生活污水中苯二氮䓬类药物及其新型策划药分析方法优化及应用.pdf
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1、生活污水中苯二氮类药物及其新型策划药分析方法优化及应用朱珠1,张苓荣1,赵孟林1,张璇1,郝芳华1,李喜青2,杜鹏1*1.北京师范大学水科学研究院,城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室,北京1008752.北京大学城市与环境学院,地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京100871摘要:近年来苯二氮类药物(benzodiazepines,BZDs)及其新型策划药(designer benzodiazepines,DBZDs)在全球范围内的滥用呈现上升趋势.为实时监测区域苯二氮类药物及其新型策划药的使用情况,本文建立了利用固相萃取(SPE)前处理、高效液相色谱串联质谱(LC-MS/MS)技术
2、检测污水中 BZDs 及其代谢产物的分析方法,并对前处理条件和仪器参数进行了优化,前处理优化过程具体包括固相萃取柱类型、淋洗条件、洗脱条件及复溶条件的选择.最后应用优化后的方法测定北京市 6 家污水处理厂实际进水样品.结果表明:前处理选用 Cleanert PCX 萃取柱,依次使用 2 mL 2%甲酸水溶液、2 mL 甲醇淋洗填料,使用 4 mL5%甲醇氨溶液洗脱目标化合物,氮吹后用 500 L 50%甲醇水溶液复溶残留物时效果最优.25 种目标化合物不同浓度梯度加标回收率范围为 85.7%116.5%,基质效应、检出限和定量限、标准曲线及线性范围、精密度等指标均满足方法验证要求.实际污水进水
3、样品 25 种目标化合物可检出 18 种,浓度在 0.0322.4 ng/L 之间,验证了方法的可靠性.研究显示,该分析方法可用于检测生活污水中苯二氮类药物及其新型策划药,可为进一步开展该类药物的污水流行病学研究提供参考依据.关键词:苯二氮类药物(BZDs);代谢产物;污水流行病学;固相萃取(SPE);高效液相色谱串联质谱(LC-MS/MS)中图分类号:X830.2文章编号:1001-6929(2023)08-1554-10文献标志码:ADOI:10.13198/j.issn.1001-6929.2023.06.04Optimization and Application of Analyti
4、cal Methods for Benzodiazepines andNew Drugs in Domestic WastewaterZHU Zhu1,ZHANG Lingrong1,ZHAO Menglin1,ZHANG Xuan1,HAO Fanghua1,LI Xiqing2,DU Peng1*1.Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology,College of Water Sciences,Beijing NormalUniversity,Beijing 100875,Chi
5、na2.Laboratory of Earth Surface Processes,College of Urban and Environmental Sciences,Peking University,Beijing 100871,ChinaAbstract:in recent years,the global use of benzodiazepines(BZDs)and designer benzodiazepines(DBZDs)has significantly increased.Inorder to effectively monitor and control the pr
6、esence of benzodiazepines in specific regions,a method combining solid phase extraction(SPE),ultra-performance liquid chromatography (UPLC),and triple quadrupole mass spectrometry (MS/MS)was developed.Theoptimization process involved the pretreatment process and UPLC-MS/MS parameter adjustments.The
7、pretreatment optimization includedthe selection of appropriate SPE columns,flushing and elution conditions,and resolution conditions.Subsequently,this method wasapplied to analyze the influent samples from six wastewater treatment plants in Beijing.The results showed that:(1)The most favorableoutcom
8、es were achieved using the Cleanert PCX extraction column,along with 2 mL of 2%formic acid solution,2 mL of methanol forflushing,4 mL of 5%methanol ammonia solution for elution,and 500 L of a 50%methanol-water solution for residue redissolution afterevaporation.(2)By using these optimized conditions
9、,the recovery rates of 25 target compounds in various concentration ranges werebetween 85.7%and 115%.The matrix effect,limits of detection and quantification,linear relationship,precision,and other performanceindicators all met validation criteria.(3)The real influent samples showed the detection an
10、d quantification of 18 out of the 25 target 收稿日期:2023-04-18修订日期:2023-05-20作者简介:朱珠(1998-),女,江苏宿迁人,zhuzhu_.*责任作者,杜鹏(1987-),男,黑龙江七台河人,副教授,博士,主要从事污水流行病学等研究,基金项目:中国科协青年人才托举工程项目(No.2019QNRC001);国家自然科学基金面上项目(No.42171073)Supported by Young Elite Scientists Sponsorship Program by CAST,China (No.2019QNRC001);
11、National Natural Science Foundation of China(No.42171073)第 36 卷第 8 期环境科学研究Vol.36,No.82023 年 8 月Research of Environmental SciencesAug.,2023compounds,with concentrations ranging from 0.03 to 22.4 ng/L.The results indicate that the developed method can detect both BZDs andDBZDs in wastewater samples,wh
12、ich can serve as a valuable tool for further research on BZDs and DBZDs using wastewater-basedepidemiology.Keywords:benzodiazepines(BZDs);metabolites;wastewater-based epidemiology;solid phase extraction(SPE);ultra performance liquidchromatography-triple quadrupole mass spectrometry(LC-MS/MS)苯二氮类药物(b
13、enzodiazepines,BZDs)作为精神科门诊普遍使用的强效镇静安眠药物,连续使用易形成药物依赖,在全球范围内已出现普遍的滥用现象1-2.新型苯二氮类策划药(designer benzodiazepines,DBZDs)则多为常用BZDs 的结构修饰物,药效与BZDs相似,但在国内未通过药物监管部门的上市批准.因缺少法律监管,DBZDs 已成为毒品市场盛行的一类新精神活性物质3-4.同时,BZDs 和 DBZDs 会通过服用者排泄物经市政管网汇入污水处理厂,因生活污水中检出 BZDs 和 DBZDs 的报道逐年增多,有关部门已将依替唑仑等 BZDs 和 DBZDs 作为重点监管对象5.
14、此外,污水处理厂未能去除的 BZDs 和 DBZDs 原药或代谢产物随出水排入地表水环境,因其仍具有较高的生物活性,给水生生物6-7和居民饮用水8-9安全带来了潜在威胁.针对 BZDs 和 DBZDs 使用造成的社会问题和环境问题,对此类药物的使用情况进行实时监测,并估算其使用量,对禁毒部门制定管控政策和新型污染物健康风险评价具有重要意义10-11.环境分析科学技术的发展催生了基于污水流行病学(wastewater-based epidemiology,WBE)的毒品滥用监测手段,该方法通过对生活污水中目标化合物浓度水平的分析,获取接近实时的区域毒品滥用水平、时空分布等关键信息12-15,较传
15、统药物滥用调查方法更客观高效.欧洲16-17、亚洲18、美洲19等地区已广泛应用 WBE 方法监测其传统和新型毒品的滥用水平.随着社会对公共健康关注度的不断提高,WBE 的研究对象逐渐转向了与人体健康相关的生物标志物,如烟草、酒精20、咖啡因21等合法成瘾性物质,具有强效镇痛效果的曲马多、阿片类药物22,治疗细菌疾病的抗生素23以及与糖尿病高血压等常见基础病有关的二甲双胍24、美托洛尔25等,以进一步挖掘污水中所包含的人类生活方式及健康状况信息.此外,在新型冠状病毒全球大流行的背景下,以病原体为生物标志物,污水流行病学在传染病预警、疾病传播动态监测以及社区感染人数预测等方面的作用和价值同样被不
16、断发掘26-27.然而,针对治疗失眠、焦虑的BZDs 和新精神活性物质 DBZDs 的 WBE 研究仍然较为匮乏.Baker 等28利用高效液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)技术建立了污水中 65 种非法药物及处方药的分析方法,其中包含地西泮、硝西泮等 7 种常用 BZDs 处方药,并对英国城市污水中 BZDs 进行了检测,发现该类药物浓度在 11.9209 ng/L 之间;Yuan等29报道了国内阿普唑仑、劳拉西泮及奥沙西泮在北京医疗废水和生活污水中的赋存情况,Wu 等8对黄浦江及沿江污水厂中地西泮、阿普唑仑、艾司唑仑等 8 种 BZDs 处方药进行监测,结果表明该类药物在北京、上海各类
17、水体中广泛存在.由于 BZDs 药物种类繁多,现有报道中所包含的 BZDs 种类较少,且多为地西泮、奥沙西泮等常用药物,缺乏针对尼美西泮、三唑仑等 BZDs 类第三代毒品以及吡唑仑、依替唑仑等非法 DBZDs 的相关研究.因此,建立一种涵盖较全种类 BZDs 和 DBZDs 的高灵敏度、高选择性污水分析方法,可对 BZDs 和 DBZDs 的使用情况进行更为系统全面的监测.该研究以 25 种 BZDs 和 DBZDs 为研究对象,利用固相萃取(SPE)前处理技术和 LC-MS/MS 实现对污水样品中目标化合物的分析测定,并对分析方法进行了优化.通过回收率、基质效应、检出限和定量限、精密度等质量
18、控制指标对分析方法进行评价.通过对北京市主城区 6 家污水厂进水样品的分析验证了优化后方法的可靠性,以期为 BZDs 和 DBZDs 的精确监管、来源追溯提供可靠的技术手段,也为进一步开展该类药物的污水流行病学研究提供技术支持.1 材料与方法 1.1 试剂与耗材该试验所用标准样品具体包括:常用 BZDs 处方药及其代谢产物阿普唑仑(ALP)、-羟基阿普唑仑(OHALP)、氯硝西泮(CZP)、7-氨基氯硝西泮(7ACZP)、地西泮(DZP)、去甲地西泮(NDZP)、替马西泮(TZP)、奥沙西泮(OZP)、艾司唑仑(EZM)、劳拉西泮(LZP)、咪达唑仑(MZM)、硝西泮(NZP)、氯甲西泮(LM
19、ZP);BZDs 类第三代毒品氟硝西泮(FNZP)、尼美西泮(NMZP)及其代谢产物 7-氨基尼美西泮(7ANMZP)、三唑仑(TZM);非法 DBZDs 标准样品氯地西泮(CDZP)、地洛西泮(DLZP)、氟丙西泮(FBZP)、甲氯硝西泮(MCZP)、吡唑仑(PZM)、依替唑仑(ETM);非苯二氮类新型第 8 期朱珠等:生活污水中苯二氮类药物及其新型策划药分析方法优化及应用1555安眠药富马酸喹硫平(QTP)和唑吡坦(ZPM)(均为浓度 100 g/mL 的甲醇溶液,纯度99%).9 种氘代内标ALP-D5、OHALP-D5、DZP-D5、NDZP-D5、OZP-D5、EZM-D5、LZP-
20、D4、ETM-D3和 ZPM-D6(均 为 浓 度10 g/mL 的甲醇溶液,纯度99%),以上标准样品均购自美国 Sigma-Aldrich 公司;甲醇(LC-MS 级)和乙腈(LC-MS 级)均购自美国 Thermo Fisher Scientific公司;甲酸、甲酸铵、氨水均购自上海安谱试验科技股份有限公司,均为 HPLC 级;超纯水由 MilliQ 系统(德国Merck KGaA 公司)制备;Cleanert PEP 和CleanertPCX(60 mg,3 mL)固相萃取柱购自天津博纳艾杰尔科技有限公司;针式过滤器(1.0 m,玻璃纤维)购自天津市科艺隆试验设备公司;离心过滤管(0.
21、2 m)购自美国 Costar 公司.1.2 仪器与设备超高效液相色谱-串联质谱联用仪(Triple QuadTM6500+)购于美国AB SCIEX 公司;固相萃取装置(SBEQ-CG1416)、氮吹仪(EFAA-DF24)购于上海安谱实验科技股份有限公司;涡旋振荡器(VXMNDG)购于奥豪斯仪器(常州)有限公司;离心机(MiniMax17)购于湖南可成仪器设备有限公司;KQ3200B 型超声波清洗器购于昆山市超声仪器有限公司.1.3 LC-MS/MS 条件优化根据目标化合物的性质选择离子源和离子化模式.将浓度为 20 ng/mL 的目标化合物标准溶液通过针泵恒流的进样方式注入质谱,选取 2
22、 个丰度强且稳定的子离子分别作为定量离子和定性离子.采用多反应监测(MRM)模式优化各特征离子的去簇电压(DP)和碰撞能量(CE),最终根据各目标化合物的保留时间设置分段采集模式以实现最大的响应强度.采用安捷伦 InfinityLad Poroshell HPH C18 液相色谱柱(2.1 mm100 mm,2.7 m),通过优化流动相 pH、添加剂、洗脱梯度等条件,实现对目标化合物的有效分离并缩短分析周期.1.4 样品前处理方法该研究采用固相萃取法(SPE)对样品进行浓缩和净化,固相萃取柱使用前依次向管内加入 3 mL 甲醇、3 mL 超纯水和 3 mL pH=2 的超纯水进行活化.取 50
23、 mL 经 1 m 滤膜过滤后的污水样品,添加 100 L浓度为 50 ng/mL 的内标混合溶液,静置 510 min 使其与样品混合均匀.调节固相萃取装置使样品以1 mL/min 的速度均匀加载,污水加载完成后依次使用 2 mL 2%甲酸水溶液和 2 mL 甲醇淋洗.待萃取柱填料干燥后使用 4 mL 5%甲醇氨溶液洗脱,洗脱液收集在 10 mL 玻璃试管内,使用缓和氮气在恒温条件下缓慢将洗脱液吹至干燥.向试管中加入 500 L50%甲醇水溶液复溶管底残留物,振荡至洗脱物完全溶解,此时各污水样品内标浓度均为 10 ng/mL.复溶液经 0.2 m 离心过滤管过滤后装入专用样品瓶,4 下保存等
24、待 LC-MS/MS 分析测定.1.5 质量控制 1.5.1 回收率分别取 25、125 和 250 L 浓度为 20 ng/mL 混合标准溶液加入到 50 mL pH=2 的超纯水中配成不同浓度梯度的溶液,每组设置 3 个平行样品,并设置一组流程空白.按 1.4 节样品前处理方法处理加标样品并上机测定,根据流程空白、加标样品的测定数据以及实际加标浓度计算得到经固相萃取后不同浓度 25种目标化合物的回收率.1.5.2 基质效应该试验选取北京肖家河污水处理厂的进水作为基质效应供试水样,按 1.4 节对供试水样进行样品前处理,使用前处理后的供试水样配制体积为 500 L、浓度范围为 110 ng/
25、mL 的加标水样.经 LC-MS/MS分析测定得到各目标物质在污水样品和不同浓度的加标污水样品、标准样品中的响应峰面积,比较加标前后目标物质响应的变化,评价基质对分析仪器响应信号的抑制或增强效应,计算公式30:ME=(AadditionAblankAstandard)/Astandard100%(1)式中:ME 表示基质效应,%;Aaddition表示经 LC-MS/MS分析测定得到的各目标物质响应峰面积;Ablank为污水中目标物质的峰面积;Astandard为目标物质标准样品峰面积.1.5.3 检出限和定量限将系列低浓度混合标准溶液(0.010.1 ng/mL)上机测定,以信噪比 S/N
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