水中全氟烷基醚類羧酸的超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜檢測方法研究

宋 鑫，王榮雨，王 曉，2，紀文華，2*

（1.齊魯工業(yè)大學（山東省科學院），山東省分析測試中心，山東省大型精密分析儀器應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，山東 濟南 250014；2.齊魯工業(yè)大學（山東省科學院） 藥學院，山東 濟南 250014）

全氟與多氟化合物（PFASs）是一類具有重要應(yīng)用價值的含氟有機物，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域。然而，PFASs含有鍵能極高的C—F共價鍵，導致難以光解、水解與生物降解，已被證實為全球性新型化學污染物，其引起的生態(tài)和健康問題也被廣泛關(guān)注［1-3］。國內(nèi)外對常規(guī)PFASs的生產(chǎn)和使用要求日益嚴格。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署在2009年和2019年，分別將全氟辛烷磺酸（PFOS）和全氟辛酸（PFOA）及相關(guān)的鹽列為持久性有機污染物［4］。2019年，我國環(huán)保部等部門發(fā)文規(guī)定，除可接受用途外，禁止PFOS和全氟辛基磺酰氟（PFOSF）的生產(chǎn)、流通和使用［5］。這些嚴格的規(guī)定加速了新型PFASs的生產(chǎn)和使用，如全氟烷基醚類羧酸（PFECA）［6］。研究表明，PFECA 同樣具有生物積累性、難降解性、毒性［7］。美國北卡羅來納州衛(wèi)生與公眾服務(wù)部將全氟-2-丙氧基丙酸（GenX）在飲用水中的健康標準定為140 ng/L［8］。2018 年，美國環(huán)保局又將GenX 的慢性參考劑量規(guī)定為0.3 ng/mL/d［8］。因此，建立穩(wěn)定、準確、靈敏的PFECA分析檢測方法十分重要。

液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（LC-MS/MS）是分析PFASs 的主要技術(shù)［9-11］。通常，PFASs 在電噴霧（ESI）負模式下產(chǎn)生［M-H］-母離子，然后在碰撞池中發(fā)生裂解，在多反應(yīng)監(jiān)測（MRM）模式下檢測產(chǎn)物離子。然而，PFECA 在ESI 源電離時可能會發(fā)生源內(nèi)裂解和CO2的中性丟失，表現(xiàn)為PFECA 骨架中醚氧鍵的斷裂和羧基丟失［6，12-14］?；诖?，常規(guī)的［M-H］-母離子的豐度并不高，而且會產(chǎn)生一些與目標分析物具有相同保留時間的源內(nèi)離子和［M-H-CO2］碎片離子，影響LC-MS/MS對PFECA的高靈敏檢測［6，12］。

本文針對PFECA 醚氧鍵斷裂和CO2中性丟失的問題，通過選擇［CF3（CF2）nO］或［M-H-CO2］作為母離子，其他次級氟化烷氧基和烷基片段作為子離子，大幅提高了超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（UPLC-MS/MS）對4 種PFECA 的檢測靈敏度。結(jié)合液液萃取技術(shù)實現(xiàn)了不同水樣中4 種PFECA 的檢測，驗證了該分析方法的準確性。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Waters Acquity 超高效液相色譜儀、Waters Xevo TQ-XS 三重四極桿質(zhì)譜儀配有ESI 離子源（美國Waters 公司）；Kylin-Bell渦旋儀（美國Vortex 公司）；3K15 型離心機（Sigma 公司）；CentriVap 型離心濃縮儀（北京照生有限公司）。

甲醇和乙腈為HPLC級，購于默克公司；質(zhì)譜級醋酸銨購自Alfa Aesar（天津）化學有限公司；鹽酸（優(yōu)級純）和氯化鈉（分析純）購自中國國藥集團；全氟-2，5-二甲基-3，6-二氧雜壬酸（HFPO-TA，純度98%）和全氟-2，5-二甲基-3，6-二氧雜-8-丙氧基壬酸（HFPO-TeA，純度99%）購自英國FLRO-SR公司；GenX（純度97%）購自Alfa Aesar（天津）化學有限公司；全氟-3，6-二氧雜庚酸（PFO2HpA，純度96%）購自北京強生公司。用甲醇分別配制4 種PFECA 的單標儲備液（10 μg/mL）、混合標準儲備液（100、1 ng/mL），于4 ℃下避光保存。

1.2 色譜及質(zhì)譜條件

色譜條件：色譜柱：Waters Acquity BEH C18柱（1.7 μm，2.1 mm×50 mm）；流動相：A為2.5 mmol/L醋酸銨水溶液/甲醇（95∶5），B 為甲醇/2.5 mmol/L 醋酸銨水溶液（95∶5）；流速為0.3 mL/min；梯度洗脫程序：0～0.2 min，95%～5%A；0.2～3 min，5%A；3～5 min，5%～95%A；進樣量：1 μL。

質(zhì)譜條件：監(jiān)測模式：多反應(yīng)監(jiān)測（MRM）；離子源：ESI；掃描方式：負離子掃描；源溫度：150 ℃；錐體電壓：10 V；毛細管電壓：2.5 kV；去溶劑氣溫度：450 ℃；去溶劑氣流量：1 000 L/h；錐孔氣流量：150 L/h；霧化氣壓力：7 000 Pa。4種PFECA的檢測離子對、錐孔電壓、碰撞能量等質(zhì)譜參數(shù)見表1。

表1 4種PFECA的MRM檢測條件Table 1 Mass spectrometry detection conditions of four PFECAs

全掃描模式：取10 ng/mL PFECA 單標溶液，分別在10、20、30、40 V 的錐孔電壓下對GenX、PFO2HpA、HFPO-TA、HFPO-TeA 進行二級質(zhì)譜全掃描，得到二級質(zhì)譜圖。其他質(zhì)譜參數(shù)同MRM模式。

子離子掃描模式：取10 ng/mL PFECA 單標溶液，分別在10、20、30、40 V的錐孔電壓下對GenX、PFO2HpA、HFPO-TA、HFPO-TeA 進行子離子掃描，得到子離子掃描圖。其他質(zhì)譜參數(shù)同MRM模式。

1.3 樣品采集與前處理

桶裝飲用水、地下水和河水，分別采集于普利斯礦泉水有限公司、濟南地下水和小清河。所有水樣于4 ℃下儲存在棕色玻璃瓶中。使用前，采用0.22 μm針式過濾器過濾。

在50 mL 離心管中加入5 mL 水樣、30 μL 鹽酸和10 mL 乙腈，振蕩10 min。然后加入2 g NaCl 并振蕩10 min，于10 000 r/min下離心10 min，用0.22 μm 針式過濾器過濾上層乙腈溶液。濾液在25 ℃下濃縮至干，用1 mL甲醇復溶，待檢測。

1.4 標準工作曲線的制作

準確移取適量PFECA 混合標準溶液于8 支50 mL 離心管中，加入5 mL 空白水樣配成質(zhì)量濃度分別為0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、5 ng/mL 的混合溶液，再按“1.3”樣品處理方法進行液液萃取，以各PFECA定量離子的峰面積（Y）對其質(zhì)量濃度（X，ng/mL）建立標準曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)譜條件的優(yōu)化

LC-MS/MS 是目前用于PFASs 定量檢測的主要技術(shù)，通常在ESI-模式下以［M-H］-為母離子對PFASs 進行檢測［15-17］。然而，由于C—O 醚鍵比C—C 鍵不穩(wěn)定，PFECA 在ESI 源中電離時易發(fā)生源內(nèi)裂解，產(chǎn)生［CF3（CF2）nO］結(jié)構(gòu)的碎片離子，導致［M-H］-離子的豐度降低［6，12-14］。另外，羧基使PFECA在產(chǎn)生分子離子峰［M-H］-的基礎(chǔ)上，容易進一步丟失中性分子CO2，產(chǎn)生［M-H-CO2］碎片離子。上述原因均能導致［M-H］-離子的豐度降低［12，14］，影響PFECA的質(zhì)譜響應(yīng)。但目前大多數(shù)質(zhì)譜方法主要基于［M-H］-碎片離子進行錐孔電壓、碰撞能量等參數(shù)的優(yōu)化［6，12］，尚未對［CF3（CF2）nO］和［M-H-CO2］等碎片離子進行研究?；诖?，本文采用全掃描和子離子掃描模式對PFECA 的母離子和子離子進行考察。

在負離子模式下，對GenX進行二級質(zhì)譜全掃描。如圖1A所示，未檢測到準分子離子峰［M-H］-m/z329。然而由于CO2中性丟失和醚氧鍵斷裂產(chǎn)生的［M-H-CO2］m/z285 和［C3F7］m/z169 碎片離子的響應(yīng)很好。嘗試以［M-H-CO2］m/z285作為母離子，對其進行子離子掃描（圖1B），得到特征子離子m/z185、169、119，分別是由母離子發(fā)生醚氧鍵斷裂和進一步丟失CF2片段形成。因此確定以m/z285/185、285/169、285/1 193個離子對進行定量分析。

圖1 負離子模式下GenX的二級質(zhì)譜圖（A）與子離子掃描圖（B）Fig.1 UPLC-MS2 spectrum（A）and daughter ion scan spectrum（B）of GenX under negative mode

在負離子模式下，對HFPO-TeA 進行二級質(zhì)譜全掃描。如圖2A 所示，未檢測到對應(yīng)的準分子離子峰［M-H］-m/z661。然而由于醚氧鍵斷裂產(chǎn)生的［C6F13O2］m/z351碎片離子的響應(yīng)很好。將［C6F13O2］m/z351 作為母離子，對其進行子離子掃描（圖2B），得到特征子離子m/z185、169、119，分別是由母離子發(fā)生醚氧鍵斷裂和進一步丟失CF2片段形成。因此確定以m/z351/185、351/169、351/119 3個離子對進行定量分析。

圖2 負離子模式下HFPO-TeA的二級質(zhì)譜圖（A）與子離子掃描圖（B）Fig.2 UPLC-MS2 spectrum（A）and daughter ion scan spectrum（B）of HFPO-TeA under negative mode

運用相同的方法對PFO2HpA 和HFPO-TA 進行研究，在二級質(zhì)譜全掃描模式下均未發(fā)現(xiàn)它們的準分子離子峰［M-H］-，然而，由于醚氧鍵斷裂產(chǎn)生的［M-CF2COOH］-m/z201 和［C3F7O］-m/z185碎片離子的響應(yīng)卻很好，隨后將它們作為母離子進行子離子掃描，進一步得到由于醚氧鍵和碳碳鍵斷裂形成的特征子離子m/z85 和m/z119。因此分別以離子對m/z201/85、m/z185/119 對PFO2HpA 和HFPO-TA 進行定量分析。此外，還對4 種PFECA 的錐孔電壓、碰撞能量進行了優(yōu)化，最佳檢測條件見表1。

采用文獻中4 種PFECA的MRM質(zhì)譜條件［18］，對1 ng/mL的PFECA進行UPLC-MS/MS對比檢測。如圖3 所示，相對于以［M-H］-為母離子的常規(guī)MRM 條件，本文建立的［CF3（CF2）nO］、［M-H-CO2］等MRM條件，可將PFECA的質(zhì)譜響應(yīng)最大提高4個數(shù)量級，表明本方法更有利于PFECA的痕量檢測。

圖3 不同方法檢測4種PFECA（1 ng/mL）的UPLC-MS/MS圖Fig.3 Chromatograms of four PFECAs（1 ng/mL）under different methods

2.2 裂解規(guī)律

GenX 的裂解可能是由CO2中性分子丟失開始，產(chǎn)生［M-H-CO2］碎片離子。然后發(fā)生源內(nèi)斷裂，導致C2F4/C2F4O 丟失，產(chǎn)生m/z為185 和169 的碎片離子。進一步發(fā)生C—C 鍵斷裂，導致CF2丟失，產(chǎn)生m/z為119的碎片離子。圖4為GenX的可能裂解途徑。

圖4 GenX主要碎片的可能裂解途徑Fig.4 The possible fragmentation pathway of major fragment of GenX

PFO2HpA 的碳鏈中含有2 個C—O—C 鍵，同樣可能會發(fā)生源內(nèi)裂解，導致醚氧鍵斷裂，先后失去CF2CO2和C2F4O片段，產(chǎn)生m/z為201和85的碎片離子（圖5，途徑a）。另外，PFO2HpA在源內(nèi)斷裂前也可發(fā)生CO2中性分子丟失（圖5，途徑b），然后C—C鍵斷裂，產(chǎn)生m/z為201的碎片離子，繼而發(fā)生醚氧鍵的斷裂，產(chǎn)生m/z85的碎片離子。

圖5 PFO2HpA主要碎片的可能裂解途徑Fig.5 The possible fragmentation pathway of major fragment of PFO2HpA

由于源內(nèi)裂解和CO2的中性丟失，HFPO-TA和HFPO-TeA也會發(fā)生類似的裂解，產(chǎn)生［CF3（CF2）nO］或［M-H-CO2］等碎片離子。圖6和圖7分別為HFPO-TA和HFPO-TeA的可能裂解途徑。

圖6 HFPO-TA主要碎片的可能裂解途徑Fig.6 The possible fragmentation pathway of major fragment of HFPO-TA

圖7 HFPO-TeA主要碎片的可能裂解途徑Fig.7 The possible fragmentation pathway of major fragment of HFPO-TeA

2.3 線性關(guān)系、檢出限與定量下限

按照“1.4”方法繪制標準曲線，由表2 可見，4 種PFECA 均具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)（r2）均大于0.99。通過在5 mL 空白水樣中添加不同量的PFECA 混合標準溶液，分別以信噪比為3 和10 計算該方法的檢出限（LOD）和定量下限（LOQ）。得到該方法對4種PFECA 的LOD 為0.001～0.005 ng/mL，LOQ 為0.003～0.01 ng/mL，遠低于美國北卡羅來納州衛(wèi)生與公眾服務(wù)部要求的飲用水中的健康標準（0.14 ng/mL）［8］。以上結(jié)果說明，該方法可實現(xiàn)PFECA 的痕量檢測，能夠滿足實際檢測需要。

表2 4種PFECA的線性回歸方程、線性范圍、相關(guān)系數(shù)（r2）、檢出限和定量下限Table 2 Regression equations，linear ranges，correlation coefficients（r2），LODs and LOQs of four PFECAs

2.4 實際樣品的測定

為進一步驗證該方法的實用性，選取桶裝飲用水、地下水、河水3 種實際水樣進行檢測。如表3和圖8 所示，在桶裝飲用水中未檢出4 種PFECA，在地下水中檢出0.080 ng/mL 的GenX，在河水中檢出0.146 ng/mL 的GenX 和0.106 ng/mL 的HFPO-TA，表明自然界水樣已被新型PFASs 污染。

圖8 實際水樣中4種PFECA的UPLC-MS/MS圖Fig.8 UPLC-MS/MS chromatograms of four PFECAs in water samples

表3 實際水樣中4種PFECA的檢測及加標回收率結(jié)果Table 3 Detection results and recoveries of four PFECAs in real water samples

另外，在0.05、0.50、1.00 ng/mL 3 個濃度水平下進行加標回收實驗。由表3 可見，4 種PFECA的加標回收率為90.2%～108%，相對標準偏差（RSD）不大于7.9%，說明該方法的準確度和精密度良好，可用于實際樣品中痕量PFECA 的分析。

3 結(jié) 論

本文通過使用［CF3（CF2）nO］或［M-H-CO2］作為母離子，其他次級氟化烷氧基和烷基片段作為子離子，將PFECA 的質(zhì)譜響應(yīng)最大提高4 個數(shù)量級，并推斷了PFECA 的裂解規(guī)律，解決了源內(nèi)裂解和CO2中性丟失造成的PFECA 檢測靈敏度較低問題。結(jié)合液液萃取法，對水樣中4種PFECA 進行UPLCMS/MS分析。檢測結(jié)果表明，地下水和河水中存在GenX或HFPO-TA，應(yīng)引起關(guān)注。