水环境中痕量抗生素检测方法的研究进展

来源:用户上传      作者:安静

　　摘要：随着抗生素在医学临床及养殖业中的大量应用，环境介质中抗生素的残留已成为普遍关注的环境问题。水环境是抗生素重要的归宿地之一，本文从样品预处理以及检测分析两个方面系统分析了水环境中抗生素残留检测方法的原理、特点以及应用情况，并展望了该领域未来的研究重点及发展方向。
　　关键词：水环境;抗生素;样品预处理;检测方法
　　中图分类号：X830.2 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）10-0-03
　　DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.10.100
　　Abstract： Antibiotics residues in environmental media has attracted wide attention with the extensive application of antibiotics in clinical medicine and breeding industry， and aquatic environment is one of the important destinations of antibiotics. This paper systematically analyzed the methods of sample pretreatment and detection of antibiotic residues in aquatic environment. The principle， characteristics and application of every methods were summarized and the future research emphasis and development direction in this field were also proposed.
　　Key words：Aquatic environment;Antibiotics;Sample pretreatment;Detection methods
　　抗生素廣泛应用于医学临床及动物、水产养殖等领域，药物经各种给药途径进入动物体内后，不仅造成肉、蛋和乳等动物性食品中的残留，也会造成环境介质中的残留。水体已成为环境中抗生素最重要的归宿地之一，且目前已经在地表水、污水、养殖场废水甚至是地下水中检测到抗生素的存在。因此，加强水体抗生素检测、正确评估抗生素对主要水体的污染，同时提出科学、合理的管理方法显得极为迫切。这不仅关系到人民群众的身体健康，也对维持水域环境及水域生态系统的平衡、稳定具有重要的现实意义。
　　1 样品预处理方法
　　抗生素在水环境中的残留浓度一般属于微量或痕量级别，因此，在检测分析前需要对环境样品进行预处理，以对抗生素进行提取和纯化。
　　1.1 固相萃取
　　固相萃取是利用被萃取物质在液固两相间的分配作用进行样品前处理的一种分离技术。固相萃取以固体填料条充裕塑料小柱中作为固定相，样品溶液中被测物或干扰物吸附到固定相中，使被测物与样品机体或干扰组分得以分离[1]。固相萃取技术克服了萃取过程中容易乳化等缺点，不需要大量互不相溶的溶剂，且可同时完成样品的富集与净化，大大提高了检测灵敏度，并具有快速、可自动化批量处理以及重现性好等优点[2]，是水环境中抗生素残留检测的最为常用的预处理方法。目前，固相萃取与色谱-质谱联用技术应用广泛，刘玉春等[3]应用此技术组合，建立了水中痕量大环内酯类抗生素的分析方法，加标纯水和实际水样的回收率在71%～111%之间，相对标准偏差在3.7%～8.6%之间，其定量下限为5ng/L。
　　1.2 固相微萃取
　　固相微萃取是在固相萃取技术上发展起来的一种微萃取分离技术，是一种集进样、萃取、浓缩功能于一体的样品制备技术，其原理是基于萃取涂层与样品之间的吸附（吸着）-解吸平衡[4]。萃取效率的高低取决于萃取纤维涂层的性质，通常根据待测物质的性质、分析方法的灵敏度、选择性以及重现性来选择萃取纤维涂层[5]。固相微萃取技术几乎可以用于气体、液体、生物、固体等样品中各类挥发性或半挥发性物质的分析。与固相萃取技术相比，固相微萃取操作更简单，携带更方便，操作费用也更加低廉，另外克服了固相萃取回收率低、吸附剂孔道易堵塞的缺点，因此，成为目前所采用的样品前处理技术中应用最为广泛的方法之一。庄园等[6]以土霉素为模板分子制备了分子印迹固相微萃取涂层，建立了选择性萃取-高效液相色谱法同时测定牛奶和水样中四环素、盐酸土霉素和金霉素三种四环素类抗生素的分析方法，水样中三种抗生素的检出限为5～10μg/L，加标水平为500μg/L时，回收率范围为97.8%～109.0%，相对标准偏差为3.7%～6.4%。
　　1.3 磁性固相萃取
　　磁性固相萃取也称为磁纳米-微萃取技术，是以磁性或可磁化的材料作为吸附剂基质的一种分散固相萃取技术[7]。随着磁性吸附材料性能的不断完善，磁性固相萃取也发展成为样品预处理的重要方法。磁性固相萃取的出现，减少了有机溶剂的使用量，改变了常规固相萃取必须将萃取材料填充成柱的模式，解决了样品体积很大时常规固相萃取耗时较长的问题，更加易于实现自动化，并且可以对样品中的痕量化合物进行高倍的富集。XIAO等[8]提出了一种以二硫化钼-氧化石墨烯为载体的磁性纳米粒子（Fe3O4/Go/MoS2）作为磁性固相萃取的吸附剂，对水中的左氧氟沙星、帕珠沙星、加替沙星等抗生素进行分析的方法，制备的磁性Fe3O4/Go/MoS2纳米复合材料对氟喹诺酮类抗生素有良好的富集能力，检测限为0.25～0.50ng/mL，水样分析回收率在85.6%～106.1%之间。刘小燕等[9]采用一步法制备了离子液体磁性石墨烯（ IL@MGO），建立了磁性固相萃取-超高效液相色谱质谱法测定环境水体中的磺胺类抗生素的方法，6种抗生素的检出限为 0.75～1.47 ng/L，加标回收率在 86.4%～103.4%之间。 　　1.4 液相微萃取
　　液-液萃取耗时长，所需高纯溶剂量大，导致成本提高以及对环境的污染，且部分样品会发生乳化现象而影响测定，目前应用逐渐减少[10]。液相微萃取是在液-液萃取基础上，通过减少溶剂用量实现液-液萃取的微型化。该技术集样品采集、萃取、富集等过程于一体，具有操作简便、富集倍数高、成本低、环境友好等优点，被广泛应用于食品、药品以及环境等领域的样品预处理[11]。液相微萃取按照不同的萃取模式可分为中空纤维膜微萃取和分散液-液微萃取等。
　　中空纤维膜液相微萃取是以多孔的中空纤维为微萃取溶剂载体，通过有机溶剂在纤维孔中形成的液膜进行传质，在中空纤维腔中进行的萃取方法[5]。 YUDTHAVORASIT等[12]建立了一种中空纤维膜液相微萃取富集水样中四类抗生素（大环内酯类、磺胺类、四环素类和喹诺酮类）的方法。该方法灵敏度高，选择性好，检测限在10～250 ng /L范围，河水水样中11种抗生素的回收率在79%～118%之间。周靖雯等[13]采用中空纤维膜液相微萃取-毛细管电泳法测定环境水样中的4种磺胺类抗生素。其中，磺胺二甲基嘧啶、磺胺甲基嘧啶、磺胺嘧啶和磺胺甲惡唑的检出限依次为1.17， 0.84， 0.73， 1.27μg/L，富集倍数在105～393之间。
　　分散液-液微萃取方法由Y. Assadi教授于2006年首创，是以液-液萃取和浊点萃取为基础的一项新兴的前处理技术[14]。该方法用注射器将萃取剂与分散剂混合液快速注入水样，含分析物的水样迅速形成浑浊液体，从而目标分析物被萃取到溶剂小液滴中。经过离心分离，取下层有机相进入检测仪器中分析。侯德坤等[15]采用离子液体[Bmim]PF6作为萃取剂，稀土金属镧离子作为螯合剂，以温度为驱动力，建立了液液分散微萃取-超高压液相色谱检测水样中四环素的方法。在最佳条件下，8种四环素检出限为0.03～5.79μg/L，该方法具有试剂用量少，分离时间短，操作方便等优点。
　　超声波具有空化作用，可以使离子液体更完全地分散至目标萃取物中，因此，超声辅助的分散液-液微萃取技术是目前水样预处理技术中研究的热点。MA等[16]建立了超声辅助分散液-液微萃取与超高效液相色谱-串联质谱联用测定水样中的硝基咪唑类药物和酰胺醇类抗生素的方法，在最佳条件下，检测限在0.39～1.38ng/L之间。GUAN等[17]采用超声辅助分散液-液微萃取和超高效液相色谱-串联质谱同时测定水样中的12种药物（6种非甾类抗炎药和6种抗生素），方法的检出限为6～91μg/L。
　　2 仪器检测分析方法
　　2.1 高效液相色谱法
　　高效液相色谱法是以液体为流动相，采用高压输液系统，将具有不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相泵入装有固定相的色谱柱，在柱内各成分被分离后，进入检测器进行检测，从而实现对试样的分析。高效液相色谱法具有高压、高速、高效、高灵敏度，进样量少，容易回收等优点。高效液相色谱法是常用的水环境中残留抗生素检测的方法，如杨舒婷等[18]建立了固相萃取-高效液相色谱同时测定水样中的磺胺二甲基嘧啶、磺胺甲基异噁唑的定量分析方法。实验结果表明，该方法的精密度及准确度均较高，磺胺二甲基嘧啶、磺胺甲基异噁唑的方法检出限分别为1.29 ng/L、1.59 ng/L，测定下限为5.17 ng/L、6.35 ng/L。李柳毅等[19]建立了固相萃取–高效液相色谱法测定地表水中磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺氯哒嗪、醋磺胺甲恶唑4种磺胺类抗生素的方法，方法检出限在1.0～1.7 ng/L之间，可用于地表水中磺胺类抗生素的检测。
　　2.2 高效液相色谱-质谱联用法
　　色谱的优势在于分离，为混合物的分离提供了最有效的选择，但其难以得到物质的结构信息，而质谱能够提供物质的结构信息，但其分析的样品需要进行纯化。液质联用技术则体现了色谱和质谱优势的互补，将色谱对复杂样品的高分离能力，与质谱具有高选择性、高灵敏度及能够提供相对分子质量与结构信息的优点结合起来[20]，近年来已成为环境样品中抗生素检测的重要手段。封梦娟等[21]建立了固相萃取-高效液相色谱-串联质谱同时检测表层水中5类40种抗生素的分析方法。采用该方法对长江南京段表层水体进行检测，共检出13种抗生素，含量为13.4～780.5 ng/L。李经纬等[22]建立了高效液相色谱-串联质谱同时检测水中大环内酯类、磺胺类、甲氧苄啶、四环素类、氟喹诺酮类五类共17种抗生素含量的分析方法，各目标化合物在0.50～250ng/mL范围内线性关系良好，检测限为0.01～2.50ng/L。
　　2.3 超高效液相色谱-质谱联用法
　　与高效液相色谱相比，超高效液相色谱技术以小颗粒填料为基础，不仅大大提高了色谱柱的柱效，还具有超高分离度、超高分析速度、超高灵敏度等优势[20]。伴随着超高效液相色谱的迅速发展，超高效液相色谱与质谱联用进一步充分发挥了超高效液相色谱的超高效分离能力及质谱强大的定性、定量分析能力。刘小燕等[9]建立了离子液体磁性石墨烯（ IL@ MGO） 固相萃取-超高效液相色谱质谱法测定环境水体中的磺胺类抗生素的方法，该方法检测6种磺胺类抗生素的检出限为0.75～1.47 ng/L，定量限为1.51～4.96 ng/L。孙文芳等[23]建立了超高效液相色谱-串联质谱法快速测定水源水中6种β-内酰胺类抗生素残留的检测方法，该方法检出限为4-7ng/L，定量限为10～20ng/L，加标回收率为84.8%～99.6%，相对标准偏差小于等于15.6%。
　　2.4 毛细管电泳法
　　毛细管电泳法亦称高效毛细管电泳法，是经典电泳技术和现代微柱分离技术相结合的产物。毛细管电泳法是以弹性石英毛细管为分离通道，以高压直流电场为驱动力对样品进行分离分析的方法[24]。谭韬等[25]建立了一种采用毛细管区带电泳法分离自然水体中3类6种抗生素的检测方法，该方法对诺氟沙星、氧氟沙星、四环素、土霉素、磺胺嘧啶、磺胺甲噁唑6种抗生素的检出限在0.08～0.55mg/L之间;李爱梅等[26]比较了毛细管电泳和高效液相色谱技术对水体中4种四环素类抗生素（ 四环素、土霉素、金霉素及强力霉素） 的分离效果，结果表明：与高效液相色谱法相比，毛细管电泳法可以节省一半左右的分析时间，检出限在 0.28 ～0.62 mg /L之间，而高效液相色谱法的检出限在4.6～22.0μg/L之间;此外，利用场放大电动进样对目标物进行柱内预浓缩，检测灵敏度提高，检出限可降至 17.8～35.5μg/L。 　　2.5 生物传感器法
　　生物传感器是一种利用生物功能物质作识别器件而成的传感器。即利用酶、抗体、微生物等作为敏感元件的探测器，并将探测器上所产生的物理量、化学量的变化转换成电信号的一种传感器。生物传感器对被测物具有极好的选择性、噪声低、操作简单、信息以电信号的方式直接输出，近年来已成为研究发展的重要领域[27]。张婉洁等[28]提出了一种利用基于表面等离子体共振的生物光学传感器检测方法，该方法以牛血清白蛋白作为分子标记物，通过对待测样品的两步孵育，将对多种残留物的检测转化为对同一标记物的测量。该方法对卡那霉素、三聚氰胺、氨苄青霉素和链霉素四种被测物水溶液的检测限分别为50μg/L，10μg/L，1.25μg/L和10μg/L。李树莹等[29]基于间接竞争免疫反应模式及荧光全内反射原理，以课题组自主研发的平面波导生物传感器为平台，建立了恩诺沙星和诺氟沙星的同时快速检测方法，首次实现了基于平面波导传感器的两种抗生素同时检测，检测周期仅15min，检测限为0.06μg/L。
　　3 结语与展望
　　固相萃取具有快速、靈敏度高、可自动化批量处理样品的特点，是水环境中抗生素残留检测的最为常用的预处理方法。固相微萃取和磁性固相萃取是近年逐渐发展起来的预处理方法，已经引起人们的广泛关注。但固相微萃取的应用研究中多是采用商用的探头，对探头的涂层材料以及涂渍方式的研究还有待加强;磁性固相萃取的应用存在的问题是磁性纳米复合材料制备过程较为繁琐，萃取的选择性和重现性还有待提高。液-液萃取往往需要改进或与其他方法结合使用，才能适用水环境中抗生素样品的提取。
　　（超）高效液相色谱/质谱联用法具有高速、高效、高灵敏度的特点，已成为常用的水环境中残留抗生素的检测方法。与之相比，毛细管电泳法以及生物传感器法具有更快的分离速度，但其成本、灵敏度并不具有优势。因此，开发新一代成本低、灵敏度高以及能适应现场快速检测要求的毛细管电泳法以及生物传感器法是今后研究的重点。
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　　收稿日期：2019-07-26
　　作者简介：安静（1977-），女，满族，博士，讲师，研究方向为环境监测与评价。
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