張雨奇,于靖,俞艷文,王康,吳婷*,杜一平

(1.華東理工大學(xué)分析測(cè)試中心,上海 200237;2.上海海關(guān)工業(yè)品與原材料檢測(cè)技術(shù)中心,上海 200135)

全氟化合物(PFCs)是化合物分子中與碳原子連接的氫原子完全被氟原子所取代的一類(lèi)有機(jī)化合物。C－F 鍵具有極高極性和鍵能(約110 kJ·mol－1),使PFCs在水解、代謝、光解和其他形式的降解中具有熱力學(xué)穩(wěn)定性和高度耐受性。相關(guān)研究表明,在長(zhǎng)期的環(huán)境遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程中,PFCs最終降解產(chǎn)物以全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)為主,PFOS和PFOA 由于自身的廣泛應(yīng)用,成為PFCs在環(huán)境介質(zhì)中檢出頻率最高的兩種物質(zhì)[1]。很明顯,PFCs已經(jīng)成為新出現(xiàn)的環(huán)境污染物,而且在職業(yè)暴露人群的流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果中顯示,血液中高濃度水平的PFOA 可以造成膽固醇和尿酸含量升高,但是并沒(méi)有確鑿證據(jù)表明它們會(huì)引發(fā)后續(xù)的心腦血管疾病[2]。高濃度水平的PFOA還可以提高人血液中肝酶的濃度水平[3]。此外,對(duì)美國(guó)普通成年人的健康調(diào)查顯示,與健康人群相比,患有甲狀腺疾病的人群體內(nèi)存在更高濃度水平的PFOS和PFOA[4]。作為PFOS的替代品,全氟丁烷磺酸(PFBS)的使用逐漸增加,導(dǎo)致其在環(huán)境中已普遍存在。文獻(xiàn)[5]報(bào)道PFBS可以有效破壞甲狀腺內(nèi)分泌腺,從而導(dǎo)致視覺(jué)功能受損。因此,它們的監(jiān)測(cè)對(duì)于促進(jìn)環(huán)境管理和人類(lèi)身體健康至關(guān)重要。

基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF MS)具有樣品制備簡(jiǎn)單、分析快速、靈敏度高、耐鹽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。自從20 世紀(jì)80 年代以來(lái),MALDI一直被廣泛應(yīng)用于大分子物質(zhì)的檢測(cè),比如蛋白質(zhì)[6]、多糖[7]、脫氧核糖核酸(DNA)/核糖核酸(RNA)[8]、聚合物[9],甚至是細(xì)菌[10]。盡 管MALDI-TOF MS的高通量性使其成為分析這些物質(zhì)的強(qiáng)有力工具,但其在小分子領(lǐng)域的應(yīng)用受到了相當(dāng)大的限制,因?yàn)槌Ｓ玫挠袡C(jī)基質(zhì)會(huì)產(chǎn)生大量的與基質(zhì)相關(guān)的干擾離子[11],從而使相對(duì)分子質(zhì)量低的分析物的檢測(cè)變得模糊不清,如檢測(cè)酸類(lèi)化合物的常用基質(zhì)9-氨基吖啶(9-AA)用于檢測(cè)PFCs時(shí),背景干擾嚴(yán)重。近些年來(lái),許多無(wú)機(jī)材料如石墨烯[12-13]、金屬氧化物納米材料[14]以及多孔硅材料[15]已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)作為替代基質(zhì)。金屬共價(jià)有機(jī)骨架可以用作吸附劑和基質(zhì),以實(shí)現(xiàn)對(duì)PFCs的快速分析[16]。這些材料雖然可以實(shí)現(xiàn)基質(zhì)離子的低碎片化,但是合成復(fù)雜、價(jià)格昂貴。因此,需要持續(xù)開(kāi)發(fā)新的無(wú)干擾基質(zhì),以用于MALDI-TOF MS分析小分子。

本工作開(kāi)發(fā)了一種新型含氟基質(zhì),提出了全氟磺酸的MALDI-TOF MS定性和定量分析方法,并用于包裝材料中PFOS和PFBS的定量分析,可為該類(lèi)物質(zhì)的定性定量分析提供新的解決方案。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

AB Sciex 4800 plus MALDI TOF/TOF 型基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜儀;Vortex-Genie 2 型渦旋振蕩儀;AB135-S/FACT 型電子分析天平;B2510E 型超聲波清洗機(jī);Mill-Q 型超純水儀。

PFOA 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液:10 g·L－1,稱(chēng)取適量的PFOA 標(biāo)準(zhǔn)品溶于甲醇中,配制成質(zhì)量濃度為10 g·L－1的PFOA 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液。同理,制得相同質(zhì)量濃度的PFOS標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液和全氟丁烷磺酸鉀標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液。

內(nèi)標(biāo)溶液:300 mg·L－1,稱(chēng)取適量的內(nèi)標(biāo)二十一烷酸溶于乙醇中,配制成質(zhì)量濃度為300 mg·L－1的內(nèi)標(biāo)溶液。

十五烷酸、十七烷酸、十九烷酸、二十一烷酸混合標(biāo)準(zhǔn)溶液:0.5 g·L－1,稱(chēng)取適量的十五烷酸、十七烷酸、十九烷酸、二十一烷酸溶于體積比1∶1的異丙醇-乙腈混合液中,配制成質(zhì)量濃度為0.5 g·L－1的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,待用。

9-AA 的純度不小于99.5%;3,3′-二氟二苯甲酮的純度為 99%;甲基三苯基溴化膦(Ph3PCH3Br)、PFOA、PFBS、PFOS標(biāo)準(zhǔn)品的純度均不小于98%;全氟丁烷磺酸鉀標(biāo)準(zhǔn)品、1,6-二苯基-1,3,5-己三烯(DPH)的純度為98%;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的三氟乙酸(TFA)溶液;α-氰基-4-羥基肉桂酸(CHCA)為色譜純;乙腈、四氫呋喃(THF)為分析純;試驗(yàn)用水為超純水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 新型基質(zhì)1,1-二(3-氟苯基)乙烯的合成

根據(jù)文獻(xiàn)[17],在無(wú)水條件下,在圓底燒瓶中加入Ph3PCH3Br(11.5 g,32 mmol)、叔丁醇鉀(t-Bu OK,6.3 g,56 mmol)和THF(40 mL),反應(yīng)混合物在氮?dú)夥諊惺覝財(cái)嚢?0 min,將雙(3-氟苯基)甲酮(3.4 g,15.7 mmol)溶于THF(20 mL)中,并緩慢加入反應(yīng)混合物中。室溫?cái)嚢柽^(guò)夜后,用飽和氯化銨溶液進(jìn)行淬滅。分離有機(jī)層,用乙酸乙酯萃取水層。有機(jī)層用飽和氯化鈉溶液洗滌,再用無(wú)水硫酸鈉干燥,過(guò)濾。濾液減壓濃縮,用硅膠柱層析法純化,得到1,1-二(3-氟苯基)乙烯(EDF)。合成路線圖見(jiàn)圖1。純化后的產(chǎn)物用核磁共振氫譜(1H NMR)和配有電子轟擊離子源的質(zhì)譜(EI-MS)進(jìn)行表征。

圖1 EDF的合成路線Fig.1 Synthetic route of EDF

1.2.2 樣品中全氟磺酸的提取

將食品級(jí)包裝材料漢堡包裝紙剪成0.5 cm×0.5 cm 的碎片,稱(chēng)取100.00 mg置于10 mL帶蓋玻璃瓶中,加入甲醇5 mL,并設(shè)置了空白甲醇對(duì)照組。將玻璃瓶放置在超聲波清洗儀中,于室溫超聲2 h。超聲結(jié)束后,過(guò)0.22μm 濾膜,將濾液收集至5 mL玻璃瓶中,待用。

1.2.3 MALDI-TOF MS分析

稱(chēng)取適量EDF 溶于二氯甲烷中,渦旋振蕩5 min,配制成1 g·L－1的EDF基質(zhì)溶液。采用逐層點(diǎn)樣的方法,移取0.6μL 的EDF 基質(zhì)溶液快速點(diǎn)在不銹鋼靶板圓點(diǎn)處,自然干燥后,再移取0.8μL待測(cè)樣品溶液點(diǎn)在不銹鋼靶板的相同位置,待其自然揮干后進(jìn)行MALDI-TOF MS分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 基質(zhì)EDF的表征

試驗(yàn)對(duì)制備的新型基質(zhì)EDF進(jìn)行1H NMR 和EI-MS表征。圖2(a)為基質(zhì)EDF 的1H NMR圖,1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:7.31(dd,J＝14.9,7.6 Hz,2H),7.10(d,J＝7.8 Hz,4H),6.98～7.06(m,2 H),5.51(s,2 H),與EDF 的理論氫譜相符。在圖2(b)EI-MS譜圖中可看到分子離子峰質(zhì)荷比(m/z)216.074 9,與理論 計(jì)算C14H10F2的[M－e]＋m/z216.074 5的相對(duì)誤差僅1.8×10－6,同時(shí)多個(gè)碎片離子峰也進(jìn)一步證實(shí)了EDF 的合成。

圖2 EDF的1 H NMR 譜圖和EI-MS譜圖Fig.2 1 H NMR spectrum and EI-MS spectrum of EDF

2.2 基質(zhì)性能考察

將EDF基質(zhì)應(yīng)用于全氟磺酸的MALDI-TOF MS檢測(cè)中,可獲得背景干凈的質(zhì)譜圖。圖3(a)為在1 g·L－1EDF基質(zhì)條件下,0.5 g·L－1全氟丁烷磺酸鉀(其在檢測(cè)體系中即為PFBS,以下均稱(chēng)為PFBS)、0.5 g·L－1PFOS以及5 g·L－1PFOA 的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的MALDI-TOF MS譜圖,圖中可看出該基質(zhì)能極大地改善常規(guī)有機(jī)基質(zhì)在低相對(duì)分子質(zhì)量端的背景干擾。相對(duì)于離子化效果更好的PFOS,PFOA 也同樣在EDF 這種基質(zhì)中被檢測(cè)到,而且無(wú)背景干擾峰?；趯?duì)全氟磺酸的優(yōu)良檢測(cè)性能,試驗(yàn)還將該基質(zhì)應(yīng)用于其他酸性化合物的MALDI-TOF MS檢測(cè)中。圖3(b)為在1 g·L－1EDF基質(zhì)條件下,0.5 g·L－1的十五烷酸、十七烷酸、十九烷酸、二十一烷酸混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的MALDITOF MS譜圖,可以看到在EDF 基質(zhì)下這些脂肪酸均能獲得信噪比良好的MALDI-TOF MS譜圖,且同樣無(wú)基質(zhì)和背景干擾峰。由此可見(jiàn),EDF 基質(zhì)不僅可以實(shí)現(xiàn)各種酸性小分子的MALDI-TOF MS檢測(cè),同時(shí)可以顯著改善低相對(duì)分子質(zhì)量端的背景干擾。

圖3 典型的MALDI-TOF MS譜圖Fig.3 Typical MALDI-TOF MS spectra

在后續(xù)試驗(yàn)研究及定量方法建立中,均以PFOS和PFBS為研究對(duì)象進(jìn)行探討。

試驗(yàn)將3種常見(jiàn)的用于小分子酸性物質(zhì)檢測(cè)的有機(jī)基質(zhì)(CHCA、9-AA 和DPH[18])和開(kāi)發(fā)的EDF基質(zhì)應(yīng)用在全氟磺酸PFOS 和PFBS 的MALDITOF MS檢測(cè)中,并進(jìn)行了結(jié)果對(duì)比。

稱(chēng)取適量CHCA 溶于含0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))TFA 的體積比1∶1的乙腈-水混合液中,稱(chēng)取適量DPH 溶于THF 中,稱(chēng)取適量9-AA 溶于體積比2∶3的異丙醇-乙腈混合液中,稱(chēng)取適量EDF 溶于二氯甲烷中;渦旋振蕩5 min,均配制成10 g·L－1的基質(zhì)溶液。采用逐層點(diǎn)樣的方法,移取0.6μL上述基質(zhì)溶液快速點(diǎn)在不銹鋼靶板圓點(diǎn)處,以二氯甲烷為溶劑的EDF基質(zhì)溶液迅速揮干,因其沸點(diǎn)低以及移取的量少,正好覆蓋圓點(diǎn)的范圍。其他基質(zhì)在室溫下自然干燥后,再移取0.8μL待測(cè)樣品溶液點(diǎn)在不銹鋼靶板的相同位置,待其自然揮干后,進(jìn)行MALDI-TOF MS分析。

結(jié)果顯示,在4種基質(zhì)中,含量較高的全氟磺酸可以獲得類(lèi)似的檢測(cè)結(jié)果,但在含量較低的全氟磺酸的檢測(cè)中EDF 顯示出其獨(dú)特的背景消除效應(yīng)。圖4為10μg·L－1的PFOS和PFBS混合標(biāo)準(zhǔn)溶液在4種基質(zhì)條件下的MALDI-TOF MS譜圖,除了EDF能獲得信噪比可觀的干凈的MALDI-TOF MS譜圖外,其他3種基質(zhì)(CHCA、9-AA、DPH)檢測(cè)的質(zhì)譜圖中均有嚴(yán)重的背景干擾峰,會(huì)給后續(xù)的分析帶來(lái)困難。

圖4 10μg·L－1的PFOS和PFBS混合標(biāo)準(zhǔn)溶液在4種基質(zhì)下的MALDI-TOF MS譜圖Fig.4 MALDI-TOF MS spectra of 10μg·L－1 PFOS and PFBS mixed standard solution under four matrices

進(jìn)一步采用密度泛函理論計(jì)算4種不同基質(zhì)和PFOS之間的相互作用力,結(jié)果發(fā)現(xiàn),EDF與PFOS的共結(jié)晶在激光作用下解離出全氟辛烷磺酸陰離子時(shí)所需的能量最低,其相互作用示意圖及所需的能量見(jiàn)圖5?？紤]到后續(xù)實(shí)際樣品的分析中所含全氟磺酸的含量極低,EDF可以作為后續(xù)分析全氟磺酸的理想基質(zhì)。

圖5 4種基質(zhì)與PFOS之間相互作用力的理論計(jì)算Fig.5 Theoretical calculation of the interaction force between four matrices and PFOS

2.3 基質(zhì)使用條件的優(yōu)化

由于每種基質(zhì)均有其合適的使用條件,如點(diǎn)樣方式、基質(zhì)質(zhì)量濃度等,因此找到合適的基質(zhì)使用條件對(duì)于分析全氟磺酸也是至關(guān)重要的。

2.3.1 點(diǎn)樣方式

對(duì)于傳統(tǒng)有機(jī)基質(zhì)來(lái)說(shuō),點(diǎn)樣方式分為逐層點(diǎn)樣和混合點(diǎn)樣兩種。逐層點(diǎn)樣是先鋪分析樣品,待其自然揮干之后再點(diǎn)基質(zhì)于MALDI靶板上,或是先鋪上基質(zhì),待其干燥后再鋪上分析樣品于MALDI靶板上。而混合點(diǎn)樣則是先將基質(zhì)與待測(cè)的分析樣品均勻混合之后再一起點(diǎn)在MALDI靶板上進(jìn)行分析。如圖6所示,逐層點(diǎn)樣相較于混合點(diǎn)樣信號(hào)強(qiáng)度有明顯提升。因此,為了保證更好的試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)選擇逐層點(diǎn)樣的方式。

圖6 點(diǎn)樣方式對(duì)PFOS和PFBS信號(hào)強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of spotting method on the signal intensity of PFOS and PFBS

2.3.2 基質(zhì)質(zhì)量濃度

傳統(tǒng)基質(zhì)的質(zhì)量濃度一般配制為10 g·L－1,略高于樣品質(zhì)量濃度,這樣足以保證樣品中分析物的離子化程度,對(duì)于一種新的基質(zhì),其質(zhì)量濃度對(duì)于分析物信號(hào)的影響也是需要考察的。如圖7所示,EDF基質(zhì)在分析全氟磺酸時(shí)信號(hào)強(qiáng)度最好的質(zhì)量濃度為1 g·L－1,相較于常規(guī)的10 g·L－1,信號(hào)強(qiáng)度提升了3 倍以上。這可能跟基質(zhì)本身的性狀有關(guān),EDF在常溫下為液體,而非固體狀態(tài),當(dāng)使用較高質(zhì)量濃度的EDF 時(shí),基質(zhì)干燥不是很徹底,影響了離子傳輸效率,而質(zhì)量濃度降低后,基質(zhì)和樣品能較快地干燥并形成共結(jié)晶,有助于樣品中分析物的離子化。因此,試驗(yàn)選取的EDF 基質(zhì)質(zhì)量濃度為1 g·L－1。

圖7 EDF基質(zhì)質(zhì)量濃度對(duì)PFOS和PFBS信號(hào)強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of mass concentration of EDF matirx on the signal intensity of PFOS and PFBS

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

配制含有PFOS和PFBS(質(zhì)量濃度分別為20,50,100,200,250 μg·L－1)和內(nèi)標(biāo)二十一烷酸(300 mg·L－1)的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,按儀器工作條件測(cè)定。以全氟磺酸的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),全氟磺酸與內(nèi)標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度比值為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。在最佳的試驗(yàn)條件下(EDF 基質(zhì)質(zhì)量濃度1 g·L－1,逐層點(diǎn)樣)進(jìn)行MALDI-TOF MS檢測(cè),內(nèi)標(biāo)法定量。結(jié)果表明,PFOS 和PFBS 標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍均為20～250μg·L－1,線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 線性參數(shù)Tab.1 Linearity parameters

在最佳的試驗(yàn)條件下(EDF 基質(zhì)質(zhì)量濃度1 g·L－1,逐層點(diǎn)樣)對(duì)PFOS和PFBS的檢出限進(jìn)行考察,如圖8所示。按照3倍信噪比(S/N)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度作為檢出限(3S/N),10倍信噪比對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度作為測(cè)定下限(10S/N),得到PFOS和PFBS的檢出限均為1μg·L－1,測(cè)定下限均為5μg·L－1。

圖8 PFOS和PFBS的檢出限Fig.8 Detection limits of PFOS and PFBS

2.5 包裝紙中全氟磺酸的測(cè)定

根據(jù)歐盟于2006年發(fā)布的《關(guān)于限制全氟辛烷磺酸的銷(xiāo)售和使用》(2006122EC)法令規(guī)定,不得銷(xiāo)售和投放含有以PFOS為構(gòu)成物質(zhì)或要素的、質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于0.005%的物質(zhì);不得銷(xiāo)售含有PFOS質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.1%的成品、半成品及零部件,按照1.2節(jié)的方法提取,通過(guò)換算得出,所提取出來(lái)的檢測(cè)樣品溶液中PFOS的質(zhì)量濃度不得超過(guò)1 mg·L－1。將該新型基質(zhì)EDF 應(yīng)用于實(shí)際包裝紙中全氟磺酸的定性定量分析中,發(fā)現(xiàn)在所購(gòu)包裝紙中未檢出PFOS和PFBS,即其質(zhì)量濃度低于該方法的測(cè)定下限(5 μg·L－1),說(shuō)明該包裝紙符合2006122EC的法令。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確度,對(duì)樣品中PFOS和PFBS進(jìn)行3個(gè)不同濃度水平的加標(biāo)回收試驗(yàn),計(jì)算回收率和測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD,n＝7),所得測(cè)定值的RSD 在30%以?xún)?nèi),回收率結(jié)果如表2所示。

表2 回收試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of test for recovery

結(jié)果表明,PFOS 和PFBS 的加標(biāo)回收率為90.3%～108%。

本工作合成了一種可用于酸性化合物檢測(cè)的新型基質(zhì)EDF,尤其是對(duì)PFOS和PFBS有著良好的檢測(cè)效果,背景干凈,無(wú)基質(zhì)干擾峰,可達(dá)到1μg·L－1的檢出限。進(jìn)一步建立了PFOS和PFBS的標(biāo)準(zhǔn)曲線,在20～250μg·L－1內(nèi)相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.997 2和0.989 5。對(duì)于實(shí)際樣品的分析,得到的加標(biāo)回收率在90.3%～108%內(nèi),證明了該方法的可靠性。