全氟和多氟烷基化合物的分析檢測(cè)

方 程， 張紅平， 羅云龍

(1.Global Centre for Environmental Remediation (GCER),紐卡斯?fàn)柎髮W(xué),澳大利亞新南威爾士州 2308；2.西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010)

1 前言

全氟和多氟烷基化合物(Perfluorinated and Polyfluoroalkyl Substances，PFAS)是一大家族由人類(lèi)合成的有機(jī)化合物，此前它們被稱(chēng)為全氟化合物(Perfluorinated Compound，PFC)，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)該命名不夠準(zhǔn)確，這是因?yàn)椋?1)有些H并沒(méi)有被F全部取代[1 - 4]；(2)其中的活性基團(tuán)，不管是羧酸還是磺酸都可以被衍生(為前體)，如圖1所示。基于商業(yè)秘密，對(duì)許多這些衍生基團(tuán)，迄今我們知之甚少。因而近年來(lái) PFAS這一名稱(chēng)逐漸被大家普遍接受。簡(jiǎn)單地說(shuō)，只要在分子骨架中有一個(gè)-CF2-基團(tuán)，都可以被稱(chēng)之PFAS[5]。但-CF2-基團(tuán)越少，毒性應(yīng)該越低，例如有可能治療新冠肺炎的苯酚喹(Tafenoquine)就包含一個(gè)CF3端基。

圖1 典型PFAS的分子結(jié)構(gòu)，包括全氟辛磺酸(PFOS)、全氟辛烷酸(PFOA)、全氟己磺酸(PFHxS)、全氟丁烷酸(PFBA)、6∶2氟調(diào)聚辛磺酸(6∶2FTS)、2-(七氟丙氧基)-四氟-丙酸(Gen X或者HFPO-DA)、6∶2氟調(diào)聚辛硫醚胺磺酸(6∶2FTSAS)[6,7]和氯氟多醚烷酸(ClPFPECA)[8]。Fig.1 Typical PFAS molecular structures,including perfluorooctanesulfonic acid (PFOS),perfluorooctanoic acid (PFOA),perfluorohexanesulfonic acid (PFHxS),perfluorobutanoic Acid (PFBA),6∶2 fluorotelomer sulfonate (6∶2FTS),2,3,3,3-tetrafluoro-2-(heptafluoropropoxy) propanoic acid (Gen X or HFPO-DA),6∶2 fluorotelomer sulfonamide (6∶2FTSAS)[6,7] and chloroperfluoropolyether carboxylate (ClPFPECA)[8].

傳統(tǒng)意義上的有機(jī)物一般是基于C-H骨架，而PFAS中很多H被F取代，這不僅增加了PFAS的化學(xué)穩(wěn)定性，還產(chǎn)生了許多新的物理化學(xué)性質(zhì)，如既憎水又憎油、表面張力低等。這些性質(zhì)是PFAS所獨(dú)有的[4,9]，所以PFAS的用途廣泛。例如，作為PFAS的Teflon就被用來(lái)制造不粘鍋的不粘涂層，其它PFAS也被廣泛應(yīng)用于諸如服裝、室內(nèi)裝潢、地毯、油漆表面、食品容器、炊具、消防泡沫等與我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活關(guān)系密切的產(chǎn)品中[10]。PFAS的另一個(gè)重要應(yīng)用是用作表面活性劑，比如配制水相膜泡沫滅火劑(Aqueous Film-Forming Foam，AFFF)用于撲滅燃油大火，特別是在飛機(jī)場(chǎng)附近的訓(xùn)練和真實(shí)滅火中[11 - 13]。這主要是因?yàn)镻FAS這類(lèi)表面活性劑，如PFOS不僅可以耐燃油大火的高溫，還可以有效地降低表面張力，迅速在燃油表面形成一層泡沫，從而隔絕開(kāi)空氣，達(dá)到滅火的目的。雖然近年來(lái)這類(lèi)含長(zhǎng)鏈PFAS的AFFF被逐漸淘汰，但短鏈的PFAS，尤其是帶有衍生基團(tuán)的短鏈PFAS仍在使用。

然而，C-F鍵是最穩(wěn)定的共價(jià)化合鍵之一，所以PFAS在自然環(huán)境中“堅(jiān)不可摧”，被稱(chēng)作“永遠(yuǎn)的化學(xué)試劑”，甚至“比一些巖石更穩(wěn)定”，幾乎不能自然降解。如此一來(lái)，一旦PFAS被生產(chǎn)出來(lái)，最終都會(huì)釋放到環(huán)境中，并作為持久性有機(jī)污染物(Persistent Organic Pollutants，POPs)長(zhǎng)期存在。近20年來(lái)，PFAS所導(dǎo)致的環(huán)境污染引起了研究者的高度注意，因?yàn)閹缀踉诘厍虻拿總€(gè)角落，都可以檢測(cè)到PFAS。比如說(shuō)，PFAS在家用吸塵器的粉塵、垃圾填埋場(chǎng)和霧霾中都能被檢測(cè)到[14 - 15]。更為可怕的是，PFAS也可以在我們的食物中檢測(cè)到。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明，它們中的大多數(shù)極有可能對(duì)人類(lèi)的健康產(chǎn)生不利影響[16,17]。由于我們對(duì)其知之甚少，PFAS也被歸入新型污染物(Emerging Contaminant)?；诖?，USEPA在2016年將飲用水中的PFAS(主要是PFOS和PFOA)的安全標(biāo)準(zhǔn)從0.7 ppb(十億分之一)下調(diào)到70 ppt (萬(wàn)億分之一)[11，17，18]，2018年美國(guó)政府甚至建議將12 ppt作為安全標(biāo)準(zhǔn)[19]。為了有效地監(jiān)測(cè)和控制PFAS的污染，國(guó)外不同部門(mén)制定了PFAS安全指導(dǎo)濃度標(biāo)準(zhǔn)，包括飲用水、土壤、地表水和地下水等等，如表1所示。國(guó)內(nèi)這方面也有長(zhǎng)足進(jìn)展。

表1 PFAS 安全指導(dǎo)濃度標(biāo)準(zhǔn)[11]Table 1 PFAS guidelines [11]

HC,Heath Canada;DoH,Department of Health (Australia);USEPA,United States Environmental Protection Agency;ECCC,Environment and Climate Change Canada.

就PFAS檢測(cè)而言，目前我們所面臨的困難[5]包括：(1)低濃度的檢測(cè)需要高靈敏度的儀器，如高效液相色譜-質(zhì)譜(HPLC-MS)；(2)短鏈的PFAS應(yīng)該用氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)來(lái)檢測(cè)；(3)目前市場(chǎng)估計(jì)有超過(guò)5 000個(gè)PFAS，而我們只能有效定量地監(jiān)測(cè)它們中的大約30～80個(gè)，其余PFAS被稱(chēng)為PFAS前體(Precursor)，而這些前體目前只能被定性或是半定量地檢測(cè)到[20]；(4)這些前體的衍生基團(tuán)，一般都是基于C-H骨架的，它們遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有C-F骨架穩(wěn)定。所以，當(dāng)這些不能被有效檢測(cè)的“PFAS前體”進(jìn)入環(huán)境中，其中的非C-F 骨架一旦被降解，較純的C-F骨架就會(huì)“出現(xiàn)”，如PFOA、PFBA等等，而這些PFOA和PFBA是能被檢測(cè)到的[21]。也就是說(shuō)，PFAS檢測(cè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，可檢測(cè)到的PFAS可能會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)而濃度增大[22,23]。

雖說(shuō)有些PFAS已經(jīng)被禁止使用，如PFOS在歐美國(guó)家已經(jīng)被禁止生產(chǎn)，但它們的高穩(wěn)定性和持久性，使得它們對(duì)環(huán)境的污染還會(huì)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。目前的治理更多的是用吸附方式，把PFAS從環(huán)境中清理移除。PFAS的降解和礦化，雖說(shuō)在實(shí)驗(yàn)室取得成功，但還沒(méi)有大規(guī)模使用[24，25]。所以對(duì)其進(jìn)行有效地檢測(cè)和治理，依然是PFAS研究的一個(gè)熱點(diǎn)[20]。雖然HPLC-MS是最常用的檢測(cè)手段[26]，但HPLC-MS費(fèi)時(shí)又較昂貴(通常>100美元/樣品)[20，21，27]。在定量測(cè)量之前，如果能夠使用預(yù)篩選工具，在一般實(shí)驗(yàn)室、甚至在現(xiàn)場(chǎng)，及時(shí)檢測(cè)它們的大概濃度，哪怕只是半定量的結(jié)果，都能有效增加PFAS的監(jiān)測(cè)效率，因此這將是一個(gè)非常值得研究的課題。最近，市場(chǎng)上陸續(xù)出現(xiàn)了幾種PFAS檢測(cè)試劑盒或傳感器，如亞甲基藍(lán)活性物(MBAS)的改進(jìn)版本[21]、基于分子印跡的離子選擇電極(ISE)[28]、表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)[29]等。本文將在這些方面，評(píng)述PFAS的檢測(cè)方法的最新進(jìn)展，包括電化學(xué)檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)，以及基于智能手機(jī)應(yīng)用程序的檢測(cè)。

2 電化學(xué)檢測(cè)

2.1 基于分子印跡的離子選擇電極(Ion-Selective Electrode,ISE)

我們使用鉛筆芯作為電極，在表面上通過(guò)分子印跡聚合物(MIPs)來(lái)形成響應(yīng)膜，在除掉模板分子(PFOA、PFOS或是6∶2 FTS)之后，制成ISE。如此一來(lái)，我們就可以通過(guò)電位測(cè)量來(lái)檢測(cè)PFAS，如圖2所示，檢測(cè)限可以低至～100 nmol/L(對(duì)PFOA而言，～41 ppb)?？傮w效果極佳[28]。這種檢測(cè)的缺點(diǎn)是選擇性不夠好，靈敏度也不夠高。選擇性可以通過(guò)優(yōu)化摻雜PFOA到MIPs內(nèi)的濃度得到提高，如圖2(b)所示，但靈敏度很難進(jìn)一步改善，這是ISE檢測(cè)的本身缺限。譬如MIPs中的PFAS模板，有可能滲透逸漏到待測(cè)溶液中而產(chǎn)生背景干擾。除非進(jìn)行預(yù)富集，否則其實(shí)用性將會(huì)大打折扣。如果考慮到環(huán)境樣品本身的復(fù)雜性和PFAS的痕量分析，如1 ppt PFOA大概是在20 pmol/L左右，該技術(shù)的推廣使用將會(huì)較為困難。

圖2 PFAS的電位檢測(cè)示意圖(a)和電極的響應(yīng)曲線(b)[28]Fig.2 Schematic drawing on the PFAS -ISE (a) and the calibration curves depending on the PFOA concentration in the doping solution(b)[28]

2.2 自組裝膜(Self-Assembled Monolayer,SAM)

近年來(lái)PFOS的生產(chǎn)和使用被逐漸禁止，取而代之的是新型的PFAS，或稱(chēng)之為前體?；谏虡I(yè)原因，我們對(duì)新型的PFAS的具體分子結(jié)構(gòu)知之甚少。但是從目前能掌握的資料來(lái)看，有一大類(lèi)是基于硫醚結(jié)構(gòu)的。我們還知道的是基于硫醚的有機(jī)化合物，不管其兩端的基團(tuán)如何，都可以在Au表面上通過(guò)S-Au 鍵形成一層SAM，這層SAM會(huì)有效阻斷溶液中的氧化還原探針的電子傳遞?；诖?，我們發(fā)展了基于檢測(cè)硫醚的新型PFAS的傳感器，如圖3所示。

簡(jiǎn)言之，通過(guò)在Au電極表面上形成SAM，我們使用循環(huán)伏安法和交流阻抗開(kāi)發(fā)一種檢測(cè)水性消防泡沫(AFFF)中新型PFAS的簡(jiǎn)單方法，特別是基于硫醚的含氟表面活性劑成分。我們不必知道PFAS及其前體的具體分子結(jié)構(gòu)，只要有硫醚，就能用這種方法檢測(cè)，簡(jiǎn)便有效。我們還采用固相萃取和納米級(jí)多孔Au電極來(lái)提高靈敏度，如圖3(b -d)所示。

圖3 電化學(xué)PFAS檢測(cè)示意圖(a)、普通金(平整)電極表面(b)和多孔納米金電極表面(c、d)的掃描電鏡圖[7]Fig.3 Schematic of the electrochemical detection(a),SEM images of flat gold electrode surface(b) and nano-gold electrode surface(c,d)

3 光學(xué)檢測(cè)

3.1 表面增強(qiáng)拉曼譜(Surface -Enhanced Raman Scattering,SERS)

SERS由于其高靈敏度(低至單分子檢測(cè))和具有分子識(shí)別的能力而備受關(guān)注。拉曼信號(hào)的增強(qiáng)，主要是歸功于基底表面的納米結(jié)構(gòu)[30 - 33]。然而，大多數(shù)時(shí)侯基底物本身都表現(xiàn)出親水性，當(dāng)用來(lái)分析PFAS時(shí)，由于PFAS通常既憎水又憎油，所以PFAS的加載親和力就是一個(gè)問(wèn)題。也就是說(shuō)，PFAS很難被吸附加載到基底的表面上，所以我們要對(duì)基底表面進(jìn)行改性。

自從2004年單分子層的石墨烯(Graphene)被成功分離以來(lái)，人們對(duì)這種新型碳材料的研究興趣驟增。有趣的是，石墨烯或氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)已經(jīng)成功地被證實(shí)可以用作SERS基底，有效增強(qiáng)拉曼信號(hào)。與傳統(tǒng)的SERS基底金屬表面(例如Ag、Au和Cu)相比，GO是一種具有疏水性的有機(jī)材料。如此，極有可能會(huì)提高PFAS在其表面上的加載親和力。因此，通過(guò)在GO膜上引入銀納米顆粒(AgNPs)以形成雙基底物，我們可以將AgNPs陣列的拉曼強(qiáng)增屬性與GO的高加載親和力結(jié)合起來(lái)，如圖4a～4d所示，以達(dá)到對(duì)PFAS進(jìn)行有效檢測(cè)的目的[29]。同時(shí)，由于PFAS的拉曼活性一般都較低，我們有意地引入染料(Dye)來(lái)增強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)。另一方面染料的選擇，也應(yīng)該考慮到能夠增強(qiáng)PFAS的加載親和力，如圖4(e)所示。使用該方式，我們成功檢測(cè)了PFAS，包括PFOA、PFOS、6∶2 FTS，檢測(cè)限約為50 ppb(～120 nmol/L，相對(duì)PFOA而言)(圖4)，這是令人鼓舞的，并值得進(jìn)一步研究。

圖4 SERS基底的掃描電鏡圖(a～d)和SERS檢測(cè)PFAS的示意圖(e)[29]。(a)通過(guò)納米球光刻技術(shù)制備的銀納米結(jié)構(gòu)；(b)GO膜以及(c)它的剖面圖；(d)沉積于GO上的AgNPs。Fig.4 SEM images of the SERS substrates (a -d) and schematic drawing on the SERS detection of PFAS(e)[29].(a) silver nanostructure fabricated via nanosphere lithography；(b) GO film and (c) its cross-section view；(d) silver nanoparticle (AgNPs) deposited on GO film.

3.2 聚集誘導(dǎo)發(fā)光(Aggregation Induced Emission，AIE)

AIE是近年來(lái)由唐本忠院士提出并發(fā)展的一個(gè)全新研究領(lǐng)域。我們?cè)噲D將AIE應(yīng)用到環(huán)境檢測(cè)中來(lái)，比如用來(lái)檢測(cè)PFAS，包括PFOA、PFOS和6∶2 FTS等表面活性劑，如圖5所示[34]。我們首先配制含有AIE分子和PFAS的丙酮水溶液。從該溶液中取一小滴液滴(1～2 μL)，并將其滴加到由載玻片制成的芯片中的小孔中，孔的體積和大小是固定的，如圖5a～5c所示。當(dāng)該小液滴暴露在空氣中時(shí)，水和丙酮都會(huì)蒸發(fā)。但丙酮由于其高蒸氣壓，從而比水能更快地蒸發(fā)。因此，隨著溶劑體積的減小，AIE分子和PFAS的濃度在小液滴中逐漸增加，而水的百分比也隨之增加[34]。在到達(dá)某個(gè)階段時(shí)，PFAS表面活性劑的濃度高到一定程度，膠束就開(kāi)始形成。該膠束提供了導(dǎo)致AIE分子聚集的疏水核，發(fā)光強(qiáng)度將顯著增強(qiáng)，如圖5a所示。

由于熒光強(qiáng)度是由AIE分子的濃度控制，而膠束的數(shù)量則是由PFAS的濃度控制的。因此，我們可以對(duì)干燥后的熒光點(diǎn)的密度進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將其與PFOA濃度聯(lián)系起來(lái)。也就是說(shuō)，小液滴在芯片孔底部完全蒸發(fā)和干燥后(圖5d)，聚集的AIE分子具有熒光，其密度可以有效地與PFAS的濃度相關(guān)聯(lián)。因此，我們使用極其少量的PFAS樣品，在1 min內(nèi)就能得到結(jié)果，從而開(kāi)發(fā)出了一種簡(jiǎn)單的芯片傳感器，用于PFAS檢測(cè)，檢測(cè)范圍為0.1～100 μmol/L(PFOA為41 ppm～41 ppb)。

圖5 AIE檢測(cè)PFAS示意圖(a～c)以及檢測(cè)結(jié)果(d)[34]Fig.5 Schematic of the AIE detection of PFAS(a -c) and the detection results(d)[34]

4 智能手機(jī)應(yīng)用檢測(cè)(Smartphone -App)

科技發(fā)展到現(xiàn)在，很多檢測(cè)不必再局限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)不僅可行，而且變得越來(lái)越重要。最簡(jiǎn)單的檢測(cè)，應(yīng)該是類(lèi)似于pH試紙，可以用肉眼來(lái)觀測(cè)顏色的變化，從而迅速獲取結(jié)果。這方面我們做了一些探索，用來(lái)檢測(cè)PFAS，例如astkCARETM的應(yīng)用[21]。

理論上，包括PFOA/PFOS的PFAS都是陰離子表面活性劑。它們可以與大的陽(yáng)離子染料(如亞甲藍(lán)或乙基紫)，相互作用形成“染料-PFAS”離子對(duì)。這種離子對(duì)一般疏水，因?yàn)樗鼈兊挠H水端，由于靜電相互作用而相互屏蔽，只有疏水端露在外圍。因此，這種離子對(duì)在水相中是不易溶的，這意味著它可以被有效地萃取到非水相中。由于染料的使用，被萃取后非水相的顏色也因此發(fā)生改變，圖6c中的分層后的上層溶液，從這層溶液顏色的深淺，可以得到PFAS的濃度信息。

我們?cè)囍褂弥悄苁謾C(jī)攝像頭，通過(guò)自已編寫(xiě)的astkCARETMApp[35]，檢測(cè)“染料-PFAS”離子對(duì)在非水相中的顏色變化，如圖6a所示。同時(shí)，我們用二次萃取來(lái)消除高濃度的無(wú)機(jī)離子背景的影響，如圖6(b～c)所示，不管樣品是來(lái)自自來(lái)水或是地下水。也就是說(shuō)，在第一次的萃取中，有機(jī)相(在與水樣平衡之后，也就是圖6b中內(nèi)插圖(左)的上層藍(lán)色溶液)將被轉(zhuǎn)移，“染料-PFAS”離子對(duì)隨之被轉(zhuǎn)移，而水相中的無(wú)機(jī)離子仍在水樣中，沒(méi)有被轉(zhuǎn)移。只有“染料-PFAS”離子對(duì)在有機(jī)相中被轉(zhuǎn)移，并被第二次萃取(與Milli-Q水平衡，dual-LPE)，以進(jìn)一步把可能殘存的無(wú)機(jī)干攏離子“反萃”到Milli-Q水相中，即圖6b中內(nèi)插圖(右)的下層藍(lán)色溶液。如此一來(lái)，第一次萃取的水樣中的無(wú)機(jī)干擾離子，仍然留在第一次萃取的水相中；接下來(lái)的非水相的轉(zhuǎn)移和二次萃取平衡，可以有效地消除任何潛在的背景干擾。我們的檢測(cè)將集中在二次萃取后的上層溶液，從而達(dá)到對(duì)PFAS進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的目的，如圖6所示。我們的智能手機(jī)應(yīng)用程序可以在10 ppb(～12 nmol/L，二次萃取約5 min)的檢測(cè)限下，檢測(cè)自來(lái)水/地下水中的PFAS，它有可能成為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和普通實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的預(yù)篩選工具[35]。

圖6 PFAS檢測(cè)示意圖(a)、二次萃取(Dual -LPE)的App檢測(cè)結(jié)果(b)和效果圖(c)[35]Fig.6 Schematic drawing on the App detection of PFAS(a),(b)calibration cures and before and after image of Dual -LPE(e)[35]

上述測(cè)量事實(shí)上是針對(duì)陰離子表面活性劑，所以水樣中的其它陰離子表面活性劑會(huì)對(duì)PFAS的測(cè)量產(chǎn)生干擾，如日常生活中廣泛使用的洗滌劑(Detergent)；為了避免數(shù)據(jù)的假陽(yáng)性問(wèn)題，我們需要通過(guò)樣品預(yù)處理來(lái)去除這些干擾物質(zhì)。近年來(lái)所發(fā)展起來(lái)的氟固相萃取(Fluoro -SPE)，可以在對(duì)目標(biāo)物經(jīng)過(guò)氟標(biāo)記后，進(jìn)行選擇性地萃取[37,38]?；诖思夹g(shù)，我們把用于預(yù)濃縮的固相萃取(SPE)和用于預(yù)選的氟固相萃取結(jié)合起來(lái)，成功實(shí)現(xiàn)了PFAS的選擇性檢測(cè)，如圖7所示[36]。

圖7 用氟固相萃取來(lái)提高選擇性[36]Fig.7 Fluoro -SEP towards selective enhancement of a smartphone App[36]

5 結(jié)論和展望

可以預(yù)見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)PFAS的研究還將持續(xù)一段時(shí)間，雖說(shuō)最終目的是治理和修復(fù)，但有效地檢測(cè)手段，將會(huì)對(duì)其提供評(píng)估和保障。而近年來(lái)所發(fā)展出的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法包括傳感器，將會(huì)是對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室HPLC-MS測(cè)量的一個(gè)有效補(bǔ)充。

我們也可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，將會(huì)有更多的報(bào)道和更好的檢測(cè)方法，包括：(1)對(duì)PFAS的前體的有效檢測(cè)；(2)對(duì)短鏈PFAS的定量檢測(cè)；(3)對(duì)降解中間產(chǎn)物的檢測(cè)；(4)更簡(jiǎn)潔有效地采樣和樣品制備，包括環(huán)境樣品、生物樣品、實(shí)驗(yàn)室樣品等等；(5)全有機(jī)氟(TOF)的檢測(cè)和全PFAS家族的檢測(cè)；(6)對(duì)PFAS這一新型污染物的化學(xué)、物理性質(zhì)及毒性的更為細(xì)致深入報(bào)道；(7)更有效的降解方法和對(duì)降解過(guò)程的監(jiān)控；(8)更大范圍內(nèi)的PFAS的檢測(cè)和掃描。