全氟/多氟化合物分析方法的研究进展

贺思思, 史亚利, 蔡亚岐, 张春晖*

(1. 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院, 北京 100083; 2. 中国科学院生态环境研究中心, 环境化学与生态毒理学国家重点实验室, 北京 100085)

全氟和多氟化合物(perfluoroalkyl and polyfluoroalkylated substances, PFASs)是一类人工合成有机化合物,因其含有大量C-F高能键,具有疏水疏油、热稳定性、化学稳定性和表面活性等特性,被广泛应用于工业产品和生活消费品中。研究表明,由于PFASs的大量生产和使用,地表水[1]、沉积物[2]、土壤[3]、大气[4]、灰尘[5]、大气颗粒物[6]、生物体[7]等各环境介质以及人体样本[8]中均可检出不同浓度或种类的PFASs,主要代表物质为全氟辛基磺酸(perfluorooctane sulfonic acid, PFOS)和全氟辛酸(perfluorooctanoic acid, PFOA)。

传统PFASs一般采用调聚合成法(telomerization)或电化学氟化法(electrochemical fluorination, ECF)生产[9]。调聚合成法主要通过CF2=CF2单元来增加PFASs的碳链长度,产物主要为单一化合物[10],而ECF生产的产物为支链和直链异构体的混合物。因此,环境科学研究中可利用异构体组成分析PFASs的可能来源。环境中PFASs主要有两种来源:1)直接来源指PFASs在生产、使用、运输、处置等过程中直接排放进入环境;2)间接来源指一些含有全氟或者多氟结构单元的其他物质在环境或者生物过程中转化生成PFASs,这样的物质称为PFASs前体物。研究发现,含有异构体的前体物质降解转化后可以生成相应PFASs的直链和支链异构体[11],从而对环境中PFASs的异构体组成产生重要影响。因此PFASs前体物及其本身的异构体组成可在一定程度上判断环境中PFASs的主要来源。另外,不同异构体的结构差异也会导致其理化性质、环境行为、生物累积和毒性效应的差异[9],因此异构体分析对深入理解PFASs环境归趋和效应具有重要意义。

研究发现,具有较强挥发性的PFASs前体物可能在传输过程中发生氧化,或在进入生物体后代谢转化为PFASs,是PFASs污染的重要间接来源[11]。已知的PFASs前体物主要包括氟调醇(fluorotelomer alcohols, FTOHs)、多氟烷基磷酸酯类(polyfluoroalkyl phosphate esters, PAPs)、多氟碘烷类(polyfluorinated iodine alkanes, PFIs)、全氟磷酸盐类(perfluorophosphates, PFPAs)、全氟亚磷酸酯类(perfluorophosphinates, PFPiAs)、磺酰胺类(fluorooctane sulfonamides, FOSAs)和氨基乙醇类(perfluorooctane sulfonamido-ethanol, FOSEs)等。

鉴于传统PFASs的生物毒性效应和环境持久性,不同国家或国际组织已出台多项法规对其生产、使用等进行规范和限制。PFOS及其盐于2009年正式被《斯德哥尔摩公约》列为持久性有机污染物(persistent organic pollutants, POPs), PFOA及其盐在2019年的《斯德哥尔摩公约》缔约国会议中也被列入附录A中[12],另有科学家在《斯德哥尔摩公约》持久性有机污染物审查委员会第十五次会议中提议将全氟己烷磺酸(perfluorohexane sulfonic acid, PFHxS)及其盐列入POPs名单中[13]。

公约中有关PFASs内容的动态发展表明,PFASs的环境影响已引起世界关注。可以预期,随着时间推移,以及环境科学、环境管理的发展,可能不断会有新的PFASs被加入到公约中,并对已列入名单的PFASs的生产和使用进行限制。但PFASs的独特性能使其在某些领域起到不可或缺的作用,因此全面禁止其生产和使用并不现实。这就促使了作为长链PFASs替代品的新型PFASs的生产和使用[14]。目前,已在多种环境介质与生物体内检出新型PFASs的存在[15,16]。研究表明,多数新型PFASs具有与传统PFASs相似的肝脏毒性[17]、发育毒性[18]等生物毒性效应,但目前对其分析方法和环境行为等的研究还不够充分。

随着研究的深入,PFASs在环境与生物体中检出的种类日益增多,样品前处理和分析方法也在不断发展。因此,本文对近几年PFASs的样品前处理和分析方法进行整理总结,以期为分析方法的选择提供参考。

1 传统PFASs的分析

相较于PFASs异构体与新型PFASs,传统PFASs的分析方法已趋于成熟。目前,较为常见的前处理方法有离子对萃取(ion-pair extraction, IPE)、碱消化(alkaline digestion method, ADM)、固相萃取(solid-phase extraction, SPE)和大体积进样法(large-volume injection, LVI)等。分析方法一般为GC或LC结合MS检测,如GC-MS、LC-MS/MS等。随着研究的深入,针对PFASs异构体的分析方法也在不断发展,但目前主要涉及PFOA和PFOS的异构体分析。

1.1 前处理方法

1.1.1IPE技术

IPE技术是基于目标物质和离子对试剂结合后形成离子缔合物,再使用合适有机溶剂进行提取的萃取方法。目前IPE技术主要以四丁基硫酸氢铵(tetrabutylammonium hydrogen sulfate, TBA)为离子对试剂，使目标物生成离子缔合物,再以甲基叔丁基醚(methyltert-butylether, MTBE)为萃取剂[19]的萃取技术,目前该技术主要用于生物基质样品中PFASs的提取。柳思帆等[20]采用IPE技术对鱼肉中的PFASs进行提取,使用Oasis WAX SPE小柱净化,共分析测定了12种PFASs; Lesch等[21]在用NaOH碱消解后,使用IPE技术对蜻蜓样品进行提取,萃取效果良好,分析测定的8种传统PFASs的方法检测限(method detection limits, MDLs)为0.01～0.06 ng/mL,方法定量限(method quantification limits, MQLs)为0.02～0.17 ng/mL。

1.1.2ADM技术

ADM是从固体和生物样品中提取PFASs的有效方法,一般使用碱性溶液对样品进行提取,以减少基质干扰。Powley等[22]采用NaOH溶液对土壤样品中C6～C14的全氟羧酸(perfluorocarboxylic acid, PFCAs)进行碱消化处理,然后用甲醇提取,经检测后发现回收率在70%～120%之间,LOQ为1 μg/kg; So等[23]通过对比不同浓度KOH的甲醇溶液和水溶液的消解效果,发现KOH甲醇溶液的消解效果较好,且使用0.01 mol/L KOH的甲醇溶液进行消解时,回收率除PFOA外均在73.6%～108.9%之间。因此,此后多采用碱-甲醇溶液进行ADM提取。Zhao等[24]使用10 mmol/L NaOH的甲醇溶液对蚯蚓样品进行提取,对其体内7种PFCAs和3种全氟磺酸(perfluorinated sulfonic acid, PFSAs)进行检测,回收率为76%～105%。

1.1.3SPE技术

SPE技术是基于选择性吸附,使被检测物吸附于萃取剂上,再进行洗脱的提取方法。目前,在PFASs萃取中使用较为广泛的SPE柱为弱阴离子交换柱(如WAX柱)、反相吸附柱(如HLB柱)等,使用时可根据目标物极性的不同选择合适的萃取柱,如离子型的PFCAs、PFSAs等可选择中等极性的WAX柱,长链PFASs可以使用极性较小或非极性的HLB柱[25]。Liu等[26]采用WAX柱对地表水或底泥提取液中的PFASs进行浓缩和净化,目标物主要包括C4～C14的PFCAs与C4、C6、C8和C10的PFSAs,基质加标回收率为50%～111%,内标回收率在60%～114%之间;Gobelius等[27]对比了WAX柱和HLB柱对饮用水中26种PFASs(C3～C13、C15和C17的PFCAs; C4、C6、C8和C10的PFSAs; 9种PFASs前体物质)的萃取效果。结果表明,WAX柱对全氟丁酸(PFBA)、全氟己酸(PFHxA)、全氟丁基磺酸(PFBS)的萃取效率优于HLB柱,而在使用HLB柱进行处理后,样品中未检测到PFBA,表明WAX对短链PFASs具有较高的富集能力。

近年来,鉴于离线SPE技术存在效率低、自动化程度差、消耗样品和试剂量大等不足,逐渐发展出一种在线SPE技术。该技术的特点是自动化程度高、节省样品和试剂、萃取速度快、引入污染小,适合浓度低、样品量少的样品的萃取。该技术对极端环境和偏远地区采集的少量珍贵样品中PFASs的萃取富集具有突出优势。Shi等[28]针对离线SPE技术的缺点开发了在线SPE技术,该技术的装置由双梯度快速分离泵DGLC-3600RS、柱箱TCC-3200和自动进样器WPS-3000 TLS组成,通过对5种SPE柱进行比较,最终选取具有亲水性聚二乙烯苯填料的反相HRP柱为在线固相萃取小柱,结合HPLC-MS/MS检测,实现了12种PFASs的高效分析,该方法具有样品消耗量少(2.5 mL)、线性相关系数高(r2>0.99)、精密度好(RSD小于10%)、灵敏度高(MQLs为0.025～0.5 ng/L)、自动化程度高、分析速度快等优点,并对南极冰芯中PFASs进行了检测,结果与一般大体积离线固相萃取方法一致。

Gao等[29]对在线SPE技术进行改进,采用涡流柱代替传统C18 SPE小柱进行萃取,并对相关参数进行优化,在20 min内对21种PFASs进行了分析,PFASs在0.1～100 ng/mL之间具有良好线性关系(r2>0.99),实际样品加标回收率为84.6%～114%, LOD为0.008～0.19 ng/mL,使用建立的在线SPE和离线SPE方法同时对人体血清样品中PFASs进行检测,二者结果一致,证实了该方法的准确性和适用性。Poothong等[30]基于在线SPE技术,选用Betasil C8柱,结合超高效液相色谱-串联质谱仪(UPLC-MS/MS)建立了一种测定血清、血浆和全血3种基质中25种不同性质PFASs的分析方法。方法仅需50 μL样品即可满足样品检测的需求,MDLs和MQLs分别为0.001 8～0.09 ng/mL和0.006～0.3 ng/mL,该方法灵敏度明显优于Kato等[31]和Bartolomé等[32]建立的在线分析方法,通过与离线SPE技术对比,也得到了较好的结果,表明该方法适用于人血清、血浆和全血中PFASs的大规模监测。

1.1.4LVI

LVI是指将大体积(如色谱柱空隙容积10%)样品直接注射到色谱柱进行分析的技术,具有前处理简单、样品损失量小、成本低和灵敏度高等优点。Backe等[33]将LVI与SPE(C18、HLB萃取柱)进行对比,发现高浓度的PFBA、全氟癸酸(PFDA)和全氟庚基磺酸(PFHpS)经LVI处理后的基质效应明显低于经SPE柱处理后的,其中PFHpS的基质效应相差最大。上述结果表明,相对于SPE技术,LVI可减少部分PFASs分析物的损失。

Backe等[34]采用液-液微萃取(micro liquid-liquid extraction, micro-LLE)结合LVI技术建立了一种对水成膜泡沫(aqueous film forming foam, AFFF)灭火剂中PFASs进行分析的技术,并对19种已有标准品的PFASs进行定量分析,10种标准品纯度不足的PFASs进行半定量分析,以及18种缺乏标准品的PFASs进行定性分析。结果表明,该方法线性良好(r2>0.98),绝对萃取率为87%～99%,除两种PFASs的LOD与LOQ高于23 ng/L与67 ng/L外,其他物质的LOD与LOQ均在0.71～8.7 ng/L与2.4～29 ng/L之间。Allred等[35]基于以上技术建立了分析垃圾渗滤液中PFASs的检测方法,对70种PFASs分别进行了定量、半定量和定性分析,36种PFASs在垃圾渗滤液中的检出属首次报道。

1.1.5其他

除以上前处理方法外,近几年也出现了一些改进和新的前处理方法。顾奕等[36]对PFOA进行酰胺化衍生得到具有特征紫外吸收波长的产物CF3(CF2)6COHNCH2ph,检测发现其吸收波长为214 nm,可使用紫外吸收光谱法进行检测,并在人血清白蛋白与PFOA的相互作用机制研究中获得了应用。

Liu等[37]以四丁基硫酸铵和四丁基碘化铵为离子对试剂,以二氯甲烷为萃取剂、乙醇为分散剂,利用离子对分散液-液微萃取(ion-pair dispersive liquid-liquid microextraction, IP-DLLME)技术对4种PFCAs进行提取,在负化学电离源(NCI)模式下，采用GC-MS/MS检测,该方法具有良好的线性关系(r2>0.99), LOD为37～51 pg/mL, LOQ为123～170 pg/mL,回收率为90%～98%,使用该方法可对工业园区及周边水域中PFASs进行检测。Wang等[38]基于全氟或多氟溶剂的高亲氟性对IP-DLLME技术进行改进,以全氟叔丁醇为萃取溶剂、乙腈为分散溶剂,开发了简单高效、可减小基质影响的DLLME技术,通过对萃取剂类型、pH值、提取时间等相关因素的考察,确定了氟亲和性是该技术进行高选择性萃取的关键机制。使用该方法对尿液进行萃取,基质影响较SPE技术更小,HPLC-MS/MS分析,自来水、河水与尿液3种基质中26种PFASs的r2>0.98, LOD分别为0.19～2.6 ng/L、0.18～2.1 ng/L和0.28～1.9 ng/L,LOQ值分别为0.6～8.7 ng/L、0.6～5.1 ng/L和0.9～5.0 ng/L, 方法对碳链大于5的中链和长链PFASs的相对回收率为85.0%～119.4%、81.2%～120.9%和77.6%～121.4%,相对于短链PFASs,该方法更适于中、长链PFASs的提取。闫萌萌等[39]采用IP-DLLME技术对食品接触材料中PFOA和PFOS进行提取,选择咪唑类离子液体1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([C6MIM][PF6])为离子对试剂,经旋涡、离心分离后进行检测,结果表明,方法线性关系良好(r2>0.99), LOD分别为0.5μg/L和1 μg/L, LOQ为2μg/L和5 μg/L,加标回收率为86.4%～115.3%和89.8%～116.9%。

泡沫浮选法(foam flotation)是以表面活性物质在气泡表面的吸附为原理进行分离的方法。Lee等[40]基于该方法对水溶液中低浓度PFOA和PFOS进行分离与回收,探究了不同金属活化剂、溶液pH、金属用量、溶液初始浓度对分离的影响,发现金属活化剂为Fe3+、金属浓度为11.5 mmol/L、溶液pH值为2.3时去除效率最高,对PFOA和PFOS溶液(含量为200 mg/L)的总去除率在5 min内即可达到99.5%。但是,该方法的去除率受平衡分配系数影响较大。该方法作为一种分离方法具有耗时短、成本低廉、去除率高等优点。

PFASs具有的独特理化性质给其新型样品处理原理、技术、方法的发展留下了较大空间,可以预期新的技术仍会不断发展,并在PFASs环境分析中发挥较大作用。

1.2 仪器检测方法

1.2.1气相色谱-质谱法

早在1999年,Moody等[41]就采用气相色谱-质谱法对AFFF中的PFASs进行检测,方法对PFOA的MDLs为18～54 μg/L。但目前研究较多的典型PFASs多为极性较大或者离子性较强的化合物,挥发性较弱或不具有挥发性,导致不能使用GC-MS直接测定,一般需对样品进行衍生化处理,使其转化为非极性衍生物。王晓研等[42]通过对比包括N-甲基-N-三甲基硅基三氟乙酰胺(MSTFA)在内的5种衍生剂的衍生效果,最终选定效果较好且衍生杂质较少的MSTFA为衍生剂,同时优化了反应温度和反应时间等条件,并在比较EI源和NCI源下的GC-MS检测效果后,选用GC-NCI-MS对水中10种PFCAs进行检测,发现在0.1～10.0 mg/L范围内线性相关系数均大于0.995, LOD和LOQ分别为0.5～1.5 μg/L和1.5～4.5 μg/L,该方法已成功应用于环境水样的检测。

但衍生化反应增加了方法的时长和复杂性,且衍生化产物中可能含有杂质,进而影响检测结果。因此目前GC-MS在典型PFASs的分析中应用较少。而针对无需进行衍生的、具有较强挥发性的PFASs前体物质,Martin等[41]使用气相色谱-化学电离质谱技术(GC-CI-MS)分别在正化学电离(PCI)和负化学电离模式下对大气样品进行了检测,LOD为0.15～6.2 pg/m3,确认环境样品中存在6种新型前体物质。

1.2.2液相色谱-质谱法

液相色谱-质谱分析技术是当前PFASs分析的主流检测技术,主要包括LC-MS及LC-MS/MS等,其中LC-MS/MS是当前最为常用的检测方法。Gremmel等[43]使用HPLC-MS/MS对工业废水中的PFASs进行检测,并通过对离子源温度的调试建立了两种检测模式分别检测酸性与中性化合物,包含47种PFASs与5种全氟前体化合物。采用直接进样法时,酸性物质检测方法的MDL为0.1～10 ng/mL, MQL为0.2～20 ng/mL,中性物质检测方法的MDL<2～5.0 ng/mL, MQL为10 ng/mL。王浩[44]等建立了HPLC-MS/MS检测内分泌物双酚A、壬基酚以及PFOS、PFOA的方法,优化色谱条件后,方法的LOD、LOQ、线性关系和回收率均处于可接受范围,并将该方法应用到50种婴幼儿营养乳粉的检测中。随着研究的深入,研究者对色谱柱的分离效率、分离速度和分辨率方面的要求也逐渐升高,基于此出现了UPLC技术。Churchwell等[45]对比了HPLC-MS/MS与UPLC-MS/MS的性能差异,结果表明，在检测同种物质时,UPLC的灵敏度可提高10倍,分析速度提高了5倍,表明UPLC拥有更好的分辨率。Pan等[46]采用UPLC-MS/MS对北部湾沿岸的河流和近岸水域的水样进行了18种靶向PFASs检测,其中LOD为4～25 pg/L, LOQ为13～83 pg/L,线性良好(r2>0.99),回收率在63%～120%之间,方法在检测灵敏度和分析速度方面均有提高。

1.3 异构体分析方法

无论PFASs本身还是其前体物质,其异构体信息对于环境中PFASs的环境归趋和溯源均具有重要意义,而且能够获得的异构体种类、结构、浓度等信息越多,其环境意义越大。但是由于可能获得的标准品种类极其有限,目前的研究绝大多数围绕PFOA、PFOS、PFHxS以及极少数前体物质展开。

毛细管气相色谱柱的强大分离能力使其在PFASs同系物、异构体分析中的优势更为突出。Chu和Letcher[47]采用四丁基氢氧化铵对生物基质中PFOS异构体进行衍生化后,用GC-MS进行检测,实现了直链和10种支链异构体较好的分离分析,LOD为0.05～0.25 ng/mL, MDL为0.09～0.46 ng/g,其中L-PFOS的LOD为1.46 ng/mL, MDL为6.87 ng/g。Zhu等[48]对衍生剂进行改进,建立了一种可以在非手性分离柱上对PFOA手性异构体进行分离检测的方法,选用(S)-1-氯-苯乙烷((S)-1- phenethyl chloride)为衍生剂,使用GC-MS(HP-5MS色谱柱,非手性柱)进行检测,发现可以分离出3种手性PFOA异构体(3m-、4m-和全氟-3,5-二甲基己酸)的对映体，以及L-PFOA和6m-PFOA。尽管气相色谱-质谱技术在PFASs分析检测中的应用相对较少,但有理由相信,其强大的分离能力将使其在一些低极性PFASs前体物分析和异构体分析中发挥重要作用。鉴于当前环境科学界对污染溯源和异构体特异性环境行为研究的高度重视,可以预期,GC-MS和GC-HRMS技术在PFASs环境分析中的应用将会更为广泛。

除上述使用GC-MS进行异构体分离外,使用LC-MS/MS技术对PFASs异构体进行分析的技术也有了长足发展。Benskin等[49]使用全氟辛基固定相实现了对PFCAs、PFSAs和全氟辛基磺酰胺(perfluorooctyl sulfonamides, PFOSAs)等多种异构体的分离,并成功应用于人体血清样品的检测,回收率为61%～154%,但分离时间达到了115 min。在上述研究基础上,他们[50]又选用五氟苯丙基修饰的色谱柱(PFP柱)对多种PFASs异构体进行分离,将色谱分析时间减少至23 min,并成功应用于垃圾渗滤液的检测,但渗滤液中的PFHxS异构体缺乏标准品,无法进行准确定量。在此基础上,牛夏梦等[51]利用Ascentis Express F5 PFP色谱柱对自来水、底泥和贝类中的11种PFOS和PFOA异构体进行了分离和定量分析。Zhang等[52]对比了Epic FO-LB柱和ACQUITY UPLC BEH Shield RP18柱对PFOA、PFOS和PFHXS异构体的分离效果,结合UHPLC-MS/MS进行分析检测,发现Epic FO-LB柱在29 min内对所有异构体实现了分离且效果优于另一色谱柱。

近年来,PFASs手性异构体的研究也在不断深入。采用Benskin等[49]提出的HPLC-MS/MS方法,Liu等[53]分析了PFOS异构体的分布,并对其对映体进行分析,实现了1m-PFOS对映体的分离,成功应用于人体样本分析。将PFASs进行衍生化后,充分利用目前的毛细管气相色谱的高分辨能力也是提高异构体分析能力的一种选择。Naile等[54]使用重氮甲烷对样品进行衍生后,采用串联毛细管柱(DB-5MS串联BGB-172分析柱)对PFOA的多种异构体和手性异构体进行了分离,结合GC-NCI-MS在标准品中检测到8种PFOA异构体,其中至少4种是手性异构体的对映体。

2 全氟化合物前体物的分析

2.1 PFASs前体物

作为PFASs的重要间接来源,全氟化合物前体物质的分析对研究环境或生物体内PFASs的来源十分关键。不同前体物质最终生成的PFASs不同[55],如FOSAs、FOSEs等前体物转化后主要生成PFSAs,而FTOHs、PFIs等主要转化为PFCAs。

郭萌萌等[56]采用固相萃取技术,结合液相色谱-四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱(LC-Q exactive orbitrap MS)对18种PFASs及其21种前体物进行检测,通过全扫及二级扫描对离子进行精确测定,进而选定不同的母离子与子离子,从而实现定性定量分析。检测结果表明,该方法的r2>0.991 5, LOD为0.02～0.50 μg/kg, LOQ为0.06～1.50 μg/kg,利用该方法对鱼肉样品进行加标回收试验,回收率在65.7%～122%之间,表明该方法可应用于实际样品的检测。Rewerts等[57]使用瓶内萃取-大体积进样-气相色谱-质谱法(CSR-LVSI-GC-MS)对5类21种全氟化合物前体物质进行定量分析,发现该方法对纸张中PFASs的LOD为3.7～10 μg/m2, LOQ为12～34 μg/m2,纺织品的LOD为2.1～5.3 μg/m2, LOQ为6.8～18 μg/m2,之后使用四极杆飞行时间质谱(quadrupole time-of-flight mass spectrometry, QTOF-MS)对样品进行非靶向分析,在2个纺织样品中共发现了2种FTOHs、5种甲基磺酰胺类和6种乙基磺酰胺类同系物。

PFOSA是PFOS的主要前体物质,且通常由ECF生产,具有诸多异构体,因此PFOSA的异构体研究对环境中PFOS等PFASs的溯源研究具有重要意义。Shan等[58]建立了一种使用LC-MS/MS对PFOSA异构体进行定性定量的方法,成功分离出6种单甲基支链的PFOSA异构体。此外,他们利用核磁共振氟谱(19F-NMR)对异构体结构进行了鉴定,最终根据结构确定各异构体的特征子离子,定量分析了各异构体在PFOSA标准品(总含量92.0%)中所占的比例,MDL为0.1～1 pg/g。

另外由于绝大多数PFASs前体物质具有较强的挥发性,多数研究选择了步骤较为简洁的前处理过程,以减少样品处理过程中的挥发损耗。为探究水中PFASs的挥发性前体物质在HLB柱进行回收过程中产生损耗的原因,Dimzon等[59]研究了11种前体物质在水和空气中的分配比,发现在平衡24 h后,有30%～60%的前体物质分配在空气中,且在空气与水中的总回收率为80%～140%,这一结果说明萃取过程中的损失并非由于SPE柱选择不当,而主要是由于前体物质的挥发性及疏水性吸附造成。

2.2 未知PFASs前体物质

除结构较为确定的部分PFASs前体物质外,仍存在大量无法确认结构的前体物质需采用其他方式确定其存在。Houtz等[60]开发了一种对全氟烷酸(perfluoroalkyl acids, PFAA)前体物质进行定量的方法——总可氧化前体物(total oxidizable precursor, TOP)测定法。该方法通过比较样品氧化前后PFCA的浓度,推测特定碳链长度前体物质的总浓度,实验采用过硫酸钠(Na2S2O8)为氧化剂,在碱性环境下热分解生成羟基自由基对前体物质进行氧化,通过对C8和C6的PFAA前体物质(如FOSA、1H,1H,2H,2H-全氟己烷磺酸钠(8∶2 FtS)等)氧化处理,证明了在该条件下前体物质均可转化为PFCAs,对33个城市地表径流样品进行处理分析,发现C5～C12的PFCAs总浓度在氧化处理后增加了69%,但可检出的PFASs前体物质的贡献低于25%,说明环境中还存在许多未知的PFASs前体物质;对方法性能进行评价,发现在0.025～25 μg/L范围内,除PFBA、1H,1H,2H,2H-全氟辛烷磺酸钠(6∶2 FtS)和8∶2 FtS未检出外,其余物质的MDL为0.1～0.5 ng/L, MQL为0.3～1.4 ng/L。随后,Houtz等[61,62]和Ye等[63]利用该方法分别对污水(污水处理厂排放)、AFFF(消防员训练区)、降水(28个城市)中的PFASs进行分析,发现氧化处理后PFCAs的浓度有所升高,推测得到的上述3类样品中PFASs前体物总含量分别为33%～63%、23%～38%和6%～56%,说明不同环境基质中前体物质含量存在差异。

目前,PFASs前体物的分析技术还在发展之中,一些新型的化学、物理、光化学的氧化或者还原技术、萃取技术和检测技术仍在发展,这些新的动向值得关注。

3 新型PFASs筛查

3.1 高分辨质谱筛查

新型PFASs作为传统PFASs的替代品出现,其中如全氟壬烯氧基苯磺酸钠(sodiump-perfluorous nonenoxybenzenesulfonate, OBS)、氯代多氟烷基醚磺酸盐等新型PFASs已有标准品存在,可通过标准品直接对环境样品进行定性定量分析。但绝大多数新型PFASs如六氟环氧丙烷二聚体铵盐(HFPO-DA)、Cl-PFCAs等仍缺乏标准品,需采用其他手段对环境样品进行筛查、定性及定量。

对于可以得到纯化样品或标准品的物质一般可通过目标筛查来确定其分子结构,直接通过目标物质的色谱保留时间、母离子和子离子质荷比(m/z)等信息进行初步筛查。Xu等[64]使用19F-NMR及HPLC-Orbitrap-MS/MS对纯化后的OBS进行检测,通过19F-NMR确定结构后,采用高分辨质谱对样品进行全扫描,在准分子离子峰为m/z+2 Da处观察到S原子同位素(34S)信号,确认含有S原子,之后通过二级质谱解析分子结构,最终在水样中发现了同样的二级离子碎片,证明了样品中OBS的存在。

对于缺乏标准品的新型PFASs,主要通过可疑目标筛查与非目标筛查两种方法。PFASs一般在ESI模式下进行全扫描及二级质谱扫描得到所需数据,通过对全扫描质谱的分析,筛选可疑化合物,由精确相对分子质量和元素组成推测分子结构,再结合保留时间、特征碎片、同位素分布和同系物分布等进行分析,与数据库进行匹配后做出鉴定归类。其中,对于同系物进行鉴定时,可先查找其共有的特征结构,通过碎片质量进行分析,再结合保留时间、色谱峰形等进一步鉴定。目前主要使用高效液相色谱结合高分辨质谱,主要为Q-TOF和Orbitrap两种仪器进行筛查识别。

Baduel等[65]在他人使用LC-QTOF-MS/MS对AFFF配方研究的基础上,对消防训练场的土壤样品进行了检测,发现了12类共60多种PFASs,包含氯代、二氯代的PFSAs类物质及全氟磺胺类物质等,该研究方法可对PFSAs和PFCAs进行定量,对其他物质可使用结构相似的物质比对进行半定量,其中PFSAs和PFCAs的LOD为0.2～1.3 μg/kg,回收率良好,线性关系良好(r2>0.99)。Liu等[66]利用LVI,结合高效液相色谱-线性离子阱静电场轨道阱高分辨质谱仪(HPLC-LTQ-Orbitrap-MS)建立了一种检测PFASs的非靶向分析方法,该方法的MDL为0.005～0.2 ng/mL, C6～C11的PFCAs质量误差为-0.47×10-6～-0.07×10-6,使用该方法对得到的工业废水进行检测,并利用XcaliburTM软件对相关数据进行分析,发现了5类共36种未报道过的新型PFASs。在此基础上,Liu等[67]使用该方法对长江与汤逊湖中的鱼类样品进行检测,在鱼体内首次发现了10类共330多种非靶标PFASs,其中4类共165种以上PFAS分析物为首次报道。

基于对环境污染及风险的考虑,未知PFASs的检出及分辨已成为必不可少的研究内容,而高分辨质谱对未知PFASs的结构确定具有重要作用。当前,随着越来越多新型PFASs在环境中检出,相关数据库也在不断完善,相关分子结构的确定可以为标准品的研制提供方向。这些也将为未来新型PFASs的深入研究,如环境迁移和转化、降解、生物毒性研究等提供有力支撑。

3.2 总有机氟法

虽然高分辨质谱对非靶向PFASs的定性分析方法已初步建立,但仍有许多未知PFASs存在于环境中。因此,为对环境中PFASs的来源与风险进行评价,需对环境中的总有机氟进行量化。除上述前体物质的TOP测定法外,还可使用燃烧离子色谱法(combustion ion chromatography, CIC)对总有机氟进行测定。

Miyake等[68]针对所有潜在PFASs开发了一种可以单独测量总氟(total fluorine, TF)、无机氟(inorganic fluorine, IF)和总有机氟(total organic fluorine, TOF)的CIC方法。该方法将自动燃烧装置和离子色谱系统相结合,对提取出的F-进行检测,经加标实验表明IPE技术可在提取有机氟的前提下不损耗无机氟,通过Ionpac AS 20分析柱可以区分小分子有机氟与无机氟,这些为TF、IF和TOF的检测提供了基础,该方法中F-的LOD为3 μg/L,需要消耗样品量0.5 mL左右,相较于传统CIC技术,新开发的方法对氟化物的灵敏度上升2～3个数量级,并成功应用于人体血液的检测。Yeung等[69]对大鼠血液进行检测,并对血液中TF、IF和可提取有机氟(extractable organic fluorine, EOF)的提取方式进行了明确描述,加标水平为10 ng/mL和100 ng/mL时,PFOS的回收率为95%±5%和98%±3%,通过对比PFOA暴露后的大鼠、职业人群,以及未暴露的野生大鼠、普通人群血液中的PFASs、EOF和TF,发现在暴露环境中已知PFASs占TF的70%以上,在普通环境中EOF仅占TF的30%左右。Wagner等[70]采用活性炭对有机氟进行吸附得到可吸附有机氟(adsorbable organic fluorine, AOF),使用NaNO3去除无机氟后,高温燃烧,同时加入纯水进行吸收,生成氟化氢(HF)后进行检测。结果表明,该方法的LOD和LOQ分别为0.1 μg/L和0.3 μg/L,并可对自来水与污水处理厂废水进行检测。基于Wagner等[70]的研究,Willach等[71]将自动进样器ASC-120S集成到CIC-F检测系统中,可同时处理10个样品,并开发了简化的燃烧程序,该方法的实验耗时从之前的25 min缩短到14 min。

基于电感耦合等离子体质谱(inductively coupled plasma tandem mass spectrometry, ICP-MS/MS),通过测定Ba2+与F-结合产物([138Ba19F]+)确定氟含量的检测方法,Jamari等[72]将HPLC同时与ICP-MS/MS、ESI-MS联用,建立了一种分析含氟有机物的非靶向HPLC-ICP-MS/MS-ESI-MS方法。通过对输出谱图比对,可以发现未知的含氟有机物,为总有机氟与已识别有机氟之间的差异做出解释。实验同时对ESI-MS数据进行了深入分析,通过对PFOA与全氟辛酸甲酯(methyl perfluorooctanoate, Me-PFOA)的ICP-MS/MS、ESI-MS质谱图比对,发现放置一月的PFOA标准溶液中出现了Me-PFOA,但ESI-MS未检出,证明了ICP-MS/MS可对ESI-MS无法检出的含氟有机物进行补充。该方法中F-的LOD为0.49～0.84 mg/L。ICP-MS在元素分析领域应用广泛,但此前在未知含氟有机物的分析领域未见使用,Jamari等[72]的研究为含氟有机物的非靶向分析开辟了一条新的方向。

4 结论与展望

本文总结了PFASs的前处理方法,以及异构体、前体物质与新型PFASs的分析方法及其发展,可以看出,不同前处理方法、检测技术均可能会影响检测结果的准确性。因此需要分析工作者针对不同样品及研究目的做出合适的选择。尽管目前的分析技术已经可以满足常见PFASs的日常分析,但在PFASs环境和生物样品日益复杂化、PFASs生产和使用类型快速变化的大环境下,目前的分析方法仍面临严峻挑战,难以圆满实现对PFASs环境科学研究、环境评价和环境管理的技术支撑。今后PFASs相关研究应该高度重视以下方面:重视不同前处理方式的合理组合,力求萃取过程更加简单快速,萃取装置小型化/微型化和现场化,并根据分析目的使萃取向高选择性甚至特异性以及普适性两个极端方向发展;继续高度重视普适性的非靶标分析筛查技术,实现对环境和生物样品中PFASs暴露谱的灵敏准确分析;研究PFASs环境和生物样品的无损、成像等原位分析,为环境过程和毒性效应研究提供技术手段;研究开发PFASs现场、快速在线分析,为日常环境管理提供保障;与核分析、核磁共振等技术高度融合,实现技术原理新突破;加强氟化学工业原料、中间体、产品和废料的分析技术研究,为PFASs工业过程分析和污染控制提供支撑。