全氟/多氟化合物分析方法的研究進展

賀思思, 史亞利, 蔡亞岐, 張春暉*

(1. 中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院, 北京 100083; 2. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心, 環(huán)境化學與生態(tài)毒理學國家重點實驗室, 北京 100085)

全氟和多氟化合物(perfluoroalkyl and polyfluoroalkylated substances, PFASs)是一類人工合成有機化合物,因其含有大量C-F高能鍵,具有疏水疏油、熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和表面活性等特性,被廣泛應用于工業(yè)產品和生活消費品中。研究表明,由于PFASs的大量生產和使用,地表水[1]、沉積物[2]、土壤[3]、大氣[4]、灰塵[5]、大氣顆粒物[6]、生物體[7]等各環(huán)境介質以及人體樣本[8]中均可檢出不同濃度或種類的PFASs,主要代表物質為全氟辛基磺酸(perfluorooctane sulfonic acid, PFOS)和全氟辛酸(perfluorooctanoic acid, PFOA)。

傳統(tǒng)PFASs一般采用調聚合成法(telomerization)或電化學氟化法(electrochemical fluorination, ECF)生產[9]。調聚合成法主要通過CF2=CF2單元來增加PFASs的碳鏈長度,產物主要為單一化合物[10],而ECF生產的產物為支鏈和直鏈異構體的混合物。因此,環(huán)境科學研究中可利用異構體組成分析PFASs的可能來源。環(huán)境中PFASs主要有兩種來源:1)直接來源指PFASs在生產、使用、運輸、處置等過程中直接排放進入環(huán)境;2)間接來源指一些含有全氟或者多氟結構單元的其他物質在環(huán)境或者生物過程中轉化生成PFASs,這樣的物質稱為PFASs前體物。研究發(fā)現(xiàn),含有異構體的前體物質降解轉化后可以生成相應PFASs的直鏈和支鏈異構體[11],從而對環(huán)境中PFASs的異構體組成產生重要影響。因此PFASs前體物及其本身的異構體組成可在一定程度上判斷環(huán)境中PFASs的主要來源。另外,不同異構體的結構差異也會導致其理化性質、環(huán)境行為、生物累積和毒性效應的差異[9],因此異構體分析對深入理解PFASs環(huán)境歸趨和效應具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn),具有較強揮發(fā)性的PFASs前體物可能在傳輸過程中發(fā)生氧化,或在進入生物體后代謝轉化為PFASs,是PFASs污染的重要間接來源[11]。已知的PFASs前體物主要包括氟調醇(fluorotelomer alcohols, FTOHs)、多氟烷基磷酸酯類(polyfluoroalkyl phosphate esters, PAPs)、多氟碘烷類(polyfluorinated iodine alkanes, PFIs)、全氟磷酸鹽類(perfluorophosphates, PFPAs)、全氟亞磷酸酯類(perfluorophosphinates, PFPiAs)、磺酰胺類(fluorooctane sulfonamides, FOSAs)和氨基乙醇類(perfluorooctane sulfonamido-ethanol, FOSEs)等。

鑒于傳統(tǒng)PFASs的生物毒性效應和環(huán)境持久性,不同國家或國際組織已出臺多項法規(guī)對其生產、使用等進行規(guī)范和限制。PFOS及其鹽于2009年正式被《斯德哥爾摩公約》列為持久性有機污染物(persistent organic pollutants, POPs), PFOA及其鹽在2019年的《斯德哥爾摩公約》締約國會議中也被列入附錄A中[12],另有科學家在《斯德哥爾摩公約》持久性有機污染物審查委員會第十五次會議中提議將全氟己烷磺酸(perfluorohexane sulfonic acid, PFHxS)及其鹽列入POPs名單中[13]。

公約中有關PFASs內容的動態(tài)發(fā)展表明,PFASs的環(huán)境影響已引起世界關注。可以預期,隨著時間推移,以及環(huán)境科學、環(huán)境管理的發(fā)展,可能不斷會有新的PFASs被加入到公約中,并對已列入名單的PFASs的生產和使用進行限制。但PFASs的獨特性能使其在某些領域起到不可或缺的作用,因此全面禁止其生產和使用并不現(xiàn)實。這就促使了作為長鏈PFASs替代品的新型PFASs的生產和使用[14]。目前,已在多種環(huán)境介質與生物體內檢出新型PFASs的存在[15,16]。研究表明,多數(shù)新型PFASs具有與傳統(tǒng)PFASs相似的肝臟毒性[17]、發(fā)育毒性[18]等生物毒性效應,但目前對其分析方法和環(huán)境行為等的研究還不夠充分。

隨著研究的深入,PFASs在環(huán)境與生物體中檢出的種類日益增多,樣品前處理和分析方法也在不斷發(fā)展。因此,本文對近幾年PFASs的樣品前處理和分析方法進行整理總結,以期為分析方法的選擇提供參考。

1 傳統(tǒng)PFASs的分析

相較于PFASs異構體與新型PFASs,傳統(tǒng)PFASs的分析方法已趨于成熟。目前,較為常見的前處理方法有離子對萃取(ion-pair extraction, IPE)、堿消化(alkaline digestion method, ADM)、固相萃取(solid-phase extraction, SPE)和大體積進樣法(large-volume injection, LVI)等。分析方法一般為GC或LC結合MS檢測,如GC-MS、LC-MS/MS等。隨著研究的深入,針對PFASs異構體的分析方法也在不斷發(fā)展,但目前主要涉及PFOA和PFOS的異構體分析。

1.1 前處理方法

1.1.1IPE技術

IPE技術是基于目標物質和離子對試劑結合后形成離子締合物,再使用合適有機溶劑進行提取的萃取方法。目前IPE技術主要以四丁基硫酸氫銨(tetrabutylammonium hydrogen sulfate, TBA)為離子對試劑，使目標物生成離子締合物,再以甲基叔丁基醚(methyltert-butylether, MTBE)為萃取劑[19]的萃取技術,目前該技術主要用于生物基質樣品中PFASs的提取。柳思帆等[20]采用IPE技術對魚肉中的PFASs進行提取,使用Oasis WAX SPE小柱凈化,共分析測定了12種PFASs; Lesch等[21]在用NaOH堿消解后,使用IPE技術對蜻蜓樣品進行提取,萃取效果良好,分析測定的8種傳統(tǒng)PFASs的方法檢測限(method detection limits, MDLs)為0.01～0.06 ng/mL,方法定量限(method quantification limits, MQLs)為0.02～0.17 ng/mL。

1.1.2ADM技術

ADM是從固體和生物樣品中提取PFASs的有效方法,一般使用堿性溶液對樣品進行提取,以減少基質干擾。Powley等[22]采用NaOH溶液對土壤樣品中C6～C14的全氟羧酸(perfluorocarboxylic acid, PFCAs)進行堿消化處理,然后用甲醇提取,經(jīng)檢測后發(fā)現(xiàn)回收率在70%～120%之間,LOQ為1 μg/kg; So等[23]通過對比不同濃度KOH的甲醇溶液和水溶液的消解效果,發(fā)現(xiàn)KOH甲醇溶液的消解效果較好,且使用0.01 mol/L KOH的甲醇溶液進行消解時,回收率除PFOA外均在73.6%～108.9%之間。因此,此后多采用堿-甲醇溶液進行ADM提取。Zhao等[24]使用10 mmol/L NaOH的甲醇溶液對蚯蚓樣品進行提取,對其體內7種PFCAs和3種全氟磺酸(perfluorinated sulfonic acid, PFSAs)進行檢測,回收率為76%～105%。

1.1.3SPE技術

SPE技術是基于選擇性吸附,使被檢測物吸附于萃取劑上,再進行洗脫的提取方法。目前,在PFASs萃取中使用較為廣泛的SPE柱為弱陰離子交換柱(如WAX柱)、反相吸附柱(如HLB柱)等,使用時可根據(jù)目標物極性的不同選擇合適的萃取柱,如離子型的PFCAs、PFSAs等可選擇中等極性的WAX柱,長鏈PFASs可以使用極性較小或非極性的HLB柱[25]。Liu等[26]采用WAX柱對地表水或底泥提取液中的PFASs進行濃縮和凈化,目標物主要包括C4～C14的PFCAs與C4、C6、C8和C10的PFSAs,基質加標回收率為50%～111%,內標回收率在60%～114%之間;Gobelius等[27]對比了WAX柱和HLB柱對飲用水中26種PFASs(C3～C13、C15和C17的PFCAs; C4、C6、C8和C10的PFSAs; 9種PFASs前體物質)的萃取效果。結果表明,WAX柱對全氟丁酸(PFBA)、全氟己酸(PFHxA)、全氟丁基磺酸(PFBS)的萃取效率優(yōu)于HLB柱,而在使用HLB柱進行處理后,樣品中未檢測到PFBA,表明WAX對短鏈PFASs具有較高的富集能力。

近年來,鑒于離線SPE技術存在效率低、自動化程度差、消耗樣品和試劑量大等不足,逐漸發(fā)展出一種在線SPE技術。該技術的特點是自動化程度高、節(jié)省樣品和試劑、萃取速度快、引入污染小,適合濃度低、樣品量少的樣品的萃取。該技術對極端環(huán)境和偏遠地區(qū)采集的少量珍貴樣品中PFASs的萃取富集具有突出優(yōu)勢。Shi等[28]針對離線SPE技術的缺點開發(fā)了在線SPE技術,該技術的裝置由雙梯度快速分離泵DGLC-3600RS、柱箱TCC-3200和自動進樣器WPS-3000 TLS組成,通過對5種SPE柱進行比較,最終選取具有親水性聚二乙烯苯填料的反相HRP柱為在線固相萃取小柱,結合HPLC-MS/MS檢測,實現(xiàn)了12種PFASs的高效分析,該方法具有樣品消耗量少(2.5 mL)、線性相關系數(shù)高(r2>0.99)、精密度好(RSD小于10%)、靈敏度高(MQLs為0.025～0.5 ng/L)、自動化程度高、分析速度快等優(yōu)點,并對南極冰芯中PFASs進行了檢測,結果與一般大體積離線固相萃取方法一致。

Gao等[29]對在線SPE技術進行改進,采用渦流柱代替?zhèn)鹘y(tǒng)C18 SPE小柱進行萃取,并對相關參數(shù)進行優(yōu)化,在20 min內對21種PFASs進行了分析,PFASs在0.1～100 ng/mL之間具有良好線性關系(r2>0.99),實際樣品加標回收率為84.6%～114%, LOD為0.008～0.19 ng/mL,使用建立的在線SPE和離線SPE方法同時對人體血清樣品中PFASs進行檢測,二者結果一致,證實了該方法的準確性和適用性。Poothong等[30]基于在線SPE技術,選用Betasil C8柱,結合超高效液相色譜-串聯(lián)質譜儀(UPLC-MS/MS)建立了一種測定血清、血漿和全血3種基質中25種不同性質PFASs的分析方法。方法僅需50 μL樣品即可滿足樣品檢測的需求,MDLs和MQLs分別為0.001 8～0.09 ng/mL和0.006～0.3 ng/mL,該方法靈敏度明顯優(yōu)于Kato等[31]和Bartolomé等[32]建立的在線分析方法,通過與離線SPE技術對比,也得到了較好的結果,表明該方法適用于人血清、血漿和全血中PFASs的大規(guī)模監(jiān)測。

1.1.4LVI

LVI是指將大體積(如色譜柱空隙容積10%)樣品直接注射到色譜柱進行分析的技術,具有前處理簡單、樣品損失量小、成本低和靈敏度高等優(yōu)點。Backe等[33]將LVI與SPE(C18、HLB萃取柱)進行對比,發(fā)現(xiàn)高濃度的PFBA、全氟癸酸(PFDA)和全氟庚基磺酸(PFHpS)經(jīng)LVI處理后的基質效應明顯低于經(jīng)SPE柱處理后的,其中PFHpS的基質效應相差最大。上述結果表明,相對于SPE技術,LVI可減少部分PFASs分析物的損失。

Backe等[34]采用液-液微萃取(micro liquid-liquid extraction, micro-LLE)結合LVI技術建立了一種對水成膜泡沫(aqueous film forming foam, AFFF)滅火劑中PFASs進行分析的技術,并對19種已有標準品的PFASs進行定量分析,10種標準品純度不足的PFASs進行半定量分析,以及18種缺乏標準品的PFASs進行定性分析。結果表明,該方法線性良好(r2>0.98),絕對萃取率為87%～99%,除兩種PFASs的LOD與LOQ高于23 ng/L與67 ng/L外,其他物質的LOD與LOQ均在0.71～8.7 ng/L與2.4～29 ng/L之間。Allred等[35]基于以上技術建立了分析垃圾滲濾液中PFASs的檢測方法,對70種PFASs分別進行了定量、半定量和定性分析,36種PFASs在垃圾滲濾液中的檢出屬首次報道。

1.1.5其他

除以上前處理方法外,近幾年也出現(xiàn)了一些改進和新的前處理方法。顧奕等[36]對PFOA進行酰胺化衍生得到具有特征紫外吸收波長的產物CF3(CF2)6COHNCH2ph,檢測發(fā)現(xiàn)其吸收波長為214 nm,可使用紫外吸收光譜法進行檢測,并在人血清白蛋白與PFOA的相互作用機制研究中獲得了應用。

Liu等[37]以四丁基硫酸銨和四丁基碘化銨為離子對試劑,以二氯甲烷為萃取劑、乙醇為分散劑,利用離子對分散液-液微萃取(ion-pair dispersive liquid-liquid microextraction, IP-DLLME)技術對4種PFCAs進行提取,在負化學電離源(NCI)模式下，采用GC-MS/MS檢測,該方法具有良好的線性關系(r2>0.99), LOD為37～51 pg/mL, LOQ為123～170 pg/mL,回收率為90%～98%,使用該方法可對工業(yè)園區(qū)及周邊水域中PFASs進行檢測。Wang等[38]基于全氟或多氟溶劑的高親氟性對IP-DLLME技術進行改進,以全氟叔丁醇為萃取溶劑、乙腈為分散溶劑,開發(fā)了簡單高效、可減小基質影響的DLLME技術,通過對萃取劑類型、pH值、提取時間等相關因素的考察,確定了氟親和性是該技術進行高選擇性萃取的關鍵機制。使用該方法對尿液進行萃取,基質影響較SPE技術更小,HPLC-MS/MS分析,自來水、河水與尿液3種基質中26種PFASs的r2>0.98, LOD分別為0.19～2.6 ng/L、0.18～2.1 ng/L和0.28～1.9 ng/L,LOQ值分別為0.6～8.7 ng/L、0.6～5.1 ng/L和0.9～5.0 ng/L, 方法對碳鏈大于5的中鏈和長鏈PFASs的相對回收率為85.0%～119.4%、81.2%～120.9%和77.6%～121.4%,相對于短鏈PFASs,該方法更適于中、長鏈PFASs的提取。閆萌萌等[39]采用IP-DLLME技術對食品接觸材料中PFOA和PFOS進行提取,選擇咪唑類離子液體1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([C6MIM][PF6])為離子對試劑,經(jīng)旋渦、離心分離后進行檢測,結果表明,方法線性關系良好(r2>0.99), LOD分別為0.5μg/L和1 μg/L, LOQ為2μg/L和5 μg/L,加標回收率為86.4%～115.3%和89.8%～116.9%。

泡沫浮選法(foam flotation)是以表面活性物質在氣泡表面的吸附為原理進行分離的方法。Lee等[40]基于該方法對水溶液中低濃度PFOA和PFOS進行分離與回收,探究了不同金屬活化劑、溶液pH、金屬用量、溶液初始濃度對分離的影響,發(fā)現(xiàn)金屬活化劑為Fe3+、金屬濃度為11.5 mmol/L、溶液pH值為2.3時去除效率最高,對PFOA和PFOS溶液(含量為200 mg/L)的總去除率在5 min內即可達到99.5%。但是,該方法的去除率受平衡分配系數(shù)影響較大。該方法作為一種分離方法具有耗時短、成本低廉、去除率高等優(yōu)點。

PFASs具有的獨特理化性質給其新型樣品處理原理、技術、方法的發(fā)展留下了較大空間,可以預期新的技術仍會不斷發(fā)展,并在PFASs環(huán)境分析中發(fā)揮較大作用。

1.2 儀器檢測方法

1.2.1氣相色譜-質譜法

早在1999年,Moody等[41]就采用氣相色譜-質譜法對AFFF中的PFASs進行檢測,方法對PFOA的MDLs為18～54 μg/L。但目前研究較多的典型PFASs多為極性較大或者離子性較強的化合物,揮發(fā)性較弱或不具有揮發(fā)性,導致不能使用GC-MS直接測定,一般需對樣品進行衍生化處理,使其轉化為非極性衍生物。王曉研等[42]通過對比包括N-甲基-N-三甲基硅基三氟乙酰胺(MSTFA)在內的5種衍生劑的衍生效果,最終選定效果較好且衍生雜質較少的MSTFA為衍生劑,同時優(yōu)化了反應溫度和反應時間等條件,并在比較EI源和NCI源下的GC-MS檢測效果后,選用GC-NCI-MS對水中10種PFCAs進行檢測,發(fā)現(xiàn)在0.1～10.0 mg/L范圍內線性相關系數(shù)均大于0.995, LOD和LOQ分別為0.5～1.5 μg/L和1.5～4.5 μg/L,該方法已成功應用于環(huán)境水樣的檢測。

但衍生化反應增加了方法的時長和復雜性,且衍生化產物中可能含有雜質,進而影響檢測結果。因此目前GC-MS在典型PFASs的分析中應用較少。而針對無需進行衍生的、具有較強揮發(fā)性的PFASs前體物質,Martin等[41]使用氣相色譜-化學電離質譜技術(GC-CI-MS)分別在正化學電離(PCI)和負化學電離模式下對大氣樣品進行了檢測,LOD為0.15～6.2 pg/m3,確認環(huán)境樣品中存在6種新型前體物質。

1.2.2液相色譜-質譜法

液相色譜-質譜分析技術是當前PFASs分析的主流檢測技術,主要包括LC-MS及LC-MS/MS等,其中LC-MS/MS是當前最為常用的檢測方法。Gremmel等[43]使用HPLC-MS/MS對工業(yè)廢水中的PFASs進行檢測,并通過對離子源溫度的調試建立了兩種檢測模式分別檢測酸性與中性化合物,包含47種PFASs與5種全氟前體化合物。采用直接進樣法時,酸性物質檢測方法的MDL為0.1～10 ng/mL, MQL為0.2～20 ng/mL,中性物質檢測方法的MDL<2～5.0 ng/mL, MQL為10 ng/mL。王浩[44]等建立了HPLC-MS/MS檢測內分泌物雙酚A、壬基酚以及PFOS、PFOA的方法,優(yōu)化色譜條件后,方法的LOD、LOQ、線性關系和回收率均處于可接受范圍,并將該方法應用到50種嬰幼兒營養(yǎng)乳粉的檢測中。隨著研究的深入,研究者對色譜柱的分離效率、分離速度和分辨率方面的要求也逐漸升高,基于此出現(xiàn)了UPLC技術。Churchwell等[45]對比了HPLC-MS/MS與UPLC-MS/MS的性能差異,結果表明，在檢測同種物質時,UPLC的靈敏度可提高10倍,分析速度提高了5倍,表明UPLC擁有更好的分辨率。Pan等[46]采用UPLC-MS/MS對北部灣沿岸的河流和近岸水域的水樣進行了18種靶向PFASs檢測,其中LOD為4～25 pg/L, LOQ為13～83 pg/L,線性良好(r2>0.99),回收率在63%～120%之間,方法在檢測靈敏度和分析速度方面均有提高。

1.3 異構體分析方法

無論PFASs本身還是其前體物質,其異構體信息對于環(huán)境中PFASs的環(huán)境歸趨和溯源均具有重要意義,而且能夠獲得的異構體種類、結構、濃度等信息越多,其環(huán)境意義越大。但是由于可能獲得的標準品種類極其有限,目前的研究絕大多數(shù)圍繞PFOA、PFOS、PFHxS以及極少數(shù)前體物質展開。

毛細管氣相色譜柱的強大分離能力使其在PFASs同系物、異構體分析中的優(yōu)勢更為突出。Chu和Letcher[47]采用四丁基氫氧化銨對生物基質中PFOS異構體進行衍生化后,用GC-MS進行檢測,實現(xiàn)了直鏈和10種支鏈異構體較好的分離分析,LOD為0.05～0.25 ng/mL, MDL為0.09～0.46 ng/g,其中L-PFOS的LOD為1.46 ng/mL, MDL為6.87 ng/g。Zhu等[48]對衍生劑進行改進,建立了一種可以在非手性分離柱上對PFOA手性異構體進行分離檢測的方法,選用(S)-1-氯-苯乙烷((S)-1- phenethyl chloride)為衍生劑,使用GC-MS(HP-5MS色譜柱,非手性柱)進行檢測,發(fā)現(xiàn)可以分離出3種手性PFOA異構體(3m-、4m-和全氟-3,5-二甲基己酸)的對映體，以及L-PFOA和6m-PFOA。盡管氣相色譜-質譜技術在PFASs分析檢測中的應用相對較少,但有理由相信,其強大的分離能力將使其在一些低極性PFASs前體物分析和異構體分析中發(fā)揮重要作用。鑒于當前環(huán)境科學界對污染溯源和異構體特異性環(huán)境行為研究的高度重視,可以預期,GC-MS和GC-HRMS技術在PFASs環(huán)境分析中的應用將會更為廣泛。

除上述使用GC-MS進行異構體分離外,使用LC-MS/MS技術對PFASs異構體進行分析的技術也有了長足發(fā)展。Benskin等[49]使用全氟辛基固定相實現(xiàn)了對PFCAs、PFSAs和全氟辛基磺酰胺(perfluorooctyl sulfonamides, PFOSAs)等多種異構體的分離,并成功應用于人體血清樣品的檢測,回收率為61%～154%,但分離時間達到了115 min。在上述研究基礎上,他們[50]又選用五氟苯丙基修飾的色譜柱(PFP柱)對多種PFASs異構體進行分離,將色譜分析時間減少至23 min,并成功應用于垃圾滲濾液的檢測,但滲濾液中的PFHxS異構體缺乏標準品,無法進行準確定量。在此基礎上,牛夏夢等[51]利用Ascentis Express F5 PFP色譜柱對自來水、底泥和貝類中的11種PFOS和PFOA異構體進行了分離和定量分析。Zhang等[52]對比了Epic FO-LB柱和ACQUITY UPLC BEH Shield RP18柱對PFOA、PFOS和PFHXS異構體的分離效果,結合UHPLC-MS/MS進行分析檢測,發(fā)現(xiàn)Epic FO-LB柱在29 min內對所有異構體實現(xiàn)了分離且效果優(yōu)于另一色譜柱。

近年來,PFASs手性異構體的研究也在不斷深入。采用Benskin等[49]提出的HPLC-MS/MS方法,Liu等[53]分析了PFOS異構體的分布,并對其對映體進行分析,實現(xiàn)了1m-PFOS對映體的分離,成功應用于人體樣本分析。將PFASs進行衍生化后,充分利用目前的毛細管氣相色譜的高分辨能力也是提高異構體分析能力的一種選擇。Naile等[54]使用重氮甲烷對樣品進行衍生后,采用串聯(lián)毛細管柱(DB-5MS串聯(lián)BGB-172分析柱)對PFOA的多種異構體和手性異構體進行了分離,結合GC-NCI-MS在標準品中檢測到8種PFOA異構體,其中至少4種是手性異構體的對映體。

2 全氟化合物前體物的分析

2.1 PFASs前體物

作為PFASs的重要間接來源,全氟化合物前體物質的分析對研究環(huán)境或生物體內PFASs的來源十分關鍵。不同前體物質最終生成的PFASs不同[55],如FOSAs、FOSEs等前體物轉化后主要生成PFSAs,而FTOHs、PFIs等主要轉化為PFCAs。

郭萌萌等[56]采用固相萃取技術,結合液相色譜-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質譜(LC-Q exactive orbitrap MS)對18種PFASs及其21種前體物進行檢測,通過全掃及二級掃描對離子進行精確測定,進而選定不同的母離子與子離子,從而實現(xiàn)定性定量分析。檢測結果表明,該方法的r2>0.991 5, LOD為0.02～0.50 μg/kg, LOQ為0.06～1.50 μg/kg,利用該方法對魚肉樣品進行加標回收試驗,回收率在65.7%～122%之間,表明該方法可應用于實際樣品的檢測。Rewerts等[57]使用瓶內萃取-大體積進樣-氣相色譜-質譜法(CSR-LVSI-GC-MS)對5類21種全氟化合物前體物質進行定量分析,發(fā)現(xiàn)該方法對紙張中PFASs的LOD為3.7～10 μg/m2, LOQ為12～34 μg/m2,紡織品的LOD為2.1～5.3 μg/m2, LOQ為6.8～18 μg/m2,之后使用四極桿飛行時間質譜(quadrupole time-of-flight mass spectrometry, QTOF-MS)對樣品進行非靶向分析,在2個紡織樣品中共發(fā)現(xiàn)了2種FTOHs、5種甲基磺酰胺類和6種乙基磺酰胺類同系物。

PFOSA是PFOS的主要前體物質,且通常由ECF生產,具有諸多異構體,因此PFOSA的異構體研究對環(huán)境中PFOS等PFASs的溯源研究具有重要意義。Shan等[58]建立了一種使用LC-MS/MS對PFOSA異構體進行定性定量的方法,成功分離出6種單甲基支鏈的PFOSA異構體。此外,他們利用核磁共振氟譜(19F-NMR)對異構體結構進行了鑒定,最終根據(jù)結構確定各異構體的特征子離子,定量分析了各異構體在PFOSA標準品(總含量92.0%)中所占的比例,MDL為0.1～1 pg/g。

另外由于絕大多數(shù)PFASs前體物質具有較強的揮發(fā)性,多數(shù)研究選擇了步驟較為簡潔的前處理過程,以減少樣品處理過程中的揮發(fā)損耗。為探究水中PFASs的揮發(fā)性前體物質在HLB柱進行回收過程中產生損耗的原因,Dimzon等[59]研究了11種前體物質在水和空氣中的分配比,發(fā)現(xiàn)在平衡24 h后,有30%～60%的前體物質分配在空氣中,且在空氣與水中的總回收率為80%～140%,這一結果說明萃取過程中的損失并非由于SPE柱選擇不當,而主要是由于前體物質的揮發(fā)性及疏水性吸附造成。

2.2 未知PFASs前體物質

除結構較為確定的部分PFASs前體物質外,仍存在大量無法確認結構的前體物質需采用其他方式確定其存在。Houtz等[60]開發(fā)了一種對全氟烷酸(perfluoroalkyl acids, PFAA)前體物質進行定量的方法——總可氧化前體物(total oxidizable precursor, TOP)測定法。該方法通過比較樣品氧化前后PFCA的濃度,推測特定碳鏈長度前體物質的總濃度,實驗采用過硫酸鈉(Na2S2O8)為氧化劑,在堿性環(huán)境下熱分解生成羥基自由基對前體物質進行氧化,通過對C8和C6的PFAA前體物質(如FOSA、1H,1H,2H,2H-全氟己烷磺酸鈉(8∶2 FtS)等)氧化處理,證明了在該條件下前體物質均可轉化為PFCAs,對33個城市地表徑流樣品進行處理分析,發(fā)現(xiàn)C5～C12的PFCAs總濃度在氧化處理后增加了69%,但可檢出的PFASs前體物質的貢獻低于25%,說明環(huán)境中還存在許多未知的PFASs前體物質;對方法性能進行評價,發(fā)現(xiàn)在0.025～25 μg/L范圍內,除PFBA、1H,1H,2H,2H-全氟辛烷磺酸鈉(6∶2 FtS)和8∶2 FtS未檢出外,其余物質的MDL為0.1～0.5 ng/L, MQL為0.3～1.4 ng/L。隨后,Houtz等[61,62]和Ye等[63]利用該方法分別對污水(污水處理廠排放)、AFFF(消防員訓練區(qū))、降水(28個城市)中的PFASs進行分析,發(fā)現(xiàn)氧化處理后PFCAs的濃度有所升高,推測得到的上述3類樣品中PFASs前體物總含量分別為33%～63%、23%～38%和6%～56%,說明不同環(huán)境基質中前體物質含量存在差異。

目前,PFASs前體物的分析技術還在發(fā)展之中,一些新型的化學、物理、光化學的氧化或者還原技術、萃取技術和檢測技術仍在發(fā)展,這些新的動向值得關注。

3 新型PFASs篩查

3.1 高分辨質譜篩查

新型PFASs作為傳統(tǒng)PFASs的替代品出現(xiàn),其中如全氟壬烯氧基苯磺酸鈉(sodiump-perfluorous nonenoxybenzenesulfonate, OBS)、氯代多氟烷基醚磺酸鹽等新型PFASs已有標準品存在,可通過標準品直接對環(huán)境樣品進行定性定量分析。但絕大多數(shù)新型PFASs如六氟環(huán)氧丙烷二聚體銨鹽(HFPO-DA)、Cl-PFCAs等仍缺乏標準品,需采用其他手段對環(huán)境樣品進行篩查、定性及定量。

對于可以得到純化樣品或標準品的物質一般可通過目標篩查來確定其分子結構,直接通過目標物質的色譜保留時間、母離子和子離子質荷比(m/z)等信息進行初步篩查。Xu等[64]使用19F-NMR及HPLC-Orbitrap-MS/MS對純化后的OBS進行檢測,通過19F-NMR確定結構后,采用高分辨質譜對樣品進行全掃描,在準分子離子峰為m/z+2 Da處觀察到S原子同位素(34S)信號,確認含有S原子,之后通過二級質譜解析分子結構,最終在水樣中發(fā)現(xiàn)了同樣的二級離子碎片,證明了樣品中OBS的存在。

對于缺乏標準品的新型PFASs,主要通過可疑目標篩查與非目標篩查兩種方法。PFASs一般在ESI模式下進行全掃描及二級質譜掃描得到所需數(shù)據(jù),通過對全掃描質譜的分析,篩選可疑化合物,由精確相對分子質量和元素組成推測分子結構,再結合保留時間、特征碎片、同位素分布和同系物分布等進行分析,與數(shù)據(jù)庫進行匹配后做出鑒定歸類。其中,對于同系物進行鑒定時,可先查找其共有的特征結構,通過碎片質量進行分析,再結合保留時間、色譜峰形等進一步鑒定。目前主要使用高效液相色譜結合高分辨質譜,主要為Q-TOF和Orbitrap兩種儀器進行篩查識別。

Baduel等[65]在他人使用LC-QTOF-MS/MS對AFFF配方研究的基礎上,對消防訓練場的土壤樣品進行了檢測,發(fā)現(xiàn)了12類共60多種PFASs,包含氯代、二氯代的PFSAs類物質及全氟磺胺類物質等,該研究方法可對PFSAs和PFCAs進行定量,對其他物質可使用結構相似的物質比對進行半定量,其中PFSAs和PFCAs的LOD為0.2～1.3 μg/kg,回收率良好,線性關系良好(r2>0.99)。Liu等[66]利用LVI,結合高效液相色譜-線性離子阱靜電場軌道阱高分辨質譜儀(HPLC-LTQ-Orbitrap-MS)建立了一種檢測PFASs的非靶向分析方法,該方法的MDL為0.005～0.2 ng/mL, C6～C11的PFCAs質量誤差為-0.47×10-6～-0.07×10-6,使用該方法對得到的工業(yè)廢水進行檢測,并利用XcaliburTM軟件對相關數(shù)據(jù)進行分析,發(fā)現(xiàn)了5類共36種未報道過的新型PFASs。在此基礎上,Liu等[67]使用該方法對長江與湯遜湖中的魚類樣品進行檢測,在魚體內首次發(fā)現(xiàn)了10類共330多種非靶標PFASs,其中4類共165種以上PFAS分析物為首次報道。

基于對環(huán)境污染及風險的考慮,未知PFASs的檢出及分辨已成為必不可少的研究內容,而高分辨質譜對未知PFASs的結構確定具有重要作用。當前,隨著越來越多新型PFASs在環(huán)境中檢出,相關數(shù)據(jù)庫也在不斷完善,相關分子結構的確定可以為標準品的研制提供方向。這些也將為未來新型PFASs的深入研究,如環(huán)境遷移和轉化、降解、生物毒性研究等提供有力支撐。

3.2 總有機氟法

雖然高分辨質譜對非靶向PFASs的定性分析方法已初步建立,但仍有許多未知PFASs存在于環(huán)境中。因此,為對環(huán)境中PFASs的來源與風險進行評價,需對環(huán)境中的總有機氟進行量化。除上述前體物質的TOP測定法外,還可使用燃燒離子色譜法(combustion ion chromatography, CIC)對總有機氟進行測定。

Miyake等[68]針對所有潛在PFASs開發(fā)了一種可以單獨測量總氟(total fluorine, TF)、無機氟(inorganic fluorine, IF)和總有機氟(total organic fluorine, TOF)的CIC方法。該方法將自動燃燒裝置和離子色譜系統(tǒng)相結合,對提取出的F-進行檢測,經(jīng)加標實驗表明IPE技術可在提取有機氟的前提下不損耗無機氟,通過Ionpac AS 20分析柱可以區(qū)分小分子有機氟與無機氟,這些為TF、IF和TOF的檢測提供了基礎,該方法中F-的LOD為3 μg/L,需要消耗樣品量0.5 mL左右,相較于傳統(tǒng)CIC技術,新開發(fā)的方法對氟化物的靈敏度上升2～3個數(shù)量級,并成功應用于人體血液的檢測。Yeung等[69]對大鼠血液進行檢測,并對血液中TF、IF和可提取有機氟(extractable organic fluorine, EOF)的提取方式進行了明確描述,加標水平為10 ng/mL和100 ng/mL時,PFOS的回收率為95%±5%和98%±3%,通過對比PFOA暴露后的大鼠、職業(yè)人群,以及未暴露的野生大鼠、普通人群血液中的PFASs、EOF和TF,發(fā)現(xiàn)在暴露環(huán)境中已知PFASs占TF的70%以上,在普通環(huán)境中EOF僅占TF的30%左右。Wagner等[70]采用活性炭對有機氟進行吸附得到可吸附有機氟(adsorbable organic fluorine, AOF),使用NaNO3去除無機氟后,高溫燃燒,同時加入純水進行吸收,生成氟化氫(HF)后進行檢測。結果表明,該方法的LOD和LOQ分別為0.1 μg/L和0.3 μg/L,并可對自來水與污水處理廠廢水進行檢測?；赪agner等[70]的研究,Willach等[71]將自動進樣器ASC-120S集成到CIC-F檢測系統(tǒng)中,可同時處理10個樣品,并開發(fā)了簡化的燃燒程序,該方法的實驗耗時從之前的25 min縮短到14 min。

基于電感耦合等離子體質譜(inductively coupled plasma tandem mass spectrometry, ICP-MS/MS),通過測定Ba2+與F-結合產物([138Ba19F]+)確定氟含量的檢測方法,Jamari等[72]將HPLC同時與ICP-MS/MS、ESI-MS聯(lián)用,建立了一種分析含氟有機物的非靶向HPLC-ICP-MS/MS-ESI-MS方法。通過對輸出譜圖比對,可以發(fā)現(xiàn)未知的含氟有機物,為總有機氟與已識別有機氟之間的差異做出解釋。實驗同時對ESI-MS數(shù)據(jù)進行了深入分析,通過對PFOA與全氟辛酸甲酯(methyl perfluorooctanoate, Me-PFOA)的ICP-MS/MS、ESI-MS質譜圖比對,發(fā)現(xiàn)放置一月的PFOA標準溶液中出現(xiàn)了Me-PFOA,但ESI-MS未檢出,證明了ICP-MS/MS可對ESI-MS無法檢出的含氟有機物進行補充。該方法中F-的LOD為0.49～0.84 mg/L。ICP-MS在元素分析領域應用廣泛,但此前在未知含氟有機物的分析領域未見使用,Jamari等[72]的研究為含氟有機物的非靶向分析開辟了一條新的方向。

4 結論與展望

本文總結了PFASs的前處理方法,以及異構體、前體物質與新型PFASs的分析方法及其發(fā)展,可以看出,不同前處理方法、檢測技術均可能會影響檢測結果的準確性。因此需要分析工作者針對不同樣品及研究目的做出合適的選擇。盡管目前的分析技術已經(jīng)可以滿足常見PFASs的日常分析,但在PFASs環(huán)境和生物樣品日益復雜化、PFASs生產和使用類型快速變化的大環(huán)境下,目前的分析方法仍面臨嚴峻挑戰(zhàn),難以圓滿實現(xiàn)對PFASs環(huán)境科學研究、環(huán)境評價和環(huán)境管理的技術支撐。今后PFASs相關研究應該高度重視以下方面:重視不同前處理方式的合理組合,力求萃取過程更加簡單快速,萃取裝置小型化/微型化和現(xiàn)場化,并根據(jù)分析目的使萃取向高選擇性甚至特異性以及普適性兩個極端方向發(fā)展;繼續(xù)高度重視普適性的非靶標分析篩查技術,實現(xiàn)對環(huán)境和生物樣品中PFASs暴露譜的靈敏準確分析;研究PFASs環(huán)境和生物樣品的無損、成像等原位分析,為環(huán)境過程和毒性效應研究提供技術手段;研究開發(fā)PFASs現(xiàn)場、快速在線分析,為日常環(huán)境管理提供保障;與核分析、核磁共振等技術高度融合,實現(xiàn)技術原理新突破;加強氟化學工業(yè)原料、中間體、產品和廢料的分析技術研究,為PFASs工業(yè)過程分析和污染控制提供支撐。