柱前衍生氣相色譜電子捕獲法同時(shí)檢測(cè)水體中的9種全氟羧酸

夏靜芬　袁凱　楊國(guó)靖　唐力　蘆晨　王冬波　李小明　曾光明

摘要建立了柱前衍生氣相色譜電子捕獲（GCECD）法同時(shí)測(cè)定水中PFBA， PFPeA， PFxA， PFpA， PFOA， PFNA， PFDA， PFUnA及PFDoA等（全稱見(jiàn)正文） 9種全氟羧酸（Perfluorinated carboxylic acids， PFCAs）。使用2，4二氟苯胺（2，4Difluoroaniline， 2，4DFA）為衍生劑， N，N′二環(huán)己基碳二亞胺（N，N′Dicyclohexylcarbodiimide， DCC）為脫水劑， 與PFCAs形成酰胺衍生產(chǎn)物， 衍生產(chǎn)物通過(guò)R5毛細(xì)管色譜柱分離， 并以ECD檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)全氟羧酸衍生化過(guò)程中2，4DFA和DCC用量、衍生反應(yīng)溶劑、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件進(jìn)行了優(yōu)化， 得出最佳衍生化條件。結(jié)果表明， 在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下， 9種PFCAs衍生產(chǎn)物的線性相關(guān)系數(shù)>0.99， 檢出限為0.62～1.38 μg/L， 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為1.3%～7.5%。應(yīng)用本方法對(duì)城市污水中全氟類羧酸進(jìn)行了分析， 城市污水中存在以PFPeA、PFpA和PFOA為主的痕量PFCAs化合物， 實(shí)際樣品的加標(biāo)回收率在84.4%～120.9%之間。本方法穩(wěn)定、可靠、成本低， 能夠滿足水樣中多種全氟羧酸的同時(shí)檢測(cè)的要求， 可為水體中全氟化合物的污染評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞全氟羧酸； 衍生化； 氣相色譜電子捕獲檢測(cè)法； 水體

1引 言

全氟化合物（Perfluorochemicals， PFCs）是一系列人工合成的、與碳原子相連的氫原子全部被氟原子取代的有機(jī)化合物， 因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中含有大量C-F鍵使得它能在環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定地存在[1，2]。PFCs具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、表面活性及既疏水又疏油的特性， 被廣泛應(yīng)用于紙張、紡織品、皮革、地毯等領(lǐng)域中[3]。研究表明， PFCs具有發(fā)育毒性、免疫毒性、內(nèi)分泌干擾等多種生物毒性效應(yīng)；此外， 長(zhǎng)鏈PFCs還具有很強(qiáng)的生物蓄積性及沿食物鏈生物放大的傾向[4～7]。因此， PFCs成為廣泛存在的持久性有機(jī)污染物。

全氟羧酸（Perfluorinated carboxylic acids， PFCAs）是PFCs中的一類典型代表。近年來(lái)， 由于PFCs的廣泛使用， PFCAs大量進(jìn)入環(huán)境， 并在水體[8，9]、土壤[10，11]、大氣[12，13]等各類環(huán)境介質(zhì)中被檢出。PFCAs在水中具有一定的溶解度、解離度和較強(qiáng)的表面活性， 較易蓄積于水體中， 掌握PFCAs在水環(huán)境中的分布特征極為重要。目前， 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都未見(jiàn)水體中PFCAs的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)， 因此， 亟需研究并建立水體中痕量全氟羧酸準(zhǔn)確快捷的檢測(cè)方法。

液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（PLCMS或者PLCMS/MS）由于具有靈敏度高、 檢測(cè)限低、 對(duì)前處理要求不高等優(yōu)點(diǎn)， 是目前檢測(cè)全氟羧酸最常用的技術(shù)， 得到了較深入的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[14～20]。但由于LC系統(tǒng)中潛在的污染問(wèn)題（如密封墊上的含氟聚合物涂層）， 使此技術(shù)難以獲取理想的空白分析結(jié)果， 且檢測(cè)費(fèi)用較高。相對(duì)于液相色譜質(zhì)譜分析法， 氣相色譜法（GC）檢測(cè)成本低， 也更為普及， 但全氟羧酸帶有極性基團(tuán)， 沸點(diǎn)高、難揮發(fā)， 無(wú)法用氣相色譜法直接測(cè)定， 必須經(jīng)過(guò)衍生化步驟轉(zhuǎn)化為具有揮發(fā)性的衍生物。目前， 直接用氣相色譜法分析測(cè)定PFCAs的研究報(bào)道較少， 使用的衍生方法包括酯化衍生化[21，22]、?；苌痆23]、硅烷化衍生化和鹵化衍生化等， 分析對(duì)象多為單種全氟羧酸， 生成的衍生產(chǎn)物穩(wěn)定性有限， 副產(chǎn)物較多[24]。如乙酰氯/甲醇衍生化試劑與全氟辛酸反應(yīng)生成甲酯化產(chǎn)物的效率較高， 但同時(shí)存在甲醚、一氯甲烷和乙酸甲酯等副產(chǎn)物。因此， 選擇合適的衍生化技術(shù)進(jìn)行多種PFCAs的氣相色譜的方法學(xué)研究是PFCs的重要研究方向之一。本研究以2，4二氟苯胺作為衍生化試劑， 通過(guò)酰胺化降低PFCAs極性， 建立了一種柱前衍生氣相色譜電子捕獲檢測(cè)器同時(shí)檢測(cè)水樣中9種PFCAs （C4～C12）的分析方法。此方法衍生效率高， 衍生產(chǎn)物穩(wěn)定， 能夠滿足水樣中多種全氟羧酸的同時(shí)檢測(cè)， 可為水體中全氟化合物的污染評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1儀器與試劑

race 1300氣相色譜儀， 配電子捕獲器（ECD）檢測(cè)器和R5毛細(xì)管色譜柱（7 m × 0.32 mm × 0.25 μm， 美國(guó)hermo Fisher Scientific公司）；12管防交叉固相萃取裝置（美國(guó)SUPELCO公司）；WAX小柱（200 mg， 6 mL， 美國(guó)Waters公司）；大容量采樣管（上海安譜科學(xué)儀器有限公司）；固相萃取小柱連接管（上海安譜科學(xué)儀器有限公司）；MilliQ 型純水器（美國(guó)Millipore 公司）；KL512J水浴恒溫氮吹裝置（北京康林科技有限責(zé)任公司）；SK8200超聲波清洗儀（上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司）；AL104電子天平（梅特勒托利多儀器上海有限公司）。實(shí)驗(yàn)所用的玻璃容器均用正己烷洗凈， 烘干， 除去有機(jī)雜質(zhì)。

全氟丁酸（Perfluorobutyric acid， PFBA）、全氟戊酸（Perfluropentanoic acid， PFPeA）、全氟己酸（Perfluorohexanoic acid， PFxA）、全氟庚酸（Perfluoroheptanoic acid， PFpA）、全氟辛酸（Pentadecafluorooctanoic acid， PFOA）、全氟壬酸（Perfluorononanoic acid， PFNA）、全氟癸酸（Perfluorodecanoic acid， PFDA）、全氟十一酸（Perfluoroundecanoic acid， PFUnA）和全氟十二酸（Perfluorododecanoic acid， PFDoA）的標(biāo)準(zhǔn)品購(gòu)自上海安譜科學(xué)儀器有限公司。2，4二氟苯胺（2，4Difluoroaniline， 2，4DFA）、N，N′二環(huán)己基碳二亞胺（N，N′dicyclohexylcarbodiimide， DCC）、正己烷、乙酸乙酯、甲醇、乙腈、丙酮、甲苯均為色譜純。

2.2溶液的配制

用正己烷配制PFBA， PFPeA， PFxA， PFpA， PFOA， PFNA， PFDA， PFUnA和PFDoA 9種濃度均為0.001 mol/L的PFCAs標(biāo)準(zhǔn)貯備液， 4℃避光保存。準(zhǔn)確移取各PFCAs溶液10 mL， 以正己烷定容至100 mL， 即配制成0.1 mmol/L的混合PFCAs標(biāo)準(zhǔn)使用液， 臨用前根據(jù)需要再稀釋成相應(yīng)濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。同時(shí)， 用正己烷配制0.1 mmol/L的2，4DFA和DCC溶液， 4℃避光保存。

2.3水樣預(yù)處理

將1 L水樣經(jīng)0.45 μm的水相微孔濾膜過(guò)濾后，用1 mol/L NaO調(diào)節(jié)至p 6， 隨后進(jìn)行固相微萃取。安裝WAX小柱， 分別用4 mL含0.5%氨水的甲醇溶液、4 mL甲醇、4 mL高純水依次通過(guò)WAX小柱進(jìn)行活化和平衡。將經(jīng)過(guò)濾后水樣以5 mL/min的流速通過(guò)WAX小柱， 樣品過(guò)柱完畢后， 用4 mL 25 mmol/L醋酸鈉溶液沖洗小柱， 并繼續(xù)抽真空以除去水分；目標(biāo)物依次用4 mL 甲醇、4 mL含0.5%氨水的甲醇溶液淋洗， 收集于具塞玻璃刻度離心管中[25]。淋洗液用高純氮?dú)猓?0℃恒溫水?。┐得撝两桑?加入0.5 mL正己烷， 放置于渦旋振蕩器混合均勻。

2.4衍生化方法

準(zhǔn)確移取適量PFCAs溶液或處理后水樣樣品， 加入2，4DFA和DCC后， 定容于5 mL衍生瓶， 搖勻， 在一定溫度下反應(yīng)一定時(shí)間后， 衍生產(chǎn)物經(jīng)微孔有機(jī)濾膜過(guò)濾后進(jìn)氣相色譜儀測(cè)定。

2.5色譜條件

進(jìn)樣口溫度： 300℃； 升溫程序： 60℃保持1 min， 以2℃/min升至130℃， 保持1 min， 以20℃/min 升溫至300℃， 保持1 min。載氣： 高純氮（純度≥99.99%）；流速1.5 mL/min； 進(jìn)樣方式： 不分流進(jìn)樣； 進(jìn)樣量1 μL。檢測(cè)器溫度： 300℃。

3結(jié)果與討論

3.1衍生化條件的優(yōu)化

PFCAs 含有極性羧基， 不能直接測(cè)定。本研究以2，4DFA為衍生劑， DCC為脫水劑， 并根據(jù)PFCAs碳鏈含有較多的氟原子， 電子捕獲檢測(cè)器（ECD）對(duì)其有很高響應(yīng)的原理，采用GCECD法測(cè)定PFCAs與2，4DFA反應(yīng)生成的酰胺衍生物。

為優(yōu)化衍生條件， 在PFCAs的衍生化反應(yīng)過(guò)程中， 固定其它參數(shù)， 逐一考察2，4DFA和DCC的用量、衍生反應(yīng)的溫度、時(shí)間、溶劑等反應(yīng)條件對(duì)衍生產(chǎn)物生成的影響。

3.1.12，4DFA用量對(duì)衍生效果的影響取10 μL PFCAs標(biāo)準(zhǔn)使用液， 分別加入0， 250， 500， 1000， 2000和4000 μL的2，4DFA及250 μL DCC， 用正己烷定容至5 mL， 渦旋混勻后于10℃振蕩反應(yīng)24 h， 進(jìn)氣相色譜檢測(cè)， 結(jié)果如圖1所示。

結(jié)果表明， PFCAs衍生產(chǎn)物的峰面積隨2，4DFA加入量的增加而增大。這是因?yàn)樵邗０坊磻?yīng)中， 增加2，4DFA的用量可以使PFCAs與2，4DFA充分接觸， 有利于反應(yīng)進(jìn)行， 此結(jié)果與文獻(xiàn)[25]一致。當(dāng)2，4DFA濃度大于1000 μL后， 衍生物的峰面積基本不再隨衍生化試劑濃度的增大而增加， 說(shuō)明衍生反應(yīng)已基本完全， 因此選用的衍生劑2，4DFA的用量為1000 μL。

3.1.2DCC用量對(duì)衍生效果的影響DCC常作為酰胺類反應(yīng)的脫水劑， 本研究取10 μL PFCAs標(biāo)準(zhǔn)使用液， 1000 μL 2，4DFA， 分別加入0， 50， 100， 250， 500和750 μL的DCC溶液后， 用正己烷定容至5 mL， 渦旋混勻， 于10℃振蕩反應(yīng)24 h， 衍生產(chǎn)物峰面積與DCC用量之間的關(guān)系如圖2所示， 未加DCC， 酰胺衍生物的峰面積極??；加入DCC后， 衍生產(chǎn)物峰面積明顯增大， 當(dāng)DCC的用量增加到250 μL后， 衍生化產(chǎn)物峰面積基本穩(wěn)定， 繼續(xù)增加DCC的用量， 衍生產(chǎn)物峰面積略有減小。因此， DCC用量選擇為250 μL。

3.1.3溶劑對(duì)衍生效果的影響2，4DFA和DCC的用量分別選擇1000和250 μL， 其它衍生條件同上， 分別考察了甲醇、丙酮、乙腈、乙酸乙酯、甲苯、二氯甲烷、正己烷等7種溶劑對(duì)PFCAs酰胺衍生產(chǎn)

圖2DCC用量對(duì)衍生效果的影響

Fig.2Effect of N，N′dicyclohexylcarbodiimide （DCC） dosage on derivatization results物衍生效果的影響。如圖3所示， 反應(yīng)溶劑對(duì)PFCAs酰胺化衍生效果影響顯著， 其中甲醇、丙酮和乙腈3種溶劑的衍生化效率最低， 尤其是PFNA、PFDA、PFUnA和PFDoA等長(zhǎng)鏈的全氟羧酸未檢測(cè)到有效的衍生物的色譜峰或色譜峰面積極??；選擇乙酸乙酯為溶劑時(shí)， 衍生化效率稍高， Goebiowski等的研究也顯示在乙酸乙酯反應(yīng)介質(zhì)中能成功地對(duì) PFOA進(jìn)行衍生化[23]， 但本研究發(fā)現(xiàn)其衍生效率低于二氯甲烷、甲苯和正己烷3種溶劑；其中以正己烷為溶劑時(shí)， 除PFPA和PFxA外， 其它PFCAs的衍生產(chǎn)物峰面積均為最大。分析認(rèn)為7種溶劑中丙酮、乙腈、甲醇的極性較大， 甲苯、乙酸乙酯、二氯甲烷極性較小， 正己烷極性最小， 而PFCAs與2，4DFA衍生生成的酰胺類化合物， 其極性較低， 尤其是長(zhǎng)鏈全氟羧酸， 極性更低。根據(jù)相似相容的原理， 衍生化產(chǎn)物的極性與溶劑極性相似時(shí)， 色譜峰面積最大。因此， 本實(shí)驗(yàn)以正己烷為溶劑進(jìn)行衍生化合成。

3.1.4反應(yīng)溫度對(duì)衍生效果的影響取10 μL PFCAs標(biāo)準(zhǔn)使用液， 以正己烷為溶劑， 在最佳衍生劑及脫水劑用量條件下， 于不同反應(yīng)溫度反應(yīng)24 h， 進(jìn)行衍生反應(yīng)溫度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)， 結(jié)果如圖4所示， 在0～10℃， 隨著反應(yīng)溫度升高， PFCAs衍生產(chǎn)物的峰面積增加；溫度繼續(xù)升高至20℃， 峰面積略有下降， 當(dāng)溫度升高至30℃后， 色譜峰面積下降顯著， 這可能是由于溫度過(guò)高導(dǎo)致衍生產(chǎn)物分解或產(chǎn)生副產(chǎn)物所致。因此， 選擇10℃為最佳衍生化反應(yīng)溫度。

3.1.5衍生反應(yīng)時(shí)間對(duì)衍生效果的影響在10℃下， 取10 μL的PFCAs標(biāo)準(zhǔn)使用液， 分別加入1000 μL和250 μL的2，4DFA和DCC溶液， 以正己烷定容于5 mL， 衍生反應(yīng)0.5， 1， 2， 4， 6， 8， 10和24 h 后進(jìn)樣檢測(cè)， 研究衍生反應(yīng)時(shí)間對(duì)衍生效果的影響。結(jié)果表明， 隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)， PFCAs衍生物的峰面積逐漸增大， 當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到8 h后， 衍生產(chǎn)物的峰面積隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加的趨勢(shì)放緩， 在24 h內(nèi)， 衍生產(chǎn)物都非常穩(wěn)定。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明， 衍生反應(yīng)48 h后， 衍生物的峰面積大小與24 h基本一致， 因此， 衍生反應(yīng)時(shí)間可以選擇為8～48 h， 本實(shí)驗(yàn)選擇的衍生反應(yīng)時(shí)間為24 h。

3.1.6振蕩對(duì)衍生效果的影響取10 μL PFCAs標(biāo)準(zhǔn)使用液， 以正己烷為溶劑， 加入最佳量的2，4DFA和DCC溶液， 渦旋混勻后， 分別于10℃在靜置和振蕩條件下衍生反應(yīng)24 h， 研究振蕩對(duì)衍生效果的影響， 每組平行實(shí)驗(yàn)3次。結(jié)果表明， 振蕩和靜置對(duì)衍生化效果影響不大， 相對(duì)而言， 靜置反應(yīng)的峰面積稍大， 這可能是由于振蕩更易發(fā)生副反應(yīng)。

3.2線性方程及方法檢出限

配制PFCAs標(biāo)準(zhǔn)系列工作溶液， 在選定的最佳衍生條件下反應(yīng)24 h后， 用氣相色譜法對(duì)酰胺化衍生物進(jìn)行了分離測(cè)定， 色譜流出曲線見(jiàn)圖5。以待測(cè)物的濃度為橫坐標(biāo)（x， μg/L）， 峰面積（y， Peak area）為縱坐標(biāo)， 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線， 線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表1。 9種PFCAs衍生產(chǎn)物在11～36 min之間出峰， 分離情況良好， PFBA， PFPeA， PFxA， PFpA， PFOA， PFNA， PFDA， PFUnA和PFDoA的保留時(shí)間分別為11.29， 13.89， 16.75， 19.82， 22.98， 26.10， 29.22， 32.26和35.23 min。將線性范圍中下限濃度的各PFCAs溶液平行衍生7次， 用所測(cè)得的峰面積計(jì)算方法的精密度， 各目標(biāo)物的RSD為1.3%～7.5%；以3倍信噪比計(jì)算方法的檢出限， PFCAs的檢出限在0.62～1.38 μg/L之間。

4結(jié) 論

以DCC為脫水劑， 2，4DFA為衍生劑， 合成了全氟羧酸的酰胺化衍生物， 并通過(guò)GCECD法對(duì)PFCAs的衍生化產(chǎn)物進(jìn)行了分離測(cè)定， 對(duì)全氟羧酸衍生化過(guò)程中2，4DFA和DCC用量、衍生反應(yīng)溶劑、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件進(jìn)行了優(yōu)化， 并用于實(shí)際樣品的分析。結(jié)果表明， 污水處理廠廢水中存在以PFPeA， PFpA和PFOA為主的痕量PFCAs化合物， 樣品的加標(biāo)回收率在84.4%～120.9%之間。

AbstractA method for the simultaneous determination of nine perfluorocarboxylic acids （PFCAs） in water by precolumn derivatizationgas chromatographyelectron capture detector （GCECD） was established. PFCAs were firstly converted to amide derivative products using 2，4difluoroaniline （2，4DFA） as derivatizing agent and N，N′dicyclohexylcarbodiimide （DCC） as dehydrating agent. hen the amide derivative products were determined by ECD after separation with R5 capillarycolumn chromatography. he experimental conditions in derivatization of PFCAs were optimized， including the dosage of 2，4DFA and DCC， reaction solvent， reaction temperature and reaction time. he optimal derivatization parameters were obtained. he results showed that the linear correlation coefficients of nine derivative products of PFCAs were higher than 0.99 under the optimized experimental conditions. he limits of detection were 0.62-1.38 μg/L， while the relative standard derivations RSDs were 1.3%-7.5%. he proposed method was applied to the analysis of PFCAs in municipal sewage. It was found that the municipal sewage contained trace PFCAs which mainly existed in the form of perfluoropentanoic acid （PFPeA）， perfloroheptanoic acid （PFpA） and pentadecafluorooctanoic acid （PFOA）. he recoveries of actual samples were between 84.4% and 120.9%. he method was stable and reliable with low cost， and it could meet the simultaneous determination of several PFCAs in water samples. his study provided technical support for the pollution assessment of perfluorinated compounds in water.

KeywordsPerfluorinated carboxylic acids； Derivative reaction； Gas chromatographyelectron capture detector； Water