液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法測定水體、沉積物及土壤中全氟化合物

劉 慶，賀德春，許振成，李 杰，張素坤，潘 浪

1.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070

2.環(huán)境保護部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510655

全氟化合物(PFCs)是指氫原子完全被氟取代的直鏈或支鏈碳氫化合物，碳氟鍵的巨大鍵能，使全氟化合物具有較穩(wěn)定物化性質(zhì)且疏水、疏油。全氟化合物已被廣泛用于生產(chǎn)、生活等各個領(lǐng)域，如紡織、食品包裝、裝璜、滅火劑、洗滌劑等［1］。進入21世紀(jì)，隨著對全氟化合物的關(guān)注，在環(huán)境介質(zhì)［2］及動植物體［3］中不斷檢測出全氟化合物，其中以8個碳的全氟化合物污染為主［4］，全氟化合物的持久污染性及生物積累性，使其在環(huán)境中的關(guān)注程度日益增加。對于全氟化合物的檢測，目前國內(nèi)外有眾多研究［5-7］，但多集于一種環(huán)境介質(zhì)或少數(shù)典型化合物，對于固體及液體中多類全氟化合物同時進行分析方法的研究目前報道較少。該文基于前期研究者的工作基礎(chǔ)［8-9］，對9種全氟羧酸、2種全氟磺酸鹽、2種全氟化合物前體物在水、土壤和沉積物中的前處理方法及儀器檢測方法進行了優(yōu)化，建立了水、土壤和沉積物中3類13種全氟化合物的分析方法。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

1.1.1 標(biāo)準(zhǔn)品及試劑

標(biāo)準(zhǔn)樣品:全氟己酸 (PFHxA)、全氟庚酸(PFHpA)、全氟辛酸 (PFOA)、全氟壬酸(PFNA)、全氟癸酸(PFDA)、全氟十一酸(PFUnA)、全氟十二酸(PFDoA)、全氟十三酸(PFTrDA)、全氟十四酸(PFTeDA)、全氟己烷磺酸(PFHxS)、全氟辛烷磺酸(PFOS)、全氟磺酸甲基銨(NMeFOSAA)、全氟磺酸乙基銨(NEtFOSAA)及同位素標(biāo)記化合物13C4-PFOA、13C4-PFOS、13C2-PFDA、d5-NEtFOSAA、d3-NMeFOSAA 均 購 于 加拿大。

有機溶劑:色譜純甲醇、乙腈;無機試劑:冰醋酸(優(yōu)級純)，氨水(優(yōu)級純，25%)，醋酸銨(色譜純)購于美國。Oasis WAX固相萃取小柱，購于美國。

1.1.2 儀器

液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜儀器(LC/MS/MS):液相系統(tǒng)，Agilent 1260 Infinity快速液相色譜(美國);質(zhì)譜系統(tǒng)，AB SCIEX 4000 Qtrap(美國);MG-2200氮吹儀(日本);12位固相萃取裝置(美國);超聲清洗機SCQ-1000C(中國上海)。

1.2 樣品前處理步驟

1.2.1 水樣前處理

取經(jīng)0.45 μm 尼龍濾膜過濾后的水樣1.0 L，加入內(nèi)標(biāo)物質(zhì)(MPFOA，MPFOS，MPFDA，d3-NEtFOSAA 和 d5-NMeFOSAA，2.0 ng)，調(diào)節(jié) pH 至6.0 ～ 7.0，過 WAX 固相萃取柱預(yù)濃縮［5］，WAX小柱依次用 4.0 mL 0.5%氨的醇溶液、4.0 mL 甲醇、4.0 mL超純水活化，水樣全部過固相萃取柱后，依次用4.0 mL pH=4醋酸鹽緩沖液、10 mL超純水依次淋洗，淋洗完成后繼續(xù)抽真空5.0～10.0 min，再依次用4.0 mL 甲醇、4.0 mL 0.5% 氨的甲醇溶液洗脫，洗脫液用氮吹儀吹至近1.0 mL定容，過0.22 μm尼龍膜后，待上機檢測。

1.2.2 沉積物及土壤前處理

將沉積物或土壤樣品冷凍干燥，研磨并過0.300 mm 孔徑篩，取 1.00 g于聚丙烯(PP)離心管中，加入內(nèi)標(biāo)(MPFOA、MPFOS、MPFDA、d3-NEtFOSAA 和 d5-NMeFOSAA 各 2.0 ng)，渦旋1 min，靜置30 min后，在30℃水浴下進行超聲提取，依次用5.0 mL甲醇萃取3次，每次萃取后，在4 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心10 min，取上清液，將上清液合并后，氮吹至1 mL左右，溶入50.0mL超純水中［6］，按照水樣處理流程凈化富集濃縮后上機測定。

1.3 LC-MS/MS檢測條件

液相系統(tǒng):色譜柱，Phenomenex C8(50 mm×2.00 mm ，3 μm);流動相，A 相5.0 mmol/L 醋酸銨水溶液，B相乙腈;梯度洗脫:0～6.0 min 10% ～90%B;6.0 ～ 6.5 min 90%B;6.6 ～ 10.0 min 10%B，流速 0.5 mL/min;進樣體積 10 μL;柱溫40℃。

質(zhì)譜系統(tǒng):電噴霧離子源，負離子模式(ESI-)，霧化器(N2)，干燥器氣(N2)，載氣，高純液氮(99.99%)，噴霧電壓 4 500 V，多反應(yīng)離子監(jiān)測(MRM)分析，入口電壓 -10.00 V，碰撞室出口電壓-15.00 V，各化合物優(yōu)化的保留時間，MRM離子對，碎裂電壓，碰撞能量見表1。

表1 全氟化合物質(zhì)譜條件

2 結(jié)果與討論

2.1 LC-MS/MS條件選擇

全氟化合物及其前體物(NEtFOSAA、NMeFOSAA)具有表面活性，文獻報道常采用C18反相柱為分離柱［10-11］。本研究比較了3種色譜柱Agilent C18(3.0 mm × 50 mm，2.7 μm)、Agilent C18(2.1 mm × 50 mm，1.8 μm)、phenomenex C8(2.00 mm ×50 mm，3 μm)對 50.0 ng/mL 混標(biāo)的分離效果，結(jié)果表明利用 phenomenex C8(2.00 mm×50 mm，3 μm)色譜柱可以實現(xiàn)13種全氟化合物較好的分離。通過拆除預(yù)柱，可明顯改善色譜峰形。文獻報道［9］，流動相中pH對于化合物的分離影響較大，通過比較，采用5 mmol/L醋酸銨水溶液和100%乙腈作為流動相，在最佳色譜和質(zhì)譜條件下對標(biāo)準(zhǔn)樣品進行測試，色譜圖見圖1。

圖1 13種全氟化合物標(biāo)準(zhǔn)品色譜圖

2.2 樣品前處理方法優(yōu)化

固相萃取條件優(yōu)化，通過比較 HLB、C18、WAX 3種常見的固相萃取小柱對全氟化合物萃取效率結(jié)果表明，對酸性化合物(如全氟羧酸及磺酸鹽)具有高選擇性的WAX小柱固相萃取回收效果最好。固相萃取前需對樣品的pH進行控制，考慮全氟化合物的 pKa值為弱酸性值，如PFOA的pKa=2.8，且WAX固相萃取小柱填料為混合型弱陰離子交換反相吸附劑，填料 pKa=6.0，為了使目標(biāo)物質(zhì)有更穩(wěn)定的回收率，可考慮適當(dāng)調(diào)節(jié)pH至弱酸性，實驗表明，將樣品pH調(diào)至6.0～7.0，13種目標(biāo)全氟化合物固相萃取回收效果最好。

文獻報道［12］，超聲萃取條件優(yōu)化，長時間、高功率的超聲會導(dǎo)致部分目標(biāo)物質(zhì)降解破壞，所以需對超聲時間及功率嚴(yán)格控制。本研究對超聲時間與超聲功率進行了優(yōu)化。

對空白沉積物樣品加入標(biāo)樣后(全氟羧酸、磺酸鹽類添加 10.0 ng，全氟化合物前體物NEtFOSAA、NMeFOSAA 添加20.0 ng)進行超聲，在固定功率下，超聲1～5次，每次超聲10 min，結(jié)果見圖2(a)。結(jié)果表明，在超聲3次的條件下，即超聲30 min，可完全提取固體環(huán)境介質(zhì)中的目標(biāo)PFCs。超聲功率為200～500 W，進行3次超聲萃取，萃取效果見圖2(b)。結(jié)果表明，在功率較低的情況下，目標(biāo)化合物的回收率較差，在300～400 W時萃取效果最佳，繼續(xù)升高功率，穩(wěn)定性較差的全氟化合物前體物回收率有所下降。最終確定超聲萃取最佳功率為400 W，超聲時間為30 min。

2.3 線性范圍、標(biāo)準(zhǔn)曲線及儀器檢出限

用甲醇配制質(zhì)量濃度為 0.01～100μg/L的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，添加內(nèi)標(biāo)物質(zhì) 2 ng(MPFOA，MPFOS，MPFDA，d5-NEtFOSAA、d3-NMeFOSAA)。在最優(yōu)的儀器檢測條件下進行測定，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。各目標(biāo)化合物的線性范圍、標(biāo)準(zhǔn)工作曲線方程及線性相關(guān)系數(shù)見表2。

儀器檢出限的確定，對標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液最低濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)液進行n(n≥5)次重復(fù)測定并定量，計算n次測定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差S，取標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍(3S)作為該目標(biāo)化合物的儀器檢出限。13種全氟化合物儀器檢出限為0.9～15.4 ng/L(見表2)。

2.4 方法檢出限及方法精密度和準(zhǔn)確度

2.4.1 方法檢出限

在選定的最優(yōu)實驗方法和條件下，根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ-168—2010)中方法檢出限的計算方法，通過實驗確定該方法的檢出限。由于空白實驗未檢測目標(biāo)物質(zhì)，需對 7個1.0 L空白水樣、7個1.0 g沉積物樣品及7個1.0 g土壤樣品添加一定量的標(biāo)準(zhǔn)品(11種全氟羧酸及磺酸鹽類添加0.05 ng，2種全氟化合物前體物添加1.0 ng)，按照最優(yōu)樣品分析的方法，進行富集、凈化、上機，計算7次平行測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差，按公式計算其方法檢出限。

式中:MDL為方法檢出限;n為樣品的平行測定次數(shù);t為自由度n-1、置信度99%時的t分布(單側(cè))， n=7時，取3.143;S為n次平行測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖2 土壤及沉積物中全氟化合物在不同超聲條件下的回收率

表2 方法線性范圍、標(biāo)準(zhǔn)曲線及儀器檢出限

方法檢出限結(jié)果見表3。結(jié)果顯示:3種環(huán)境介質(zhì)中，9種全氟羧酸、2種磺酸及其鹽類的方法檢出限較低，水體介質(zhì)為 0.015～0.054 ng/L，沉積物介質(zhì)為 0.004 ～0.048 ng/g，土壤介質(zhì)為0.012～0.33 ng/g;2種全氟化合物前體物在3種環(huán)境介質(zhì)中的方法檢出限較高，分別為0.046 1～0.472 mg/L、0.305 ～ 0.743 ng/g、0.656 ～0.875 ng/g。

表3 水體、沉積物及土壤PFCs方法檢出限

2.4.2 方法精密度與準(zhǔn)確度

對空白水樣、沉積物及土壤進行高低濃度添加回收實驗，空白水樣體積為1.0 L，沉積物及土壤稱取1.00 g。分別加入 10.0 ng 混合標(biāo)準(zhǔn)物、2.0 ng內(nèi)標(biāo)物質(zhì)，進行6個平行樣品的回收率驗證，并計算平行樣品的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果見表4。水介質(zhì)中全氟化合物的回收率除2種全氟化合物前體物(NMeFOSAA、NEtFOSAA)和2種長碳鏈全氟羧酸(PFTeDA、PFTrDA)回收率為 52.3% ～58.7% 外，絕大部分化合物的回收率為75.4% ～108.6%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不高于20.8%;沉積物中全氟化合物回收率為85.3% ～119.3%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不高于20%;土壤中回收率除全氟化合物前體物(NMeFOSAA)回收率為56.8%外，其余 12種目標(biāo)物質(zhì)回收率為91.3% ～108.5%，相對偏差不高于20%，方法的精密度與準(zhǔn)確度符合痕量分析的要求。

3 實際樣品分析

表4 方法精密度與準(zhǔn)確度%

對天津某河流的沉積物及廣州市某村莊土壤樣品，按照實驗分析流程進行測定，結(jié)果表明(表5)，環(huán)境土壤及沉積物中，有一定濃度的全氟化合物污染，土壤的污染較為嚴(yán)重，與相關(guān)文獻報道結(jié)果相符［13］，以PFOA和PFOS含量最高。

表5 沉積物及土壤中全氟化合物含量 ng/kg

4 結(jié)語

建立了水樣、沉積物及土壤中13種全氟化合物的前處理及上機檢測方法，結(jié)果表明，該方法的線性、回收率、檢測限均可滿足環(huán)境中痕量全氟化合物分析的要求，實際樣品檢測表明，河流沉積物及土壤中存在PFCs的痕量污染。結(jié)果與文獻報道趨勢相同，說明該方法對實際樣品的分析具有準(zhǔn)確可靠性。PFCs在環(huán)境中的廣泛分布也應(yīng)引起研究者的廣泛關(guān)注。

［1］Renner R.Growing concern over perfluorinated chemicals［J］.Environmental Science ＆ Technology，2001，35(7):154-160.

［2］Li F，Sun H，Hao Z，et al.Perfluorinated compoundsin Haihe River and Dagu drainage canal in Tianjin，China［J］.Chemosphere，2011，84(2):265-271.

［3］Kato K，Wong L Y，Jia L T，et al.Trends in Exposure to Polyfluoroalkyl Chemicals in the US Population:1999—2008［J］.Environmental Science＆ Technology，2011，45(19):8 037-8 045.

［4］Prevedouros K，Cousins I T，Buck R C，et al.Sources，fate and transport of perfluorocarboxylates［J］.Environmental Science ＆ Technology，2006，40(1):32-44.

［5］冉小蓉，張政祥，張之旭.環(huán)境水中全氟羧酸及全氟磺酸類化合物 (PFCs)的分析［J］.環(huán)境化學(xué)，2009，28(3):459-461.

［6］K?rrman A，Lindstr?m G.Trends，analytical methods and precision in the determination of perfluoroalkyl acids in human milk［J］.TrAC Trends in Analytical Chemistry，2013，46:118-128.

［7］Dufková V，Cabala R，?evcík V.Determination of C5—C12 perfluoroalkyl carboxylic acids in river water samples in the Czech Republic by GC-MS after SPE preconcentration［J］.Chemosphere，2012，87(5):463-469.

［8］Taniyasu S，Kannan K，So M K，et al.Analysis of fluorotelomer alcohols，fluorotelomer acids，and shortand long-chain perfluorinated acids in water and biota［J］.Journal of Chromatography A，2005，1 093(1):89-97.

［9］潘媛媛，史亞利，蔡亞岐.土壤、底泥和活性污泥中全氟化合物的高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析方法［J］.環(huán)境化學(xué)，2010(3):177-181.

［10］Gledhill A，Karman A，Ericson I，et al.超高效液相色譜/電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜 (UPLC/MS/MS)分析全氟代化合物 (PFCs)［J］.環(huán)境化學(xué)，2007，26(5):717-720.

［11］Orata F，Quinete N，Werres F，et al.Determination of perfluorooctanoic acid and perfluorooctane sulfonate in Lake Victoria Gulf water［J］.Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，2009，82(2):218-222.

［12］章濤，孫紅文.液相萃取-高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用測定污泥中的全氟化合物［J］.色譜，2010，28(5):498-502.

［13］Wang T，Chen C，Naile J E，et al.Perfluorinated compounds in water，sediment and soil from Guanting Reservoir， China［J］.Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，2011，87(1):74-79.