新型含氟基質(zhì)在基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜法測(cè)定全氟磺酸中的應(yīng)用

張雨奇,于靖,俞艷文,王康,吳婷*,杜一平

(1.華東理工大學(xué)分析測(cè)試中心,上海 200237;2.上海海關(guān)工業(yè)品與原材料檢測(cè)技術(shù)中心,上海 200135)

全氟化合物(PFCs)是化合物分子中與碳原子連接的氫原子完全被氟原子所取代的一類有機(jī)化合物。C－F 鍵具有極高極性和鍵能(約110 kJ·mol－1),使PFCs在水解、代謝、光解和其他形式的降解中具有熱力學(xué)穩(wěn)定性和高度耐受性。相關(guān)研究表明,在長(zhǎng)期的環(huán)境遷移轉(zhuǎn)化過程中,PFCs最終降解產(chǎn)物以全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)為主,PFOS和PFOA 由于自身的廣泛應(yīng)用,成為PFCs在環(huán)境介質(zhì)中檢出頻率最高的兩種物質(zhì)[1]。很明顯,PFCs已經(jīng)成為新出現(xiàn)的環(huán)境污染物,而且在職業(yè)暴露人群的流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果中顯示,血液中高濃度水平的PFOA 可以造成膽固醇和尿酸含量升高,但是并沒有確鑿證據(jù)表明它們會(huì)引發(fā)后續(xù)的心腦血管疾病[2]。高濃度水平的PFOA還可以提高人血液中肝酶的濃度水平[3]。此外,對(duì)美國(guó)普通成年人的健康調(diào)查顯示,與健康人群相比,患有甲狀腺疾病的人群體內(nèi)存在更高濃度水平的PFOS和PFOA[4]。作為PFOS的替代品,全氟丁烷磺酸(PFBS)的使用逐漸增加,導(dǎo)致其在環(huán)境中已普遍存在。文獻(xiàn)[5]報(bào)道PFBS可以有效破壞甲狀腺內(nèi)分泌腺,從而導(dǎo)致視覺功能受損。因此,它們的監(jiān)測(cè)對(duì)于促進(jìn)環(huán)境管理和人類身體健康至關(guān)重要。

基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF MS)具有樣品制備簡(jiǎn)單、分析快速、靈敏度高、耐鹽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。自從20 世紀(jì)80 年代以來,MALDI一直被廣泛應(yīng)用于大分子物質(zhì)的檢測(cè),比如蛋白質(zhì)[6]、多糖[7]、脫氧核糖核酸(DNA)/核糖核酸(RNA)[8]、聚合物[9],甚至是細(xì)菌[10]。盡 管MALDI-TOF MS的高通量性使其成為分析這些物質(zhì)的強(qiáng)有力工具,但其在小分子領(lǐng)域的應(yīng)用受到了相當(dāng)大的限制,因?yàn)槌Ｓ玫挠袡C(jī)基質(zhì)會(huì)產(chǎn)生大量的與基質(zhì)相關(guān)的干擾離子[11],從而使相對(duì)分子質(zhì)量低的分析物的檢測(cè)變得模糊不清,如檢測(cè)酸類化合物的常用基質(zhì)9-氨基吖啶(9-AA)用于檢測(cè)PFCs時(shí),背景干擾嚴(yán)重。近些年來,許多無機(jī)材料如石墨烯[12-13]、金屬氧化物納米材料[14]以及多孔硅材料[15]已經(jīng)被開發(fā)出來作為替代基質(zhì)。金屬共價(jià)有機(jī)骨架可以用作吸附劑和基質(zhì),以實(shí)現(xiàn)對(duì)PFCs的快速分析[16]。這些材料雖然可以實(shí)現(xiàn)基質(zhì)離子的低碎片化,但是合成復(fù)雜、價(jià)格昂貴。因此,需要持續(xù)開發(fā)新的無干擾基質(zhì),以用于MALDI-TOF MS分析小分子。

本工作開發(fā)了一種新型含氟基質(zhì),提出了全氟磺酸的MALDI-TOF MS定性和定量分析方法,并用于包裝材料中PFOS和PFBS的定量分析,可為該類物質(zhì)的定性定量分析提供新的解決方案。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

AB Sciex 4800 plus MALDI TOF/TOF 型基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜儀;Vortex-Genie 2 型渦旋振蕩儀;AB135-S/FACT 型電子分析天平;B2510E 型超聲波清洗機(jī);Mill-Q 型超純水儀。

PFOA 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液:10 g·L－1,稱取適量的PFOA 標(biāo)準(zhǔn)品溶于甲醇中,配制成質(zhì)量濃度為10 g·L－1的PFOA 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液。同理,制得相同質(zhì)量濃度的PFOS標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液和全氟丁烷磺酸鉀標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液。

內(nèi)標(biāo)溶液:300 mg·L－1,稱取適量的內(nèi)標(biāo)二十一烷酸溶于乙醇中,配制成質(zhì)量濃度為300 mg·L－1的內(nèi)標(biāo)溶液。

十五烷酸、十七烷酸、十九烷酸、二十一烷酸混合標(biāo)準(zhǔn)溶液:0.5 g·L－1,稱取適量的十五烷酸、十七烷酸、十九烷酸、二十一烷酸溶于體積比1∶1的異丙醇-乙腈混合液中,配制成質(zhì)量濃度為0.5 g·L－1的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,待用。

9-AA 的純度不小于99.5%;3,3′-二氟二苯甲酮的純度為 99%;甲基三苯基溴化膦(Ph3PCH3Br)、PFOA、PFBS、PFOS標(biāo)準(zhǔn)品的純度均不小于98%;全氟丁烷磺酸鉀標(biāo)準(zhǔn)品、1,6-二苯基-1,3,5-己三烯(DPH)的純度為98%;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的三氟乙酸(TFA)溶液;α-氰基-4-羥基肉桂酸(CHCA)為色譜純;乙腈、四氫呋喃(THF)為分析純;試驗(yàn)用水為超純水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 新型基質(zhì)1,1-二(3-氟苯基)乙烯的合成

根據(jù)文獻(xiàn)[17],在無水條件下,在圓底燒瓶中加入Ph3PCH3Br(11.5 g,32 mmol)、叔丁醇鉀(t-Bu OK,6.3 g,56 mmol)和THF(40 mL),反應(yīng)混合物在氮?dú)夥諊惺覝財(cái)嚢?0 min,將雙(3-氟苯基)甲酮(3.4 g,15.7 mmol)溶于THF(20 mL)中,并緩慢加入反應(yīng)混合物中。室溫?cái)嚢柽^夜后,用飽和氯化銨溶液進(jìn)行淬滅。分離有機(jī)層,用乙酸乙酯萃取水層。有機(jī)層用飽和氯化鈉溶液洗滌,再用無水硫酸鈉干燥,過濾。濾液減壓濃縮,用硅膠柱層析法純化,得到1,1-二(3-氟苯基)乙烯(EDF)。合成路線圖見圖1。純化后的產(chǎn)物用核磁共振氫譜(1H NMR)和配有電子轟擊離子源的質(zhì)譜(EI-MS)進(jìn)行表征。

圖1 EDF的合成路線Fig.1 Synthetic route of EDF

1.2.2 樣品中全氟磺酸的提取

將食品級(jí)包裝材料漢堡包裝紙剪成0.5 cm×0.5 cm 的碎片,稱取100.00 mg置于10 mL帶蓋玻璃瓶中,加入甲醇5 mL,并設(shè)置了空白甲醇對(duì)照組。將玻璃瓶放置在超聲波清洗儀中,于室溫超聲2 h。超聲結(jié)束后,過0.22μm 濾膜,將濾液收集至5 mL玻璃瓶中,待用。

1.2.3 MALDI-TOF MS分析

稱取適量EDF 溶于二氯甲烷中,渦旋振蕩5 min,配制成1 g·L－1的EDF基質(zhì)溶液。采用逐層點(diǎn)樣的方法,移取0.6μL 的EDF 基質(zhì)溶液快速點(diǎn)在不銹鋼靶板圓點(diǎn)處,自然干燥后,再移取0.8μL待測(cè)樣品溶液點(diǎn)在不銹鋼靶板的相同位置,待其自然揮干后進(jìn)行MALDI-TOF MS分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 基質(zhì)EDF的表征

試驗(yàn)對(duì)制備的新型基質(zhì)EDF進(jìn)行1H NMR 和EI-MS表征。圖2(a)為基質(zhì)EDF 的1H NMR圖,1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:7.31(dd,J＝14.9,7.6 Hz,2H),7.10(d,J＝7.8 Hz,4H),6.98～7.06(m,2 H),5.51(s,2 H),與EDF 的理論氫譜相符。在圖2(b)EI-MS譜圖中可看到分子離子峰質(zhì)荷比(m/z)216.074 9,與理論 計(jì)算C14H10F2的[M－e]＋m/z216.074 5的相對(duì)誤差僅1.8×10－6,同時(shí)多個(gè)碎片離子峰也進(jìn)一步證實(shí)了EDF 的合成。

圖2 EDF的1 H NMR 譜圖和EI-MS譜圖Fig.2 1 H NMR spectrum and EI-MS spectrum of EDF

2.2 基質(zhì)性能考察

將EDF基質(zhì)應(yīng)用于全氟磺酸的MALDI-TOF MS檢測(cè)中,可獲得背景干凈的質(zhì)譜圖。圖3(a)為在1 g·L－1EDF基質(zhì)條件下,0.5 g·L－1全氟丁烷磺酸鉀(其在檢測(cè)體系中即為PFBS,以下均稱為PFBS)、0.5 g·L－1PFOS以及5 g·L－1PFOA 的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的MALDI-TOF MS譜圖,圖中可看出該基質(zhì)能極大地改善常規(guī)有機(jī)基質(zhì)在低相對(duì)分子質(zhì)量端的背景干擾。相對(duì)于離子化效果更好的PFOS,PFOA 也同樣在EDF 這種基質(zhì)中被檢測(cè)到,而且無背景干擾峰?；趯?duì)全氟磺酸的優(yōu)良檢測(cè)性能,試驗(yàn)還將該基質(zhì)應(yīng)用于其他酸性化合物的MALDI-TOF MS檢測(cè)中。圖3(b)為在1 g·L－1EDF基質(zhì)條件下,0.5 g·L－1的十五烷酸、十七烷酸、十九烷酸、二十一烷酸混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的MALDITOF MS譜圖,可以看到在EDF 基質(zhì)下這些脂肪酸均能獲得信噪比良好的MALDI-TOF MS譜圖,且同樣無基質(zhì)和背景干擾峰。由此可見,EDF 基質(zhì)不僅可以實(shí)現(xiàn)各種酸性小分子的MALDI-TOF MS檢測(cè),同時(shí)可以顯著改善低相對(duì)分子質(zhì)量端的背景干擾。

圖3 典型的MALDI-TOF MS譜圖Fig.3 Typical MALDI-TOF MS spectra

在后續(xù)試驗(yàn)研究及定量方法建立中,均以PFOS和PFBS為研究對(duì)象進(jìn)行探討。

試驗(yàn)將3種常見的用于小分子酸性物質(zhì)檢測(cè)的有機(jī)基質(zhì)(CHCA、9-AA 和DPH[18])和開發(fā)的EDF基質(zhì)應(yīng)用在全氟磺酸PFOS 和PFBS 的MALDITOF MS檢測(cè)中,并進(jìn)行了結(jié)果對(duì)比。

稱取適量CHCA 溶于含0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))TFA 的體積比1∶1的乙腈-水混合液中,稱取適量DPH 溶于THF 中,稱取適量9-AA 溶于體積比2∶3的異丙醇-乙腈混合液中,稱取適量EDF 溶于二氯甲烷中;渦旋振蕩5 min,均配制成10 g·L－1的基質(zhì)溶液。采用逐層點(diǎn)樣的方法,移取0.6μL上述基質(zhì)溶液快速點(diǎn)在不銹鋼靶板圓點(diǎn)處,以二氯甲烷為溶劑的EDF基質(zhì)溶液迅速揮干,因其沸點(diǎn)低以及移取的量少,正好覆蓋圓點(diǎn)的范圍。其他基質(zhì)在室溫下自然干燥后,再移取0.8μL待測(cè)樣品溶液點(diǎn)在不銹鋼靶板的相同位置,待其自然揮干后,進(jìn)行MALDI-TOF MS分析。

結(jié)果顯示,在4種基質(zhì)中,含量較高的全氟磺酸可以獲得類似的檢測(cè)結(jié)果,但在含量較低的全氟磺酸的檢測(cè)中EDF 顯示出其獨(dú)特的背景消除效應(yīng)。圖4為10μg·L－1的PFOS和PFBS混合標(biāo)準(zhǔn)溶液在4種基質(zhì)條件下的MALDI-TOF MS譜圖,除了EDF能獲得信噪比可觀的干凈的MALDI-TOF MS譜圖外,其他3種基質(zhì)(CHCA、9-AA、DPH)檢測(cè)的質(zhì)譜圖中均有嚴(yán)重的背景干擾峰,會(huì)給后續(xù)的分析帶來困難。

圖4 10μg·L－1的PFOS和PFBS混合標(biāo)準(zhǔn)溶液在4種基質(zhì)下的MALDI-TOF MS譜圖Fig.4 MALDI-TOF MS spectra of 10μg·L－1 PFOS and PFBS mixed standard solution under four matrices

進(jìn)一步采用密度泛函理論計(jì)算4種不同基質(zhì)和PFOS之間的相互作用力,結(jié)果發(fā)現(xiàn),EDF與PFOS的共結(jié)晶在激光作用下解離出全氟辛烷磺酸陰離子時(shí)所需的能量最低,其相互作用示意圖及所需的能量見圖5。考慮到后續(xù)實(shí)際樣品的分析中所含全氟磺酸的含量極低,EDF可以作為后續(xù)分析全氟磺酸的理想基質(zhì)。

圖5 4種基質(zhì)與PFOS之間相互作用力的理論計(jì)算Fig.5 Theoretical calculation of the interaction force between four matrices and PFOS

2.3 基質(zhì)使用條件的優(yōu)化

由于每種基質(zhì)均有其合適的使用條件,如點(diǎn)樣方式、基質(zhì)質(zhì)量濃度等,因此找到合適的基質(zhì)使用條件對(duì)于分析全氟磺酸也是至關(guān)重要的。

2.3.1 點(diǎn)樣方式

對(duì)于傳統(tǒng)有機(jī)基質(zhì)來說,點(diǎn)樣方式分為逐層點(diǎn)樣和混合點(diǎn)樣兩種。逐層點(diǎn)樣是先鋪分析樣品,待其自然揮干之后再點(diǎn)基質(zhì)于MALDI靶板上,或是先鋪上基質(zhì),待其干燥后再鋪上分析樣品于MALDI靶板上。而混合點(diǎn)樣則是先將基質(zhì)與待測(cè)的分析樣品均勻混合之后再一起點(diǎn)在MALDI靶板上進(jìn)行分析。如圖6所示,逐層點(diǎn)樣相較于混合點(diǎn)樣信號(hào)強(qiáng)度有明顯提升。因此,為了保證更好的試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)選擇逐層點(diǎn)樣的方式。

圖6 點(diǎn)樣方式對(duì)PFOS和PFBS信號(hào)強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of spotting method on the signal intensity of PFOS and PFBS

2.3.2 基質(zhì)質(zhì)量濃度

傳統(tǒng)基質(zhì)的質(zhì)量濃度一般配制為10 g·L－1,略高于樣品質(zhì)量濃度,這樣足以保證樣品中分析物的離子化程度,對(duì)于一種新的基質(zhì),其質(zhì)量濃度對(duì)于分析物信號(hào)的影響也是需要考察的。如圖7所示,EDF基質(zhì)在分析全氟磺酸時(shí)信號(hào)強(qiáng)度最好的質(zhì)量濃度為1 g·L－1,相較于常規(guī)的10 g·L－1,信號(hào)強(qiáng)度提升了3 倍以上。這可能跟基質(zhì)本身的性狀有關(guān),EDF在常溫下為液體,而非固體狀態(tài),當(dāng)使用較高質(zhì)量濃度的EDF 時(shí),基質(zhì)干燥不是很徹底,影響了離子傳輸效率,而質(zhì)量濃度降低后,基質(zhì)和樣品能較快地干燥并形成共結(jié)晶,有助于樣品中分析物的離子化。因此,試驗(yàn)選取的EDF 基質(zhì)質(zhì)量濃度為1 g·L－1。

圖7 EDF基質(zhì)質(zhì)量濃度對(duì)PFOS和PFBS信號(hào)強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of mass concentration of EDF matirx on the signal intensity of PFOS and PFBS

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

配制含有PFOS和PFBS(質(zhì)量濃度分別為20,50,100,200,250 μg·L－1)和內(nèi)標(biāo)二十一烷酸(300 mg·L－1)的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,按儀器工作條件測(cè)定。以全氟磺酸的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),全氟磺酸與內(nèi)標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度比值為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。在最佳的試驗(yàn)條件下(EDF 基質(zhì)質(zhì)量濃度1 g·L－1,逐層點(diǎn)樣)進(jìn)行MALDI-TOF MS檢測(cè),內(nèi)標(biāo)法定量。結(jié)果表明,PFOS 和PFBS 標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍均為20～250μg·L－1,線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)見表1。

表1 線性參數(shù)Tab.1 Linearity parameters

在最佳的試驗(yàn)條件下(EDF 基質(zhì)質(zhì)量濃度1 g·L－1,逐層點(diǎn)樣)對(duì)PFOS和PFBS的檢出限進(jìn)行考察,如圖8所示。按照3倍信噪比(S/N)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度作為檢出限(3S/N),10倍信噪比對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度作為測(cè)定下限(10S/N),得到PFOS和PFBS的檢出限均為1μg·L－1,測(cè)定下限均為5μg·L－1。

圖8 PFOS和PFBS的檢出限Fig.8 Detection limits of PFOS and PFBS

2.5 包裝紙中全氟磺酸的測(cè)定

根據(jù)歐盟于2006年發(fā)布的《關(guān)于限制全氟辛烷磺酸的銷售和使用》(2006122EC)法令規(guī)定,不得銷售和投放含有以PFOS為構(gòu)成物質(zhì)或要素的、質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于0.005%的物質(zhì);不得銷售含有PFOS質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.1%的成品、半成品及零部件,按照1.2節(jié)的方法提取,通過換算得出,所提取出來的檢測(cè)樣品溶液中PFOS的質(zhì)量濃度不得超過1 mg·L－1。將該新型基質(zhì)EDF 應(yīng)用于實(shí)際包裝紙中全氟磺酸的定性定量分析中,發(fā)現(xiàn)在所購包裝紙中未檢出PFOS和PFBS,即其質(zhì)量濃度低于該方法的測(cè)定下限(5 μg·L－1),說明該包裝紙符合2006122EC的法令。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確度,對(duì)樣品中PFOS和PFBS進(jìn)行3個(gè)不同濃度水平的加標(biāo)回收試驗(yàn),計(jì)算回收率和測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD,n＝7),所得測(cè)定值的RSD 在30%以內(nèi),回收率結(jié)果如表2所示。

表2 回收試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of test for recovery

結(jié)果表明,PFOS 和PFBS 的加標(biāo)回收率為90.3%～108%。

本工作合成了一種可用于酸性化合物檢測(cè)的新型基質(zhì)EDF,尤其是對(duì)PFOS和PFBS有著良好的檢測(cè)效果,背景干凈,無基質(zhì)干擾峰,可達(dá)到1μg·L－1的檢出限。進(jìn)一步建立了PFOS和PFBS的標(biāo)準(zhǔn)曲線,在20～250μg·L－1內(nèi)相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.997 2和0.989 5。對(duì)于實(shí)際樣品的分析,得到的加標(biāo)回收率在90.3%～108%內(nèi),證明了該方法的可靠性。