基于磺酸基修饰分级多孔共价有机框架材料的磁固相萃取同时富集5类20种抗生素

《Journal of Hazardous Materials》：Magnetic solid-phase extraction for simultaneous enrichment of five types 20 antibiotics based on sulfonic acid-modified hierarchical porous covalent organic framework materials

　　

监测环境水体中的抗生素残留对于生态风险评估和公众健康保护至关重要。然而，多种类别抗生素的同时富集因其不同的理化特征（包括不同的分子尺寸、表面电荷和官能团）而受到阻碍。本研究以密度泛函理论（DFT）计算指导磺酸功能化共价有机框架（COFs）的合理配体结构设计。研究人员合成了磁性复合材料Fe₃O₄@ETTBC-BD-SO₃H，对其进行了全面表征，并将其用于磁固相萃取（MSPE）来自五种化学类别的20种抗生素，随后采用超高效液相色谱-串联质谱法（UHPLC-MS/MS）进行定量分析。研究人员系统优化了关键MSPE实验参数。该方法在2.5–1000 ng/L（8种分析物）、5–1000 ng/L（7种分析物）和10–1000 ng/L（5种分析物）范围内表现出良好的线性，检出限（LODs）为0.09–2.88 ng/L。在自来水、水库水和废水样品中的验证获得了可接受的回收率（53.6–107.3%）。研究人员进一步分析了来自青岛七座污水处理厂的进水-出水样品，并进行了相应的环境风险评估。研究结果凸显了磺化共价有机框架材料作为磁性可回收吸附剂在环境预处理流程中用于痕量抗生素富集的巨大潜力。

**抗生素多残留磁固相萃取新策略：基于两性离子分级多孔共价有机框架材料的研究解读**

**一、研究背景与问题的提出**

抗生素作为一类抑制或杀灭微生物的化学物质，在人类医疗和兽医学领域应用广泛，依据化学结构可分为磺胺类（SAs）、喹诺酮类（QNs）、大环内酯类（MAs）、林可酰胺类（LINs）和四环素类（TCs）。然而，抗生素的广泛且不合理使用已对全球公共卫生构成显著威胁，并造成一定程度的环境退化。世界各地的研究数据显示，水生环境中抗生素浓度通常在每升数十纳克至数百万纳克之间。因此，鉴于抗生素的潜在风险，开发灵敏的检测方法对于环境水体中这类化合物的监测至关重要。

目前，液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）已成为抗生素定量分析的主流技术。但由于环境基质中抗生素浓度低且成分复杂，仪器分析前必须进行样品前处理。现有前处理技术中，磁固相萃取（MSPE）因分离快速、操作简便和吸附效率高而得到广泛应用。共价有机框架（COFs）作为新兴多孔材料，凭借大比表面积、可调孔道和易功能化等特性，在污染物去除和样品前处理领域受到广泛关注。然而，大多数基于COF的前处理研究仅针对单一类别抗生素（如QNs或SAs），且主要利用孔径均一的COF，这类材料对尺寸相近的分析物萃取效果优异，却难以同时捕获分子尺寸多样的化合物。尽管分级多孔COFs已被开发用以解决这一局限，但两性离子分级多孔COFs用于多类别抗生素定向萃取的研究尚未见报道。正是基于上述研究空白，来自青岛理工大学环境与市政工程学院的Guangnian Yuan、Jiping Ma、Lingxin Chen等研究人员开展了本项研究。

**二、研究目标与创新点**

该工作的核心创新在于：（i）利用抗生素不同的分子尺寸和pH依赖性电荷状态，合理设计了一种定制化的两性离子异质孔COF框架（ETTBC-BD-SO₃H）；（ii）将该COF包覆于Fe₃O₄纳米颗粒表面，制备了磁性纳米复合材料Fe₃O₄@ETTBC-BD-SO₃H，实现了快速磁固相萃取；（iii）将该复合材料与UHPLC-MS/MS联用，建立了环境水体中5类20种抗生素同时定量分析的稳健方法，并通过分析青岛七座污水处理厂（WWTPs）的进水和出水样品验证了其实用性。相关成果发表于《Journal of Hazardous Materials》。

**三、主要技术方法**

研究人员采用理论计算与实验相结合的策略开展研究。首先，利用密度泛函理论（DFT）计算指导材料设计，量化功能化COF与抗生素之间的相互作用能，并计算COF孔径分布与20种抗生素的分子尺寸。材料合成采用两步法：先通过溶剂热法在Fe₃O₄表面制备ETTBC-BD COF，再通过1,3-丙磺酸内酯（1,3-PS）与亚胺键的开环反应引入磺酸基团，获得两性离子分级多孔COF复合材料。随后通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）、N₂吸附-脱附、X射线衍射（XRD）和磁滞回线等手段对材料进行全面表征。吸附实验选取磺胺甲恶唑和环孢沙星分别作为SAs和QNs的代表，采用准一级/准二级动力学模型和Langmuir/Freundlich等温线模型拟合吸附行为。最终建立Fe₃O₄@ETTBC-BD-SO₃H-MSPE-UHPLC-MS/MS分析方法，系统优化吸附剂类型与用量、水样pH、萃取时间、洗脱溶剂及洗脱时间等关键参数。样本队列来源包括青岛丁家河水库水、七座污水处理厂进水和出水，以及实验室自来水。环境风险评估采用风险商（RQ）和抗生素耐药风险商（RRQ）进行计算。

**四、研究结果与分析**

**4.1 材料设计**

DFT计算结果表明，ETTBC-BD-SO₃H呈现46 ?和21 ?的双孔径分布，20种抗生素的计算分子长度为10.4–19.3 ?，均小于COF孔径，表明分析物可在孔道内自由传输。磺酸改性后材料的吸附能（ΔEads）比未改性材料更负，表明改性后吸附过程在热力学上更自发。模拟研究显示，以磺胺甲恶唑、环丙沙星、林可霉素为代表的SAs、QNs和LINs倾向与材料形成氢键和Ip-π相互作用；以四环素、阿奇霉素为代表的TCs和MAs则倾向形成π-π和O-H…π相互作用。静电势图显示磺酸基团呈现高负电势区域，而亚胺鎓部分形成明显正电势区域，证实两性离子结构特征。

**4.2 材料表征**

SEM显示Fe₃O₄@ETTBC-BD呈带状形貌，而Fe₃O₄@ETTBC-BD-SO₃H呈不规则絮状片层结构，这种形貌转变归因于带负电的-SO₃^-基团诱导层间静电排斥并促进COF层自发剥离。TEM确认了清晰的核壳结构。SEM-EDX元素分布显示硫元素均匀分散，证明表面功能化成功。FT-IR光谱出现S=O伸缩振动峰，XPS分析检测到N⁺物种，均证实磺酸基团成功引入。吸附后XPS分析中，N1s谱图出现归属于抗生素-NH基团的新峰，且C=N、C–N和N⁺峰位发生负移，π–π*物种峰位位移2.9 eV，从电子层面证实静电相互作用和π-π堆积是高效吸附的主要驱动力。N₂吸附-脱附等温线表现为IV型行为，孔径分布呈双峰（约26.0和47.0 ?），证实分级多孔结构。XRD图谱表明磺酸功能化后COF结晶结构保持完好。磁滞回线显示材料具有超顺磁性，便于磁分离操作。

**4.3 吸附实验研究**

吸附动力学实验表明，Fe₃O₄@ETTBC-BD-SO₃H对磺胺甲恶唑和环丙沙星在约10 min内达到吸附平衡，平衡吸附容量分别为558.5和633.1 μg/g。准二级动力学模型的R2值显著高于准一级模型，表明吸附过程主要受化学吸附控制。等温线拟合显示，磺胺甲恶唑的吸附更符合Langmuir模型（单层吸附），而环丙沙星更符合Freundlich模型（异质多层吸附），这种差异源于两种抗生素不同的分子结构和电荷状态。

**4.4 MSPE参数优化**

通过系统优化确定了最佳萃取条件。磺酸改性材料Fe₃O₄@ETTBC-BD-SO₃H的萃取效率显著优于未改性材料，归因于磺酸基团提供了额外的氢键位点和静电作用位点，同时提高了材料亲水性和分散性。最佳吸附剂用量为25 mg。水样pH是影响萃取效率的关键因素：材料等电点为2.5，当pH为4.0时，材料表面充分去质子化（-SO₃^-），多数抗生素以质子化或阳离子形式存在，静电吸引最大化，同时氢键、π-π堆积和孔道限域协同作用达到最佳，因此pH 4.0被选为最优条件。最佳萃取时间为12 min，最优洗脱溶剂为甲醇，洗脱时间仅需1 min即可实现完全洗脱。

**4.5 重复使用性**

经过5次吸附-解吸循环后，20种目标抗生素的峰面积保持高度稳定，相对标准偏差（RSDs）低于15%。循环后的SEM和FT-IR表征显示材料形貌结构完整、特征峰保持一致，证实吸附剂具有优异的结构稳定性和实用耐久性。

**4.6 方法评价**

在优化条件下，该方法在2.5–1000 ng/L（8种分析物）、5–1000 ng/L（7种分析物）和10–1000 ng/L（5种分析物）范围内呈现良好线性。检出限（LODs）为0.09–2.88 ng/L，定量限（LOQs）为0.30–9.60 ng/L，富集因子（EFs）为128–185倍。日内RSDs为1.3%–14.5%，日间RSDs为5.6%–19.2%，均满足痕量分析的可接受标准。

**4.7 实际样品验证与环境应用**

在自来水、水库水和WWTP出水三种实际水体基质中，加标回收率分别为64.1%–98.7%、53.6%–107.3%和61.1%–98.4%，且所有目标分析物的基质效应绝对值均小于20%，表明方法对复杂基质具有良好适应性。未加标样品中，14种抗生素在WWTP出水中检出，4种在水库水中检出。对青岛七座WWTP进水和出水分析显示，进水总抗生素浓度为145.3–585.5 ng/L，出水为86.7–287.3 ng/L。大环内酯类（主要为阿奇霉素和罗红霉素）和喹诺酮类（主要为氧氟沙星、诺氟沙星和培氟沙星）是检出水平最高的类别。五段AAO结合后置AO和MBBR工艺对多数抗生素类别去除效果较好，但大环内酯类抗生素去除不理想，阿奇霉素和罗红霉素在最终出水中仍分别高达117.1和74.4 ng/L。风险评估显示，阿奇霉素和氧氟沙星在多数进出水中呈现中等或高风险RQ值；而RRQ评估进一步揭示，阿奇霉素和部分喹诺酮类（环丙沙星、恩诺沙星）即使RQ低于0.1，其耐药风险仍不可忽视，表明低生态风险并不等同于无公共健康威胁。

**4.8 与其他方法比较**

与已报道方法相比，该方法首次实现5类20种抗生素的单次同时富集，吸附剂用量（25 mg）低于传统固相萃取（50–200 mg），萃取时间（12 min）达到或优于多数MSPE方法，LODs和EFs均优于大多数已报道的磁性COF/MOF材料，且已在三种复杂真实水基质中得到严格验证，展现出更广泛的基质适应性。

**五、讨论与结论**

讨论部分强调，大环内酯类和喹诺酮类在WWTP进出水中的主导地位与全球观察结果一致。已有研究表明环丙沙星和阿奇霉素在非洲、亚洲和南美洲的出水和受纳水体中频繁超过预测无效应浓度（PNEC），呈现高RQ值。RQs与RRQs反映不同层面的环境预警：RQ评估抗生素对水生生物的直接毒性效应，而RRQ量化抗生素对环境中细菌的长期选择压力，可促进抗生素抗性基因（ARGs）的诱导和传播。阿奇霉素和喹诺酮类在出水中的共存可能进一步促进ARGs的水平转移，加剧废水排放带来的公共卫生风险。

结论部分明确指出，研究人员首次成功合成了新型磁性两性离子分级多孔COF（Fe₃O₄@ETTBC-BD-SO₃H），实现了水相基质中5类20种抗生素的同时萃取。其卓越的萃取效率主要由静电相互作用、π-π堆积和氢键的协同效应驱动，并已通过理论计算和光谱分析验证。与UHPLC-MS/MS联用后，该方法可在复杂水生环境中实现抗生素的快速痕量测定。七座WWTP的环境调查表明，大环内酯类和喹诺酮类是最主要的抗生素类别，阿奇霉素和氧氟沙星构成中等到高的生态和耐药风险。研究也承认当前野外调查局限于青岛沿海地区的局限性。未来工作将扩大空间覆盖范围和采样频率，开发经济高效的大规模制备方案及便携式分析平台，以推动该方法的常规环境监测应用。