色谱  2019, Vol. 37 Issue (9): 1011-1018     DOI: 10.3724/SP.J.1123.2019.01044   PDF    
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聂雪梅
董旭阳
许秀丽
张峰
超高效液相色谱-四极杆静电场轨道离子阱质谱同时检测动物源性食品中20种β-受体阻滞剂及代谢物
聂雪梅1, 董旭阳1,2, 许秀丽1, 张峰1     
1. 中国检验检疫科学研究院, 北京, 100176;
2. 陕西科技大学, 西安, 710021
摘要:采用超高效液相色谱-四极杆静电场轨道离子阱质谱法,建立了动物源性食品中20种β-受体阻滞剂及其代谢物的高通量筛查分析方法。通过对前处理条件和仪器条件的优化,提高了灵敏度和适用性。最终选用低温高速离心的方式净化样品,C8色谱柱分离待测化合物,在数据依赖性质谱扫描模式下对目标物进行定性、定量分析。20种目标物在0.1~10 μg/L线性范围内呈良好的线性关系,相关系数(r2)均大于0.99。该方法的检出限为1~5 μg/kg,定量限为2~10 μg/kg,平均回收率在60.37%~100.84%,相对标准偏差均小于10%。该法操作简单,重现性好,准确度高,适用于动物源性食品中的β-阻滞剂及其代谢产物残留的筛查分析。
关键词超高效液相色谱    高分辨质谱    β-受体阻滞剂及代谢物    动物源性食品    高通量筛查    
Determination of 20 β -blockers and metabolites in animal-origin foods by ultra performance liquid chromatography-quadrupole electrostatic field orbitrap mass spectrometry
NIE Xuemei1, DONG Xuyang1,2, XU Xiuli1, ZHANG Feng1     
1. Chinese Academy of Inspection and Quarantine, Beijing 100176, China;
2. Shanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China
Foundation item: National Key R&D Program of China (No. 2016YFF0203903)
Abstract: In this study, ultra performance liquid chromatography-quadrupole electrostatic field orbitrap mass spectrometry was used to establish a high-throughput screening method for 20 β -blockers and their metabolites in foods of animal origin. The sensitivity and applicability of the established method were improved by optimizing the instrument and pretreatment conditions. The samples were purified by high speed centrifugation at low temperature, and the compounds were separated by a C8 column. Qualitative and quantitative analyses of the compounds were performed in full MS/dd-MS2 (data-dependent MS2) mode. Twenty compounds showed a good linear relationship in the range 0.1-10 μg/L, with correlation coefficients (r2) greater than 0.99. The limits of detection (LODs) ranged from 1 to 5 μg/kg, while the limits of quantification (LOQs) ranged from 2 to 10 μg/kg. The average recoveries were 60.37%-100.84%, with relative standard deviations less than 10%. The method is operationally simple and has good reproducibility and high accuracy, which are essential for β -blockers and metabolite residue screening in foods of animal-origin.
Key words: ultra performance liquid chromatography (UHPLC)     high-resolution mass spectrometry     β -blockers and metabolite     foods of animal origin     high-throughput screening    

β-受体阻滞剂(β-blockers, BBS)可选择性地与β肾上腺素受体结合, 拮抗儿茶酚胺和神经递质对β受体的激动作用, 在治疗心血管和心功能不全等疾病中有非常重要的作用[1], 但β-受体阻滞剂的不当使用会导致心肌耗氧量和血管阻力增加, 氧自由基和心肌细胞凋亡[2, 3]。在畜牧养殖业中, β-受体阻滞剂常被非法添加在饲料中, 通过降低动物的运动量来提高饲料转化率; 在动物屠宰或运输前数小时也会被非法注射到动物体内来缓解应激反应, 降低动物在运输压力下的发病率和死亡率[4, 5]。另外β-受体阻滞剂进入动物体内会进一步发生代谢, 生成药理活性更高的代谢物[6]。如卡维地洛的代谢物4-羟基苯基卡维地洛, 其肾上腺素受体阻滞效能比原药高约13倍, 而该类药物及其代谢物在动物体内残留风险较高, 可引起人类急性中毒的症状[7]。为满足监管的要求, 建立一种快速筛查β-受体阻滞剂及其代谢物残留的分析方法是非常必要的。

目前, 世界上一些地区和组织已经为动物源性食品中卡拉洛尔设定了最大残留限量, 以保护公众健康。欧盟和国际食品法典委员会规定了食用动物组织中卡拉唑醇的最大残留限量, 猪肾中为25 μg/kg, 牛肾中为15 μg/kg[8]。但对于β-受体阻滞剂的代谢物(如4-羟基苯基卡维地洛等), 尚未设定残留限量。我国目前既未批准BBS作为兽药使用, 也未明确BBS及其代谢物的相关限量要求。因此, 建立动物源食品中β-受体阻滞剂及其代谢物的高通量筛查分析方法具有重大意义。

为了监控β-受体阻滞剂的非法使用, 全世界的监管机构正在测试动物源性食品中的此类药物。常用的分析方法有酶联免疫吸附法(ELISA)、液相色谱法(LC)和液相色谱-质谱法(LC-MS)、液相色谱-荧光检测法(LC/UV)、气相色谱法(GC)、气相色谱-质谱法(GC/MS)[9, 10]等。其中ELISA定量不准确且操作程序复杂, 检测后需要其他方法验证。液相色谱法和液相色谱-荧光检测法的灵敏度较低, 无法满足对痕量化合物的分析要求。气相色谱法和气相色谱-质谱法具有较好的灵敏度, 但前处理需衍生化, 费时较长并增加了样品污染的可能性。液相色谱-质谱法作为目前应用较多的方法, 可以进行多残留定性、定量检测, 方便快速[11, 12]。近年来, 超高效液相色谱-四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱(UHPLC-Q-Orbitrap MS)在动物源性食品中的农兽药残留检测领域逐渐普及, 但对于肉类食品中β-受体阻滞剂及其代谢物残留分析的筛查分析方法的相关研究报道较少。本实验采用Q-Orbitrap高分辨质谱分析系统, 建立了同时测定动物源食品中20种β-受体阻滞剂类药物及代谢产物的分析方法。该方法简单, 快速, 灵敏度高, 为动物源性食品的安全提供了保障。

1 实验部分
1.1 材料与试剂

乙酸铵、氯化钠、乙二胺四乙酸二钠(分析纯, 北京化工厂); 甲醇、乙腈(色谱纯, 美国Thermo Fisher公司); 甲酸(纯度>99%, 北京百灵威科技有限公司)。

标准品:卡拉洛尔、马来酸噻吗洛尔、纳多洛尔、吲哚洛尔、美托洛尔(德国Dr. Ehrenstorfer公司); 醋丁洛尔、卡维地洛、喷布洛尔、普萘洛尔、盐酸倍他洛尔、阿普洛尔、氧烯洛尔、塞利洛尔、富马酸比索洛尔(法国EP公司)盐酸拉贝洛尔纯度(美国U.S.P公司); 二醋洛尔、氯拉洛尔、艾司洛尔、7-羟基普萘洛尔、羟基噻吗洛尔、羟苯基卡维地洛、羟基阿替洛尔(加拿大Toronto Research Chemicals公司); 以上试剂纯度均大于96%。

1.2 仪器与设备

Q-Exactive超高效液相色谱-四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱联用仪(美国Thermo Fisher公司); Milli-R04纯水仪(德国Millipore公司); Allegra X-22R高速冷冻离心机(美国Beckman Coulter公司); ML104/02分析天平(梅特勒-托利多上海有限公司); VORTEX GENIUS3涡旋混合器(德国IKA公司); 全温振荡培养器(德国Sartorius公司)。

1.3 溶液的配制

准确称取20种β-受体阻滞剂及其代谢物各1 mg(精确至0.0001 g), 分别置于20 mL的棕色小瓶中, 各加入5.00 mL的甲醇, 振荡摇匀, 待固体完全溶解后, 再加入5.00 mL的甲醇, 配制成100 mg/L的标准储备液, 在-20 ℃冰箱中储存待用。分别精密移取上述20种β-受体阻滞剂及代谢物标准储备液0.50 mL至10 mL棕色小瓶中, 混匀, 配制成5 mg/L的β-受体阻滞剂及代谢物的混合标准溶液, 并放置于-20 ℃冰箱中保存待用。

称取15.4000 g乙酸铵, 溶于水中, 用乙酸调pH值为5.2。充分摇匀后, 加入37.5 g乙二胺四乙酸(EDTA)二钠并定容至1.0 L, 配制成EDTA提取液并放置于4 ℃冰箱中保存待用。

1.4 样品前处理

将肉类样品搅碎后, 称取1.0000 g样品到50 mL聚丙烯离心管中, 加入5.00 mL乙二胺四乙酸提取液和20.0 μL β-葡糖苷酸酶/芳基硫酸酯酶后, 在旋转器上混合1 min, 50 ℃下全温振荡培养器中300 r/min振荡酶解2 h。待其冷却至室温后, 用3.0 mol/L氢氧化钠溶液pH调节至10。将乙腈(20.00 mL)、氯化钠(2.0000 g)依次加入到样品中, 摇匀振荡提取30 min后在4 ℃下以10000 r/min离心15 min。取上清液过0.22 μm尼龙膜到进样小瓶中, 上机检测。

1.5 仪器条件
1.5.1 色谱条件

色谱柱:ALORICH Ascentis® C8(10 cm×4.6 mm, 3 μm)。流动相:0.1%(v/v)的甲酸水溶液(A)、乙腈(B)。梯度洗脱程序:0~0.5 min, 5%B; 0.5~9.0 min, 5%B~95%B; 9.0~12.5 min, 95%B; 12.5~14.0 min, 95%B~5%B; 14.0~15.0 min, 5%B。柱温箱温度为30 ℃, 流速为0.3 mL/min, 进样体积为5 μL。

1.5.2 质谱条件

Q-Orbitrap HRMS配备了加热电喷雾电离源(HESI), 扫描模式为正离子扫描, 数据依赖模式(Full MS/dd-MS2), 质量扫描范围m/z 100~500。一级分辨率70000, 二级分辨率35000。归一化碰撞能量(normalized collision energies, NCE)设定为15%、25%和35%, 喷雾电压设定为3.0 kV, 毛细管温度和辅助气体加热器温度均为350 ℃。20种化合物的质谱参数见表 1

表 1 20种目标化合物的色谱-质谱参数 Table 1 LC-MS parameters of the 20 target compounds
1.6 基质效应

在样品中, 除分析物以外的组分都被称为基质。基质中存在的干扰物会与目标物共洗脱, 改变待测组分的离子化效率, 降低方法的灵敏度, 影响分析结果的准确性[13, 14]。基质效应(ME)根据相同浓度的分析物在纯有机溶液中与在空白基质溶液中的响应比值来评估[15]:

(1)

其中A为纯溶剂中待测物的响应值, B为样品基质中添加的相同含量待测物的响应值。动物源性食品成分复杂, 基质效应明显。为了最大限度地消除基质效应, 本实验在空白基质中加入系列标准溶液建立校正曲线。这样标准空白基质和待测化合物具有相同的离子化环境, 从而有效消除基质效应。

2 结果与讨论
2.1 色谱条件的优化

在对目标化合物进行检测时, 应最大程度考虑色谱峰峰形的对称性, 以确保开发的检测方法以峰面积对目标物进行定量时, 有更加接近真值的结果[16]。因此, 色谱柱与流动相的选择非常关键。

本实验考察了Waters ACQUITY UPLC® BEH C18(50 mm×2.1 mm, 1.7 μm)、Waters BEH HILIC (100 mm×2.1 mm, 1.7 μm)和ALORICH Ascentis® C8(10 cm×4.6 mm, 3 μm)这3种色谱柱对目标物的分离效果。色谱柱优化时, 流动相采用实验室常用流动相(甲醇和0.1%(v/v)甲酸水溶液)。以卡拉洛尔为例, 3种色谱柱的分离效果如图 1所示。观察实验结果发现, HILIC色谱柱对目标物进行分离时, 色谱峰分叉严重, 这可能是由于β-受体阻滞剂类药物极性范围较宽, 而适用于极性化合物的HILIC色谱柱对β-受体阻滞剂类化合物的分离效果不够理想。C18色谱柱对目标物进行分离时, 峰形较差, 这对目标物定性及定量结果有很大的影响。而C8色谱柱得到的色谱峰峰形良好, 适合用于β-受体阻滞剂类药物的分离。该色谱柱填料为高纯硅胶, 与普通C18色谱柱相比, 具有更好的亲水性, 对于β-受体阻滞剂色谱峰峰形的改善、峰宽减小等有很大帮助。

图 1 3种色谱柱对卡拉洛尔的分离效果 Fig. 1 Separation of carazolol on the three chromatographic columns a. ALORICH Ascentis® C8 (10 cm×4.6 mm, 3 μm); b. Waters ACQUITY UPLC® BEH C18(50 mm×2.1 mm, 1.7 μm); c. Waters BEH HILIC (100 mm×2.1 mm, 1.7 μm).

除色谱柱外, 流动相的选择对待测物的分离及质谱的检测结果也有很大的影响。色谱柱选定后, 通过实验对比了甲醇、乙腈与0.1%(v/v)甲酸水溶液作为流动相时目标物的分离情况。实验结果如图 2所示, 乙腈作为有机相时目标物响应强度较甲醇高。由于本实验采用正离子模式检测, 因此在水相中加入少量酸可增强目标物的响应。对比发现, 乙腈-0.1%(v/v)甲酸水溶液作流动相时目标物的色谱峰峰形好, 响应高。在优化的仪器条件下, 20种β-受体阻滞剂类药物及其代谢物的色谱图见图 3

图 2 不同流动相对卡拉洛尔的分离效果 Fig. 2 Separation effect of different mobile phases on carazolol a. methanol-0.1% (v/v) formic acid; b. acetonitrile-0.1% (v/v) formic acid.

图 3 20种β-受体阻滞剂及代谢物的色谱图 Fig. 3 Chromatograms of the 20 β-blockers and metabolites
2.2 前处理条件的优化

动物源性食品基质复杂, 并且本实验要同时检测20种β-受体阻滞剂及代谢物。因此, 在前处理过程中进行净化方法的选择时, 在保证目标化合物物回收率良好的前提下, 需要最大程度除去杂质, 以提高目标物的灵敏度。

2.2.1 QuEChERS净化

移取振荡提取后的样品上清液4 mL到10 mL离心管中, 加入0.9 g无水硫酸镁、150 mg C18和150 mg乙二胺-N-丙基硅烷, 振荡2 min后静置, 取上清液过0.22 μm滤膜。上机检测后发现, 加标样品中卡拉洛尔、氧烯洛尔、普萘洛尔、阿普洛尔、比索洛尔、噻吗洛尔等10种目标化合物的回收率均小于60%。

2.2.2 固相萃取

将振荡提取后的样品静置分层后, 移取2 mL上清液分别过亲水亲脂分配固相萃取柱(Waters Oasis HLB, 200 mg/6 mL)和混合强阳离子固相萃取柱(Waters Oasis MCX, 150 mg/6 mL)。HLB柱用甲醇-水(5:95, v/v)和甲醇-乙腈(1:9, v/v)依次淋洗。MCX柱用含有5%(v/v)氨水的甲醇淋洗。实验结果发现, 使用MCX柱进行净化时, 目标物的回收率更高。这是由于HLB柱是共价键结合分配机理, 因此目标物回收率不够理想。而MCX柱的原理为苯磺酸型强阳离子交换机理, 是将磺酸基键合在高度交联的聚(苯乙烯-二乙烯基苯) (PS/DVB)表面, 具有反相和交换双重保留性能, 对碱性化合物有良好的保留性能[17, 18]。但还是有少量化合物的回收效果不佳。

2.2.3 高速低温离心

将振荡提取后的样品于4 ℃下10000 r/min离心15 min。取上清液过0.22 μm滤膜进样。实验结果发现, 20种目标化合物的平均回收率在60.37%~100.84%, 回收率良好。这可能是由于该方法减少了净化步骤, 避免了目标化合物在净化过程中的损失。除此之外, 该方法操作简单, 试剂使用量少。因此, 本研究采用该方法对样品进行净化。

2.3 方法学考察
2.3.1 线性范围和检出限

分别添加0.1、0.2、0.5、1、2、5、10 μg/L的目标化合物混合标准物质到空白基质溶液中。以20种目标化合物的响应峰面积-对应的质量浓度绘制工作曲线。以峰面积(Y)为纵坐标, 质量浓度(X, μg/L)为横坐标, 绘制标准曲线, 20种化合物在0.1~10 μg/L范围内呈良好的线性关系, 线性相关系数(r2)均大于0.99。在空白样品中分别添加一系列浓度的目标化合物混合标准溶液, 进行前处理和测定, 以3倍信噪比确定检出限(LOD), 以10倍信噪比确定定量限(LOQ)。实验结果表明, 20种目标化合物的检出限为1~5 μg/kg, 定量限为2~10 μg/kg。具体结果见表 2

表 2 20种目标化合物的线性方程、相关系数、线性范围、检出限和定量限 Table 2 Linear equations, correlation coefficients (r2), linear ranges, LODs and LOQs of the 20 target compounds
2.3.2 回收率与精密度

空白样品中添加低、中、高3个水平的20种目标化合物混合标准溶液, 每个水平进行6次试验。结果表明, 20种化合物的平均回收率为60.37%~100.84%, 相对标准偏差小于10%(见表 3)。其准确度与精密度能满足残留检测的要求, 表明该分析方法可靠、准确, 适合此类物质的定量分析。

表 3 20种目标化合物在3个添加水平下的平均回收率和相对标准偏差(n=6) Table 3 Average recoveries and relative standard deviations of the 20 target compounds at three spiked levels (n=6)
2.4 实际样品的分析

购买来自不同国家和地区的市售猪肉共20份, 将本实验建立的方法应用到20份样品中β-受体阻滞剂及代谢物残留的检测中。

实验结果表明, 实际样品中均未检出该类物质, 未发现阳性样品。

3 结论

本研究建立了超高效液相色谱-四极杆/静电场轨道离子阱质谱快速筛查方法, 实现了20种β-受体阻滞剂及代谢物的定性、定量分析。该法操作简单, 重现性好, 分辨率高, 能同时对动物源性食品中20种β-受体阻滞剂及代谢物残留进行筛查定量。

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