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液相色譜-質譜聯用技術直接分析17種水中PPT級的全氟化合物

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【概述】

全氟化合物(PFCs)或全氟烷基表面活性劑(PFAS)是人造化學品,半個多世紀以來常應用于表面活性劑、阻燃劑、不粘鍋炊具涂料和紙包裝用涂料中1, 2由于其不易降解,在過去十年左右的時間里,全氟化合物開始受到了大量關注。自來水、食物甚至人體血液中存在全氟化合物的報告引起了人們對全氟化合物對人體健康風險的擔憂3-6因此,分析生物和環境基質的全氟烷基表面活性劑對于了解它們的最終去向、持續性和毒性至關重要。

       最常研究、最為普遍的兩種存在于環境中的全氟烷基表面活性劑是全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA),二者是幾種商用全氟烷基表面活性劑的最終降解產物。7此外,全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)是最大量生產的兩種全氟烷基表面活性劑。8,9美國環保署發布的全氟辛酸和全氟辛烷磺酸飲用水健康限值為70納克/升。10此外,歐盟委員會最新采納的全氟烷基表面活性劑提案是單類全氟烷基表面活性劑許可含量為100納克/升,總全氟烷基表面活性劑許可含量為500納克/升。11但不同地區濃度要求略有不同。例如,瑞典國家食品局最近對飲用水中的總全氟烷基表面活性劑許可含量規定了90納克/升的保守“防治閾值限值”。12現有全氟烷基表面活性劑檢測技術有氣相色譜-質譜聯用技術(GC/MS)、核磁共振技術(NMR)、串聯液相色譜-質譜聯用技術(LC/MS/MS)。全氟磺酰基化合物的氣相色譜-質譜聯用(GC/MS)分析方法要求在測量之前進行衍生化操作,這限制了其環境監測的功能。核磁共振(NMR)的特異性對于氟化合物檢測是極好的,并且適用于環境樣品中功率因素校正(PFC)的結構表征。然而,這些檢測方法都有一個靈敏度低的缺點。串聯液相色譜-質譜聯用(LC/MS/MS)具有高選擇性與靈敏度,因此,是測定生物和環境樣品中全氟烷基表面活性劑含量的最常用的分析方法。13在液相色譜-質譜/質譜聯用(LC/MS/MS)分析之前實施固相萃取(SPE)程序是從水性環境基質中提取全氟烷基表面活性劑的最常用方法之一。14在本研究中,我們開發了LC/MS/MS直接進樣方法,結果表明這種簡單的LC/MS/MS工作流程為飲用水與地表水全氟烷基表面活性劑的分析提供了極好的靈敏度和特異性。

【實驗/操作方法】

軟硬件

采用珀金埃爾默超高效液相色譜(UHPLC)系統進行色譜分離,并使用珀金埃爾默QSight? 400三重四極桿質譜儀進行檢測。

QSight? 400質譜儀配備有電噴霧離子源(ESI)和大氣壓化學電離(APCI)離子源。所有儀器控制、數據采集和數據處理均使用Simplicity? 3Q軟件進行。

方法

標準品與樣品制備

在加拿大安大略省當地獲取包括一些家庭用水和附近地表水的水樣。加入分析用的全氟烷基表面活性劑混合物標樣和內標(IS)來自惠靈頓實驗室(安大略省奎爾夫)。LC/MS級水質的水購自Thermo Fisher(美國馬薩諸塞州)。將儲備溶液用LC/MS級水連續稀釋,制備0.5 – 2000 ng/L(ppt)的校準溶液。首先將水樣通過0.45μm尼龍過濾器過濾并離心處理,然后將50μL上清液直接注入到珀金埃爾默? SPP C18(100 x2.1 mm,2.7μm)反相分析柱上進行進一步分析。

為了考察記憶效應,使用LC/MS級空白水溶液作為空白樣品。

液相色譜法條件和質譜法參數設置

液相色譜法條件如表1所示。首先用95%流動相A以1.0mL/min沖洗樣品1分鐘,然后緩慢提高至98%流動相B,以0.5 mL/min的流速洗脫所有目標分析物,總操作時間大約18分鐘,見表2。


表1.液相色譜法條件

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表2.液相色譜時間程序

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離子源設置如表3所示。包括氣體流量、溫度和位置設置在內的源參數經過優化,可實現儀器的最大靈敏度。此外,表4

列出了包括9種內標在內的所有全氟烷基表面活性劑分析物(PFAS)的多反應監測(MRM)轉換列表的優化化合物相關

參數。通過在Simplicity軟件的時間管理多反應監測(MRM)模塊中定義相關分析物的預期保留時間及其相應的時間窗口,自動生成MS采集方法。

表3. MS源設置。

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【實驗結果/結論】

采用125 ng/L,17種全氟烷基表面活性劑加標的LC/MS級水的代表性色譜圖如圖1(全氟乙酸)、圖2(全氟磺酸鹽)所示。色譜分析表明,隨著保留時間的增加,峰面積信號響應一般下降,全氟正十六酸(PFODA)除外,其反應比C12至C16全氟乙酸更好。Brownlee? SPP C 18色譜柱所示的17種全氟烷基表面活性劑的色譜分離相當不錯(圖1、2和表4)。然而,觀察到全氟十一烷酸(PFUnDA)和全氟癸烷磺酸(PFDS)在當前的液相色譜分析條件下共洗脫。我們還測試了不同的液相梯度,但由于它們具有相似的化學結構,因此并沒有改進這兩種物質的分離情況。需要進一步研究以解決此類問題。

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圖1. 125 ng/L加標全氟乙酸色譜圖。

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圖2. 125 ng/L加標全氟化磺酸鹽色譜圖。

表4.針對所有全氟烷基表面活性劑的MRM和化合物相關參數。

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在簡單過濾和離心水樣后,由于與工業廢水相比,飲用水或地表水相對更清潔,因此,樣品基質效應可忽略不計。然而,系統污染可能是全氟烷基表面活性劑的LC/MS/MS分析的主要問題。污染可能是由液相色譜系統中使用的管道、過濾器、配件甚至溶劑引起的。例如,聚四氟乙烯(PTFE)是幾乎所有液相色譜系統管道和過濾器常用的材料,它可能成為分析過程中全氟烷基表面活性劑污染的來源。為了解決這一污染問題,在混合閥和自動進樣器之間插入延遲柱(Brownlee,SPP C18,50x3mm,2.7μm)以阻擋泵中的全氟烷基表面活性劑。圖3顯示了此類情況下PFDoDA和PFTriA檢測中,LC泵系統的背景污染示例,可見一個保留時間更長的小峰,這就是被延遲柱延遲的組分。這些間隔清晰的污染峰的特性可以通過定量離子和定性離子及其相應的離子比來確認。在本研究中,定性確認了PFHxDA、PFTA、PFUnDA、PFDA、PFOS、PFOA、PFHxS、PFPeA、PFBA存在于背景污染中。

       另一種污染源可能來自內標混合溶液。如內標加標的水空白樣品(未顯示)所示,IS內標原液可能已因不明原因被PFHxA、PFHxS、PFOA、PFNA、PFDA、PFUnDA等不同濃度的分析物(濃度可達40ppt左右)污染了,這可通過定量和定性離子證實。在分析物濃度較低情況下,這種污染可能導致定量誤差(詳見下文說明)。因此,除非另有說明,否則此處討論的所有結果均來自未加入內標的校準標品。


最后,另一種潛在污染可能來自LC/MS級水溶液。為了驗證這一點,將LC/MS級水直接注入系統,除了PFoDA之外,系統沒有顯示所有分析物的MS響應,而PFoDA通過鑒定并估計小于2 ppt(低于本研究設定的PFoDA的定量限)。這種低濃度干擾對本研究的有效性影響很小或無影響,因此可以忽略不計。

記憶效應

通過注入最高濃度的校準標準品(此情況下為2000 ppt)然后注入空白水來研究記憶效應。在當前LC/MS/MS方法的檢出限下,注入高濃度標準品后未觀察到分析物峰值。兩次進樣的重疊的總離子色譜圖如圖4所示,證明該方法的記憶效應不明顯。

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圖3.延遲柱隔離的系統背景污染示例。

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圖4. 2000 ppt標準品(紅色)和空白水(綠色)總離子色譜圖重疊情況。

線性

在添加和不添加內標的溶液(純溶劑)中制備和運行十三種濃度水平的分析物混標,進行校準。在峰高或峰面積方面,中高濃度校準標準品無顯著差異。由于上述內標污染問題,當使用內標進行計算時,校準曲線在低濃度范圍內失去線性,在對未知樣品進行定量時這可能會導致誤差。此外,樣品基質(清潔飲用水或地表水)相對簡單。因此,在清潔飲用水樣品中使用內標并不像在其他復雜基質中添加內標那樣重要。所以,這里討論的所有結果都是從未使用內標的標準品中獲得的。本研究中PFBS、PFOA和PFODA的校準曲線示例如圖5所示。總體而言,所有分析物的校準曲線均顯示良好的線性,所有分析物的回歸系數R2≥0.99。所有分析物在250和500ng/L(或ppt)下的定量精密度(%RSD,n=3)均在0.4%-8.3%范圍。

定量限和檢測結果

對于分析物定量離子,定量限(LOQ)是基于信噪比≥10來確定的。通過確保產物離子比率(定性與定量)在預期比率的20%容差窗口內來確認每種全氟烷基表面活性劑分析物的特性。表5列出了定量限(LOQ)以及水樣結果。檢測的碳

鏈長度為9或更小的大多數全氟烷基表面活性劑在水基質中的LOQ≤10 ng/L(或ppt)。本研究發現其他具有較長鏈的全氟烷基表面活性劑具有≤63 ng/L的LOQ,但PFODA除外,其LOQ為2 ng/L,原因在于其具有良好的信號強度(可能是相當好的電離效率的結果)。

我們利用開發的LC/MS/MS方法分析了12個水樣中的全氟烷基表面活性劑。樣品S1和S6中明確識別出的PFAS的實例色譜圖分別見圖6和7。所有研究樣品的計算濃度以及相應的方法、定量限請見表5。對于所有真實水樣,沒有檢測到等于或長于C10的PFAS。在家庭用水樣本(S1、S2、S7、S11)、自來水樣本(S3、S8)和小河流或池塘水樣本(S5、S9)中發現了全氟辛烷磺酸。在其中七個水樣中發現了另一種常見的污染物PFOA。這與許多文獻的發現一致。發現湖水(S6)和噴泉水(S10)樣品具有高PFBA,一種短鏈全氟酸,其為長鏈全氟酸的降解產物。最近的研究表明,短鏈PFAS可能比長鏈PFAS具有更高的生物累積效應。15然而,在目前的實驗條件下,沒有從市場上出售的瓶裝飲用水樣品(S12)中發現PFAS峰值。

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圖5.純水中PFBS、PFOA和PFODA的校準曲線示例。

表5.納克/升濃度下采用定量限方法明確識別的水中全氟烷基表面活性劑之檢測結果匯總

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圖6. S1樣品檢出全氟烷基表面活性劑與空白樣品基準進行的對比

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圖7. S6樣品檢出全氟烷基表面活性劑與空白樣品基準進行的對比


結論

通過LX-50 UHPLC系統與QSight 400三重四極桿質譜儀聯用,開發了簡單而可靠的液相色譜-質譜聯用(LC/MS/MS)方法,用于在低ng/L(或ppt)濃度水平的飲用水或地表水中進行PFAS分析。此方法的定量限低于許多地方法規所規定的限值,適用性非常廣泛。

本研究有效地利用了Simplicity軟件的時間管理MRM模塊對飲用水或地表水樣品中的17種PFAS進行檢測。此功能省去了質譜分析法在樣品中多種分析物檢測的最佳駐留時間方面的優化。

從ng/L到μg/L(或ppt到ppb)水平條件下,定量限為1-63ng/L(或ppt)的17種PFAS中大多數的校準曲(R2>0.99)

的線性良好。對于分析的幾個真實水樣,發現除了市售的瓶裝飲用水樣品之外,17種PFAS中至少有兩種被明確檢出。

【儀器/耗材清單】

QSight? 400 三重四極桿質譜儀

LC/MS級水質的水

0.45μm尼龍過濾器

珀金埃爾默? SPP C18(100 x2.1 mm,2.7μm)反相分析柱

【參考文獻】

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