賀思思, 史亞利, 蔡亞岐, 張春暉*

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083; 2. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)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(xué)穩(wěn)定性和表面活性等特性,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品和生活消費品中。研究表明,由于PFASs的大量生產(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(diào)聚合成法(telomerization)或電化學(xué)氟化法(electrochemical fluorination, ECF)生產(chǎn)[9]。調(diào)聚合成法主要通過CF2=CF2單元來增加PFASs的碳鏈長度,產(chǎn)物主要為單一化合物[10],而ECF生產(chǎn)的產(chǎn)物為支鏈和直鏈異構(gòu)體的混合物。因此,環(huán)境科學(xué)研究中可利用異構(gòu)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(chǎn)、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(jié)構(gòu)單元的其他物質(zhì)在環(huán)境或者生物過程中轉(zhuǎn)化生成PFASs,這樣的物質(zhì)稱為PFASs前體物。研究發(fā)現(xiàn),含有異構(gòu)體的前體物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化后可以生成相應(yīng)PFASs的直鏈和支鏈異構(gòu)體[11],從而對環(huán)境中PFASs的異構(gòu)體組成產(chǎn)生重要影響。因此PFASs前體物及其本身的異構(gòu)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(gòu)體的結(jié)構(gòu)差異也會導(dǎo)致其理化性質(zhì)、環(huán)境行為、生物累積和毒性效應(yīng)的差異[9],因此異構(gòu)體分析對深入理解PFASs環(huán)境歸趨和效應(yīng)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(zhuǎn)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(diào)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(yīng)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(chǎn)、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(xué)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(guān)PFASs內(nèi)容的動態(tài)發(fā)展表明,PFASs的環(huán)境影響已引起世界關(guān)注?？梢灶A(yù)期,隨著時間推移,以及環(huán)境科學(xué)、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(chǎn)和使用進行限制。但PFASs的獨特性能使其在某些領(lǐng)域起到不可或缺的作用,因此全面禁止其生產(chǎn)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(chǎn)和使用[14]。目前,已在多種環(huán)境介質(zhì)與生物體內(nèi)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(yīng),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P(guān)FASs的樣品前處理和分析方法進行整理總結(jié),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(gòu)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(jié)合MS檢測,如GC-MS、LC-MS/MS等。隨著研究的深入,針對PFASs異構(gòu)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(gòu)體分析。

1.1 前處理方法

1.1.1IPE技術(shù)

IPE技術(shù)是基于目標物質(zhì)和離子對試劑結(jié)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(shù)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(shù),目前該技術(shù)主要用于生物基質(zhì)樣品中PFASs的提取。柳思帆等[20]采用IPE技術(shù)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(shù)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(shù)

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(zhì)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(nèi)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(shù)

SPE技術(shù)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(zhì)加標回收率為50%～111%,內(nèi)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(zhì))的萃取效果。結(jié)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(shù)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(shù)。該技術(shù)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(shù)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(shù)的缺點開發(fā)了在線SPE技術(shù),該技術(shù)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(jié)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(guān)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(jié)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(shù)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(guān)參數(shù)進行優(yōu)化,在20 min內(nèi)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(guān)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(jié)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(shù),選用Betasil C8柱,結(jié)合超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀(UPLC-MS/MS)建立了一種測定血清、血漿和全血3種基質(zhì)中25種不同性質(zhì)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(shù)對比,也得到了較好的結(jié)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(shù),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(zhì)效應(yīng)明顯低于經(jīng)SPE柱處理后的,其中PFHpS的基質(zhì)效應(yīng)相差最大。上述結(jié)果表明,相對于SPE技術(shù),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(jié)合LVI技術(shù)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(shù),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(jié)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(zhì)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(shù)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(chǎn)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(yīng)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(shù)對4種PFCAs進行提取,在負化學(xué)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(guān)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(shù)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(zhì)影響的DLLME技術(shù),通過對萃取劑類型、pH值、提取時間等相關(guān)因素的考察,確定了氟親和性是該技術(shù)進行高選擇性萃取的關(guān)鍵機制。使用該方法對尿液進行萃取,基質(zhì)影響較SPE技術(shù)更小,HPLC-MS/MS分析,自來水、河水與尿液3種基質(zhì)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(shù)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(jié)果表明,方法線性關(guān)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(zhì)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?cè)コ试? min內(nèi)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(zhì)給其新型樣品處理原理、技術(shù)、方法的發(fā)展留下了較大空間,可以預(yù)期新的技術(shù)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(zhì)譜法

早在1999年,Moody等[41]就采用氣相色譜-質(zhì)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(dǎo)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(zhuǎn)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(nèi)的5種衍生劑的衍生效果,最終選定效果較好且衍生雜質(zhì)較少的MSTFA為衍生劑,同時優(yōu)化了反應(yīng)溫度和反應(yīng)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(nèi)線性相關(guān)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(yīng)用于環(huán)境水樣的檢測。

但衍生化反應(yīng)增加了方法的時長和復(fù)雜性,且衍生化產(chǎn)物中可能含有雜質(zhì),進而影響檢測結(jié)果。因此目前GC-MS在典型PFASs的分析中應(yīng)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(zhì),Martin等[41]使用氣相色譜-化學(xué)電離質(zhì)譜技術(shù)(GC-CI-MS)分別在正化學(xué)電離(PCI)和負化學(xué)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(zhì)。

1.2.2液相色譜-質(zhì)譜法

液相色譜-質(zhì)譜分析技術(shù)是當前PFASs分析的主流檢測技術(shù),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(diào)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(zhì)檢測方法的MDL為0.1～10 ng/mL, MQL為0.2～20 ng/mL,中性物質(zhì)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(nèi)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(guān)系和回收率均處于可接受范圍,并將該方法應(yīng)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(shù)。Churchwell等[45]對比了HPLC-MS/MS與UPLC-MS/MS的性能差異,結(jié)果表明，在檢測同種物質(zhì)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(gòu)體分析方法

無論PFASs本身還是其前體物質(zhì),其異構(gòu)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(gòu)體種類、結(jié)構(gòu)、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(zhì)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(gòu)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(zhì)中PFOS異構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(zhì)譜技術(shù)在PFASs分析檢測中的應(yīng)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(gòu)體分析中發(fā)揮重要作用。鑒于當前環(huán)境科學(xué)界對污染溯源和異構(gòu)體特異性環(huán)境行為研究的高度重視,可以預(yù)期,GC-MS和GC-HRMS技術(shù)在PFASs環(huán)境分析中的應(yīng)用將會更為廣泛。

除上述使用GC-MS進行異構(gòu)體分離外,使用LC-MS/MS技術(shù)對PFASs異構(gòu)體進行分析的技術(shù)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(gòu)體的分離,并成功應(yīng)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(chǔ)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(gòu)體進行分離,將色譜分析時間減少至23 min,并成功應(yīng)用于垃圾滲濾液的檢測,但滲濾液中的PFHxS異構(gòu)體缺乏標準品,無法進行準確定量。在此基礎(chǔ)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(gòu)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(gòu)體的分離效果,結(jié)合UHPLC-MS/MS進行分析檢測,發(fā)現(xiàn)Epic FO-LB柱在29 min內(nèi)對所有異構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(yīng)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(gòu)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(gòu)體和手性異構(gòu)體進行了分離,結(jié)合GC-NCI-MS在標準品中檢測到8種PFOA異構(gòu)體,其中至少4種是手性異構(gòu)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(zhì)的分析對研究環(huán)境或生物體內(nèi)PFASs的來源十分關(guān)鍵。不同前體物質(zhì)最終生成的PFASs不同[55],如FOSAs、FOSEs等前體物轉(zhuǎn)化后主要生成PFSAs,而FTOHs、PFIs等主要轉(zhuǎn)化為PFCAs。

郭萌萌等[56]采用固相萃取技術(shù),結(jié)合液相色譜-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質(zhì)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(jié)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(yīng)用于實際樣品的檢測。Rewerts等[57]使用瓶內(nèi)萃取-大體積進樣-氣相色譜-質(zhì)譜法(CSR-LVSI-GC-MS)對5類21種全氟化合物前體物質(zhì)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(zhì)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(zhì),且通常由ECF生產(chǎn),具有諸多異構(gòu)體,因此PFOSA的異構(gòu)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(gòu)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(gòu)體。此外,他們利用核磁共振氟譜(19F-NMR)對異構(gòu)體結(jié)構(gòu)進行了鑒定,最終根據(jù)結(jié)構(gòu)確定各異構(gòu)體的特征子離子,定量分析了各異構(gòu)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(zhì)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(zhì)在HLB柱進行回收過程中產(chǎn)生損耗的原因,Dimzon等[59]研究了11種前體物質(zhì)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(zhì)分配在空氣中,且在空氣與水中的總回收率為80%～140%,這一結(jié)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(zhì)的揮發(fā)性及疏水性吸附造成。

2.2 未知PFASs前體物質(zhì)

除結(jié)構(gòu)較為確定的部分PFASs前體物質(zhì)外,仍存在大量無法確認結(jié)構(gòu)的前體物質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)進行氧化,通過對C8和C6的PFAA前體物質(zhì)(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(zhì)均可轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhì);對方法性能進行評價,發(fā)現(xiàn)在0.025～25 μg/L范圍內(nèi),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(zhì)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(xùn)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(zhì)中前體物質(zhì)含量存在差異。

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

3 新型PFASs篩查

3.1 高分辨質(zhì)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(zhì)一般可通過目標篩查來確定其分子結(jié)構(gòu),直接通過目標物質(zhì)的色譜保留時間、母離子和子離子質(zhì)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(jié)構(gòu)后,采用高分辨質(zhì)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(zhì)譜解析分子結(jié)構(gòu),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(zhì)譜掃描得到所需數(shù)據(jù),通過對全掃描質(zhì)譜的分析,篩選可疑化合物,由精確相對分子質(zhì)量和元素組成推測分子結(jié)構(gòu),再結(jié)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(jié)構(gòu),通過碎片質(zhì)量進行分析,再結(jié)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(jié)合高分辨質(zhì)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(chǔ)上,對消防訓(xùn)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(zhì)及全氟磺胺類物質(zhì)等,該研究方法可對PFSAs和PFCAs進行定量,對其他物質(zhì)可使用結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)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(guān)系良好(r2>0.99)。Liu等[66]利用LVI,結(jié)合高效液相色譜-線性離子阱靜電場軌道阱高分辨質(zhì)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(zhì)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(guān)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(chǔ)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(nèi)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(fēng)險的考慮,未知PFASs的檢出及分辨已成為必不可少的研究內(nèi)容,而高分辨質(zhì)譜對未知PFASs的結(jié)構(gòu)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(guān)數(shù)據(jù)庫也在不斷完善,相關(guān)分子結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhì)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(fēng)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(zhì)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(jié)合,對提取出的F-進行檢測,經(jīng)加標實驗表明IPE技術(shù)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(chǔ),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(shù),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(yīng)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(jié)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。基于Wagner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(zhì)譜(inductively coupled plasma tandem mass spectrometry, ICP-MS/MS),通過測定Ba2+與F-結(jié)合產(chǎn)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(zhì)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(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但此前在未知含氟有機物的分析領(lǐng)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(jié)論與展望

本文總結(jié)了PFASs的前處理方法,以及異構(gòu)體、前體物質(zhì)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(shù)均可能會影響檢測結(jié)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(shù)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(fù)雜化、PFASs生產(chǎn)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(xué)研究、環(huán)境評價和環(huán)境管理的技術(shù)支撐。今后PFASs相關(guān)研究應(yīng)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(shù),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(yīng)研究提供技術(shù)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(shù)高度融合,實現(xiàn)技術(shù)原理新突破;加強氟化學(xué)工業(yè)原料、中間體、產(chǎn)品和廢料的分析技術(shù)研究,為PFASs工業(yè)過程分析和污染控制提供支撐。