Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll für ungezielte Analyse mit Zeit des Fluges Massenspektrometrie als ein perfektes Werkzeug, um Arzneimittel in Gewässern zu identifizieren. Wir demonstrieren die Anwendung der UV-Bestrahlung für deren Beseitigung. Analyse mit Bestrahlung, zusammengesetzte Isolierung, Identifizierung und kinetische Modellierung der Abbau Profile wird dargestellt.
Überwachung von Arzneimitteln in den Wasserkreislauf wird immer wichtiger für die aquatische Umwelt und schließlich für die menschliche Gesundheit. Gezielte und nicht gezielte Analyse sind heute das Mittel der Wahl. Obwohl gezielte Untersuchung, die in der Regel mit Hilfe von einem triple Quadrupol Massenspektrometer empfänglicher sein kann, erkennen Sie nur Verbindungen, die zuvor ausgewählt. Die mächtigste ungezielte Analyse erfolgt durch die Zeit des Fluges Massenspektrometer (TOF-MS) verlängert von einem Quadrupol-Masse-Analysator (Q), wie in dieser Studie verwendet. Festphasenextraktion und Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) vorangestellt, die ungezielte Ansatz erlaubt es, um alle ionizable Substanzen mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität zu erkennen. Unter voller Ausnutzung der Q-TOF-MS Instrument, tandem-Massenspektrometrie (MS/MS) Experimente beschleunigen und erleichtern die Identifizierung, während eine gezielte MS-Methode die Empfindlichkeit erhöht, sondern stützt sich auf Referenzstandards zu Identifizierungszwecken. Die Identifizierung von vier Arzneimitteln aus Rhein Flusswasser wird demonstriert. Der Rhein entspringt im Tomasee, Graubünden, Schweiz und mündet in die Nordsee in der Nähe von Southern Bight, Niederlande. Seine Länge beträgt 1232,7 km. Da es von erstklassigen Interesse für Arzneimittel aus den Wasserkreislauf effektiv zu beseitigen ist, wird die Effekt UV-C-Bestrahlung im Labormaßstab demonstriert. Diese Methode ermöglicht schnelle Abbau von Arzneimitteln, die exemplarisch für die Makrolid-Antibiotikum Erythromycin angezeigt wird. Mit der oben genannten HPLC-Q-TOF-MS-Methode sind Konzentration-Zeit-Diagramme für die übergeordneten Droge und deren Photodegradation Produkte erhalten. Nach der Gründung der Gleichungen für die sequentielle Reaktionen erster Ordnung, ermöglicht rechnerische Anpassung die Bestimmung der kinetischen Parameter, die Bestrahlung Zeiten und Bedingungen, wenn potenziell als vierte Stufe innerhalb Vorhersagen helfen könnte Abwasserbehandlung.
Arzneimittel werden regelmäßig in die aquatische Umwelt1,2,3,4,5gefunden. Eine wichtige Quelle sind Abwässer aus Abwasser Behandlung Pflanzen (Ara)6,7,8,9. Das Auftreten von Arzneimitteln in der in den Wasserkreislauf ist exemplarisch in der Turia Flussbecken10untersucht worden. Unter anderem Antibiotika stellen eine bestimmte gefährliche Klasse von Medikamenten, da sie oft die biologische Stufe der Kläranlagen bestehen unverändert und kann dazu führen, dass bakterielle Resistenzen in der Umwelt11,12,13 . Makrolide sind eine Klasse von Antibiotika, die sowohl in der Human-als auch in der Veterinärmedizin angewendet werden. Ihre Vertreter fanden in Konzentration bis 1 µg/L in Abwässer14,15,16,17,18,19. Einer von ihnen ist Erythromycin (Ery)20,21. In Gewässern, Erythromycin ist oft begleitet von Anhydroerythromycin A (Ery A – H2O), ein dehydrieren22,23. Wasser-Beseitigung von Erythromycin ist durch saure Instabilität. Das Verhältnis von Erythromycin vs. Anhydroerythromycin hängt von der pH24,25,26,27.
Chemisch, Makrolide enthalten eine Macrocylic-lacton, welche verschiedene Zucker Moieties beigefügt sind, zB., Desosamine, Cladinose oder Mycaminose. Da Makrolide Naturprodukte aus Fermentationsprozessen chemisch verändert wurden, existieren sie oft als Mischungen. Die Spezies bezeichnet A, B, C, etc.., in der Zucker-Substituenten unterscheiden. Der Zucker Moieties und ihre Position an der lacton sind verantwortlich für die Wirkungsweise von Makroliden28,29. Um die Gefahr für die Umwelt zu minimieren, ist es wünschenswert, die vollständig die Arzneimittel vor dem Eintritt in die aquatische Umwelt27,30,31,32mineralisieren.
Der erste Teil dieser Studie beschäftigt sich mit der Erkennung von Pharma in Oberflächengewässern, die ist wichtig für die Überwachung der Abwässer und offenen Gewässern. Zur Suche nach einer Vielzahl von unbekannten Stoffen im Mikrogramm-Bereich in verschiedenen Matrizen ist Nichtziel-Analyse die Methode der Wahl20,33,34,35. In bestimmten, Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) Electrospray Ionisierung Quadrupol ist Zeit der Flug Massenspektrometrie (HPLC-ESI-Q-TOF-MS) von außerordentlichem Wert aufgrund seiner Spezifität und Sensitivität nachgewiesen worden. Nach der Identifikation des Stoffs, Empfindlichkeit kann weiter verlängert werden mit der gezielten MS Ansatz mit dem Quadrupol in Auswahlmodus betrieben und die Aufprallenergie innerhalb der Kollision Zelle auf NULL gesetzt. Daher kommen Ionen nicht fragmentiert am TOF-Detektor.
Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Beseitigung von Erythromycin. Für die Beseitigung der Arzneimittel, so genannte erweiterte Oxidationsverfahren (AOPs) verwendet werden, zB., begann durch Bestrahlung mit UV Licht36,37,38. Wichtig für den Abbau ist die Bildung von Hydroxyl-radikale aus dem Wasser durch VUV / UVC Bestrahlung nach GL. 1.
H2O + hν(< 200 nm) → H2O * → H. + . OH (1)
Hydroxyl-Radikale besitzen ein hohes Oxidationspotential von 2,8 V, trägt positiv zum Abbau der Substanzen36,37.
Hier wird der Abbau von Erythromycin mit Vakuum UV/UVC-Bestrahlung im Wasser beschrieben unter Berücksichtigung der Einflüsse des pH-Werts. Die Bildung von noch mehr gefährliche Produkte ist vermutlich ein Nachteil bei der Verwendung von AOPs39,40. Daher ist es wichtig, bis vollständige Mineralisierung der Arzneimittel zu bestrahlen. Um besser abschätzen zu können die polymerisationszeit die kinetischen Modell der Reaktion sind die Geschwindigkeitskonstanten der Reaktion und die Halbwertszeiten sowohl für das erste Medikament seiner Photodegradates bestimmt. Zu diesem Zweck wurden Konzentrationszeit (c-t) Grundstück von HPLC-ESI-Q-TOF-MS-Messungen abgeleitet und im Vergleich zu chemischen Kinetik Modellen mit MATLAB. Die Kinetik des Abbaus verlief nach erster Ordnung, und die Photodegradates wurden als Zwischenprodukte von einem aufeinanderfolgenden oder weiteren Follow-up-Reaktion27,41beschrieben.
Beispiel für eine ungezielte Analyse in diesem Bericht vorgestellten demonstriert die Identifizierung von Arzneimitteln in Oberflächenwasser mit HPLC-ESI-Q-TOF-MS, MS/MS und Vergleich mit Referenz Standards als der endgültige Beweis. Die Stärke der ungezielte Analyse mit TOF-MS basiert auf der Erkennung aller Ionen an einer bestimmten Verweildauer und die Hohe Massengenauigkeit führt zu die Vorhersage der vorläufige Molekulare Formel. Als Alternative zu einem TOF Massenspektrometer wurde die Anwendung von einem orbital Ionenfallen für Schadstoff-Analysen im Wasser44beschrieben. Die Summenformel Vorhersage diente als Ausgangspunkt zum schnellen Referenzstandards auswählen. Die Anwendung der gezielten MS Methode des Q-TOF-MS Instruments erlaubt die Erkennung von bestimmten Verbindungen, da nur vorgewählte Ionen der Quadrupol-Filter übergeben. Im Allgemeinen wird die gezielte Analyse mit triple Quadrupol-Massenspektrometer auch in Wasser Analyse45durchgeführt. Um die Abweichung von der theoretischen Masse durch instrumentale Mängel auszugleichen, könnte ein chromatographischer Vergleich mit einer Referenz-standard durchgeführt werden. Die gezielte MS/MS-Methode kann auch zur Identifizierung Analyse gewählt werden. Hier werden Ionen ausgewählt, fragmentiert und deren Bruchstücke erkannt. Da MS/MS weniger empfindlich als MS ist, war die Konzentration von Arzneimitteln in den untersuchten Wasserproben zu niedrig, um sinnvolle Fragmente ergeben. Wenn Fragmente erkannt werden, können Verbindungen mit mehr Zuversicht identifiziert werden. Die unzureichende Sensitivität könnte durch die Konzentration einer größeren anfängliche Wasser Probenvolumen überwunden werden. Darüber hinaus sollte die Messung werden so bald wie möglich nach der Probenahme wegen möglicher Bioabbau46,47,48,49durchgeführt. Andernfalls sollten Proben bei-20 ° C, zusammengesetzte Abbau oder Reaktion auszuschließen gelagert werden.
Manchmal erscheinen die gleichen m/Z-Werte bei unterschiedlichen Aufbewahrungszeiten. Dies ist möglicherweise aufgrund, dass die Isomere verschiedene analytische Techniken erfordern. Es kann auch vorkommen, dass keine Verbindungen möglicherweise überhaupt erkannt werden, die nicht unbedingt ihre Abwesenheit beweisen. Sie können einfach nicht Form Ionen oder unterhalb der Nachweisgrenze auftreten. Die Art des Wassers übt auch einen Einfluss auf das Vorhandensein von Arzneimitteln. Arzneimittel geben Sie selten Quellwasser und Grundwasser im Vergleich zu Abwasser und Abwasser von Abwasser Behandlung Pflanzen48,50,51,52,53.
Für die Abbau-Experimente sollte die Bestrahlung Quelle im Voraus geprägt sein, da das Photon Flux oder Photon Fluence Rate der Lampe erheblich zum Abbau und der Mechanismus der Schädigung beiträgt. Für erste Versuche, eine VUV/UVC Lampe reicht wahrscheinlich eine Niederdruck Quecksilber-Lampe. Im allgemeinen beschleunigt die Zugabe von Wasserstoffperoxid H2O2, den Abbau27,36,37,54. Wenn eine andere Lampe, zB. eine UVA-Lampe verwendet, die Bildung von Hydroxyl-radikale sollte sichergestellt werden, zB., durch die Zugabe von Titandioxid- 23,24,30, 31. aus vielen Verbindungen, wie z. B. Erythromycin, OH-radikale als Foto-Reaktivität der pharmazeutischen Industrie selbst27Arten sind die Abbau-induzierende.
Für die Ermittlung der kinetischen Parameter ist das Gebiet der Signale in die Masse erkannt Chromatogramme, Konzentration, vertreten im Vergleich zur Bestrahlungszeit aufgetragen. Um die Daten passen, ist es ratsam, entsprechende Software verwenden. Hier wurde die Kurve Fitting Tool von MATLAB verwendet ermöglichte es, um schnell berechnen und passen die Daten mit den korrekte Gleichungen. Die kinetische Zwischenprodukte komplexer Gleichungen bestimmt. Die Qualitätsparameter für die Passform, dh., R2 und RMSE, wurden ohne weiteres auch erhalten.
Diese Studie zeigte die Analyse von Flusswasser zur Detektion und Identifizierung von pharmazeutischen Schadstoffe und die Photodegradation von Erythromycin in Reinstwasser. In ökologischen Gewässern, wie z. B. Oberflächenwasser würden unterschiedliche Abbau Geschwindigkeiten und Geschwindigkeitskonstanten wegen lichtabsorbierende Stoffe wie Humins ermittelt werden. Nach Erfahrung der Autoren erfolgt Abbau oft mehr langsam, manchmal aber auch bei vergleichbaren Preisen41,56.
Das weltweite Problem von Arzneimitteln, insbesondere Antibiotika, in der aquatischen Umwelt und die daraus resultierenden Gefahren noch weiter1wachsen. Aufgrund der Vielzahl und Vielfalt von Chemikalien, Metaboliten, und degradates, ungezielte Analyse werden die wichtigsten analytischen Waffe für ihre Entdeckung in der Umgebung-57. Für die effektive Beseitigung, neue Stadien in Kläranlagen werden basierend auf fortgeschrittenen Oxidationsprozesse entworfen muss, kann die UV-Bestrahlung Teil sein.
The authors have nothing to disclose.
Melanie Voigt freut sich über ein Stipendium in Höhe von Promotionskolleg an der Fachhochschule Niederrhein. Die Autoren danken ihrer Institution für weitere finanzielle Unterstützung.
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 |