Magnetic solid-phase extraction with dispersion of magnetic hypercrosslinked polystyrene with carbon dioxide for multicomponent extraction of residues of 55 veterinary drugs from river waters before their determination by HPLC-MS/MS

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Magnetic effervescent tablets consisting of magnetic hypercrosslinked polystyrene, sodium bicarbonate, citric acid and EDTA are proposed for multicomponent isolation of residues of 55 veterinary drugs of different classes (sulfonamides and trimethoprim, amphenicols, nitroimidazoles, β-lactams, quinolones, macrolides, pleuromutilins and lincosamides) from river waters by magnetic solid-phase extraction before their HPLC-MS/MS determination. Due to the intensive release of carbon dioxide during dissolution of the tablet it is possible to do without the use of stirring devices, and the magnetic properties of the sorbent allow its separation without centrifugation and filtration; as a result, the sample preparation procedure (solid-phase extraction) takes less than 3 min. The method provides relative recoveries from 79 to 122 % and good reproducibility (sr ≤ 0.12). Medicine substances were identified by the exact masses of analyte ions produced by electrospray ionisation with polarity switching. The matrix effect for all drugs is below 20 %. Determination was carried out by matrix calibration method and the limits of detection and quantification were 0.012 and 0.04 µg/L for most of the sulfonamides, trimethoprim, amfenicols, nitroimidazoles, macrolides, pleuromutilins and lincosamides and 0.06 and 0.2 µg/L for β-lactams and quinolones respectively.

Full Text

Restricted Access

About the authors

N. O. Goncharov

Lomonosov Moscow State University

Email: nikatolm@mail.ru

chemistry department

Russian Federation, Moscow, 119991

V. V. Tolmacheva

Lomonosov Moscow State University; Federal Centre for Animal Health (FGBI ARRIAH)

Author for correspondence.
Email: nikatolm@mail.ru

chemistry department

Russian Federation, Moscow, 119991; Vladimir, 600901

A. O. Melekhin

Federal Centre for Animal Health (FGBI ARRIAH)

Email: nikatolm@mail.ru
Russian Federation, Vladimir, 600901

M. A. Biryukova

Lomonosov Moscow State University

Email: nikatolm@mail.ru

chemistry department

Russian Federation, Moscow, 119991

V. V. Apyari

Lomonosov Moscow State University

Email: nikatolm@mail.ru

chemistry department

Russian Federation, Moscow, 119991

S. G. Dmitrienko

Lomonosov Moscow State University

Email: nikatolm@mail.ru

chemistry department

Russian Federation, Moscow, 119991

References

  1. Sarmah A.K., Meyer M.T., Boxall A.B.A. A global perspective on the use, sales, exposure pathways, occurrence, fate and effects of veterinary antibiotics (VAs) in the environment // Chemosphere. 2006. V. 65. P. 725.
  2. Kuppusamy S., Kakarla D., Venkateswarlu K., Megharaj M., Yoon Y.-E., Lee Y.B. Veterinary antibiotics (VAs) contamination as a global agro-ecological issue: A critical view // Agric. Ecosyst. Environ. 2018. V. 257. P. 47.
  3. Лаврухина О.И., Амелин В.Г., Киш Л.К., Третьяков А.В., Пеньков Т.Д. Определение остаточных количеств антибиотиков в объектах окружающей среды и пищевых продуктах // Журн. аналит. химии. 2022. T. 77. № 11. С. 969. (Lavrukhina O.I., Amelin V.G., Kish L.K., Tretyakov A.V., Pen’kov T.D. Determination of residual amounts of antibiotics in environmental samples and food products // J. Anal. Chem. 2022. V. 77. № 11. P. 1349.)
  4. Tiseo K., Huber L., Gilbert M., Robinson T.P., Van Boeckel T.P. Global trends in antimicrobial use in food animals from 2017 to 2030 // Antibiotics. 2020. V. 9. Article 918.
  5. Gaballah M.S., Guo J., Sun H., Aboagye D., Sobhi M., Muhmood A., Dong R. A review targeting veterinary antibiotics removal from livestock manure management systems and future outlook // Bioresour. Technol. 2021. V. 333. Article 125069.
  6. Cherian T., Ragavendran C., Vijayan S., Kurien S., Peijnenburg W.J.G.M. A review on the fate, human health and environmental impacts, as well as regulation of antibiotics used in aquaculture // Env. Adv. 2023. V. 13. Article 100411.
  7. Duan W., Cui H., Jia X., Huang X. Occurrence and ecotoxicity of sulfonamides in the aquatic environment: A review // Sci. Total Environ. 2022. V. 820. Article 153178.
  8. Li J., Li W., Liu K., Guo Y., Ding C., Han J., Li P. Global review of macrolide antibiotics in the aquatic environment: Sources, occurrence, fate, ecotoxicity, and risk assessment // J. Hazard. Mater. 2022. V. 439. Article 129628.
  9. Szymańska U., Wiergowski M., Sołtyszewski I., Kuzemko J., Wiergowska G., Woźniak M. K. Presence of antibiotics in the aquatic environment in Europe and their analytical monitoring: Recent trends and perspectives // Microchem. J. 2019. V. 147. P. 729.
  10. Anh H.Q., Le T.P.Q., Da Le N., Lu X.X., Duong T.T., Garnier J., Nguyen T.A.H. Antibiotics in surface water of East and Southeast Asian countries: A focused review on contamination status, pollution sources, potential risks, and future perspectives. // Sci. Total Environ. 2021. V. 764. Article 142865.
  11. Solaun O., Rodríguez J.G., Borj A., López-García E., Zonja B, Postigo C. et al. Antibiotics in the Basque coast (N Spain): Occurrence in waste and receiving waters, and risk assessment (2017–2020) // Sci. Total Environ. 2022. V. 847. Article 157563.
  12. Zhang J., Zhang X., Zhou Y., Han Q., Wang X., Song C. et al. Occurrence, distribution and risk assessment of antibiotics at various aquaculture stages in typical aquaculture areas surrounding the Yellow Sea // J. Environ. Sci. 2023. V. 126. P. 621.
  13. Wu H., Liu R., Liu G., He M., Arif M., Li F. et al. Unveiling antibiotic contamination in surface water: A study of the Huaihe River Basin’s Huaibei Plain, a significant Chinese herbal medicine planting region // Sci Total Environ. 2024. V. 933. Article 173125.
  14. Kim C., Ryu H.D., Chung E. G., Kim Y., Lee J. A review of analytical procedures for the simultaneous determination of medically important veterinary antibiotics in environmental water: Sample preparation, liquid chromatography, and mass spectrometry. // J. Environ. Manag. 2018. V. 217. P. 629.
  15. Almeida C.M.M. Overview of sample preparation and chromatographic methods to analysis pharmaceutical active compounds in waters matrices // J. Sep. Sci. 2021. V. 8. Article 16.
  16. Mehata A.K., Nikitha M.L., Gokul P., Malik A.K., Viswanadh M.K., Singh C. et al. Fast and highly efficient liquid chromatographic methods for qualification and quantification of antibiotic residues from environmental waste // Microchem. J. 2022. V. 179. Article 107573
  17. Zeng Y., Chang F., Liu Q., Duan L., Li D., Zhang H. Recent advances and perspectives on the sources and detection of antibiotics in aquatic environments // J. Anal. Methods. Chem. 2022. V. 2022. Article 5091181.
  18. Daniels K., Park M., Huang Z., Jia A, Flores G., Lee H., Snyder S. A review of extraction methods for the analysis of pharmaceuticals in environmental waters // Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 2020. V. 50. P. 2271.
  19. Gros M., Rodríguez-Mozaz S., Barcelo D. Fast and comprehensive multi-residue analysis of a broad range of human and veterinary pharmaceuticals and some of their metabolites in surface and treated waters by ultrahigh-performance liquid chromatography coupled to quadrupole-linear ion trap tandem mass spectrometry // J. Chromatogr. A. 2012. V. 1248. P. 104.
  20. Gros M., Rodríguez-Mozaz S., Barcelo D. Rapid analysis of multiclass antibiotic residues and some of their metabolites in hospital, urban wastewater and river water by ultra-high-performance liquid chromatography coupled to quadrupole-linear ion trap tandem mass spectrometry // J. Chromatogr. A. 2013. V. 1292. P. 173.
  21. Goessens T., Huysman S., Troyer N.D.E., Deknock A., Goethals P., Lens L., Croubels S. Multi-class analysis of 46 antimicrobial drug residues in pond water using UHPLC-Orbitrap-HRMS and application to freshwater ponds in Flanders, Belgium // Talantа. 2020. V. 220. Article 121326.
  22. Zheng M., Tang S., Bao Y., Daniels K.D, How Z.T., El-Din M.G. et al. Fully-automated SPE coupled to UHPLC-MS/MS method for multiresidue analysis of 26 trace antibiotics in environmental waters: SPE optimization and method validation // Environ. Sci. Pollut. Res. 2022. V. 29. P. 16973.
  23. Di S., Ning T., Yu J., Chen P., Yu H., Wang J. et al. Recent advances and applications of magnetic nanomaterials in environmental sample analysis // Trends. Anal. Chem. 2020. V. 126. Article 115864.
  24. Дмитриенко С.Г., Апяри В.В., Толмачева В.В., Горбунова М.В., Фурлетов А.А. Дисперсионная и магнитная твердофазная экстракция органических соединений. Обзор обзоров // Журн. аналит. химии. 2024. Т. 79. № 2. С. 99. (Dmitrienko S.G., Apyari V.V., Tolmacheva V.V., Gorbunova M.V., Furletov A.A. Dispersive and magnetic solid-phase extraction of organic compounds: Review of reviews // J. Anal. Chem. 2024. V. 79. P. 105.)
  25. Gao S., Guo Y., Li X., Wang X., Wang J., Qian F. et al. Magnetic solid phase extraction of sulfonamides based on carboxylated magnetic graphene oxide nanoparticles in environmental water // J. Chromatogr. A. 2018. V. 1575. P. 1.
  26. Qiao Y., Wang M., Guo E., Wang K., Ma L., Lian K. Fe3O4@SiO2@MPA-TAPA-COF as a novel sorbent in magnetic solid-phase extraction coupling with UPLC-MS/MS for determining 12 sulfonamides in water and milk. // Microchem. J. 2024. V. 200. Article 110293.
  27. Wang H., Zhao X., Xu J., Shang Y., Wang H., Wang P., He X., Tan J. Determination of quinolones in environmental water and fish by magnetic metal organic frameworks based magnetic solid-phase extraction followed by high-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry // J. Chromatogr. A. 2021. V. 1651. Article 462286.
  28. Bayatloo M.R., Salehpour N., Alavi A., Nojavan S. Introduction of maltodextrin nanosponges as green extraction phases: Magnetic solid phase extraction of fluoroquinolones. // Carbohydr. Polym. 2022. V. 297. Article 119992.
  29. Duo H., Wang S., Lu X., Wang L., Liang X., Guo Y. Magnetic mesoporous carbon nanosheets derived from two-dimensional bimetallic metal-organic frameworks for magnetic solid-phase extraction of nitroimidazole antibiotics // J. Chromatogr. A. 2021. V. 1645. Article 462074.
  30. Wang Y., Wang J., Guan M., Kallem P., Qiu H., Chen J. Bimetallic nitrogen-doped porous graphene for highly efficient magnetic solid phase extraction of 5-nitroimidazoles in environmental water // Anal. Chim. Acta. 2022. V. 1203. Article 339698.
  31. He Y., Tao J., Zhang X., Guo J., Gao Y., Hu Y. et al. Facile synthesis of magnetic hyper-crosslinked porous polymer for efficient extraction and sensitive determination of nitroimidazole antibiotics // Microchem. J. 2024. V. 200. Article 110285.
  32. Perez R.A., Albero B., Ferriz M., Tadeo J.L. Analysis of macrolide antibiotics in water by magnetic solid-phase extraction and liquid chromatography–tandem mass spectrometry // J. Pharm. Biomed. Anal. 2017. V. 146. P. 79.
  33. Liu Y., Zhang H., Xie D., Lai H., Qiu Q., Ma X. Optimized synthesis of molecularly imprinted polymers coated magnetic UIO-66 MOFs for simultaneous specific removal and determination of multi types of macrolide antibiotics in water // J. Environ. Chem. Eng. 2022. V. 10. Article 108094.
  34. Chen X., Zhao Y., Qiu Q., Zhu Y., Min J., Jin M. A fast and high throughput LC-MS/MS method for the determination of 58 human and veterinary drugs in river water // Anal. Methods. 2017. V. 9. P. 4228.
  35. Lasarte-Aragonés G., Lucena R., Cárdenas S. Effervescence-assisted microextraction – one decade of developments // Molecules. 2020. V. 25. Article 6053.
  36. Hashim N.M., Husani N.I.M., Wardani N.I., Alahmad W., Shishov A., Madurani K.A. et al. Advancements in effervescent-assisted dispersive micro-solid phase extraction for the analysis of emerging pollutants // Anal. Chim. Acta. 2024. V. 1325. Article 342891.
  37. Толмачева В.В., Апяри В.В., Ибрагимова Б.Н., Кочук Е.В., Дмитриенко С.Г., Золотов Ю.А. Полимерный магнитный сорбент на основе наночастиц Fe3O4 и сверхсшитого полистирола для концентрирования антибиотиков тетрациклинового ряда. // Журн. аналит. химии. 2015. Т. 70. № 11. С. 1149. (Tolmacheva V.V., Apyari V.V., Ibragimova B.N., Kochuk E.V., Dmitrienko S.G., Zolotov Yu A. A polymeric magnetic adsorbent based on Fe3O4 nanoparticles and hypercrosslinked polystyrene for the preconcentration of tetracycline antibiotics // J. Anal. Chem. 2015. V. 70. № 11. P. 1313.)
  38. Мелехин А.О., Толмачева В.В., Шубина Е.Г., Дмитриенко С.Г., Апяри В.В., Грудев А.И. Применение сверхсшитого полистирола для многокомпонентной твердофазной экстракции остатков 63 ветеринарных препаратов при их определении в курином мясе методом высокоэффективной жидкостной хроматографии–тандемной масс-спектрометрии // Журн. аналит. химии. 2021. Т. 76. № 8. С. 708. (Melekhin A.O., Tolmacheva V.V., Shubina E.G., Dmitrienko S.G., Apyari V.V., Grudev A.I. Using hypercrosslinked polystyrene for the multicomponent solid-phase extraction of residues of 63 veterinary preparations in their determination in chicken meat by high-performance liquid chromatography–tandem mass spectrometry // J. Anal. Chem. 2021. V. 76. № 8. P. 946.)
  39. Melekhin A.O., Tolmacheva V.V., Goncharov N.O., Apyari V.V., Dmitrienko S.G., Shubina E.G., Grudev A.I. Multi-class, multi-residue determination of 132 veterinary drugs in milk by magnetic solid phase extraction based on magnetic hypercrosslinked polystyrene prior to their determination by high-performance liquid chromatography – tandem mass spectrometry // Food Chem. 2022. V. 387. Article 132866.
  40. Goncharov N.O., Tolmacheva V.V., Melekhin A.O., Apyari V.V., Dmitrienko S.G. Effervescence-assisted magnetic solid-phase extraction of nitroimidazoles and their metabolites using magnetic hypercrosslinked polystyrene // Food Anal. Methods. 2024. V. 17. P. 382.
  41. Goncharov N.O., Tolmacheva V.V., Lazarevich T.V., Melekhin A.O., Puryskin I.D., Apyari V.V., Dmitrienko S.G. Magnetic solid-phase extraction with dispersion of magnetic hypercrosslinked polystyrene by carbon dioxide for the extraction of amphenicols from honey and milk in their determination by HPLC–MS/MS // J. Anal. Chem. 2024. V. 79. № 9. P. 1296.
  42. Дмитриенко С.Г., Тихомирова Т.И., Апяри В.В., Толмачева В.В., Кочук Е.В., Золотов Ю.А. Применение сверхсшитых полистиролов для концентрирования и разделения органических соединений и ионов элементов // Журн. аналит. химии. 2018. Т. 73. № 11. С. 830. (Dmitrienko S.G., Tikhomirova T.I., Apyari V.V., Tolmacheva V.V., Kochuk E.V., Zolotov. Yu.A. Application of hypercrosslinked polystyrenes to the preconcentration and separation of organic compounds and ions of elements: A review // J. Anal. Chem. 2018. V. 73. P. 1053.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Degrees of release of veterinary medicinal substances (a) from river water and (b) values ​​of the matrix effect.

Download (110KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Mass chromatograms of isolated ions of river water extract with the addition of 0.20 μg/l of medicinal substances after their isolation by magnetic solid-phase extraction with dispersion of magnetic hyper-cross-linked polystyrene with carbon dioxide.

Download (512KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».