部分待测物的回收率明显低于过HLB柱,说明C18柱对待测物的保留能力低于HLB柱,因此选用HLB固相萃取柱净化样品。
样品以3、5、8 mL/min 的流速通过HLB柱。样品以3、5 mL/min 流速过柱时待测物的回收率变化不大,以8 mL/min 流速过柱时,部分待测物的回收率下降,可能原因是各个待测物的pKa值波动较大,例如SCP的pKa值为5.9,SA的pKa值为10.1。不同待测物在HLB柱上的保留能力不同,当过柱流速过大时,pKa值大的待测物容易流失,导致回收率下降,例如流速从5 mL/min 提高到8 mL/min 时,SA的回收率损失15% 。因此将流速控制在5 mL/min,保证所有待测物更多地保留在HLB柱上。
本次实验还比较了5%(v/v)氨化甲醇[16]和甲醇的洗脱效果,发现与甲醇的洗脱效果比较,采用氨化甲醇洗脱时,大部分磺胺类抗生素的回收率有10%左右的提高,而四环素类抗生素的回收率降低了30%左右,喹诺酮类抗生素的回收率有所下降,氯霉素类抗生素和β -受体激动剂的回收率变化不大。因此,在甲醇洗脱后补加2 mL 5%(v/v)氨化甲醇继续洗脱,这样既不影响其他类药物的洗脱效果,又可提高大部分磺胺类抗生素的回收率。因此,本实验采用甲醇和2 mL 5%(v/v)氨化甲醇洗脱。
分别用3、5、7 mL甲醇对待测物进行洗脱,发现当洗脱体积为3 mL时,待测物的回收率偏低;当洗脱体积为5 mL时,待测物的回收率明显提升;但当洗脱体积增加至7 mL时,待测物的回收率变化不大。可见再增加洗脱液的体积对提高回收率无益。因此,本实验甲醇的洗脱体积定为5 mL。
用高氯酸调节样品pH分别至3.0、5.0、7.0。发现磺胺类药物在pH为3.0和5.0时,回收率变化不大;而当pH升至7.0时,回收率降低,例如SA在pH为5.0时,回收率为80%以上;当pH升为7.0时,回收率降至10%以下;喹诺酮类药物的pH由3.0提高至7.0时,回收率略有提高;四环素类、氯霉素类药物的回收率受pH影响不大;β -受体激动剂的回收率随pH降低而降低,受pH影响较大。综合考虑,用高氯酸调节样品的pH至5.0。
在样品中加入0.5 g Na2EDTA[19]或50 mL 0.1 mol/L Na2EDTA-Mcllvaine缓冲溶液(1000 mL 0.1 mol/L柠檬酸+625 mL 0.2 mol/L磷酸二氢钠,pH=4.0±0.05),充分混匀,考察待测物的回收率。发现加入Na2EDTA或Na2EDTA-Mcllvaine缓冲溶液,磺胺类、氯霉素类抗生素的回收率略有提高;喹诺酮类抗生素的回收率变化不大;加入Na2EDTA时,四环素类抗生素的回收率提高了30%以上,但加入Na2EDTA-Mcllvaine缓冲溶液时效果更好,其中OTC、TC的回收率提高了约40% ;加入Na2EDTA后,β -受体激动剂类的回收率略有下降,加入Na2EDTA-Mcllvaine缓冲溶液后的回收率下降更为明显。抗生素特别是四环素类抗生素容易与重金属发生配合或螯合作用,形成稳定的配合物或螯合物,从而影响相关待测物的检测。Na2EDTA是一种良好的螯合剂,容易与多种金属形成螯合物,能减少重金属对检测的干扰。综合考虑,本实验选择加入0.5 g Na2EDTA。
在分析饮用水中微量兽药残留时,应尽量提高样品的浓缩体积,在降低基质干扰的前提下提高待测物的检出限,保证检出更多的待测物。但是固相萃取柱的容量有限,一般用穿透体积(固相萃取过程中,填料的吸附位点逐渐吸附分析物而饱和,从含有目标物的溶液开始经过固相萃取填料床层,到分析物穿透床层开始流出,所需溶液的体积)来评价。分别用250、500、1000 mL样品过柱,考察过柱体积对回收率的影响。当过柱体积为 1000 mL时,与过柱体积为500 mL相比,所有待测物的回收率均下降,说明样品待测物已经达到穿透体积;当过柱体积为500 mL时,与过柱体积为250 mL相比,部分待测物的回收率有所下降,其中SAL的回收率下降最多,达到30% ;当过柱体积为250 mL时,所有待测物的回收率均较好。说明不同待测物的穿透体积并不相同,过柱体积不宜过大。本实验选择过柱体积为250 mL。
根据欧盟2002-657-EC指令[20]规定:为确保质谱检测的可信度,低分辨质谱联用检测应选择检测化合物一个母离子和两个以上的子离子。在确定化合物母离子的基础上,经子离子扫描选择子离子的质量数及最佳碰撞能量,建立MRM模式。为了提高检测的灵敏度,本方法采用多时段多离子反应监测,即按照各个待测物的保留时间划分多个时间段分别进行MRM监测,从而在各个时间段仅对选定的特征离子进行监测,而不是对所有方法选定的特征离子进行监测,增加选定的特征离子的监测频率,提高方法的灵敏度。Waters XEVO TQ-S三重四极杆液相色谱-质谱联用仪可在20 ms内完成两种电离方式的切换,完全能满足ESI+、ESI-两种电离模式下待测物的同时检测。
在提高检测的灵敏度上,一方面采用多时段的多离子反应监测模式,另一方面在流动相的水相中添加0.1%(v/v)的甲酸[21],以增强ESI+模式下待测物的离子化程度,文献[22]报道添加5 mmol/L 乙酸铵可以增强ESI-模式下待测物的离子化程度。本实验在流动相中添加5 mmol/L 乙酸铵后,氯霉素类抗生素待测物的离子化(ESI-电离)的确有所增强,但是极大地抑制了四环素类抗生素待测物的离子化(ESI+电离),综合考虑只添加0.1%(v/v)的甲酸。本实验还比较了甲醇和乙腈分别作为流动相的有机相时待测物的峰形,结果表明,乙腈作为流动相的有机相时待测物的峰形更尖锐,拖尾更小,因此本实验选取乙腈作为流动相的有机相。23种抗生素和3种β -受体激动剂可在6 min内完成分离,分析快速,分离效果理想。23种抗生素和3种β -受体激动剂及其内标在10 μ g/L 时的多时段多离子反应监测下的色谱图见图 1。
将1.2节配制的标准溶液上机检测,以质量浓度(X,μ g/L)为横坐标,峰面积(Y)为纵坐标绘制23种抗生素待测物的标准曲线;以质量浓度(x,μ g/L)为横坐标,分析物峰面积与内标物峰面积的比值(y)为纵坐标绘制3种β -受体激动剂的标准曲线(见表 2)。磺胺类抗生素和β -受体激动剂在0.5~25.0 μ g/L范围,喹诺酮类、四环素类和氯霉素类抗生素在1.0~50.0 μ g/L 范围内呈良好的线性关系,R2均大于0.994。空白样品添加23种抗生素和3种β -受体激动剂的检出限(LOD,S/N≥3)见表 2。
将本文的检测方法与其他文献的检测方法进行了比较,结果见表 3。吴翠琴等[13]采用高效液相色谱-荧光检测法针对磺胺类药物进行检测,前处理方法是液液微萃取-柱前荧光衍生,操作耗时且复杂,检测样品量只有2 mL,检出限较高,这种方法应用不多;更多的文献[14, 15, 16, 17, 18]采用固相萃取-超高效液相色谱-串联四极杆质谱联用法。无论分析兽药种类的多少,色谱柱越长,所需的分析时间越长。用较长的色谱柱是为了提高分析物的分离效果,但本实验结果表明,用50 mm BEH C18的高柱效色谱柱已经足以保证23种抗生素和3种β -受体激动剂的分离效果,既省时又省溶剂。本方法对各类抗生素和β -受体激动剂的检出限明显低于或接近其他方法的检出限,方法的灵敏度较好。
以实验室自来水作为替代样品,按1.4节所述方法作加标回收率和精密度试验。添加1.2节配制的混合中间使用液,磺胺类抗生素和β -受体激动剂添加量为2.5、10 ng;喹诺酮类、四环素类和氯霉素类抗生素添加量为5、20 ng,每个添加水平做3个平行试验,结果见表 4。结果表明,本方法23种抗生素和3种β -受体激动剂的平均回收率范围为50.7% ~104.6% ,相对标准偏差为2.6% ~8.8% 。
采用本文建立的方法对36家规模化畜禽养殖场的畜禽饮用水样品进行检测,每个样品做2个平行测定,共检出4种磺胺类、2种四环素类和1种氯霉素类抗生素,结果见表 5。
本文建立了固相萃取-超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)同时测定畜禽饮用水中4类23种抗生素和3种β -受体激动剂残留的分析方法。该方法检出限低,稳定性好,通用性强,检测快速;通过内标物的使用弥补了β -受体激动剂的基质效应和前处理过程中被测物的损失对定量结果的影响。该方法适用于畜禽饮用水中抗生素和β -受体激动剂残留的快速检测。