《Analytica》：A Validated Analytical Approach for Antibiotic Residues Determination in Water Using NaOH-Modified Diatomaceous Earth as a Sustainable Sorbent
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抗生素是现代医学中应用最广泛的一类药物。由于其频繁使用，抗生素残留已在环境中被检出，尤其是在水环境中。本研究对配备样品前处理的HPLC方法进行了优化和验证，以分析水样中两种常用抗生素——头孢氨苄（cephalexin）和四环素（tetracycline）的存在
抗生素是现代医学中应用最广泛的一类药物。由于其频繁使用，抗生素残留已在环境中被检出，尤其是在水环境中。本研究对配备样品前处理的HPLC方法进行了优化和验证，以分析水样中两种常用抗生素——头孢氨苄（cephalexin）和四环素（tetracycline）的存在情况。样品采集自不同来源，包括废水、自来水、多瑙河和地下水，以评估基质对整体分析的影响。本研究的主要目标是开发一种有效且可靠的方法用于检测水中的这些抗生素残留。次要目标是建立最有效的样品制备方法。样品采用分散固相萃取（dispersive solid-phase extraction, dSPE）技术制备，以改性硅藻土（diatomaceous earth）作为吸附剂。dSPE过程主要用于样品净化（sample clean-up）和降低基质效应（matrix effects），随后进行HPLC-DAD分析。吸附剂在使用前进行了表征，以考察改性对其吸附性能的影响。
研究背景方面，水是地球上生命存续的基础资源，但人口增长和工业发展使水资源面临日益加剧的化学物质污染压力。药物类污染物（包括抗生素）作为"伪持久性"（pseudo-persistent）污染物持续进入水环境，其残留可能促进抗生素耐药性发展并对水生生物和人体健康构成风险。头孢氨苄和四环素作为广泛使用的抗生素，已在全球范围内的地表水、地下水乃至饮用水源中被检出。然而，水中抗生素残留浓度极低且水基质复杂，因此需要灵敏、选择性的分析方法，其中样品前处理是關鍵步骤。现有样品前处理方法包括固相萃取（SPE）、液-液萃取（LLE）和QuEChERS等，但硅藻土作为dSPE吸附剂用于抗生素残留分析尚属首次报道。本研究旨在开发和验证检测水中四环素和头孢氨苄残留的分析方法，并考察dSPE作为样品制备技术对准确度、精密度、回收率和整体可靠性的影响。
研究人员开展了以下工作：优化并验证了HPLC-DAD方法，首次将硅藻土作为dSPE吸附剂应用于抗生素残留分析，并对实际水样进行了检测。研究得出的结论是：建立的HPLC-DAD方法具有良好的灵敏度、重现性和稳健性；改性硅藻土作为低成本、环境友好的dSPE吸附剂具有应用潜力；吸附剂A（2 M NaOH处理12 h，200 °C热活化）在实际水样中对头孢氨苄的回收率最高（自来水中达93%）；吸附剂B（1 M NaOH处理24 h，600 °C热活化）在不同水基质中表现更为稳定。该研究的重要意义在于为绿色分析化学领域提供了一种经济、易得且环保的吸附剂选择，并揭示了水基质特性对分析响应和回收率的影响。
关键技术方法方面，研究人员采用HPLC-DAD（二极管阵列检测器）进行色谱分析，色谱柱为Zorbax Eclipse XDB C18柱（150 × 2.1 mm；5 μm），流动相为0.1 M草酸和乙腈（84:16, v/v）等度洗脱，流速0.7 mL/min，柱温30 °C，进样量5 μL，检测波长270 nm。样品制备采用dSPE技术，以NaOH改性硅藻土为吸附剂（0.1 g吸附剂加入1 mL加标水样中，振荡20 min）。吸附剂表征采用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）。水样来源包括自来水、地下水、多瑙河水和废水，加标浓度为0.1 mg/L，每个样品测定3次（n = 3）。
研究结果方面：（1）方法验证参数——通过优化流动相组成、流速、柱温和色谱柱等参数，确定了最佳色谱条件。头孢氨苄和四环素的线性范围分别为0.052–0.515 mg/L和0.0525–0.525 mg/L，相关系数（R2）均超过0.999。头孢氨苄的LOD和LOQ分别为0.01和0.03 mg/L，四环素分别为0.004和0.01 mg/L。相对标准偏差（RSD）为头孢氨苄1.18%、四环素0.67%，扩展相对不确定度（k = 2）分别为2.36%和1.33%。（2）吸附剂的X射线和SEM-EDS分析——XRD分析表明，未处理和处理后的硅藻土中方石英（cristobalite, SiO?）均为唯一结晶相，改性未改变物相组成。SEM-EDS分析确认所有样品主要由硅和氧组成，碱处理後钠以可测量量出现，表明活化过程中发生了表面吸附或结合；碱处理材料中Si含量局部降低，提示无定形二氧化硅部分溶解并形成硅酸钠物种。材料A和B吸附效率的差异被归因于制备过程中不同的碱浓度和热活化温度导致的表面化学改性（如硅醇基密度、表面活化程度等），而非物相或元素组成的改变；由于未直接测定比表面积和孔径分布，上述解释被视为基于制备条件的推定性假设。（3）目标分析物的回收率——四环素在所有水样中使用硅藻土预处理时回收率均低于70%。吸附剂A对四环素的回收率从自来水和地下水的44%逐渐升高至多瑙河的53%和废水的61%，表明其在有机质和离子含量较高的基质中性能增强。吸附剂B在自来水中回收率最高（66%），废水次之（65%），但在地下水中降至43%，多瑙河水中最低（36%），表明其对水样组成更为敏感。头孢氨苄的回收率整体高于四环素。吸附剂A在自来水中回收率高达93%，多瑙河水和废水均为75%，但在地下水中降至52%。吸附剂B在所有水基质中表现相对稳定，回收率范围为73%–86%。从应用角度看，吸附剂A在去除抗生素方面高效但具有基质敏感性，吸附剂B在不同水类型中表现更为一致，尤其适用于水组成多变复杂条件下头孢氨苄的dSPE萃取。
讨论部分总结：研究强调了在选择抗生素分析或去除用吸附剂时考虑水基质效应的重要性。吸附剂A在多种环境条件下可能更可靠，而吸附剂B在特定基质中可能更具优势。两种吸附剂各具特点，吸附剂B在不同基质中提供更高的可靠性（尤其对头孢氨苄），而吸附剂A在受控或优化条件下可能更有效。研究结论翻译如下：本研究建立并优化了HPLC-DAD分析程序，用于测定加标实际水样中的头孢氨苄和四环素。研究考察了以改性硅藻土为吸附剂的分散固相萃取（dSPE）作为降低基质效应的样品制备方法。硅藻土是一种经济、易得且环境友好的材料，使其成为绿色分析化学领域中有前景的吸附剂。在所研究的材料中，吸附剂A表现出最高回收率，自来水中头孢氨苄的回收率达93%。头孢氨苄的LOQ值为0.03 mg/L，四环素为0.01 mg/L。使用实际水样作为基质表明，分析响应和回收率可受到不同水基质特性的影响，因此所获结果为在受控加标条件下样品制备程序的行为提供了有用信息。然而，本方法并非用于环境水中天然抗生素残留的痕量水平监测。进一步优化和使用更灵敏的分析技术（如LC-MS/MS）可实现更低浓度水平的测定，并支持未来在环境监测中的应用。
