基于离子液体的水相两相萃取技术作为预处理方法，用于高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS/MS）测定水环境中38种药物和个人护理产品

《Journal of Chromatography A》：Ionic Liquid-Based Aqueous Two-Phase Extraction as a Pretreatment Strategy for the Determination of 38 Pharmaceuticals and Personal Care Products in Aquatic Environments by HPLC-MS/MS

离子液体水两相系统（IL-ATPS）作为预处理技术，结合HPLC-MS/MS实现了38种PPCPs的高效同步检测，显著减少样本体积至15 mL，避免使用挥发性有机溶剂，预处理时间缩短至15分钟，检测限低至0.00013 ng/mL，方法准确性和重复性良好。

　　

谢硕|张文斌|韩一可|董欣妍|李婉宁|李鹏辉|孔丽云

西安交通大学健康科学中心公共卫生学院，中国陕西省西安市710061

摘要

准确检测废水中的药品和个人护理产品（PPCPs）对于全面的环境风险评估和人体暴露评估至关重要。鉴于水环境样品的复杂性，高效样品制备仍然是分析过程中的一个关键挑战。本研究提出了一种基于离子液体的水两相系统（IL-ATPS）提取方法，作为高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）分析前的预处理步骤，用于同时检测38种PPCPs。机制研究表明，具有更多氢键位点和更高氢键供体（HBD）能力的目标分析物在离子液体中的溶解度更高。此外，具有更强氢键受体（HBA）能力的离子液体阴离子进一步提高了这38种PPCPs的溶解度。这些发现表明，分析物与离子液体之间的氢键在溶解机制中可能起着关键作用。所建立的IL-盐ATPS提取方法使用15毫升水样、0.2克四乙基氨 acetate ([N₂₂₂₂][OAc]) 和12克K₂HPO₄，并通过1分钟涡旋混合进行。与传统固相提取（SPE）相比，该方法将样品体积从1升显著减少到15毫升，避免了挥发性有机溶剂的使用，简化了整体处理过程，并实现了快速（<15分钟）的预处理。该方法表现出优异的灵敏度，检测限（LODs）范围为0.00013至0.11 ng/mL。通过标准添加实验验证的方法显示出令人满意的准确性，回收率在74.3%到129.8%之间。使用日内和日间测量评估了精度。日内相对标准偏差（RSDs）范围为0.7%至19.9%，而日间RSDs范围为1.4%至18.4%，表明该方法在受控实验室条件下能够提供一致且可重复的结果。这些发现强调了基于离子液体的ATPS提取方法结合HPLC-MS/MS分析是一种环保、稳健且可扩展的方法，适用于水环境样品中PPCPs的监测，具有在环境监测和风险评估中的潜在应用。

引言

药品和个人护理产品（PPCPs）是一类主要的新兴污染物，因为它们具有持久性、移动性和毒性[1]。它们主要通过农业径流和污水排放进入水环境，无法通过自然过滤或传统水处理方法有效去除。因此，PPCPs可以在水循环中迁移，在饮用水源中积累，并通过长期生物积累对生态和人类健康构成潜在风险[2,3]。为应对这些威胁，欧盟委员会的2020年化学品可持续性战略将持久性、移动性和毒性（PMT）物质列为优先事项，并将PPCPs纳入相关欧盟法规。然而，由于这些化合物在环境水体中的含量极低（通常为ng/L至μg/L），监测它们需要高效的前浓缩技术[[5], [6], [7]]。

虽然固相提取（SPE）仍然是主要的前富集技术[8]，但它存在一些缺点，包括消耗大量吸附剂和有机溶剂、程序繁琐以及与绿色化学原则不兼容[[9], [10]]。液-液提取（LLE）提供了一种更简化且可持续的替代方法。在水两相系统（ATPS）中，通常由聚合物或聚合物-盐混合物组成，提供了一个创新且安全的平台[11]。然而，传统ATPS的提取效率可能受到极性控制不足的限制[12]。为克服这一限制，将离子液体（ILs）引入ATPS中。由于其可调结构和溶剂特性[13]，ILs提高了系统的可调性[14]，显著改善了提取性能、操作简便性、相分离速度和环保性[15,19]。

目前基于IL的ATPS的应用主要集中在结构简单的分析物提取上。例如，[C₄MIM]BF₄/柠檬酸三钠系统从牛奶中实现了超过90%的磺胺类药物回收率[20]，而[C₄MIM]BF₄/(NH₄)₂SO₄和咪唑鎓/磷酸鎓离子液体与硫酸铝的组合分别对类似抗生素类别的回收率为83.7-116.5%和约89%[[21], [22]]。然而，PPCPs是一类结构多样、性质复杂的污染物，将其扩展到多类分析中仍然具有挑战性。因此，开发一种通用的筛选策略对于推进基于IL的预处理技术在环境监测中的应用至关重要。

为了解决这一挑战，我们采用了Conductor-like Screening Model for Real Solvents（COSMO-RS）——一种在先前研究中验证过的工具，用于预测常规溶剂和离子液体中的溶解度——来系统地筛选合适的离子液体[23]。基于文献回顾，选择了162种PPCPs（表S1），涵盖七个类别，分别在468种离子液体中进行溶解度模拟，这些离子液体由26种阴离子和18种阳离子组成[25,26]（图S1和S2）。预测溶解度始终较低的化合物被认为不适合用于基于IL的提取。最终，根据以下标准选择了38种具有代表性的PPCPs（表S2）进行实验验证：（1）在筛选的离子液体系统中预测溶解度较高；（2）分析标准品的商业可用性；（3）涵盖在水环境中频繁检测的主要治疗类别（例如，抗生素、镇痛药、抗炎药、β-阻滞剂、脂质调节剂、抗癫痫药）；（4）与正离子模式质谱的兼容性。随后通过对溶解行为和结构特征的量子化学分析，在分子层面提供了机制洞察。基于这些计算结果，开发并验证了一种绿色且高效的基于IL的ATPS提取方法，并结合HPLC-MS/MS对选定的多类PPCPs进行了同时定性和定量。通过将预测性的分子级溶剂设计与实际分析开发相结合，本研究提出了一种可转移的策略，以增强水环境中PPCPs的监测、风险评估和生物积累研究。

部分摘录

化学品

二氢磷酸钾（K₂HPO₄，无水，99%纯度）、磷酸钾（K₃PO₄，95%纯度）、碳酸钾（K₂CO₃，98%纯度）、无水甲酸（98%纯度）、正丁酸（99%纯度）、正己酸（99%纯度）、四乙基氨 hydroxide（25%水溶液）以及38种PPCPs标准品（表S1）均购自Aladdin Biochemical Technology Co., LTD（中国上海）。冰醋酸（98%纯度）购自Mairuida Technology Co., LTD（北京）。

基于溶解度的IL筛选

溶解度是决定IL提取效果的关键因素，较高的溶解度值与更好的提取性能相关。对于这38种目标分析物，系统地排名了溶解度最高的10种和5种离子液体组合（图S5(a)和S5(b)）。还分析了这些最佳组合中各组成离子的频率，如图S5(c)所示。结果表明，具有较高溶解度的阳离子包括四乙基氨

结论

本研究介绍了一种新的基于IL的ATPS方法，用于在COSMO-RS的帮助下从水基质中提取PPCPs，COSMO-RS是一种有效的计算预筛选工具，用于溶剂选择。COSMO-RS计算表明，具有更多氢键位点和更高HBD能力的目标分析物在所研究的离子液体系统中的溶解度增加。此外，具有更强HBA能力的离子液体阴离子进一步提高了38种PPCPs的溶解度。

CRediT作者贡献声明

谢硕：撰写——原始草稿、可视化、概念化。张文斌：正式分析、数据管理、概念化、可视化。韩一可：数据管理、可视化。董欣妍：概念化、正式分析。李婉宁：方法学。李鹏辉：方法学。孔丽云：监督、撰写——审稿与编辑、资源管理、项目协调、资金获取、正式分析、概念化。

未引用的参考文献

[[16], [17], [18],24,31,32,[46], [47], [48], [49]]

CRediT作者贡献声明

谢硕：撰写——原始草稿、可视化、概念化。张文斌：可视化、正式分析、数据管理、概念化。韩一可：可视化、数据管理。董欣妍：正式分析、概念化。李婉宁：方法学。李鹏辉：方法学。孔丽云：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、正式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（22278326）、陕西省重点研发计划（2025SF-YBXM-547）和浙江省教育厅一般科研项目（Y202146847）的财政支持。