超高效液相色譜－串聯(lián)質(zhì)譜法測定土壤中18種全氟和多氟烷基化合物

錢佳浩，朱清禾，萬 江，王佳希，張 衛(wèi)，楊 潔*

（1.華東理工大學(xué)，國家環(huán)境保護(hù)化工過程環(huán)境風(fēng)險評價與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237；2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，國家環(huán)境保護(hù)城市土壤污染控制與修復(fù)工程技術(shù)中心，上海 200233）

全氟及多氟烷基化合物（PFASs）是分子碳鏈上的氫原子完全或部分被氟原子取代的一類有機(jī)化合物［1］。PFASs因具有優(yōu)異的疏水疏油性以及低表面張力［2］，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活，例如地毯、潤滑劑、消防泡沫以及食品包裝紙等［2］。目前，PFASs在土壤［3］、大氣［4］、水體［5］、沉積物［6］、灰塵［7］、動物［8］和人類血清［9］等環(huán)境介質(zhì)和生物體中均有檢出。PFASs的碳氟鍵能高，具有極強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性［10］，導(dǎo)致其一旦進(jìn)入環(huán)境就很難自然降解。PFASs可通過灰塵、飲用水以及動植物的食物鏈等多種途徑進(jìn)入人體，毒理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)其對內(nèi)分泌、神經(jīng)、免疫、生殖等系統(tǒng)均具有毒性和致癌性，危害人體健康［1］。近年來，PFASs受到廣泛關(guān)注，特別是環(huán)境介質(zhì)（水、土壤、沉積物）中的PFASs。

我國針對環(huán)境介質(zhì)中PFASs的提取及檢測方法尚未制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目前的研究主要集中于水體［11］，土壤中PFASs分析方法的研究相對較少。謝琳娜等［12］采用固相萃取結(jié)合高效液相色譜－質(zhì)譜法分析土壤中C4～C14全氟羧酸以及C4～C7全氟磺酸的含量，經(jīng)甲醇超聲提取、柱純化等步驟，15種PFASs化合物的回收率為75.8%～113.0%。陳勇杰等［13］建立了污泥基質(zhì)中PFASs前驅(qū)體的檢測方法，包括氟調(diào)醇類化合物和全氟辛烷磺酰胺類化合物。隨著近年來分析技術(shù)的飛速發(fā)展，能檢測出的PFASs種類不斷擴(kuò)充。例如，應(yīng)用于醫(yī)藥中間體的全氟十六烷酸及全氟十八烷酸，這些長鏈PFASs可能比中短鏈PFASs具有更強(qiáng)的生物累積性和毒性［14］，且更易吸附在土壤介質(zhì)中［15－16］；全氟（2-甲基-3-氧雜己酸）（GenX）作為全氟辛酸（PFOA）的替代物，2019年被歐盟列為極高關(guān)注污染物，這些新興污染物也將成為土壤中PFASs的重要組成與監(jiān)測對象。另外不同于水體介質(zhì)，土壤粒徑、有機(jī)質(zhì)等因素會影響PFASs的吸附、解吸能力［16］，因此土壤中PFASs的提取方法亟需進(jìn)一步優(yōu)化。

本研究采用固相萃取/超高效液相色譜－串聯(lián)質(zhì)譜（UPLC－MS/MS）技術(shù)，對包括C3～C18的全氟羧酸、C4～C8的全氟磺酸以及全氟醚羧酸GenX進(jìn)行了檢測，并對土壤粒徑、超聲溫度、超聲時間、固相萃取柱種類以及洗脫液濃度進(jìn)行了優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

三重四極桿液相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀（日本島津公司），DTC－33靜音型超聲波清洗機(jī)（湖北鼎泰高科有限公司），VM－D渦旋混合器（上海舍巖儀器有限公司），Sorvall?LYNX高速離心機(jī)（德國賽默飛世爾科技公司），Supelco固相萃取儀、Milli－Q超純水儀（美國默克公司）。

18種污染物的具體信息見表1。全氟癸酸、全氟十一酸、全氟己烷磺酸購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司，全氟壬酸、全氟十二酸、全氟丁烷磺酸購于上海泰坦科技股份有限公司，全氟十三酸、全氟十四酸、全氟十六酸、全氟十八酸及提取內(nèi)標(biāo)（MPFAC－C－ES）購于加拿大Wellington Laboratories，其它標(biāo)準(zhǔn)品購于上海安譜實(shí)驗(yàn)科技有限公司，純度均大于98%。甲醇（色譜純）、氨水（分析純）、乙酸鈉（分析純）等試劑購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 樣品采集與處理

分別稱取適量的18種PFASs標(biāo)準(zhǔn)品，以甲醇溶解并定容，配制成200 mg/L的PFASs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，將上述溶液稀釋成500μg/L作為PFASs儲備液，備用。采集上海某地土壤作為空白樣品，取10 mL的PFASs儲備液，少量多次加入50 g空白土壤中并充分?jǐn)嚢杈鶆?，通風(fēng)櫥中待溶劑揮發(fā)后得100 ng/g污染土壤。

準(zhǔn)確稱取1.0 g 60目的土壤樣品（精確至0.001 g）置于50 mL聚丙烯離心管中，加入5 ng提取內(nèi)標(biāo)和5 mL甲醇，渦旋1 min使其均質(zhì)化，靜置5 min后，40℃超聲10 min，然后以3 600 r/min離心10 min，將上清液收集至另一離心管中。以上提取過程重復(fù)2次，合并上清液約15 mL，在溫和的高純度氮?dú)庀聺饪s上清液至1～2 mL，濃縮后的提取液用超純水稀釋至50 mL。將上述稀釋后的樣品加入WAX Oasis固相萃取柱中進(jìn)行純化（加入樣品前分別用4 mL甲醇、4 mL 0.1%氨水－甲醇溶液和10 mL超純水活化萃取柱），棄去流出液，之后用10 mL超純水和8 mL 25 mmol/L乙酸鈉溶液淋洗固相萃取柱以去除雜質(zhì)，最后用2 mL甲醇和4 mL 0.1%氨水－甲醇溶液洗脫并收集PFASs，高純度氮?dú)饬飨麓抵两?，重新定容? mL甲醇，渦旋30 s，過0.22μm濾膜后待測。每組實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置2個平行組。

實(shí)際土樣測定中，S1和S2樣品取自上海浦東某工業(yè)園區(qū)，S3樣品取自上海浦東某電鍍廠周邊，均取0～15 cm表層土壤，每個采樣點(diǎn)取5份土樣（5 m×5 m）混合而成，代表功能區(qū)周邊PFASs的平均含量。

1.3 測定條件

色譜條件：采用三重四極桿液相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀對PFASs進(jìn)行分析，ACQUITY UPLC BEH C18柱（50 mm×2.1 mm，1.7μm），柱溫為40℃。流動相：A相為5 mmol/L乙酸銨溶液，B相為甲醇；洗脫程序?yàn)椋?～1 min，25%B；1～3.5 min，25%～75%B；3.5～8 min，75%B；8～10 min，75%～95%B；10～12 min；95%B；12～12.5 min，95%～25%B。進(jìn) 樣 體 積 為5μL，流 速 為0.4 mL/min。

質(zhì)譜條件：電噴霧電離（ESI）負(fù)離子模式，采集方式為多反應(yīng)監(jiān)測（MRM）模式，離子噴霧電壓為-4 500 V，霧化氣流速為3 L/min，加熱氣流速為15 L/min，干燥氣流速為5 L/min，接口溫度為300℃，DL溫度為100℃，加熱塊溫度為200℃。18種PFASs及13種內(nèi)標(biāo)的質(zhì)譜MRM參數(shù)見表2。

表2 18種PFASs及13種提取內(nèi)標(biāo)的質(zhì)譜多反應(yīng)監(jiān)測參數(shù)Table 2 MRM parameters of mass spectrometry for 18 PFASs and 13 internal extraction standards

1.4 質(zhì)量控制與保證

在樣品前處理過程中避免接觸和使用聚四氟乙烯或其他含氟聚合物材料，所有容器用去離子水和甲醇進(jìn)行預(yù)處理，以減小背景污染。每提取12個樣品做1個實(shí)驗(yàn)空白樣品，測定供試容器、試劑中可能帶入的PFASs。上機(jī)測試時，每隔6個樣品運(yùn)行1次空白針，以檢測實(shí)驗(yàn)過程可能造成的污染以及樣品在儀器中的殘留，實(shí)驗(yàn)空白樣品和空白針中目標(biāo)化合物的含量均須低于儀器檢出限。

1.5 數(shù)據(jù)處理分析

采用Excel 2010與Origin 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤粒徑的優(yōu)化

對比了不同土壤粒徑對18種PFASs提取回收率的影響。由圖1可知，20目、60目和100目土壤中，18種PFASs的提取回收率分別為58.5%～137%、78.5%～138%、76.6%～135%，其中粒徑為20目的土壤中PFASs的提取回收率最低，尤其是PFPrA、PFTeDA、PFHxDA及PFOcDA，回收率不足70.0%，遠(yuǎn)低于60目及100目土壤。這是由于隨著土壤粒徑減小，其比表面積增大，提取液更易進(jìn)入土壤樣品的顆?？紫吨信cPFASs充分接觸。因此，粒徑小的土壤樣品中PFASs的提取回收率更好，尤其是長鏈PFASs，可能由于長鏈PFASs比短鏈在土壤中的吸附作用強(qiáng)［16］，更需要與提取液充分接觸。60目與100目的土壤樣品中PFASs的提取回收率相當(dāng)，說明前者能充分滿足PFASs的提取需求，因此選擇土壤粒徑為60目。

圖1 土壤粒徑對PFASs回收率的影響Fig.1 Influence of soil particle size on the recoveries of PFASs

2.2 超聲溫度的優(yōu)化

考察了超聲溫度（30、40、50℃）對18種PFASs提取回收率的影響，結(jié)果顯示PFOA、PFNA、PFDA等大部分PFASs受超聲溫度的影響較小，在上述3個溫度下目標(biāo)物的回收率相當(dāng)。然而對于PFPrA、PFHxDA及PFOcDA，以40℃下的提取回收率較優(yōu)，30℃下的提取回收率最低（PFHxDA及PFOcDA的提取回收率不足40.0%），50℃下長鏈PFASs的提取回收率不及40℃，故采用最佳超聲溫度為40℃。

2.3 超聲時間的優(yōu)化

考察了超聲時間（10、20 min）對18種PFASs提取回收率的影響，結(jié)果表明超聲時間對PFASs提取回收率的影響較小，上述2種超聲時間下PFASs的提取回收率相當(dāng)，與文獻(xiàn)［12，17］的研究結(jié)果一致。為節(jié)省時間，選擇最佳超聲時間為10 min。

2.4 固相萃取柱的優(yōu)化

WAX Oasis與ENVI-carb是PFASs提取中常用的固相萃取柱，兩者分別為弱陰離子交換柱以及活性炭固相萃取柱。比較了上述2種不同類型萃取柱對18種PFASs提取回收率的影響，并對比了不同填料規(guī)格（150 mg/6 mL、500 mg/6 mL）的WAX Oasis固相萃取柱，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，WAX Oasis固相萃取柱對PFASs的提取回收率高于ENVI-carb固相萃取柱（100 mg/1 mL）。WAX Oasis與ENVI-carb兩種萃取柱對GenX、PFHpA、PFHxS、PFOA、PFNA、PFOS及PFDA的回收率相當(dāng)（77.8%～137%）；PFPrA、PFBA、PFPeA 3種短鏈PFASs以及PFDoDA、PFTrDA、PFTeDA、PFHxDA、PFOcDA 5種長鏈PFASs在WAX Oasis柱中的回收率分別為75.0%～128%（150 mg/6 mL）和63.0%～128%（500 mg/6 mL），但ENVI-carb固相萃取柱對以上目標(biāo)物的回收率不足35.0%，甚至幾乎為0（如PFPrA、PFHxDA等），這與文獻(xiàn)［13，18］的研究報道一致。由于ENVI-carb萃取柱與目標(biāo)物僅存在非極性相互作用力，短鏈PFASs的極性強(qiáng)、疏水作用較弱，可能不易結(jié)合于萃取柱中而降低回收率，而長鏈化合物的疏水性強(qiáng)，吸附在萃取柱上的PFASs可能不易被洗脫而導(dǎo)致回收率低。WAX Oasis固相萃取柱的填料中含有哌嗪環(huán)［13］，主要通過離子交換作用吸附PFASs，目標(biāo)物的提取效率與其疏水性相關(guān)性較小，故大部分目標(biāo)物在WAX Oasis柱的回收率較好，因此ENVI-carb柱不適用于短鏈（C＜5）及長鏈（C＞12）PFASs，WAX Oasis柱對PFASs的適用范圍更廣。對比不同規(guī)格的萃取柱發(fā)現(xiàn)，WAX Oasis（150 mg/6 mL）對各PFASs的回收率與WAX Oasis（500 mg/6 mL）無明顯差異，盡管供試樣品中PFASs的總質(zhì)量濃度達(dá)1 800μg/L，遠(yuǎn)高于實(shí)際土壤中PFASs的含量，但WAX Oasis（150 mg/6 mL）仍可實(shí)現(xiàn)高效回收，因此采用WAX Oasis（150 mg/6 mL）固相萃取柱能夠滿足土壤中PFASs類化合物的提取需求。

圖2 固相萃取柱對PFASs回收率的影響Fig.2 Influence of solid phase extraction column on the recoveries of PFASs

2.5 洗脫液濃度的優(yōu)化

當(dāng)PFASs化合物結(jié)合于固相萃取柱后，洗脫液極性是影響回收率的另一重要因素。實(shí)驗(yàn)采用甲醇與氨水－甲醇溶液聯(lián)用洗脫固相萃取柱中的目標(biāo)物，比較了不同氨水－甲醇濃度（0.1%、0.5%、1%）對PFASs提取回收率的影響（圖3）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0.1%氨水－甲醇溶液對各PFASs的洗脫效率優(yōu)于其它2種洗脫液，可能由于高濃度氨水－甲醇溶液會引入較多的水，造成洗脫液極性增強(qiáng)，洗脫能力下降［13］。因此，選擇最佳洗脫液為甲醇和0.1%氨水－甲醇溶液。

圖3 洗脫液濃度對PFASs回收率的影響Fig.3 Influence of eluent concentration on the recoveries of PFASs

2.6 方法的分析性能

分別配制0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10、20、50、100、200μg/L的PFASs系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，以目標(biāo)物標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)（x，μg/L），對應(yīng)峰面積為縱坐標(biāo)（y），繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示，18種PFASs在0.05～200μg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性良好，相關(guān)系數(shù)（r2）均大于0.996。以3倍信噪比計算儀器檢出限（LOD），以10倍信噪比計算方法定量下限（LOQ），方法檢出限為0.003～0.100μg/L，定量下限為0.010～0.300μg/L，與文獻(xiàn)報道方法［17-18］相當(dāng)甚至更低（見表3）。優(yōu)化條件下18種PFASs混標(biāo)（50μg/L）的色譜圖見圖4。

圖4 18種PFASs混標(biāo)的色譜圖（50μg/L）Fig.4 Chromatogram of 18 PFASs mixed standard solution（50μg/L）

表3 18種PFASs的線性關(guān)系、檢出限及定量下限Table 3 Linear relations，LODs and LOQs of 18 PFASs

采用空白樣品（除PFOA檢出0.12 ng/g，其他PFASs均低于檢出限）加標(biāo)方式，考察基質(zhì)效應(yīng)對18種PFASs回收率的影響。土壤加標(biāo)濃度為1、5、100 ng/g，平行配制3份。土壤樣品中18種PFASs的回收率為76.3%～132%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為0.40%～11%，能夠滿足定量分析的基本要求。

（續(xù)表3）

2.7 實(shí)際樣品分析

應(yīng)用本方法對上海工業(yè)區(qū)土壤中PFASs含量進(jìn)行檢測（見圖5）。結(jié)果表明，S1、S2和S3樣品中PFASs的總含量分別為12.37、56.00、25.74 ng/g，其PFASs總體含量遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)報道的天津、安徽地區(qū)土壤［19－20］。18種PFASs均檢出，其中PFPrA、PFBS、PFHxA、PFHpA、PFHxS、PFOA、PFNA、PFOS、PFDA、PFUnDA、PFDoDA、PFTeDA、PFHxDA及PFOcDA在3個土壤樣品中普遍存在，說明土壤中污染物種類多樣化。PFOA和PFOS是供試土壤樣品中PFASs的重要組成部分，占比分別為24%～66%、3%～28%，這與兩者在工業(yè)生產(chǎn)中使用量較大相關(guān)。新型PFASs化合物GenX在S2樣品中檢出，占比為2.4%，應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注。

圖5 實(shí)際土壤樣品中PFASs的含量及組成Fig.5 Contents and composition of PFASs in actual soil samples PFASs with relative percentages greater than 5%are marked in the figure（圖中標(biāo)記出PFOS及相對百分比大于5%的PFASs組分）

2.8 方法對比

比較本方法和文獻(xiàn)報道中的前處理方法對內(nèi)標(biāo)回收率的影響，具體前處理方法分別為：①以2 mL 1%氨水-甲醇溶液于40℃超聲提取15 min［12］；②以10 mL甲醇于40℃超聲提取30 min［21］；③以2 mL乙腈于40℃超聲提取30 min［22］；④以5 mL甲醇于40℃超聲提取10 min（本方法）。由圖6可知，在提取出的PFASs中，本方法與文獻(xiàn)報道方法相比，時間更短、回收率更高，滿足大批量土壤樣品提取的需求。

圖6 4種土壤前處理方法的結(jié)果比較Fig.6 Comparison results of 4 soil pretreatment methods

3 結(jié) 論

本文建立了同時檢測包括GenX在內(nèi)18種PFASs含量的固相萃取/超高效液相色譜－串聯(lián)質(zhì)譜方法。該方法操作簡單，靈敏度高，具有較高的準(zhǔn)確度和精密度，可以快速準(zhǔn)確地定量分析土壤中的PFASs含量，為今后土壤中PFASs污染物的采樣調(diào)查及監(jiān)測工作提供了技術(shù)基礎(chǔ)。