Vi præsenterer en protokol for ikke-målrettet analyse ved hjælp af tid for flyvning massespektrometri som et perfekt værktøj til at identificere lægemidler i farvande. Vi demonstrere anvendelsen af UV-bestråling for deres afskaffelse. Analyse involverer bestråling, sammensatte isolering, identifikation og kinetic modellering af nedbrydning profiler er illustreret.
Overvågning af lægemidler i hele vandkredsløbet stadig vigtigere for vandmiljøet og til sidst for menneskers sundhed. Målrettet og ikke-øremærket analyse er dagens valg. Selv om målrettet analyse, der normalt foretages ved hjælp af en tredobbelt Quadrupol massespektrometer kan være mere følsomme, eneste forbindelser tidligere valgte kan identificeres. Den mest magtfulde ikke-målrettet analyse udføres gennem tiden af flyvning massespektrometre (TOF-MS) udvidet af en Quadrupol masse analyzer (Q), som anvendes i denne undersøgelse. Forud for faste fase udvinding og højtydende væskekromatografi (HPLC), den ikke-målrettet tilgang gør det muligt for at registrere alle ionizable stoffer med høj følsomhed og selektivitet. Drage fuld fordel af Q-TOF-MS instrument, tandem massespektrometri (MS/MS) eksperimenter fremskynde og lette identifikationen, mens en målrettet MS metode forbedrer følsomheden men afhængig referencestandarder til identifikationsformål. Identifikation af fire lægemidler fra Rhinen river vand er påvist. Rhinen stammer i Tomasee, Graubünden i Schweiz og løber ind i Nordsøen nær sydlige bugt, Holland. Dens længde beløb til 1232.7 km. Da det primære interesse til effektivt at fjerne lægemidler fra vandkredsløbet, demonstreret effekt UV-C bestråling på laboratorie plan. Denne metode giver mulighed for hurtig nedbrydning af lægemidler, som er eksemplarisk vist for makrolider antibiotika erythromycin. Ved hjælp af ovenstående HPLC-Q-TOF-MS metoden, er koncentration-time diagrammer opnået for den overordnede stof og deres fotonedbrydning produkter. Efter oprettelse af ligningerne for første-ordens sekventielle reaktioner, computational montering giver mulighed for bestemmelse af kinetiske parametre, som kan bidrage til at forudsige bestråling gange og betingelser, når potentielt betragtes som fjerde etape inden for spildevandsrensning.
Lægemidler er regelmæssigt fundet i vandmiljøet1,2,3,4,5. En vigtig kilde er spildevand fra spildevand behandling planter (renseanlæg)6,7,8,9. Forekomsten af lægemidler i den hele vandkredsløbet har undersøgt eksemplarisk i Turia River Basin10. Blandt andre antibiotika udgør en særlig farlige klasse af lægemidler, da de ofte passerer den biologiske fase af personækvivalent uændret og kan forårsage bakteriel resistens i miljøet11,12,13 . Makrolider er en klasse af antibiotika narkotika, der er anvendt både menneskelige og veterinærmedicin. Deres repræsentanter blev fundet i koncentrationer op til 1 µg/L i spildevand14,15,16,17,18,19. En af dem er erythromycin (Ery)20,21. I farvande, erythromycin er ofte ledsaget af anhydroerythromycin et (Ery A – H2O), en dehydrate22,23. Vand elimination fra erythromycin er på grund af syre ustabilitet. Forholdet mellem erythromycin vs anhydroerythromycin afhænger af pH24,25,26,27.
Kemisk, makrolider indeholder en macrocylic lakton hvilke forskellige sukker fraspaltning er knyttet, fx., desosamine, cladinose eller mycaminose. Da Makrolider er kemisk modificerede naturlige produkter fra gæringen processer, findes de ofte som blandinger. Arterne, der kaldes A, B, C, osv., adskiller sig i sukker substituenter. Sukker fraspaltning og deres position på lacton er ansvarlig for virkningsmekanisme af makrolider28,29. For at minimere miljørisiko, er det ønskeligt at helt mineralize lægemidler før indtastning af vandmiljøet27,30,31,32.
Den første del af denne undersøgelse omhandler påvisning af farmaceutiske i overfladevand, som er vigtige for overvågning af både spildevand og åbne farvande. For at søge efter en bred vifte af uidentificerede stoffer i rækken mikrogram i forskellige matricer, er ikke-målrettet analyse metoden til valg20,33,34,35. I særlige, high-performance væskekromatografi (HPLC) electrospray Ionisation Quadrupol er tid for flyvning massespektrometri (HPLC-ESI-Q-TOF-MS) blevet bevist af ekstraordinær værdi på grund af dets specificitet og sensitivitet. Efter identifikation af stof, følsomhed kan yderligere udvides ved hjælp af målrettede MS tilgang med Quadrupol drives i Vælg mode og kollisionen energi inden for cellen kollision sat til nul. Dermed ankommer ioner ikke-fragmenteret på TOF detektor.
Andet fokus for dette arbejde er afskaffelsen af erythromycin. Afskaffelsen af lægemidler, anvendes såkaldte avancerede oxidations processer (AOPs), fx., startet af bestråling med UV lys36,37,38. Afgørende for nedbrydningen er dannelsen af hydroxylradikaler fra vand ved VUV / UVC-bestrålingen følgende eq. 1.
H2O + hν(< 200 nm) → H2O * → H. + . ÅH (1)
Hydroxylradikaler besidder en høj oxidation potentiale på 2,8 V, som positivt bidrager til forringelsen af stoffer36,37.
Her, er nedbrydningen af erythromycin ved hjælp af vakuum UV/UVC-bestråling i vand beskrevet under hensyn til påvirkninger af pH. Dannelsen af endnu mere farlige produkter menes at være en ulempe ved at bruge AOPs39,40. Det er således vigtigt at bestråle indtil fuldstændig mineralisering af de farmaceutiske produkter. For at bedre anslå bestråling tid, den kinetiske model af reaktionen, er reaktion sats konstanter og halv-liv bestemt både for det oprindelige stof og dets photodegradates. Til dette formål, var koncentrationen-tid (c-t) plot afledt af HPLC-ESI-Q-TOF-MS målinger og i forhold til kemiske kinetik modeller ved hjælp af MATLAB. Kinetik af nedbrydningen fortsatte efter første-ordens, og photodegradates blev beskrevet som et mellemprodukt i et sammenhængende eller efterfølgende opfølgning reaktion27,41.
Eksempel på en ikke-målrettet analyse, der præsenteres i denne rapport viste identifikation af lægemidler i overfladevand ved hjælp af HPLC-ESI-Q-TOF-MS, MS/MS og sammenligning med reference standarder som det endelige bevis. Styrken af ikke-målrettet analyse ved hjælp af TOF-MS er baseret på påvisning af alle ioner til stede på en given retentionstid og høj masse nøjagtighed, hvilket fører til forudsigelse af den tentative molekylformel. Som et alternativ til en TOF massespektrometer, er anvendelsen af en orbital ion trap blevet beskrevet for forurenende analyse i vand44. Molekylformel forudsigelse blev brugt som udgangspunkt til hurtigt for at vælge referencestandarder. Anvendelsen af metoden målrettede MS Q-TOF-MS instrumentets tilladt påvisning af specifikke forbindelser, da kun udvalgte ioner passere Quadrupol filter. Generelt udføres målrettet analyse ved hjælp af tredobbelt Quadrupol massespektrometer også i vand analyse45. For at kompensere for afvigelsen fra den teoretiske masse på grund af instrumentale ufuldkommenheder, kan et kromatografisk sammenligning med en referencestandard udføres. Den målrettede MS/MS metoden kan også vælges for identifikation analyse. Her, ioner er valgt, fragmenteret og deres fragmenter blev fundet. Da MS/MS er mindre følsomme end MS, var koncentration af lægemidler i de undersøgte vandprøver for lav til at give meningsfulde fragmenter. Hvis fragmenter opdages, kan forbindelser identificeres med højere tillid. Den tilstrækkelige følsomhed kan overvindes ved at koncentrere en større indledende vand sample volumen. Derudover skal målingen foretages snarest muligt efter prøveudtagningen på grund af potentielle bionedbrydning46,47,48,49. Ellers skal prøver opbevares ved-20 ° C til at udelukke sammensatte nedbrydnings- eller reaktionsprodukter.
Nogle gange vises de samme m/z værdier på forskellige retentionstider. Dette er muligvis skyldes at isomerer kræver forskellige analytiske teknikker. Det kan også forekomme, at ingen forbindelser kan påvises på alle, som ikke nødvendigvis bevise deres fravær. De kan bare ikke form ioner eller forekomme under detektionsgrænsen. Typen vand øvelser også en indflydelse på forekomsten af lægemidler. Pharmaceuticals Angiv sjældent kilden vand og grundvand i forhold til spildevand og spildevand fra spildevand behandling planter48,50,51,52,53.
For eksperimenter nedbrydning bør bestråling kilden karakteriseres på forhånd, da photon flux eller photon fluens sats af lampen bidrager væsentligt til nedbrydningen og nedbrydning mekanisme. I indledende forsøg, en VUV/UVC-lampen, er sandsynligvis en lavtryks kviksølv lampe tilstrækkelig. I almindelighed, accelererer tilsætning af hydrogenperoxid, H2O2, nedbrydning27,36,37,54. Når en anden lampe, fx., en UVA lampe, der bruges, dannelsen af hydroxylradikaler bør sikres, fx., gennem tilsætning af titandioxid 23,24,30, 31. for mange forbindelser, såsom erythromycin, OH radikaler i stedet for foto-reaktivitet af farmaceutiske, selv27er den nedbrydning-inducerende arter.
Til bestemmelse af kinetiske parametre, er området af signaler i de masse-opdaget kromatogrammer, der repræsenterer koncentration, afbildet versus bestråling tid. Passer til data, er det tilrådeligt at bruge passende software. Her, blev værktøjet kurve montering af MATLAB brugt, som er tilladt til hurtigt at beregne og passer data med de korrekte ligninger. Den kinetiske af mellemprodukter bestemmes af mere komplekse ligninger. Kvalitetsparametre for pasform, dvs., Rasmussen2 og RMSE, var let opnået så godt.
Denne undersøgelse viste analysen af flodvand til at opdage og identificere farmaceutiske stoffer og fotonedbrydning af erythromycin i ultrarent vand. Miljømæssige farvande, såsom vand, ville forringelse af forskellige hastigheder og sats konstanter kunne opnås på grund af lys absorberende stoffer som humins. Ifølge forfatternes erfaring finder nedbrydning ofte sted mere langsomt, men nogle gange på sammenlignelige priser41,56.
Den verdensomspændende problem af lægemidler, især antibiotika i vandmiljøet og de deraf følgende risici stadig fortsætte med at vokse1. På grund af den variation og mangfoldighed af kemikalier, metabolitter, og degradates heraf, ikke-målrettet analyse vil blive det vigtigste analytiske våben for deres opdagelse i miljøet57. Til effektiv fjernelse, Roman stadier i spildevandsrenseanlæg bliver nødt til at være designet baseret på avancerede oxidations processer, kan som UV-bestråling være en del af.
The authors have nothing to disclose.
Melanie Voigt er taknemmelig for et stipendium fra Promotionskolleg af Niederrhein University of Applied Sciences. Forfatterne takke deres institution til yderligere finansiel støtte.
Methanol for liquid chromatography LiChrosolv | Merck | 1060181000 | |
formic acid | Fluka | 94318 | |
HCl | Riedel-de Haen | ||
NH3 | Riedel-de Haen | ||
Simplicity 185 Water Purification System | EMD Millipore | for producing MilliQ-water | |
Erythromycin | BioChemica AppliChem | A2275,0005 | |
Filter Rotilabo-filter, Typ 113A | Roth | AP78.1 | |
SPE-Cartridges Oasis HLB 3cc (60mg) | Waters | WAT094226 | |
BAKER SPE-12G | J.T. Baker | ||
membrane pump PC3001 VarioPro | Vacuubrand | ||
rotary evaporator; Laborota 4000 efficient | Heidolph Instruments | ||
syringe, 2 mL | Terumo | ||
Nylon Syringe Filters Target2 | Thermo Scientific | 10301345 | |
C-18 CoreShell column 50 mm x 2.1 mm dimensions, 2.6 μm particle size | Thermo Scientific | ||
HPLC 1200 | Agilent | ||
ESI-Q-ToF-MS 6530 | Agilent | ||
photoreactor, UV Labor Reactor System 3 | Peschl Utraviolet GmbH | ||
VUV/UVC-lamp, TNN 15/32, 15 W | Heraeus | ||
pH-meter, pHenomenal pH 1100L | vwr | 662-1657 | |
magnetic stirrer | Heidolph Instruments | ||
MassHunter Workstation B.06.00 | Agilent | ||
MATLAB R2016b | Mathworks |