超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法測定表層水中全氟及多氟化合物

劉曉雷 劉 婕 郭 睿 趙興茹 申金山

1(河北師范大學(xué)，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，河北，石家莊 050024)2(中國環(huán)境科學(xué)研究院，國家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地環(huán)境保護(hù)重點實驗室, 北京 100012)

1 引 言

全氟化合物(PFASs)因其良好的化學(xué)穩(wěn)定性和高表面活性，被廣泛用于紡織、皮革、殺蟲劑、工業(yè)生產(chǎn)和消費品中[1]。由于其廣泛應(yīng)用，表層水[2]、沉積物[3]、人類血液[4]等環(huán)境介質(zhì)中均有檢出，檢出的含氟化合物類型包括如全氟烷基膦酸(PFPAs)、全氟烷基次膦酸(PFPis)和多氟烷基膦酸二酯(diPAPs)等，其中diPAPs在食品包裝紙[5]和人類血清[6]中均有檢出。研究表明，食品包裝紙中的diPAPs可通過與食品接觸進(jìn)入食物從而進(jìn)入人體[7]。

PFASs具有疏水疏油性質(zhì)，在水中的溶解度約為0.57～46.2 g/L，因此水是其在自然界中存在的重要介質(zhì)[8,9]。目前水中PFASs的萃取一般選用WAX和HLB柱，HLB柱對長碳鏈的全氟烷基羧酸(PFCAs)有較好萃取效果[10]，WAX柱對水中PFCAs及PFSAs有較好的回收率[11]，也可用于提取表層水中PFPAs及全氟辛酸(PFOS)[12]。文獻(xiàn)中多用WAX柱富集水中PFCAs和全氟烷基磺酸(PFSAs)[13]、PFPAs[12]以及diPAPs[14]，但WAX柱活化和洗脫過程均不同。水中PFCAs、PFSAs、PFPAs、PFPis和diPAPs五類化合物同時提取和分析的報道較少，研究水中多類PFASs同時提取和分析的方法可節(jié)省樣品用量、溶劑用量， 提高檢測率并降低對環(huán)境的危害，具有重要的實際意義。

本研究通過優(yōu)化固相萃取及儀器分析條件，建立了表層水中PFCAs、PFSAs、PFPAs、PFPis和diPAPs等23種化合物同時提取分析的方法。本方法簡便，靈敏度高，重現(xiàn)性好，可滿足環(huán)境樣品中PFASs分析的需要。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

ACQUITY超高效液相色譜-串聯(lián)四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀(UPLC-MS/MS, 美國Waters公司); Milli-Q超純水機(jī)(美國Millipore公司); GM-0.33A真空泵(中國津騰公司); 12位固相萃取裝置(美國Supelco公司); 0.45 μm混合纖維素濾膜(英國Whatman公司); 150 mg Oasis WAX固相萃取柱(美國Waters公司)。

甲醇(MeOH)、乙腈(ACN)、乙酸銨(NH4AC)、乙酸(HAC)(色譜級，美國Fisher公司); NH4OH(色譜級，上海安譜公司); 四丁基硫酸氫銨(TBAS, 色譜級，美國JT Baker公司)。

標(biāo)準(zhǔn)品和內(nèi)標(biāo)物: 目標(biāo)物包含11種PFCAs、4種PFSAs、3種PFPAs、3種PFPis和2種diPAPs。11種內(nèi)標(biāo)包含13C4-PFBA、13C2-PFHxA、13C4-PFOA、13C5-PFNA、13C2-PFDA、13C2-PFUnA、13C2-PFDoA、18O2-PFHxS、18O2-PFOS、13C2-6∶2 diPAP和13C2-8∶2 diPAP。23種標(biāo)準(zhǔn)品(目標(biāo)物)如表1所示。標(biāo)準(zhǔn)品儲備液濃度為2 μg/mL，內(nèi)標(biāo)儲備液濃度為250 ng/mL，溶劑為甲醇。本實驗所用標(biāo)準(zhǔn)品和內(nèi)標(biāo)物均購于加拿大Wellington實驗室，純度均高于98%。

表1 目標(biāo)物質(zhì)譜參數(shù)

Table 1 Mass spectrometry parameters for detection of target analytes

化合物名稱Compound離子對Ion pair(m/z)碰撞能量Collisionenergy(eV)錐孔電壓Cone voltage(V)內(nèi)標(biāo)Internalstandard離子對Ion pair(m/z)全氟丁基羧酸(PFBA)213/169*820全氟戊基羧酸 (PFPA)263/219*82013C4-PFBA217/172*全氟己基羧酸 (PFHxA)313/269*1016全氟庚基羧酸(PFHpA)362.9/169*, 319181813C2-PFHxA315/270*全氟辛基羧酸(PFOA)412.9/369*,169182013C4-PFOA416.9/372*全氟壬基羧酸(PFNA)463/419*,169191613C5-PFNA468/423*全氟癸基羧酸(PFDA)513/469*, 219162213C2-PFDA515/470*全氟十一烷基羧酸(PFUnA)563/519*, 319182013C2-PFUnDA565/520*全氟十二烷基羧酸(PFDoA)613/569*, 3191824全氟十三烷基羧酸(PFTrA)663/619*, 3192020全氟十四烷基羧酸(PFTeA)713/669*, 319202013C2-PFDoA615/570*全氟丁基磺酸(PFBS)298.8/79.9*, 98.83656全氟己基磺酸(PFHxS)398.9/79.9*,98.8334518O2-PFHxS403/103*全氟辛基磺酸(PFOS)498.9/79.9*, 98.83960全氟癸基磺酸(PFDS)599/80*, 99458018O2-PFOS502.9/99*1H,1H,2H,2H-全氟辛基-2-膦酸(6∶2 diPAP)789/97*,443345213C4-6∶2 diPAP793/445*1H,1H,2H,2H-全氟癸基-2-膦酸(8∶2 diPAP)989/97*, 543404813C4-8∶2 diPAP993/545*全氟己基膦酸(C6-PFPA)399/78.945*2848全氟辛基膦酸(C8-PFPA)499/78.941*3654全氟癸基膦酸(C10-PFPA)599/78.938*4464no IS全氟己基-2-次膦酸(6∶6 PFPi)701/101*, 4017496全氟己基-全氟辛基-次膦酸(6∶8 PFPi)801/401*, 50154108全氟辛基-2-次膦酸(8∶8 PFPi)901/501*, 6376100no IS*: 定量離子(Quantitative ion); IS: 內(nèi)標(biāo)物(internal standard)。PFBA: Perfluorobutanoic acid; PFPA: Perfluoropentanoic acid; PF-HxA: Perfluorohexanoic acid; PFHpA: Perfluoroheptanoic acid; PFOA: Perfluorooctanoic acid; PFNA: Perfluorononanoic acid; PF-DA: Perfluorodecanoic acid; PFUnA: Perfluoroundecanoic acid; PFDoA: Perfluorododecanoic acid; PFTrA: Perfluorotridecanoic acid; PFTeA: Perfluorotetradecanoic acid; PFBS: Potassium perfluorobutanesulfonate; PFHxS: Sodium perfluorohexanesulfonate; PFOS:Sodium perfluorooctanesulfonate; PFDS: sodium perfluorodecanesulfonate; 6∶2diPAP: 6∶2 Fluorotelomer phosphate diester; 8∶2diPAP: 8∶2 Fluorotelomer phosphate diester; C6-PFPA: Perfluorohexyl phosphonic acid; C8-PFPA:Perfluorooctyl phosphonic acid; C10-PFPA: Perfluorodecyl phosphonic acid; 6∶6 PFPi: Bis(perfluorohexyl)phosphinate; 6∶8 PFPi: Bis(perfluorooctyl)phosphi-nate; 8∶8 PFPi: Perfluoro(hexyloctyl)phosphinate.

2.2 實驗方法

取1 L超純水于聚丙烯樣品瓶中，加入混合標(biāo)準(zhǔn)溶液和內(nèi)標(biāo)溶液，其終濃度分別為2 ng/L和5 ng/L， 混合均勻，進(jìn)行固相萃取。依次用6 mL MeOH(含1%(V/V)NH4OH)、 2×6 mL MeOH和2×6 mL超純水活化WAX柱，然后上樣，流速為3 mL/min。上樣完成后，用6 mL 25 mmol/L NH4AC(以HAC調(diào)節(jié)至pH=4.0)溶液淋洗。抽真空10 min，除去水分，用2 mL MeOH淋洗，最后依次用6 mL ACN(含0.5%(V/V)NH4OH)、6 mL MeOH(含1%(V/V)NH4OH)和6 mL ACN(含1%(V/V)NH4OH)溶液洗脫，收集洗脫液，40℃下氮吹近干。用1 mL MeOH復(fù)溶，得到樣品萃取液。將樣品萃取液分為不同溶液組成的3份，用于分析PFCAs和PFSAs的溶液組成為MeOH-H2O(1∶1，V/V); 用于分析PFPAs的溶液組成為MeOH-25 mmol/L TBAS(1∶1，V/V); 用于分析PFPis和diPAPs的溶液組成為MeOH，3份樣品均用0.22 μm無菌聚丙烯膜過濾后進(jìn)行儀器分析。

2.3 UPLC-MS/MS測定

UPLC測定條件: 柱溫35℃。分析PFCAs和PFSAs的流動相A為10 mmol/L NH4AC-H2O，流動相B為10 mmol/L NH4AC-MeOH/ACN(80∶20，V/V)。梯度洗脫程序: 0～7.0 min，50%～100% B; 7.0～7.5 min，100%～50% B; 7.5～9.0 min，50% B。流速為0.3 mL/min

分析PFPAs、PFPis和diPAPs的流動相A為0.1% (V/V)NH4OH，流動相B為MeOH。梯度洗脫程序: 0～2 min，20%～50% B; 2～3 min，50%～80% B; 3～5 min，80%～86% B; 5～6 min，86%～20% B; 6～7 min， 20% B。流速為0.3 mL/min

MS測試條件: 負(fù)離子掃描下，采用多反應(yīng)檢測模式(MRM)，電噴霧離子源(ESI——)，離子源溫度120℃，去溶劑溫度400℃，去溶劑氣流速為800 L/h，錐孔氣流速為50 L/h，二者均為氮氣。目標(biāo)物質(zhì)譜檢測參數(shù)見表1。

2.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用軟件Masslynx V4.1處理數(shù)據(jù)。PFCAs、PFSAs和diPAPs用內(nèi)標(biāo)法處理，PFPAs和PFPis沒有對應(yīng)內(nèi)標(biāo)物，用外標(biāo)法進(jìn)行定量分析。

3 結(jié)果與討論

提取表層水中PFASs時，多采用WAX和HLB萃取柱[8～10]，因HLB柱對短碳鏈的PFCAs的萃取效果不佳，故研究選用WAX柱。本研究中空白加標(biāo)樣品中均加入混合標(biāo)準(zhǔn)溶液和內(nèi)標(biāo)溶液，其添加水平分別為2和5 ng/L。

3.1 固相萃取洗脫液有機(jī)相配比的優(yōu)化

考察了MeOH和ACN不同配比的混合溶液對目標(biāo)物的洗脫效果。取1 L超純水空白加標(biāo)樣品，按照2.2節(jié)對WAX柱活化、上樣及淋洗。考察不同配比洗脫液對目標(biāo)物的洗脫效果，NH4OH含量固定為1%(V/V)，溶劑分別為a: MeOH; b: MeOH-ACN(70∶30，V/V); c: MeOH-ACN(50∶50，V/V); d: MeOH-ACN(40∶60，V/V); e: MeOH-ACN(30∶70，V/V); f: MeOH-ACN(20∶80，V/V); g: MeOH-ACN(10∶90，V/V); h: ACN。

實驗結(jié)果如圖1，洗脫液a對C12以下的PFCAs、C10以下的PFSAs、diPAPs 和PFPAs有較好的回收率(87%～136%); 而洗脫液h對PFPis的洗脫效果相對較好(回收率50%～66%)，此條件下，PFTrA和PFDS均達(dá)到滿意的回收率(72%和73%)，PFTeA的回收率僅為32%。綜合5類物質(zhì)的回收率，選擇依次用6 mL MeOH(含1%(V/V)NH4OH)、6 mL ACN(含1%(V/V)NH4OH)洗脫目標(biāo)物。

3.2 固相萃取活化及洗脫溶液中NH4OH含量的優(yōu)化

研究了NH4OH含量對固相萃取活化和洗脫效果的影響。取1 L超純水空白加標(biāo)樣品，根據(jù)3.1節(jié)的結(jié)論，以及表2中9種情況進(jìn)行固相萃取，然后進(jìn)行液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析。

如圖2所示，在條件9中，C13以下的PFCAs和PFSAs回收率為73%～131%，PFPis回收率為52%～89%， PFPAs回收率是104%～106%，diPAPs回收率為119%～130%，其中PFHpA、PFUnA和PFHxS的回收率偏高，說明基質(zhì)效應(yīng)明顯。而PFTeA(C14PFCAs)在條件9中的回收率為46%，因此需考察洗脫液組成對PFTeA回收率的影響。

3.3 洗脫液組成對PFTeA的影響

考慮到除PFTeA外，其它目標(biāo)化合物在條件9時均能得到較高的回收率，在優(yōu)化PFTeA的條件時，固相萃取柱活化條件與條件9相同，僅變化洗脫液的組成，進(jìn)而優(yōu)化PFTeA的回收率。因此考察NH4OH含量為0.5%(V/V)，溶劑分別為MeOH、ACN及MeOH-ACN(1∶1，V/V)的洗脫液對PFTeA洗脫效果的影響。如圖3所示，洗脫液為6 mL ACN(含0.5%(V/V)NH4OH)時，PFTeA可得到較好的回收率(83%)，RSD為3.6%。

圖1 不同有機(jī)配比洗脫液對目標(biāo)物洗脫效果的影響Fig.1 Effects of different organic ratio eluents on recoveries of target compoundsa: Methanol (MeOH); b: MeOH-acetonitrile (ACN)(70∶30，V/V); c: MeOH-ACN(50∶50，V/V); d: MeOH-ACN(40∶60，V/V); e: MeOH-ACN(30∶70，V/V); f: MeOH-ACN(20∶80，V/V); g: MeOH-ACN(10∶90，V/V); h: ACN

表2 固相萃取活化及洗脫溶液組成

Table 2 Composition of activation solution and elution

條件編號Condition No.活化液Activation solution洗脫液Elution16 mL 0.1% NH4OH-MeOH6 mL 0.1% NH4OH-MeOH+6 mL 0.1% NH4OH-ACN26 mL 0.1% NH4OH-MeOH6 mL 0.5% NH4OH-MeOH+6 mL 0.5% NH4OH-ACN36 mL 0.1% NH4OH-MeOH6 mL 1.0% NH4OH-MeOH+6 mL 1.0% NH4OH-ACN46 mL 0.5% NH4OH-MeOH6 mL 0.1% NH4OH-MeOH+6 mL 0.1% NH4OH-ACN56 mL 0.5% NH4OH-MeOH6 mL 0.5% NH4OH-MeOH+6 mL 0.5% NH4OH-ACN66 mL 0.5% NH4OH-MeOH6 mL 1.0% NH4OH-MeOH+6 mL 1.0% NH4OH-ACN76 mL 1.0% NH4OH-MeOH6 mL 0.1% NH4OH-MeOH+6 mL 0.1% NH4OH-ACN86 mL 1.0% NH4OH-MeOH6 mL 0.5% NH4OH-MeOH+6 mL 0.5% NH4OH-ACN96 mL 1.0% NH4OH-MeOH6 mL 1.0% NH4OH-MeOH+6 mL 1.0% NH4OH-ACN1.0%NH4OH-MeOH: MeOH containing 1.0%(V/V)NH4OH。

圖2 NH4OH含量對目標(biāo)物回收率的影響Fig.2 Effects of different ammonia solution on recoveries of target compoundsCompositions of solution 1 to 9 are the same as in Table 2

圖3 洗脫液組成對PFTeA回收率的影響Fig.3 Effects of elution composition on recoveries of PFTeA1. ACN containing 0.5% (V/V) NH4OH; 2. MeOH containing 0.5% (V/V) NH4OH; 3. MeOH-ACN (50∶50, V/V) containing 0.5% (V/V) NH4OH.

根據(jù)圖2及圖3所示的回收率結(jié)果，最終選擇的條件為: 固相萃取柱依次用6 mL MeOH含1.0% (V/V)NH4OH、12 mL MeOH、12 mL H2O活化，樣品上樣后，依次用6 mL ACN(含0.5%(V/V)NH4OH)，6 mL MeOH(含1.0%(V/V)NH4OH)和6 mL ACN(含1.0%(V/V)NH4OH)洗脫，以確保所有目標(biāo)化合物均能得到滿意的回收率。

3.4 方法回收率

按2.2節(jié)方法，取1 L超純水空白加入混合標(biāo)準(zhǔn)溶液和內(nèi)標(biāo)溶液，配制成空白加標(biāo)樣品，PFCAs、PFSAs、PFPis和diPAPs的添加水平(終濃度)分別為0.5、2和20 ng/L，PFPAs為2、10和20 ng/L，每個加水平重復(fù)做3個平行樣品，計算各目標(biāo)物回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)。如圖4所示，23種目標(biāo)物的平均加標(biāo)回收率為55%～125%，RSD為0.3%～15.0%。相比于文獻(xiàn)中PFCAs和PFSAs的回收率36%～125%[13]，更有利于水中PFASs的提取。

圖4 目標(biāo)物的回收率 (n=3)Fig.4 Recoveries of target compounds (n=3)

3.5 PFPAs樣品溶液組成優(yōu)化

為了得到更好的靈敏度和對稱峰形，對PFPAs樣品溶液組成進(jìn)行優(yōu)化。按MeOH-H2O(1∶1，V/V)、MeOH-25 mmol/L TBAS(1∶1，V/V)和純MeOH組成配制PFPAs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，進(jìn)行儀器分析。如圖5所示，以MeOH-25 mmol/L TBAS(1∶1，V/V)制備的PFPAs標(biāo)準(zhǔn)溶液有更好的對稱峰形。故選擇使用MeOH: 25 mmol/L TBAS(1∶1，V/V)分析PFPAs。

圖5 溶液組成對PFPAs標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜分離效果的影響Fig.5 Effect of sample solvent composition on chromatographic separation of PFPAs standard solution

3.6 PFPis樣品溶液組成優(yōu)化

實驗發(fā)現(xiàn)，PFPis的回收率與溶液組成有直接關(guān)系?？紤]到復(fù)溶溶液為MeOH，考察了純MeOH及MeOH-H2O(1∶1，V/V)對回收率的影響。如圖6所示，溶液為MeOH時，3種PFPis中，高、低加標(biāo)水平的平均回收率為55%～89%，回收率及重現(xiàn)性較好。故后續(xù)使用純MeOH的溶液分析PFPis。

3.7 方法學(xué)質(zhì)量控制

取超純水，加入一定濃度混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，配制成空白加標(biāo)樣品，按2.2節(jié)前處理后進(jìn)行儀器分析。以3倍信噪比為方法檢出限，10倍信噪比為定量限，結(jié)果見表3。本方法檢出限和定量限分別為0.003～0.215 ng/L和0.01～0.714 ng/L，線性相關(guān)系數(shù)大于0.99，滿足定量分析要求。與文獻(xiàn)[8]報道的方法(檢出限0.01～0.127 ng/L)相比，本方法靈敏度更高，分析的化合物種類更多。

3.8 實際樣品分析

取遼寧省撫順市大伙房水庫(DHF)10個采樣點的表層水樣各1 L，用0.45 μm濾膜過濾后，按2.2節(jié)進(jìn)行前處理，然后進(jìn)行UPLC-MS/MS測定，結(jié)果見圖7。表層水中目標(biāo)物檢測濃度范圍在ND(未檢出)～11.2 ng/L之間，其中PFOA和PFOS總含量為18.8 ng/L，低于飲用水中EPA建議的PFOA和PFOS安全參考值70 ng/L[14]，DHF-7中6∶2diPAP含量較高(11.2 ng/L)。

表3 方法的檢出限、定量限及線性相關(guān)系數(shù)

Table 3 Limits of detection, limits of quantification and correlation coefficients of this method

化合物Compounds檢出限Limit ofdetection(ng/L)定量限Limit ofquantification(ng/L)相關(guān)系數(shù)Correlationcoefficient(R)PFBA0.1000.3330.9986PFPA0.0650.2170.9984PFHxA0.0680.2270.9987PFHpA0.0200.0660.9960PFOA0.0060.0190.9964PFNA0.0040.0140.9941PFDA0.0430.1430.9984PFUnA0.0260.0860.9904PFDoA0.0130.0430.9961PFTrA0.0880.2940.9949PFTeA0.0830.2780.9904PFBuS0.2140.7140.9985化合物Compounds檢出限Limit ofdetection(ng/L)定量限Limit ofquantification(ng/L)相關(guān)系數(shù)Correlationcoefficient(R)PFHxS0.1000.3330.9968PFOS0.0190.0620.9934PFDS0.0430.1430.99266∶2 diPAP0.0040.0120.99478∶2 diPAP0.0030.0120.9931C6-PFPA0.0240.0810.9970C8-PFPA0.0200.0680.9968C10-PFPA0.0560.1850.99486∶6 PFPi0.0030.0100.99396∶8 PFPi0.0080.0270.99678∶8 PFPi0.0040.0140.9928

圖6 溶劑組成對PFPis樣品回收率的影響Fig.6 Effect of solvent composition on recovery of PFPis

圖7 大伙房水庫表層水中目標(biāo)物含量Fig.7 Concentrations of target compounds in surface water of Dahuofang Reservoir

4 結(jié) 論

建立了SPE-UPLC-MS/MS分析方法，分析水中23種PFASs，平均加標(biāo)回收率為55%～125%，檢出限和定量限分別為0.003～0.215 ng/L和0.01～0.714 ng/L。本方法簡便，靈敏度高，穩(wěn)定性好，可用于水樣中5類PFASs的檢測。