使用液相色谱-高分辨轨道阱质谱联用技术高通量分析生物固体、堆肥和土壤中的新兴污染物

《Analytical Methods》：High-throughput analysis of emerging contaminants in biosolids, composts and soils using liquid chromatography coupled to high resolution orbitrap mass spectrometryOpen Access

　　

研究人员开发了一种新型多残留分析方法，用于分析生物固体、粪便、堆肥和土壤中的新兴污染物（CEC）。这些CEC通常表征不足且未受监管，包括药品和个人护理产品（PPCP）、塑料相关化合物、工业抗氧化剂、人工甜味剂和农药。该方法采用超声辅助萃取（UAE）以及对22种萃取溶剂、多种流动相和在线固相萃取（online-SPE）净化步骤的分层评估，该步骤整合到通过加热电喷雾电离的超高效液相色谱-高分辨质谱（Orbitrap）系统中（UHPLC-HESI-HRMS Orbitrap）。共分析了17个污水污泥/生物固体样品、15个粪便/堆肥样品和18个土壤样品中的74种目标化合物。该方法表现出高选择性，对86%的分析物回收率满意（70–120%），对93%的分析物结果精确（相对标准偏差（RSD）< 20%），真实度可接受（80–123%）。检出限（LOD）范围为0.001至0.81 ng g^?1，优于或与先前报道相当。在50%的分析样品中检测到苯并噻唑（BTH）、1H-苯并三唑（BTR）、N,N-二乙基间甲苯甲酰胺（DEET）、1,3-二苯基胍（DPG）、羟基阿特拉津（OH-ATZ）、咖啡因（CAF）、卡马西平（CBZ）和文拉法辛（VNX）。首次在生物固体中定量了转化产物（TPs），包括脱硝基吡虫啉（DN-IMI）和OH-ATZ。研究结果表明，污水污泥是CEC的主要储库，其次是粪便/堆肥，这需要进一步研究以进行监测和监管。非参数检验揭示了抗组胺药（ε² = 0.31）、β-受体阻滞剂（ε² = 0.23）、工业化学品（ε² = 0.21）、抗抑郁药（ε² = 0.18）和人工甜味剂（ε² = 0.14）存在显著的基质依赖性浓度差异。

**论文解读：基于液相色谱-高分辨轨道阱质谱的生物固体、堆肥和土壤中新兴污染物的高通量分析方法**

**研究背景与问题**
新兴污染物（CEC）包括药品和个人护理产品（PPCP）、塑料相关化合物、工业抗氧化剂、人工甜味剂和农药等，在环境基质中尚未被充分表征和监管。污水污泥、生物固体、粪便、堆肥和土壤等复杂环境基质常被用作土壤肥料，以实现循环经济中的养分回收，但其中携带的CEC可能对生态系统和人类健康构成风险，例如潜在持久性、生物累积性、迁移性和毒性。现有监测不足，部分原因是缺乏标准化分析方法，难以在低浓度下检测这些化合物。许多方法仅针对少数CEC类别或基质，且样品前处理依赖离线固相萃取或分散固相萃取，耗时费力，且易引入误差。此外，转化产物（TPs）的定量常被忽视。因此，亟需一种高通量、自动化、多残留的灵敏方法，以实现对多种CEC在复杂基质中的同步分析，支撑环境监测与风险评估。

**研究概述与结论**
本研究开发并验证了一种多残留分析方法，用于分析生物固体、粪便、堆肥和土壤中的74种CEC。该方法结合超声辅助萃取（UAE）、在线固相萃取（online-SPE）净化，以及超高效液相色谱-加热电喷雾电离-高分辨轨道阱质谱（UHPLC-HESI-HRMS Orbitrap）分析。研究人员系统评估了22种萃取溶剂和多种流动相，优化了萃取和净化条件。该方法对86%的分析物回收率达70–120%，93%的分析物相对标准偏差（RSD）<20%，检出限（LOD）为0.001–0.81 ng g^?1，优于或与文献报道相当。应用于17个污水污泥/生物固体样品、15个粪便/堆肥样品和18个城市土壤样品，发现苯并噻唑（BTH）、1H-苯并三唑（BTR）、N,N-二乙基间甲苯甲酰胺（DEET）、1,3-二苯基胍（DPG）、羟基阿特拉津（OH-ATZ）、咖啡因（CAF）、卡马西平（CBZ）和文拉法辛（VNX）在50%以上样品中检出。首次在生物固体中定量了脱硝基吡虫啉（DN-IMI）和OH-ATZ等转化产物。非参数检验显示，抗组胺药、β-受体阻滞剂、工业化学品、抗抑郁药和人工甜味剂浓度显著受基质类型影响（ε² 0.14–0.31）。该论文发表在《Analytical Methods》，为环境监测与监管提供了可靠工具，强调了污水污泥作为CEC主要储库的重要性。

**主要关键技术方法**
研究人员采用超声辅助萃取（UAE）从样品中提取目标物，并系统比较了22种萃取溶剂，最终选择甲醇+100 mM乙酸铵为最优溶剂。样品净化步骤比较了分散固相萃取（d-SPE）和在线固相萃取（online-SPE），确认online-SPE具有更高回收率和自动化优势。色谱分离采用Hypersil Gold C18分析柱，流动相为水（0.2%甲酸，v/v）和甲醇（0.2%甲酸，v/v）。质谱检测使用加热电喷雾电离（HESI）源，在正负离子切换模式下以全扫描模式（m/z 70–1000）采集数据，分辨率70,000 FWHM（m/z 200）。样品来源包括加拿大魁北克省多个污水厂、堆肥供应商以及蒙特利尔、魁北克市和法国里昂的土壤样品。

**研究结果**
**3.1 方法开发**
- 通过优化流动相组成，发现0.2%甲酸水溶液和0.2%甲酸甲醇溶液为最佳组合，能提供最高信号强度和最多分析物检出数。
- 萃取条件优化表明，甲醇+100 mM乙酸铵对82种分析物回收率50–150%且RSD≤30%，效果最佳。
- 样品净化比较显示，online-SPE比d-SPE更优，自动化程度高且回收率更稳定；最佳上样溶剂为水+0.1%甲酸，洗涤溶剂为甲醇。
- 基质效应评估显示，土壤基质效应范围最窄（?11%至+19%），而生物固体和粪便/堆肥基质效应较宽（?18%至+22%），但同位素标记内标有效补偿了信号抑制或增强。

**3.2 方法验证**
- 对74种化合物进行验证，回收率70–120%的有67种，RSD<20%的有69种；线性系数R2≥0.9970的占94%以上；真实度80–123%；LOD低至0.001 ng g^?1（如阿特拉津），多数化合物LOD优于文献报道。

**3.3 方法应用**
- **3.3.1 CEC类群分布**：生物固体中镇痛药（含阿片类）中位浓度最高（809 ng g^?1），其次为工业化学品（646 ng g^?1）；肥料中工业化学品中位浓度最高（149 ng g^?1）；土壤中所有类群浓度最低。
- **3.3.2 污水污泥/生物固体中CEC**：检出53种化合物，苯并噻唑、苯并三唑、DEET、DPG、咖啡因、卡马西平等在100%样品中检出；脱硝基吡虫啉首次在生物固体中定量。
- **3.3.3 粪便/堆肥/化肥中CEC**：检出43种化合物，苯并噻唑、苯并三唑、DEET、DPG检出率最高；羟基阿特拉津在73%样品中检出。
- **3.3.4 城市土壤中CEC**：检出25种化合物，苯并噻唑、苯并三唑、DEET在100%样品中检出，但浓度普遍较低。
- **3.3.5 不同基质间分布**：生物固体中PPCP和工业化学品浓度最高，肥料次之，土壤最低；非参数检验显示抗组胺药、β-受体阻滞剂、工业化学品、抗抑郁药和人工甜味剂浓度显著受基质影响（ε2 0.14–0.31）。

**3.4 方法灵敏度与局限性**
- 方法灵敏度优于或等于文献报道，尤其是对咖啡因、磺胺类抗生素、卡马西平等。局限性在于对强亲水性（logKow<0）或强疏水性（logKow>3）化合物回收率不稳定，且未比较生物固体与污水出水中的CEC贡献。

**3.5 环境意义**
- 证实污水污泥/生物固体是CEC的重要储库，转化产物的存在要求关注其潜在毒性（如脱硝基吡虫啉对哺乳动物有毒）。基质特异性积累模式表明需针对不同环境介质制定风险管理策略。未来应扩展至更多转化产物和未知物筛查，并研究长期环境归趋。

**结论讨论与翻译**
研究人员成功开发并验证了一种全面的多残留分析方法，可分析生物固体、肥料和城市土壤中74种CEC。该方法采用自动化online-SPE净化，显著优于手动技术，并通过系统评估22种萃取溶剂和9种流动相优化了性能。应用结果显示，51种、41种和25种CEC分别在污水污泥/生物固体、粪便/堆肥和土壤样品中至少检出一次。CEC的相对分布强调需进行源头导向监测和定制化风险管理。统计显示基质类型对CEC类群有显著影响：镇痛药、抗抑郁药、抗组胺药、β-受体阻滞剂和工业化学品在生物固体中浓度高，但堆肥和土壤施用后显著降低；而工业化学品和脂质调节剂在堆肥和土壤中表现出更高持久性。抗生素、抗糖尿病药、细胞抑制剂和农药对基质影响不敏感。该方法为理解有机改良剂和陆地环境中CEC的赋存提供了有力工具，建议未来开发针对疏水性化合物（logKow>3）的互补方法，以全面评估环境风险。