水产品中全氟烷基化合物分析技术研究进展

2017-01-04 01:26彭婕甘金华陈建武周殿芳吕磊何力
中国渔业质量与标准 2016年3期
关键词:全氟烷基水产品

彭婕,甘金华,2,陈建武,周殿芳,吕磊,何力*

(1.中国水产科学研究院长江水产研究所,农业部水产品质量安全风险评估实验室(武汉),湖北 武汉 430223;2.淡水水产健康养殖湖北省协同创新中心,湖北 武汉 430070)

水产品中全氟烷基化合物分析技术研究进展

彭婕1,甘金华1,2,陈建武1,周殿芳1,吕磊1,何力1*

(1.中国水产科学研究院长江水产研究所,农业部水产品质量安全风险评估实验室(武汉),湖北 武汉 430223;2.淡水水产健康养殖湖北省协同创新中心,湖北 武汉 430070)

全氟烷基化合物(perfluorinated alkyl substances,PFASs)作为一类新型持久性有机污染物,已成为目前国内外水产品质量安全领域又一研究热点。近年来研究发现,不仅在空气、饮用水、海水、沉积物中,而且在水产品和其他食品等多种基质中均可检测出全氟烷基化合物,其中长链PFASs的检出率较高,说明其对整个生态存在明显的污染。文章综述了水产品中全氟烷基化合物分析技术的研究进展,重点讨论了水产品中PFASs不同的前处理及检测方法,并分析水产品中PFASs检测时存在的问题,旨在为下一步探究水产品中PFASs的来源途径提供参考。[中国渔业质量与标准,2016,6(3):57-63]

全氟烷基化合物;水产品;分析技术;来源途径

全氟烷基化合物是一类人工合成的脂肪烃类化合物,这类物质通常含有一个疏水的烷基链和一个亲水基团(如羧酸和磺酸),烷基链一般由4~14个碳原子构成基本骨架,其中C-H键上的H被F全部取代。自20世纪50年代以来,该类化合物以其优良的稳定性和表面活性被广泛应用在纺织、造纸、灭火泡沫等工业和民用领域。目前研究较多的全氟烷基化合物主要包括全氟烷基羧酸类(perfluoroalkylcarboxylic acids, PFCAs)、全氟烷基磺酸类(perfluorinatedsulfonates, PFSAs)、全氟磺酰胺类(perfluorosulphonamides, FOSAs)等,其中全氟辛酸(perfluorooctanoic acid, PFOA)和全氟辛烷磺酸(perfluorooctanesulfonate, PFOS)普遍存在于水产品、鸟类、哺乳动物等生物体内[1]。

动物实验研究证明,PFOA和PFOS具有生殖毒性[2]、神经毒性[3]和免疫毒性[4]。PFASs中大量高能的“碳-氟”键使得此类物质具有难降解的特性[5],这种环境持久性也使得它可沿食物链累积放大。而对于食物链顶端的人类来说,PFASs的高生物富集性及毒性意味着对人体存在较大的风险隐患。2009年,在日内瓦召开的公约缔约方第4届大会,将全氟辛烷磺酸(盐)及全氟辛基磺酰氟列入《斯德哥尔摩公约》优控名单[6],自此全氟烷基化合物的污染研究工作被推到新的广度和深度。欧盟根据2000—2009年食品中PFASs的污染调查发现,水产动物源性食品中PFASs的检出浓度明显高于其他陆地食品,因此提出水产品常态化监控PFASs的建议,但目前中国对水产品中PFASs的污染状况了解甚微,更不清楚水产品中全氟烷基化合物的主要污染种类以及污染程度,究其原因是缺乏有效的检测方法。目前在水产品中PFASs的测定中,因基质不同而前处理方法多种多样,国内也没有建立相关的检测标准方法。因此,为推动开展中国水产品中PFASs的污染调查,文章对水产品中PFASs检测的前处理及仪器方法进行分析、比较,以期为水产品中PFASs标准检测方法的建立提供基础资料,为进一步开展中国水产品中PFASs的污染现状及来源研究提供技术支持。

1 水产品中PFASs测定

水产品不仅种类繁多,其脂肪和蛋白质含量也较高,而PFASs在水产品中的浓度处于痕量水平,为了避免杂质干扰,准确测定水产品中PFASs的残留情况,相关学者在样品预处理以及仪器检测方面做了大量实验探索工作。其中样品预处理方法主要有液液萃取(liquid-liquid extraction)、离子对液液萃取(ion-pairing extraction)、液固萃取(liquid-solid extraction)、消解法(digestion)、液相微萃取(liquid phase micro-extraction)等;仪器检测方法主要有气相色谱质谱法(GC-MS)、高效液相色谱质谱法(HPLC-MS)和高效液相色谱串联质谱法(HPLC-MS/MS)。

1.1 样品预处理

水产品中PFASs的前处理方法因样品种类不同而有所差异,主要提取方法的适用范围及优缺点详见表1。以下5种预处理方法均能有效提取不同种类的全氟烷基化合物,但液固萃取法提取目标物种类多且效率较高,应用范围最广。

1.1.1 液液萃取

液液萃取法主要是利用溶剂提取和分离液体混合物中目标组分,即在液体混合物中加入与其不相混溶的溶剂,利用其组分在溶剂中不同的溶解度从而达到分离或提取的目的。Tittlemier等[7]以正己烷∶丙酮(2∶1,V/V)混合溶液提取水产品中3种全氟烷基磺酰胺(PFOSAs),提取液经浓硫酸去脂、硅胶柱净化,气相色谱-正化学电离质谱联用法(GC-PCI-MS)检测,目标物加标回收率为75%~108%。Haukås等[8]采用高效液相色谱-飞行时间质谱联用法(HPLC-Tof-MS)测定水产品中13种PFASs,样品经50%甲醇水(含有2 mmol/L醋酸铵)提取,C18固相萃取柱净化,加标回收率为60%~115%。Ballesteros等[9]使用液相色谱-电喷雾电离串联质谱法(LC-ESI-MS/MS)分析检测水产品中14种PFASs,样品匀浆后,加入四氢呋喃(THF)与水混合物(75∶25,V/V)涡旋提取,提取液经WAX和ENVI-Carb固相萃取柱净化,加标回收率大于85%。Noorlander等[10]采用上述前处理方法,研究荷兰日常膳食中水产品里14种PFASs污染水平,方法回收率均满足88%~110%要求。

表1 水产品中PFASs不同提取方法比较

1.1.2 离子对液液萃取

离子对液液萃取是指让目标溶质与溶剂通过络合反应、酸碱反应或离子交换反应生成可溶性的复合络合物,易从水相转移到有机溶剂中,从而达到萃取的目的。Vestergren等[11]利用甲基叔丁基醚(MTBE)作为萃取剂,测定鱼肉中9种PFASs含量。样品匀浆后加入四甲基硫酸氢铵溶液(TBA),通过添加碳酸钠/碳酸氢钠缓冲液制造碱性环境,加速离子配对反应。样品经MTBE萃取,弗罗里硅土和ENVI-Carb吸附剂净化后,HPLC-MS/MS检测,9种PFASs的加标回收率为50%~80%。张新等[12]为了调查大连沿海常见海产品中PFOS和PFOA的含量水平,运用离子对液液萃取法进行前处理,HPLC-MS/MS检测分析,两种目标物的加标回收率分别为92%和107%。Kannan等[13]采用甲基叔丁基醚和四甲基硫酸氢铵溶液作为萃取溶剂提取美国墨西哥湾牡蛎体内PFOS,目标物平均回收率为74%±8%。离子对液液萃取法用于水产品的前处理时,第一步要在碱性条件下对样品进行离子配对,因此操作步骤比较复杂。检测PFASs种类较多时,由于各类物质化学性质的差异性,使得部分物质的加标回收率偏低。

液液萃取和离子对液液萃取多用于水产品以及水产品的血液、血清等液体样品的前处理过程。水产品检测采用这类方法时需消耗大量溶剂,且萃取效率低,所以通常与超声萃取、微波萃取等其他方法结合,或对样品进行多次萃取以提高萃取效率。由于其操作繁琐,因此逐渐被其他前处理方法所替代。

1.1.3 液固萃取

液固萃取法已广泛运用于水产品中PFASs监测,目前常用的提取剂主要是甲醇和乙腈。使用甲醇作为提取溶剂,能够很好地溶解样品中结构性质相似的全氟烷基化合物[14],但当所需检测的目标物种类较多且性质各异时,使用乙腈或酸化乙腈则效果更好。Ostertag等[15]采用甲醇提取白鲸等肉中PFC7-11As,方法回收率为49%~110%。Hrádková等[16]取样分析了捷克批发市场35种进口鱼罐头及海产品中PFOA、PFOS、FOSA的残留水平,同样使用甲醇作为萃取溶剂,活性炭净化提取液,样品加标回收率为104%~ 116%。刘嘉颖等[17]利用超高效液相色谱-质谱法测定水产品等三类动物性膳食中PFOA和PFOS,样品经冷冻干燥后用甲醇提取,弱阴离子交换固相萃取柱净化,ESI负离子多反应监测下测定,目标化合物回收率为82%~115%。罗海英等[18]对比了甲醇、水和正己烷对鱼肉中7种全氟有机物的提取效果,结果证明甲醇作为萃取溶剂效果最好,样品提取后经C18固相萃取柱净化,方法平均回收率为80%~120%。

Berger等[19]使用乙腈作为提取剂,分析测定瑞典两大重点水域水产品中11种PFASs,方法回收率为65%~95%。刘莉治等[20]和贺小敏等[21]利用乙腈提取水产品肌肉中PFASs,提取步骤简单,方法回收率也较理想。Lacina等[22]和郭萌萌等[23]分别建立了水产品中23种PFASs超快速液相色谱-串联质谱检测方法,样品采用QuEChERS方法,以酸化乙腈提取目标物,C18填料和石墨化碳黑分散固相萃取净化,加标回收率为70%~120%。林钦[24]以酸化乙腈为萃取剂,超声辅助提取水产品等动物源性食品中PFOA和PFOS,样品在酸性条件下用聚酰胺固相萃取小柱富集、净化,两种物质的加标回收率为93.3%~102.8%。在提取过程中,乙腈可以使水产品中大量蛋白质变性形成沉淀,然后通过离心去除蛋白沉淀,但含脂量较高的样品在用乙腈进行蛋白沉淀时,容易将样品中的部分脂肪和水溶性杂质提取出来,造成提取液浑浊,因此乙腈作为提取溶剂时,需重点关注提取液的净化方法。

液固萃取法是目前水产品中PFASs监测使用最多的前处理方法,研究人员利用超声或振荡等辅助手段,使PFASs加速从待测样品中溶出,减少提取时间,从而提高提取效率。

1.1.4 消解法

消解法主要用于贝类外壳或冷冻干燥的水产品的前处理过程,常使用强酸或强碱对样品进行消解。杨锦等[25]使用硝酸/盐酸混合酸消解贝类壳体,加入NaOH调节pH至6左右,采用Oasis WAX固相萃取柱富集净化,HPLC-ESI-MS/MS法测定3种全氟烷基磺酸类化合物(PFSAs),加标回收率为94.88%~96.24%。潘媛媛等[26]、孔德祥等[27]采用碱液消解和固相萃取相结合的前处理方法,测定鱼和贝类样品中多种全氟烷基化合物,方法回收率均能满足实验要求。这类方法消解后的提取液在使用SPE小柱净化前需调节溶液pH,防止在酸性或碱性条件下PFASs在SPE柱上流失。

1.1.5 液相微萃取

液相微萃取是20世纪90年代由Jeannot和Cantwell等最早报道的一种新型的样品前处理技术,其基本原理是目标分析物在样品与微升级的萃取溶剂之间达到分配平衡,从而实现溶质的微萃取。它作为一种新型、简单、快速、高效的前处理方法也运用到水产品中全氟烷基化合物的检测中。Luque等[28]称取0.2 g水产品肌肉,加入800 μL四氢呋喃与水混合液(75∶25,V/V),充分涡旋离心,高效液相色谱-离子阱质谱联用法(HPLC-Ion-trap-MS)定性定量分析,全氟烷基化合物中C4-C14组分加标回收率高达85%~111%。这种符合绿色化学的前处理技术不仅方便快捷,更节省了提取溶剂,真正做到节能环保,但因提取溶剂是微升级,因此要求溶剂对目标物的选择性非常高,故而限制了可检测目标物的范围,同时对仪器的灵敏度也有较高要求,所以在国内的应用受到一定限制。

1.2 测定方法

PFASs是一类不具有紫外吸收和荧光性质的物质,因此这类化合物要利用高效液相色谱-紫外检测器或荧光检测器检测时必须进行预处理。由于它们不具备挥发性,在采用气相色谱进行测定时需经过衍生化处理,而目前PFASs检测中运用最广泛的是高效液相色谱-质谱联用技术。

1.2.1 GC-MS

一些全氟化合物如全氟磺酰胺类物质(FOSAs),在溶剂中很难质子化或去质子化,不适合直接用液相色谱分析,可选用GC-MS技术。Tittlemier等[7]采用GC-PCI-MS检测水产品中3种全氟磺酰胺(FOSAs),方法回收率高,全氟辛烷磺酰胺(PFOSA)、N-乙基-全氟辛烷磺酰胺(N-EtPFOSA)、N,N-二乙基全氟辛烷磺酰胺(N,N-Et2PFOSA)方法检出限分别为0.25、0.12、0.10 ng/g。

GC-MS分离效率高、分离速度快,但因PFASs的不可挥发性,要通过衍生化反应使其成为甲基酯类化合物,以降低待测物的沸点,提高其挥发性,从而提高检测的灵敏度,但这样的预处理步骤繁琐,衍生化过程还可能产生有毒物质,也大大增加了检测结果的不稳定性,因此在一定程度上限制其使用范围。

1.2.2 HPLC-MS

该方法具有较高的灵敏度,可根据不同测试情况选择不同的检测器:单四极杆、离子阱(Ion-trap)、飞行时间(Tof)、串联质谱(MS/MS)等。Luque等[28]研究水产品中PFASs微萃取检测技术时,采用HPLC-Ion-trap-MS定性定量分析,方法检出限低至0.4 ng/g。Haukås等[8]使用HPLC-Tof-MS监测海水产品中13种PFASs,方法检出限仅为0.03~1.30 ng/g。液相色谱与单级质谱联用分析时间短,自动化程度高,但其选择性较差,对复杂基质进行检测时容易出现干扰,所以利用该法进行分析时,应尽量净化本底、去除杂质干扰,这就增加了样品前处理的时间及检测成本。

1.2.3 HPLC-MS/MS

HPLC-MS/MS是目前水产品中PFASs检测最为认可和常用的方法之一[9-13,15-26,29-30],其最主要的优点是灵敏度和选择性高、检出限低,而且样品无需经过衍生化等复杂前处理过程。Lacina等[22]通过四级杆串联离子阱质谱测定了水产品中23种PFASs,该方法采用MRM多反应监测模式扫描,其最低检出限仅为0.002~0.013 ng/g。Berger等[19]对比了三重四级杆、离子阱和飞行时间质谱分析痕量PFASs的效果。3种质谱灵敏度均较高,但离子阱质谱更适用于PFASs同分异构体的定性和结构分析,飞行时间质谱虽然具有高选择性,但线性范围窄,而MS/MS串联的三重四级杆质谱不仅选择性高、线性范围宽,且样品重现性好,因此应用最为广泛。表2列出了HPLC-MS/MS在水产品PFASs检测中的应用。

2 存在的问题

水产品中痕量PFASs分析的一大难点是仪器检测过程中背景空白的控制。含氟聚合物PTEE被广泛用于实验器材和仪器设备中,但研究表明这类化合物最终会转化成全氟烷基羧酸(PFCAs),因此在PFASs样品采集、前处理及仪器分析中应避免接触该类物质。整个分析过程中使用的容器必须用甲醇和水清洗,HPLC等仪器和设备中的含氟管路也需更换成不锈钢或聚醚醚酮(PEEK)材质[31-32]。此外,为了将来自液相系统的PFASs背景干扰组分与样品中的目标组分分离,也可在液相系统混合器和进样器之间安装延迟色谱柱(或称捕集柱)[33-34],如图1所示,使干扰组分较目标组分延迟洗脱,从而达到分离的目的。

图1 捕集柱连接示意图Fig.1 Diagram of connection with trapping column

3 总结与展望

PFASs作为持久性有机污染物新成员,它对环境的污染程度已超出预想。美国、加拿大、英国、日本等国的研究者已对此做了大量研究工作,而中国则起步较晚,水产品中PFASs的残留数据则更为缺乏,因此寻找合适的分析方法是首要任务。在现有的水产品中全氟烷基化合物检测方法中,液固萃取结合固相萃取净化技术是目前最有效、应用范围最广的前处理方法;HPLC-MS/MS法则是定性定量分析时选择性最好、灵敏度最高的仪器分析方法。自1947年使用电

表2 HPLC-MS/MS在水产品中PFASs检测中的应用

化学氟化法生产PFCAs开始,PFASs被广泛运用到工业和民用领域许多行业,并导致在全球范围内均可检出痕量此类物质。它不仅存在于水产品中,还以特定方式在整个生态系统中循环[35]。下一步工作除了充分调查分析国内水产品中PFASs残留现状,还应加强其来源途径及暴露风险的研究,以期为进一步的预防治理提供监管建议。

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Research progress of analysis techniques for perfluorinated alkyl substances inaquatic products

PENG Jie1, GAN Jinhua1,2, CHEN Jianwu1, ZHOU Dianfang1, LV Lei1, HE Li1*

(1. Yangtze River Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences; Fishery Products Quality Safety Risk Assessment Laboratory(Wuhan) of Ministry of Agriculture, Wuhan 430223, China;2. Hubei Collaborative Innovation Center for Freshwater Aquaculture, Wuhan 430070, China)

Perfluorinated alkyl substances (PFASs), a new kind of persistent organic pollutants, have become another hot topic in the field of quality and safety in aquatic products at home and abroad. Recently, PFASs have been detected not only in air, drinking water, seawater and sediment but also in a variety of matrices such as aquatic products and other foods. Thereinto, PFASs with long-chain structure show higher detection rate than other substances. These suggests that this class of compounds has caused obvious pollution in ecosystem. Thus, in this paper, the recent progresses of analysis techniques for PFASs in aquatic products were reviewed. The methods of pre-treatment and detection of PFASs in different aquatic products were also discussed. In addition, problems of PFASs detection in aquatic products were analyzed. The aim is to provide references for further study of PFASs origin.[Chinese Fishery Quality and Standards,2016,6(3):57-63]

Perfluorinated alkyl substances (PFASs); aquatic products; analysis technique; origin

HE Li, heli28@sohu.com

2015-11-24;接收日期:2016-03-21

国家科技基础性工作专项(2014FYZ30100)

彭婕(1986-),女,硕士,助理研究员,研究方向为水产品质量安全,pengjie@yfi.ac.cn 通信作者:何力,研究员,研究方向为水产品质量安全及水产品加工,heli28@sohu.com

S912

A

2095-1833(2016)03-0057-07

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