液相萃取-高效液相色譜-串聯(lián)質譜聯(lián)用測定污泥中的全氟化合物

章 濤, 孫紅文＊,ALD ER A lfredo C., GERECKE Andreas C.,MüLLER C laudia

(1.南開大學環(huán)境污染過程與基準教育部重點實驗室,天津 300071;2.瑞士聯(lián)邦水科學與技術研究所,杜本多夫 8600,瑞士;3.瑞士聯(lián)邦材料科學與技術研究所,杜本多夫 8600,瑞士)

20世紀 50年代,美國 3M公司利用電化學氟化法首次生產(chǎn)出全氟化合物 (perfluorinated compounds,PFCs)。該類物質因具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、高表面活性及疏水疏油性能而被大量用于化工、紡織、皮革、消防、日用洗滌劑、炊具制造等諸多與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P的生產(chǎn)中[1]。在被廣泛應用的同時,PFCs特別是其典型物質全氟辛烷磺酸鹽 (perfluorooctane sulfonate,PFOS)和全氟辛酸 (perfluorootanoic acid,PFOA)在環(huán)境樣品以及人類與野生動物體內(nèi)被廣泛檢出[2-6]。PFCs具有持久性有機污染物的特征,受到科學界及國際社會的高度關注。2009年 5月 9日聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)表申明,包括 PFOS在內(nèi)的 9種化合物被列入《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》[7]。

污水處理廠被認為是水體環(huán)境中 PFCs的主要來源之一,調(diào)查表明 PFCs在污水處理廠出水中的最高濃度可達到m g/L水平[8]。另外,經(jīng)過污水處理廠處理后,某些 PFCs濃度呈現(xiàn)升高的趨勢,這被歸因為污水中 PFCs的前體物質 (如聚氟調(diào)醇 (fluorotelom er alcohol,FTOH)及全氟辛烷磺酰胺衍生物)的生物轉化[9,10]。因此,對污水處理廠樣品中 PFCs及其前體物質的監(jiān)測對于該類物質在污水處理廠乃至整個水體環(huán)境中的來源和分布的研究十分重要。

目前對污泥中 PFCs的研究不多[11,12],且多數(shù)研究主要針對全氟羧酸 (perfluorocarboxylic acids,PFCAs)及全氟磺酸鹽 (perfluoroalkyl sulfonates,PFSAs),很少有文章涉及它們的前體物質的分析研究。本研究建立了高效液相色譜-串聯(lián)質譜聯(lián)用 (HPLC-MS/MS)技術分析污泥中 7種 PFCAs及其 2種前體物質、2種 PFSAs及其 5種前體物質的方法,并著重對污泥樣品的液相萃取過程中的主要參數(shù)進行了優(yōu)化。

1 實驗部分

1.1 儀器與化學品

Varian1200L HPLC-MS/MS(美國瓦里安公司),配自動進樣器。凈化用 Envi carbon柱 (荷蘭JT B aker公司)。

目標分析物質及內(nèi)標物質標準溶液(純度均高于 95%)購于加拿大 W ellington公司。其中,PFCAs為 11種全氟羧酸類物質(C4～C14)混合標準溶液 (2m g/L)、全氟丁烷磺酸(PFBS)、全氟辛烷磺酸鹽(PFOS)及前體物質全氟辛烷磺酰胺(FOSA)、N-甲基全氟辛烷磺酰胺 (N-M eFOSA)、N-乙基全氟辛烷磺酰胺 (N-EtFOSA)、N-甲基全氟辛烷磺化氨基乙酸(N-M eFOSAA)、N-乙基全氟辛烷磺化氨基乙酸(N-EtFOSAA)、6∶2聚氟調(diào)不飽和酸(6∶2FTUCA)、8∶2聚氟調(diào)不飽和酸(8∶2FTUCA)均為單標,質量濃度為 50m g/L。4種內(nèi)標物質(50m g/L),分別為13C4-PFOA(M PFOA)、13C4-PFOS(M PFOS)、13C2-6∶2FTUCA、d-N-M eFOSA。甲醇及水均為色譜純,購于 Scharlau公司。醋酸銨及醋酸為分析純,購于A lfa Aesar公司。

1.2 樣品前處理

1.2.1 提取

用 15mL-聚丙烯離心管 (PP-tube)取約 0.5g干燥污泥樣品,加入 2.5mL甲醇溶劑對目標物進行萃取。萃取時,先振蕩 10m in,然后在 40℃下超聲 10m in,在 3 500r/m in下離心 8m in。收集上層萃取清液于新的 15mL-PP-tube中。再重復萃取兩次,依次使用 1.5mL和 1.0mL甲醇萃取。收集上層萃取清液,最終得到甲醇萃取液共 5mL。

1.2.2 凈化

以 2滴/s的速度將 5mL水及 5mL甲醇先后通過 Envi carbon柱對其進行活化。將 5mL甲醇萃取液通過活化的 Envi carbon柱,流速為 1滴/s,然后用 5mL甲醇對 Envi carbon柱進行進一步的洗脫 (流速為 2滴/s),最終收集到約 10mL樣品。為了進一步降低基質干擾,保持出峰的穩(wěn)定性以及定量的準確性,在凈化后的樣品中加入氨水和內(nèi)標(按每 1 000mL樣品中加入 400mL0.01% NH4OH水溶液及 10ng(1m g/L)內(nèi)標)。

1.3 色譜-質譜條件

色譜條件:N ucleodur C18G ravity色譜柱 (70 mm×2mm,3μm)。流動相 A:甲醇-水 (95∶5, v/v;含 2.5mm ol/L醋酸銨溶液),流動相B:水-甲醇 (95∶5,v/v;含 2.5mm ol/L醋酸銨溶液);流速: 0.25mL/m in;進樣量:20μL。梯度洗脫程序分為兩組,(1)對 PFCAs及其前體物質 6∶2和 8∶2FTUCA的分析:0～4m in,20%A～50%A;4～14 m in,50%A～75%A;14～15m in,75%A;15～16 m in,75%A～20%A;16～25m in,20%A。(2)對PFBS、PFOS及其前體物質 FOSA、N-M eFOSA、NEtFOSA、N-M eFOSAA、N-EtFOSAA的分析:0～0.8 m in,5%A～60%A;0.8～12.5m in,60%A～100%A;12.5～13.5m in,100%A;13.5～14.5 m in,100%A～5%A;14.5～25m in,5%A。

質譜條件:電噴霧離子源,負離子掃描方式(ESI-);分析 PFCAs及其前體物質 (6∶2/8∶2FTUCA)的噴霧電壓為 -3 000V,離子源溫度為 200℃;分析 PFBS、PFOS及其前體物質的噴霧電壓為 -4 500V,離子源溫度為 350℃。其他參數(shù)見表 1。

表 1 全氟化合物的質譜檢測參數(shù)及定量限Table1 A na lysis p a ram e te rs of m ass spectrom e try and lim its of quan tifica tion(LOQ)of pe rfluorina ted com pounds

2 結果與討論

2.1 HPLC-M S/M S條件的選擇

PFCs(包括 PFCAs和 PFASs)及其前體物質是具有一定表面活性或極性的有機化合物,利用N ucleodur C18G ravity柱可以實現(xiàn)這類物質的分離。由于目標物質多為酸性,因此流動相的離子強度和 pH值對其分離影響較大[13]。本研究在淋洗液中加入 2.5mm ol/L的醋酸銨,可有效調(diào)節(jié)離子強度和pH值,使 16種目標物質在 25m in內(nèi)達到有效分離。淋洗液梯度根據(jù)峰形、物質分離效果及出峰時間穩(wěn)定性而確定。所有質譜條件的選擇采用針泵注射進樣,根據(jù)目標物質的峰高及儀器的限定范圍確定,優(yōu)化的條件列于 1.3節(jié)及表 1中。

2.2 樣品前處理方法的優(yōu)化

加標樣品(50μg/kg,干重)經(jīng)不同條件前處理后,各目標分析物的相對峰面積如圖 1～圖 4所示。本研究中,以相對峰面積 (A分析物/A內(nèi)標物)來表征各目標物質的萃取效率。分別對萃取方法中甲醇的pH值、超聲萃取溫度、超聲萃取時間、樣品凈化后洗脫溶劑體積進行了優(yōu)化。

由圖 1可知,甲醇溶劑的 pH值對萃取效率影響不大,只有N-M eFOSAA在酸性條件下的萃取效率略高于中性和堿性萃取條件。但為了使方法更加簡便,避免 pH值的調(diào)節(jié)步驟,最終采用中性萃取。

圖 1 目標物在不同 pH條件下萃取的相對峰面積F ig.1 Re la tive peak a reas of ta rge t ana lytes ex tracted by the ex traction solven t w ith diffe ren t pH va lues

如圖 2所示,各目標物質的萃取效率受超聲溫度的影響較大,尤其對 PFCAs及 6∶2/8∶2FTUCA,萃取效率隨著溫度的升高而降低;對于 PFSAs及其前體物質,雖然萃取效率隨溫度升高而降低的規(guī)律并不明顯,但 PFBS、PFOS、N-EtFOSA、N-M eFOSAA及N-EtFOSAA在 40℃時的萃取效率均為 3種溫度條件下的最佳,因此選擇超聲溫度為 40℃。

圖 2 目標物在不同萃取溫度下的相對峰面積F ig.2 Re la tive p eak a reas of ta rge t ana lytes ex tracted a t d iffe ren t ex traction temp e ra tu res

各目標物質在選擇的 4個不同超聲時間(5、10、20及 30m in)條件下,其萃取效率并無明顯的變化(見圖 3)?；跍p少前處理過程的耗時及達到萃取溫度所需的加熱時間兩方面的因素,選擇 10m in為最佳的萃取時間。

污泥樣品中背景物質的成分復雜,且濃度很高,樣品定容后往往呈現(xiàn)出黃色或綠色,容易引起儀器分析的基質效應,影響定量的準確性,且降低分離柱的使用壽命[14]。為了消除污泥本底物質帶來的基質影響,本文采用 Envi carbon柱對萃取液進行凈化,凈化后分別用 1、3、5mL甲醇對 Envi carbon柱進行洗脫。結果發(fā)現(xiàn),不同體積的甲醇對大多數(shù)目標物的洗脫效率相當,但對于 PFNA、PFBS、N-M e-FOSAA及N-EtFOSAA,5mL甲醇的洗脫效率明顯高于 1mL和 3mL(見圖 4)。因此最終選擇 5mL甲醇對 Envi carbon柱進行洗脫。

圖 3 目標物在不同萃取時間下的相對峰面積F ig.3 Re la tive peak a reas of ta rge t ana lytes ex tracted w ith diffe ren t ex traction tim es

圖 4 目標物在不同洗脫劑體積下的相對峰面積F ig.4 Re la tive peak a reas of ta rge t ana lytes ex tracted in diffe ren t vo lum es of the e lu tion solven t

2.3 精密度與準確度

目標物質的定量采用內(nèi)標法(每個標準溶液中加 10ng內(nèi)標),4種內(nèi)標物質對應的目標污染物依次為 M PFOA對應 PFCAs,M PFOS對應 PFSAs,13C2-6∶2FTUCA對應 6∶2/8∶2FTUCA,d-N-M eFOSA對應 FOSA、N-M eFOSA、N-EtFOSA、N-M eFOS-AA、N-EtFOSAA。結果表明,多種內(nèi)標物質的使用,有效地消除了由污泥的背景物質帶來的基質影響。標準曲線在目標物質的濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出較好的相關性,除了 8∶2FTUCA(相關系數(shù) r2=0.987 5)之外,r2均大于 0.99。線性范圍為 0.1～20μg/L (PFCAs及 6∶2/8∶2FTUCA)及 0.25～50μg/L (PFSAs及其前體物質),定量限 (LOQ)在 0.6～30 μg/kg(干重)之間。

2.4 回收率及樣品分析

方法的回收率計算采用比較基質匹配曲線(m atrix m atched calibration curve)與標準曲線斜率的方法?；|匹配曲線是通過對一組樣品 (7個,每個約 0.5g)加入不同含量 (2～1 000μg/kg,干重)的目標污染物質,并對加標樣品進行前處理及進樣分析?；|匹配曲線和標準曲線均以各目標物質的 A分析物/A內(nèi)標物為縱坐標,C分析物/C內(nèi)標物為橫坐標。回收率 =100% ×斜率基質匹配曲線/斜率標準曲線。該方法可以更加全面地評價在不同濃度條件下前處理方法的回收率。

將該方法應用于 3個取自瑞士蘇黎世州不同污水處理廠的污泥樣品中全氟化合物的測定,結果見表2。其中大多數(shù)目標物質的加標回收率為 74%～141%,只有 6∶2FTUCA和 8∶2FTUCA的回收率較低,分別為 50%及 53%(加標水平為 10和 100μg/kg (以干重計),每個加標水平測定 3次)。結果顯示, PFOS是污泥中最主要的 PFCs,且含量明顯高于其他目標物質,為 176～1 121μg/kg(干重)。在所有的PFCAs中,PFDA及 PFOA最為主要,其次為 PFDoA及 PFHxA,偶數(shù)碳鏈長度的 PFCAs(例如 PFDA、PFOA、PFDoA及 PFHxA)的含量明顯高于奇數(shù)碳鏈長度的 PFCAs(例如 PFPeA、PFHpA及 PFNA)的含量。另外,6∶2/8∶2FTUCA的含量水平與 PFHxA及PFOA的含量水平最為接近,這些結果也初步表明了FTOH及其相關物質(如 6∶2/8∶2FTUCA)在污泥中經(jīng)生物轉化后生成相對應的偶數(shù)碳鏈長度的 PFCAs,可能是這些物質在污水處理廠中的來源之一。

表 2 污泥樣品＊中目標物質的含量及回收率(n=3)Table2 Concen tra tions of ta rge t ana lytes in sludge samp les＊and recove ries(n=3)

3 結語

經(jīng)過優(yōu)化后,確定了利用甲醇對污泥進行液相萃取法的最優(yōu)參數(shù):在中性條件下,于 40℃下超聲萃取 10m in,采用 Envi carbon柱凈化。該方法快捷而有效。但部分短鏈和長鏈 PFCAs(例如 PFBA (C4)和 PFTeA(C14)),由于沒有與之匹配的內(nèi)標物質,使得回收率很低而未列入本文中。另外,前體物質尤其是N-M eFOSAA和N-EtFOSAA,其較高的LOQ也是本方法應用于環(huán)境樣品測定的一個局限。研究表明,氮吹濃縮樣品體積被認為是能降低LOQ的有效手段,改進的方法正在進一步研究中。

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