《Microchemical Journal》：Simultaneous determination of pharmaceutical and personal care products in drinking water using response surface methodology-optimized online solid-phase extraction coupled with liquid chromatography-tandem mass spectrometry
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药物和个人护理产品（PPCPs）残留对饮用水安全的影响及在线固相萃取-超高效液相色谱-串联质谱联用技术优化研究。通过响应面法系统优化Na2EDTA浓度、洗脱液酸度和样品pH，建立同时检测142种PPCPs的高通量方法，验证显示加标回收率61.5%-119.9%，检出限0.01-1.97 ng·L-1，适用于东南中国饮用水监测，发现喹诺酮类和兴奋剂类为主要污染物。
卓荣婷|林杰|钟祝祥|林台南|杨燕
中国福建省疾病预防控制中心福建省人畜共患病研究重点实验室物理化学分析部门，福州
摘要
饮用水中残留的药物和个人护理产品（PPCPs）对环境和人类健康构成风险。为了评估水中的这些残留物，我们开发了一种基于在线固相萃取与超高效液相色谱-串联质谱（online-SPE-UPLC-MS/MS）的高效高通量方法，用于同时检测饮用水中的142种PPCPs。通过单因素实验和响应面方法系统优化了样品预处理的关键参数，包括Na2EDTA浓度、SPE洗脱液酸度和样品pH值，以最小化基质效应并最大化回收率。验证后的方法表现出优异的线性、满意的准确度（回收率：61.5%–119.9%）、可接受的精密度（相对标准偏差<20%）以及较低的检测限（0.01–1.97?ng·L?1）。此外，该方法显示出可接受的基质效应。通过分析中国东南部水处理厂的真实饮用水样品，证明了该方法的适用性。其中喹诺酮类和精神活性物质是主要的污染物。总体而言，这种开发的online-SPE-UPLC-MS/MS方法简单、灵敏，适用于痕量PPCPs的高通量监测，是水质评估和风险管理的可靠工具。
引言
作为普遍存在的新兴污染物，PPCPs包括两大类。第一类包括各种药物，从处方药和非处方药（如抗生素和激素）到镇痛药和精神活性物质。第二类是个人护理产品，如消毒剂、防腐剂和化妆品[1]。早在1993年，全球PPCPs的产量就超过了1?×?106吨，到2016年，年产量激增至超过2?×?107吨[1]。由于在疾病预防和治疗中对PPCPs的需求不断增加，这一产量仍在上升。PPCPs的广泛生产和使用可能通过直接或间接途径对人类健康构成潜在风险[2]。
作为新兴污染物，PPCPs对水生生态系统和人类健康带来多方面的风险。尽管PPCPs在环境中的浓度通常很低（ng·L?1至μg·L?1）[3]，但由于其持续释放以及传统废水处理工艺的去除能力不足，导致其在环境中长期积累并在生物体内富集。生态学和毒理学研究广泛记录了PPCPs的毒性，包括对水生生物的毒性影响[4]、[5]、在人体内的生物累积潜力[6]、内分泌干扰效应[7]、[8]以及对生态稳定性的影响[9]。据报道，PPCPs在全球水生环境中普遍存在，不同国家的地表水、废水和饮用水中检测到不同的成分和浓度[3]。Jenna等人研究了澳大利亚最大的内陆污水处理厂的排放模式，发现卡马西平和文拉法辛的排放量高达64?g/d[10]。同样，Justin等人监测了美国田纳西河流域的PPCPs，发现咖啡因和卡马西平的浓度升高，并存在明显的时空变化[11]。Ikumi等人分析了日本德岛、京都和埼玉地区以废水为主的城市溪流中的100种PPCPs，确认了不同程度的普遍污染[12]。PPCPs的全球广泛使用导致它们持续释放到环境中，包括未使用或过期的药物处置、制药厂的排放和医疗废物。虽然PPCPs的生态和健康危害已被广泛认识，但全球统一的监管标准仍然明显缺乏。这种监管空白源于PPCPs的多样性、复杂的且通常是慢性的作用机制，以及将传统毒性评估框架应用于这些新兴污染物的挑战[13]。尽管如此，研究人员已经为某些PPCPs（例如磺胺甲噁唑、卡马西平）制定了科学的水质基准（μg·L?1水平[14]。此外，2024年的一项中国研究使用物种敏感性分布模型，得出了对乙酰氨基酚的短期和长期淡水质量基准，分别为798.15?μg·L?1和6.37?μg·L?1[15]。虽然目前认为通过饮用水导致的急性人类健康风险较低，但PPCPs对抗生素耐药性和长期低剂量暴露的潜在影响已经变得显著。
由于PPCPs具有多样的物理化学性质，分析环境水中的PPCPs特别具有挑战性。许多PPCPs具有极性且相对持久，这有助于它们在水生系统中的传输和广泛存在，但也使得从水基质中提取和富集变得复杂[16]。此外，某些PPCPs（例如四环素）具有强螯合能力，能够与环境样品中的金属离子形成稳定的复合物；这种螯合会显著降低固相萃取过程中的回收率，在仪器分析中掩盖真实浓度，必须通过仔细的样品预处理来解决[17]、[18]。因此，开发高通量、灵敏且“绿色”的分析方法对于准确的水质评估至关重要。
水生环境中PPCPs的痕量浓度（通常为ng·L?1）对传统的固相萃取（SPE）方法在分离和富集方面提出了重大挑战。离线SPE依赖于手动步骤，如柱子活化、洗脱和氮气吹扫。为了满足痕量检测要求，需要收集100–500?mL的水样。浓缩后，仅获得1–2?mL的 analyte溶液，而仪器分析的最终注射体积通常只有10–20?μL[19]。相比之下，在线SPE技术提供了一种集成和自动化的替代方案。它采用自动化和可重复的工作流程进行analyte预浓缩和样品清洗，显著减少了溶剂消耗和处理时间[20]。值得注意的是，在线SPE所需的样品体积仅为离线SPE的1/20至1/10，同时允许更大的注射体积[21]。这种操作方法大大提高了analyte的富集效率并降低了检测限。关键的是，自动化的在线SPE减少了人工干预，从而减少了人为错误并提高了实验室间的重复性。此外，该方法通过减少溶剂使用和萃取柱的可重复使用性（通常为200–300次循环）符合绿色分析化学的原则，从而提高了成本效益。与其他在线方法相比，该方法通过结合响应面方法（RSM）和多残留物分析而脱颖而出。这使得能够同时优化关键参数，实现对具有不同化学性质的多种analyte的高回收率[22]、[23]。因此，通过集成自动化、减少溶剂消耗和可重复使用的材料，在线SPE为当代水质分析奠定了可靠和更环保的基础。
本研究旨在实现对饮用水中142种不同PPCPs的灵敏、准确和高通量分析。为了克服传统方法的局限性——如劳动密集型程序、高溶剂消耗和在复杂基质中的选择性不足——我们开发并验证了一种完全自动化的online SPE-UPLC-MS/MS方法。与传统的一次一个参数优化方法不同，我们应用RSM系统优化了三个关键样品制备参数：Na2EDTA浓度、SPE洗脱液酸度和样品pH值。这种多变量方法旨在同时最大化analyte的回收率并最小化各种化合物的基质干扰。方法开发后，进行了全面的验证，以评估线性、回收率、精密度、检测/定量限和基质效应。验证后的方法随后应用于从中国东南部44个水处理厂收集的132个饮用水样品，提供了支持区域水质监测和风险管理的实证数据。
部分片段
化学品和试剂
142种目标PPCPs（涵盖磺胺类、镇静剂、激素、四环素、喹诺酮类、大环内酯类、硝基咪唑类、除草剂、解热镇痛药、β-内酰胺类、精神药物、降压药、降糖药、抑菌药、性功能药、抗哮喘药、关节炎药、胃药、酰胺醇类、喹诺酮类抗生素、降脂药和心血管药物）及其27种同位素的单独储备溶液（1.00?mg·mL?1）质谱参数优化
液相色谱与串联质谱（LC-MS/MS）提供了高分辨率、高准确度和低检测限。为了建立最佳质谱条件，通过正负ESI模式以流动注射方式注入了单个PPCP和内标溶液（50?μg·L?1）。通过全扫描识别前体离子，并选择最丰富的产物离子进行多反应监测（MRM）转换。关键参数包括结论
成功开发了一种稳健且灵敏的在线SPE-UPLC-MS/MS方法，用于同时检测饮用水中的142种PPCPs。为了优化提取过程，使用RSM结合BBD系统地调整了三个关键参数——样品pH值、Na2EDTA浓度和SPE洗脱液FA浓度。这种方法能够详细研究这些变量与analyte回收率之间的关系。一个显著的二阶多项式模型被
CRediT作者贡献声明
卓荣婷：撰写——原始草稿，方法学。林杰：数据管理。钟祝祥：验证。林台南：方法学，概念化。杨燕：撰写——审稿与编辑，项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了福建省健康科技项目（编号：2022CXA035）和福建省科技创新平台建设（编号：2019Y2001）的支持。
