全氟化合物的污染现状及分析方法研究进展

李 兵，马浩天，贠克明，马 栋

（1.山西医科大学 法医学院，山西 太原030001；2.司法鉴定科学研究院 上海法医学重点实验室上海市司法鉴定专业技术服务平台 司法部司法鉴定重点实验室，上海200063；3.西安交通大学医学部 法医学院，陕西 西安 710061）

持久性有机污染物（persistent organic pollutants,POPs）是指在环境中难以降解、高脂溶性，可以在食物链中富集，能够通过各种传输途径进行全球迁移传输的一类具有半挥发性且毒性极大的有机污染物[1]。全氟化合物（perfluoroalkyl substances,PFASs）作为POPs中的一大类，能够对生存环境和人类健康造成不可逆转的影响，因而得到相关学者的持续关注。PFASs是指化合物分子中与碳原子相连的氢原子全部被氟原子取代的一类有机化合物，主要包括全氟烷基羧酸类、全氟烷基磺酸类、全氟烷基磺酰胺类和全氟调聚醇类等[2]。PFASs因具有化学稳定性、疏水疏油性、热稳定性和表面活性等特点，被广泛应用于工业产品和消费类产品[3]，如地毯和家具的保护涂层、纸张和布料的防水涂层、聚四氟乙烯产品和消防泡沫等[4]。PFASs的大量使用使其以多种方式进入环境，造成了大气、土壤、海水、地表水、地下水、沉积物和食品等各种介质的严重污染，同时由于其生物累积和生物放大效应，对各类生物体也存在环境健康风险。因此，对各种介质中的PFASs进行研究显得尤为必要。本文通过综述PFASs的毒理特性、污染现状及分析方法，并对存在的问题以及未来的发展趋势进行展望，以期为PFASs的方法学研究、环境损害司法鉴定、污染监管与防控等提供一定的参考依据。

1 PFASs的毒理特性

PFASs独特的化学结构决定了其对肝脏、免疫、生长发育等多方面均具有毒理效应。其中，研究相对较多的PFASs主要是全氟辛酸（perfluorooctanoic acid,PFOA）和全氟辛烷磺酸（perfluorooctane sulphonate,PFOS）。在FLORENTIN等[5]的研究中，PFOA和PFOS暴露24 h后会产生明显的人肝细胞毒性作用。CORSINI等[6]在研究PFOA和PFOS对细胞免疫机制的影响时认为，这2种PFASs可通过不同的信号直接抑制人类白细胞的细胞因子分泌，从而产生免疫毒性。CHEN等[7]研究发现，产前在子宫内暴露PFOS会影响儿童的发育，特别是对其在2岁时运动功能的发育。

除了研究传统的PFASs，也有不少研究者开始关注新兴的PFASs及其替代产品的毒理效应。比如，RAND等[8]认为与含氟调聚羧酸（fluorotelomer carboxylic acids,FTCAs）、含氟调聚不饱和羧酸（fluorotelomer unsaturated carboxylic acids,FTUCAs）相比，含氟调聚饱和醛（fluorotelomer saturated aldehydes,FTALs）和含氟调聚不饱和醛（fluorotelomer unsaturated aldehydes,FTUALs）对人肝上皮细胞（THLE-2）的细胞毒性最大，且氟化链较短的物质具有明显增强的毒性。WANG等[9]通过小鼠暴露实验比较了六氟环氧丙烷二聚体、六氟环氧丙烷四聚体的肝脏毒性，观察到2种物质均能导致小鼠肝脏的肿大与组织病理损伤，且六氟环氧丙烷四聚体造成的毒性效应更加显著。SHI等[10]研究结果表明，6:2氯代氧杂氟烷磺酸钾（6:2 chlorinated polyfluorinated ether sulfonate,6:2 Cl-PFESA）暴露后会导致斑马鱼胚胎的孵化延迟、畸形发生率增加和存活率降低等发育毒性，其毒性机制可能是通过影响Wnt信号通路和减少红细胞的数量介导而产生的。通过以上研究结果可以看出，新兴的PFASs及其替代产品与传统的PFASs存在相似的毒性效应，这可能是由于其碳链长度和官能基团相类似而导致。还有很多研究证实，PFASs会产生内分泌毒性、生殖毒性和致癌性等，这些毒理效应会对人体健康造成巨大的影响，理应引起重视。随着越来越多未知的PFASs及其替代产品的出现，研究其毒理特性并建立相应的分析方法，从源头上禁止这类物质的使用是今后工作的重中之重。

2 PFASs的污染现状

环境（空气和水）中PFASs的主要来源是其生产工厂，众多生产工厂的排放会导致PFASs在环境中累积，并且一旦通过空气或废水排放到环境中，PFASs还会分布到土壤、地表水和沉积物等其他介质中，从而累积到包括人类在内的生物体内[11]，由此造成严重的污染与危害。

LIU等[12]发现，珠江三角洲大气中PFASs的质量浓度变化范围很大（53.7~225 pg/m3），并且在所有样本中均可检出全氟戊酸（perfluoropentanoic acid,PFPeA）、全氟己酸（perfluorohexanoic acid,PFHxA）、全氟庚酸（perfluoroheptanoic acid,PFHpA）、PFOA、全氟壬酸（perfluorononanoic acid,PFNA）、全氟癸酸（perfluorodecanoic acid,PFDA）、全氟十三酸（perfluorotridecanoic acid,PFTrDA）和PFOS。通过对城市、工业园区、农村以及其他背景区域的PFASs浓度数值比较，LIU等[12]认为大气中的PFASs来源于人为的排放。大气中的PFASs污染引起人们关注的同时，土壤中的PFASs污染问题也不容忽视，因为土壤中的PFASs可通过植物或动物进入食物链产生生物放大效应，给人类生存和健康带来风险。在ZHANG等[13]的研究中，山东省部分地区土壤采样点的PFASs的总质量分数为4.23~48.72 ng/g干重，其中全氟羧酸类化合物主要是PFOA，全氟磺酸类化合物主要是PFOS，PFOA、全氟丁酸（perfluorobutanoic acid,PFBA）和PFPeA在所有土壤样本中均可以检测到。对采样点周围的环境分析发现，氟相关工厂可能与土壤中的PFASs污染有关。海洋是各种环境污染物的汇集地，监测这一生态系统中的PFASs至关重要。YAMASHITA等[14]在日本东京湾海域检测到相对较高质量浓度的PFOA、PFOS和全氟己烷磺酸（perfluorohexane sulfonate,PFHxS），以PFOA为主（质量浓度为154~192 ng/L），其次是PFOS（质量浓度为13~25 ng/L），而PFHxS的质量浓度相比PFOS低一个数量级。该研究认为日本东京湾海域中PFASs的高质量浓度来源与日本东京的城市和工业园区有关。ZHANG等[13]观察到山东省部分地区地表水中的PFASs以PFPeA为主，其次是PFHxA和PFOA。几乎在所有地表水样本中都可以检测到全氟磺酸类化合物，并以PFOS和PFHxS为代表。这可能是由于短链的全氟化合物具有弱疏水性、强离子性、生物累积性和持久性，有助于其扩散到水中，造成对地表水的污染。

随着人们对饮用水质量要求的提高，饮用水中的PFASs污染问题也引起了人们的广泛关注，PFOS、PFHxA、PFHpA、PFNA、PFDA和PFOA是饮用水中浓度最大且检出频率最高的PFASs。此外，井水作为饮用水的来源之一，其PFASs的污染程度与其他来源相比是最高的，这表明点源可能是PFASs的主要污染来源。在大气、土壤和灌溉水中发现了PFASs，蔬菜会从这些介质中吸收从而使蔬菜成为人体中潜在PFASs的来源。带有羧基的短链PFASs（PFHxA、PFHpA和PFOA）很容易被蔬菜根部吸收，导致在蔬菜中广泛存在。牛奶、酸奶、黄油、奶酪和饮料中的PFASs分布情况表明，牛奶中的PFASs含量高于酸奶、黄油、奶酪和饮料。在所有种类的海鲜中，鱼类和贝类的PFASs浓度和检出频率通常最高[4]。各种环境介质、食品中存在的PFASs由于生物累积和生物放大效应，导致在人体毛发[15]、血清[16]、尿液[15]、母乳[17]和胎盘组织[18]中也可以检测到不同类别的PFASs，这些污染问题足以引起人们的重视和思考。

3 PFASs的样本前处理方法

由于环境样本、生物样本、人体样本基质复杂，不同样本中PFASs的含量也不尽相同，在检测分析前如何设计前处理过程以降低基质效应等对检测结果的影响，使富集浓缩、净化后的样本获得更优的检出限，并使相对标准偏差和回收率在合理范围之内是前处理方法研究中的重点问题。

3.1 固相萃取前处理方法

固相萃取（solid phase extraction，SPE）由于回收率高、分析时间短和使用溶剂少，是最常见的液体和固体PFASs样本前处理方法。温馨等[19]对生活饮用水中11种PFASs进行固相萃取，比较了Oasis HLB（200 mg/6 mL）和Oasis WAX（150 mg/6 mL）2种固相萃取柱的萃取效果。结果显示，Oasis WAX（150 mg/6 mL）固相萃取柱对11种PFASs的萃取效果普遍优于Oasis HLB（200 mg/6mL），特别是针对C4和C5的PFASs，因此选择Oasis WAX（150mg/6mL）固相萃取柱对生活饮用水样本进行富集净化。刘嘉烈等[20]采用HLB（500 mg/6 mL）固相萃取柱对重庆市长江流域沉积物中17种PFASs的污染特征进行研究，依次用甲醇、二氯甲烷进行萃取，淋洗液氮吹至近干后用甲醇定容至1 mL，并保存于-20℃冰箱待分析。SPE复杂的操作步骤通常会导致前处理过程中的污染，此外，传统的SPE需要大量样本，处理时间需要1~2 d[21]，于是GOSETTI等[22]利用Poros HQ固相萃取柱（2.1 mm×30 mm,10 μm）开发了一种自动在线SPE方法，用于在7 min内识别和测定9种PFASs。该方法的创新之处在于分析时间短、净化效果佳，适用于环境样本、食品样本和生物样本等介质中PFASs的分析。同时，通过装置小型化也可避免传统SPE法的劣势，例如固相微萃取（solid phase micro-extraction,SPME）将上样、洗脱、预浓缩和注射组合为单一步骤，实现快速、简单、高效和绿色的分析[21]。CHEN等[23]开发一种新型的SPME纤维，将该纤维直接置于工作溶液中，在恒定的搅拌速率下运用直接浸没SPME模式萃取水溶液中的PFASs，之后将纤维中的目标物进行离线溶剂洗脱（将纤维浸泡在甲醇中5 min），重复3次，取10 μL洗脱液进行上机检测，整个分析时间约为2 h，检出限为0.005~0.08 ng/mL。

QuEChERS法（quick,easy,cheap,effective,rugged,and safe extraction method）具有溶剂用量少、污染小、操作简单、处理速度快、回收率高等优点，被应用于样本中PFASs的净化。YIN等[24]开发了一种高效的QuEChERS方法，可用于同时测定水产品中的13种PFASs。该方法对13种PFASs具有良好的回收率，回收率为71.7%~120%。

3.2 液液萃取前处理方法

液液萃取（liquid-liquid extraction,LLE）是一种经典的样本前处理方法，具有常温操作、设备简单、操作方便等优点。金一和等[25]在血清样本中先加入四丁胺硫酸盐和碳酸氢钠缓冲液，再加入四丁基甲酯进行2次萃取，合并萃取液于氮吹后用甲醇复溶。通过LLE处理不同职业人群血清中的PFOA和PFOS，实现了对我国不同职业人群体内PFASs含量的初步了解。然而，LLE方法存在有机溶剂消耗量大、萃取效率低、易发生乳化等缺点，为了提高萃取效率，液液微萃取（liquid-liquid micro-extraction,LLME）等方法可能是较好的替代选择。

3.3 其他前处理方法

采用超声波、微波或电场等外在的能量可减少样本前处理的时间，并提高样本前处理效率[26]。GARCIA-VALCARCEL等[27]用体积比为1∶1的 乙腈-1%（体积分数）甲酸水溶液作为萃取液，将萃取柱在60℃超声波水浴中超声15 min，然后通过分散固相萃取（dispersive solid phase extraction,DSPE），用萃取液重复萃取1次。采用该步骤提取土壤中的10种PFASs，每份样本仅使用2.5 mL有机溶剂，造成的二次污染小，且回收率高（70%~105%）、分析时间短。超临界流体萃取（supercritical fluid extraction,SFE）和加压溶剂萃取（pressurized liquid extraction,PLE）等基于提高温度、增大压力的前处理方法也被不少研究者采用，实现对含PFASs样本的前处理。SFE和PLE的主要优点是溶剂用量少、提取时间短，从而减少污染、提高前处理效率。

由于PFASs广泛存在，在采样、前处理以及实验室分析时使用的耗材、设备和仪器管路等也都可能含有PFASs，这也会导致测定存在误差。因此，在上述过程中应避免使用含聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）的耗材、管路或者在数据处理时及时扣除背景值，是每位相关工作者在检测分析PFASs时应值得注意的方面。

4 PFASs的检测方法

由于PFASs含有大量同系物及其异构体，通常在环境中以痕量水平（ng/g或μg/L）存在，灵敏度低、稳定性差、适用性有限等一系列问题制约着PFASs及其异构体的检测。因此，亟需建立一种基质效应低、灵敏度高、稳定性好、适用性广的检测方法来分析各种介质中的PFASs。构建先进、准确、高效的检测方法是解决PFASs环境污染问题的关键，为客观、全面地评价PFASs的环境行为和健康风险提供重要的启示[28]。

4.1 传统的检测方法

传统的检测方法是运用气相色谱/液相色谱-串联质谱法对各种基质中的PFASs进行相对精确灵敏的定性、定量检测。这些检测方法需要指定的内标物和标准品，往往侧重于分析特定的PFASs。随着未知PFASs的不断出现，给环境监测机构和监管当局带来了巨大挑战，建立未知PFASs的定性、定量检测方法是了解其在环境中排放、分布和迁移的第一步[29]。

高分辨质谱（high resolution mass spectrometry,HRMS）基于高精确的质量分辨和高水准的全扫描灵敏度，使用非靶向或可疑靶向筛选策略，能有效证明存在于各种介质中的PFASs，是环境和生物样本中PFASs检测方法学的研究热点。研究人员在不使用标准品的情况下，依赖于数据库的建立和高质量分辨以及强预测能力，可精准实现大规模搜索和鉴别未知PFASs[30]。不同检测方法在分析实际样本时的适用范围以及适用情景等具体信息如表1所示。

表1 全氟化合物的不同检测方法比较

4.2 运用新技术的检测方法

随着分析技术的持续发展和相关研究的逐渐深入，研究者不断开发出新的检测方法。YEUNG等[36]开发了一种超高效合相色谱（ultra-performance convergence chromatography,UPC2）串联质谱的检测方法，用Acquity UPC2Torus DIOL色谱柱（150 mm×3.0 mm,1.7 μm,Waters Corporation）分离目标物，用超临界流体CO2-0.1% NH4OH甲醇梯度洗脱目标物，将质谱在ESI-模式下运行，用于检测雨水和河水中包括超短链（C2、C3）在内的PFASs。该方法的检出限更低，峰宽（3~6 s）更窄，运行时间（8 min）更短，适合进一步研究在雨水和河水样本中占比更多的超短链PFASs的来源和环境水平。

续表1

续表1

MUNOZ等[37]采用激光二极管热解析/大气压化学电离（laser diode thermal desorption/atmospheric pressure chemical ionization,LDTD/APCI）与Orbitrap HRMS联用的方法，在ESI-模式下全扫描，成功应用于加拿大蒙特利尔地区的废水、地表水和自来水样本的检测，完成了对该地区PFASs污染程度的量化。该方法最直接的优势是可以实现超快分析，分析运行次数可以减少约20~50倍，并降低了有机溶剂的使用量和流动相、仪器管道潜在污染的风险，使其可成为PFASs样本分离、筛选的替代方法。

HUANG等[38]运用表面增强激光解析离子化飞行时间质谱（surface-enhanced laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry,SELDI-TOF MS），使用探针对PFASs进行提取、富集、解吸和电离，成功地从生产PFASs工人的一滴全血中鉴定和筛选出6种PFASs。该方法操作简单、分析快速、样本量少、可靠性高，在各个方面都有广阔的应用前景。AHMED等[39]还将高分辨的差分式离子迁移谱（differential mobility spectrometry,DMS）-串联质谱法用于快速分离和检测PFASs异构体，该方法可应对分离具有相同质荷比但具有不同毒理学性质的线性和支链PFASs异构体时的挑战，在质谱检测前的毫秒内分离气相离子，成为快速分析PFASs同分异构体的有效方法。

5 展望

虽然目前涉及PFASs的检测标准较多，比如美国国家环境保护局的Method 537.1和ASTMD 7979-17、欧盟的《欧盟水框架指令》、中国的国家标准GB 5749—2006、江苏省地方标准DB 32/T4004—2021等，但这些标准所包含的PFASs种类较少，并且传统PFASs分析方法已相对成熟以及部分PFASs被禁用，目前PFASs的分析研究面临的挑战则主要聚焦于如何识别新兴未知的PFASs及其替代产品。

研究者需要为新兴未知的PFASs及其替代产品的分析做出更多努力[29]，开发出能够涵盖更多类别的PFASs及其替代产品的快速、高效、精准的分析方法。为传统的以及新兴的PFASs制定强有力的调查策略和全面的分析检测方案，以弥补由PFASs造成环境污染案件的司法鉴定空白，为环境损害司法鉴定领域中PFASs的污染鉴定和责任分配提供科学方法和理论依据，为保护环境作出贡献。