关于固相萃取中提取机制及干扰因素的见解——用于痕量磺胺甲噁唑的富集

磺胺甲噁唑（SMX）痕量分析中固相萃取（SPE）效率受环境因素影响显著，研究比较三种SPE柱（HLB>PEP-2>PEP）对SMX的提取机制及干扰效应。结果表明HLB柱在0.5-50 μg/L范围内提取效率达75.7%-99.3%，主要依赖氢键和π-π作用；碳酸氢根离子（HCO??）对低浓度SMX（0.5 μg/L）干扰最大（提取效率仅3.0%），而腐殖酸（HA）浓度和分子量（<30 kDa）显著降低提取效率（从75.5%降至36.8%）。其他自然有机物（NOMs）干扰较小，SPE在痕量分析中存在基质依赖性，需通过校正提高检测准确性，为SA去除研究奠定基础。

　　

李永杰|张海川|霍文新|朱雷|宋家宝|李英杰|李吉

中国江苏省无锡市江南大学环境与生态学院厌氧生物技术重点实验室，214122

摘要

磺胺甲噁唑（SMX）因在水体中以微量（ng L^?1至μg L^?1）存在而受到全球关注。固相萃取（SPE）是分析微量SMX的关键预处理步骤，其效率显著影响最终检测结果的准确性。然而，优化SPE条件具有经验性和耗时性，且对该过程的系统理解仍然不足。本研究阐明了SPE提取SMX的潜在机制，并系统评估了影响提取效率的具体因素。在三种选择中，HLB柱实现了最高的SMX提取效率（75.7%～99.3%），尽管随着SMX初始浓度（0.5～50 μg L^?1）的降低，效率总体有所下降。这主要是由氢键和π-π相互作用驱动的。在0.5 μg L^?1的SMX浓度下，HCO₃^?表现出最强的干扰作用，使提取效率降至3.0 ± 0.3%，而Cl^?、SO₄^2?或H₂PO₄^?的干扰效果约为77.0%。在腐殖酸（HA）的干扰下，SMX提取效率从75.5 ± 2.6%（1000 μg L^?1 HA）降至36.8 ± 5.5%（20000 μg L^?1 HA）。此外，低分子量HA（< 30 kDa）的干扰作用更强，提取效率仅为52.8 ± 2.0%，而高分子量HA（> 30 kDa）的提取效率超过73.9%。这些结果表明，HA的浓度和分子量显著影响HLB柱的性能。与其他天然有机物（NOMs）（81.7%～85.6%）不同，HA对提取过程没有干扰作用。SPE在微量SMX的预处理效率相对较低，其效果容易受到环境因素的影响。因此，在复杂水环境中应用该技术提取SMX时，测量得到的浓度值应进行数值校正以接近真实浓度。总之，本研究有助于提高微量SMX的检测准确性，并为其去除研究奠定了基础。

引言

磺胺类药物（SAs）是畜牧业中最常用的抗生素之一[1]，[2]。然而，20%～90%的磺胺类药物以原始化合物或代谢物的形式进入生活污水[3]，[4]。污水处理厂对磺胺类药物的去除效果有限。例如，在中国厦门，三个污水处理厂对SMX的平均去除效率约为63.6%[5]。因此，未被处理的部分磺胺类药物会随污水进入自然水体[6]，[7]，[8]。目前，虽然已经开展了大量关于磺胺类药物处理的研究，但大多数研究集中在毫克每升（mg L^?1）的浓度范围内，而实际水体中的磺胺类药物浓度远低于这一范围[9]。这主要是因为实际环境中的磺胺类药物浓度低于传统抗生素检测仪器的检测限。此外，实际水体的复杂基质也使得微量磺胺类药物的研究更加困难。因此，改进微量磺胺类药物的检测方法是研究其去除模式的关键。

SPE是一种广泛采用的微量磺胺类药物预处理方法[10]，[11]。它可以有效减少基质干扰并富集目标分析物，从而提高仪器分析的效率[12]。美国环境保护署（EPA）方法1694推荐使用SPE从水中提取药物和个人护理产品（PPCPs）[13]。然而，SPE依赖于吸附剂从样品中提取微量磺胺类药物，这一过程主要受溶液与吸附剂表面浓度差异的驱动[14]。随着目标分析物浓度的降低，由于这种梯度依赖性机制，提取效率不可避免地会下降。因此，通常无法通过SPE完全提取微量磺胺类药物。例如，一些研究人员采用了在线微波辅助蒸汽萃取结合SPE（MASE-SPE）方法从动物饲料中提取磺胺类药物残留物，平均效率在76.3%到92.1%之间[15]。同样，磁吸附SPE也被用于从蜂蜜样品中提取磺胺类药物残留物，报道的效率在66%到81%之间[16]。在另一项研究中，基于共价有机框架的分散SPE方法从原奶样品中提取磺胺类药物，效率为62%到71%[17]。这些表明，提高SPE对微量磺胺类药物的提取效率是一个关键的研究目标。同时，测量值需要校正才能准确确定水体中磺胺类药物的真实浓度。

随着该领域研究的不断进展，研究人员发现通过优化SPE的条件和过程可以提高其提取效率。例如，研究人员采用了二硫化钼核壳磁性复合材料作为SPE吸附剂。在优化吸附剂用量、提取时间、温度、pH值和脱附条件下，废水中磺胺类药物的回收率达到了85.5%～111.5%，方法检测限低于1.15 ng L^?1，日内RSD < 10%[18]。通过改进预处理步骤和仪器参数，可以从复杂样品中快速提取出浓度范围广泛（2.5～1000 ng L^?1

SMX是最常检测到的磺胺类药物[22]，[23]，因此被选为SPE提取实验的代表化合物。研究的目的是阐明提取机制，并特别关注共存环境因素对微量SMX提取效率的影响。首先，本研究比较了三种商用SPE柱对微量SMX的富集效率及其在腐殖酸（HA）存在下的抗干扰能力。接下来，探讨了SPE提取微量SMX的潜在机制。最后，重点评估了pH值、无机阴离子、HA浓度和分子量以及其他天然有机物（SA、BSA、FA和LMW）对SMX预处理效率的影响。这项工作有望提高微量SMX的检测准确性，并为其去除研究奠定基础。

部分内容片段

化学试剂

磺胺甲噁唑（SMX，98%）、牛血清白蛋白（BSA，AR）和腐殖酸（HA，AR）购自苏州Greet Pharmaceutical Technology Co。所有无机盐，包括氯化钠（NaCl，AR）、硫酸钠（Na₂SO₄，AR）、氢氧化钠（NaOH，AR）、磷酸二氢钠（NaH₂PO₄，AR）和碳酸氢钠（NaHCO₃，AR），均购自Sinopharm Chemical Reagent Co。一系列有机酸盐，包括乙酸钠（C₂H₃NaO₂，AR）、草酸钠（C₂Na₂O₄，AR）

SPE柱的选择

本研究比较了三种商用SPE柱对SMX的提取效率。在SMX浓度为50 μg L^?1时，提取效率依次为：HLB（99.3 ± 1.0%）> PEP-2（97.4 ± 0.5%）> PEP（93.7 ± 1.9%）（图1A-B）。当SMX浓度降至10 μg L^?1时，HLB、PEP-2和PEP柱的提取效率分别下降了0.8%、2.0%和1.8%。当浓度进一步降至1 μg L^?1和0.5 μg L^?1时，

结论

本研究探讨了SPE提取SMX的机制以及在不同环境干扰下的提取效率。主要发现表明，氢键和π-π相互作用是HLB提取SMX的主要机制，而pH值和HCO₃^?显著影响提取效率。pH值和HCO₃^?可能改变了HLB吸附剂与SMX分子之间的静电相互作用，而HA则通过竞争性提取产生干扰（尤其是对低分子量物质）

作者贡献声明

霍文新：研究工作。张海川：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，概念构思。李永杰：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，数据管理。宋家宝：研究工作。朱雷：研究工作。李英杰：概念构思。李吉：概念构思

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFC3207602）、国家自然科学基金（22206062）、江苏省社会进步重大科技示范项目（BE2022706）以及江苏省自然科学基金（BK20210484）的支持。张海川还感谢江苏省创新创业博士计划（JSSCBS20210849）的支持。