液相色谱-串联质谱法测定水体、沉积物及土壤中全氟化合物

刘 庆，贺德春，许振成，李 杰，张素坤，潘 浪

1.兰州交通大学，甘肃 兰州 730070

2.环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州 510655

全氟化合物(PFCs)是指氢原子完全被氟取代的直链或支链碳氢化合物，碳氟键的巨大键能，使全氟化合物具有较稳定物化性质且疏水、疏油。全氟化合物已被广泛用于生产、生活等各个领域，如纺织、食品包装、装璜、灭火剂、洗涤剂等［1］。进入21世纪，随着对全氟化合物的关注，在环境介质［2］及动植物体［3］中不断检测出全氟化合物，其中以8个碳的全氟化合物污染为主［4］，全氟化合物的持久污染性及生物积累性，使其在环境中的关注程度日益增加。对于全氟化合物的检测，目前国内外有众多研究［5-7］，但多集于一种环境介质或少数典型化合物，对于固体及液体中多类全氟化合物同时进行分析方法的研究目前报道较少。该文基于前期研究者的工作基础［8-9］，对9种全氟羧酸、2种全氟磺酸盐、2种全氟化合物前体物在水、土壤和沉积物中的前处理方法及仪器检测方法进行了优化，建立了水、土壤和沉积物中3类13种全氟化合物的分析方法。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

1.1.1 标准品及试剂

标准样品:全氟己酸 (PFHxA)、全氟庚酸(PFHpA)、全氟辛酸 (PFOA)、全氟壬酸(PFNA)、全氟癸酸(PFDA)、全氟十一酸(PFUnA)、全氟十二酸(PFDoA)、全氟十三酸(PFTrDA)、全氟十四酸(PFTeDA)、全氟己烷磺酸(PFHxS)、全氟辛烷磺酸(PFOS)、全氟磺酸甲基铵(NMeFOSAA)、全氟磺酸乙基铵(NEtFOSAA)及同位素标记化合物13C4-PFOA、13C4-PFOS、13C2-PFDA、d5-NEtFOSAA、d3-NMeFOSAA 均 购 于 加拿大。

有机溶剂:色谱纯甲醇、乙腈;无机试剂:冰醋酸(优级纯)，氨水(优级纯，25%)，醋酸铵(色谱纯)购于美国。Oasis WAX固相萃取小柱，购于美国。

1.1.2 仪器

液相色谱串联质谱仪器(LC/MS/MS):液相系统，Agilent 1260 Infinity快速液相色谱(美国);质谱系统，AB SCIEX 4000 Qtrap(美国);MG-2200氮吹仪(日本);12位固相萃取装置(美国);超声清洗机SCQ-1000C(中国上海)。

1.2 样品前处理步骤

1.2.1 水样前处理

取经0.45 μm 尼龙滤膜过滤后的水样1.0 L，加入内标物质(MPFOA，MPFOS，MPFDA，d3-NEtFOSAA 和 d5-NMeFOSAA，2.0 ng)，调节 pH 至6.0 ～ 7.0，过 WAX 固相萃取柱预浓缩［5］，WAX小柱依次用 4.0 mL 0.5%氨的醇溶液、4.0 mL 甲醇、4.0 mL超纯水活化，水样全部过固相萃取柱后，依次用4.0 mL pH=4醋酸盐缓冲液、10 mL超纯水依次淋洗，淋洗完成后继续抽真空5.0～10.0 min，再依次用4.0 mL 甲醇、4.0 mL 0.5% 氨的甲醇溶液洗脱，洗脱液用氮吹仪吹至近1.0 mL定容，过0.22 μm尼龙膜后，待上机检测。

1.2.2 沉积物及土壤前处理

将沉积物或土壤样品冷冻干燥，研磨并过0.300 mm 孔径筛，取 1.00 g于聚丙烯(PP)离心管中，加入内标(MPFOA、MPFOS、MPFDA、d3-NEtFOSAA 和 d5-NMeFOSAA 各 2.0 ng)，涡旋1 min，静置30 min后，在30℃水浴下进行超声提取，依次用5.0 mL甲醇萃取3次，每次萃取后，在4 000 r/min转速下离心10 min，取上清液，将上清液合并后，氮吹至1 mL左右，溶入50.0mL超纯水中［6］，按照水样处理流程净化富集浓缩后上机测定。

1.3 LC-MS/MS检测条件

液相系统:色谱柱，Phenomenex C8(50 mm×2.00 mm ，3 μm);流动相，A 相5.0 mmol/L 醋酸铵水溶液，B相乙腈;梯度洗脱:0～6.0 min 10% ～90%B;6.0 ～ 6.5 min 90%B;6.6 ～ 10.0 min 10%B，流速 0.5 mL/min;进样体积 10 μL;柱温40℃。

质谱系统:电喷雾离子源，负离子模式(ESI-)，雾化器(N2)，干燥器气(N2)，载气，高纯液氮(99.99%)，喷雾电压 4 500 V，多反应离子监测(MRM)分析，入口电压 -10.00 V，碰撞室出口电压-15.00 V，各化合物优化的保留时间，MRM离子对，碎裂电压，碰撞能量见表1。

表1 全氟化合物质谱条件

2 结果与讨论

2.1 LC-MS/MS条件选择

全氟化合物及其前体物(NEtFOSAA、NMeFOSAA)具有表面活性，文献报道常采用C18反相柱为分离柱［10-11］。本研究比较了3种色谱柱Agilent C18(3.0 mm × 50 mm，2.7 μm)、Agilent C18(2.1 mm × 50 mm，1.8 μm)、phenomenex C8(2.00 mm ×50 mm，3 μm)对 50.0 ng/mL 混标的分离效果，结果表明利用 phenomenex C8(2.00 mm×50 mm，3 μm)色谱柱可以实现13种全氟化合物较好的分离。通过拆除预柱，可明显改善色谱峰形。文献报道［9］，流动相中pH对于化合物的分离影响较大，通过比较，采用5 mmol/L醋酸铵水溶液和100%乙腈作为流动相，在最佳色谱和质谱条件下对标准样品进行测试，色谱图见图1。

图1 13种全氟化合物标准品色谱图

2.2 样品前处理方法优化

固相萃取条件优化，通过比较 HLB、C18、WAX 3种常见的固相萃取小柱对全氟化合物萃取效率结果表明，对酸性化合物(如全氟羧酸及磺酸盐)具有高选择性的WAX小柱固相萃取回收效果最好。固相萃取前需对样品的pH进行控制，考虑全氟化合物的 pKa值为弱酸性值，如PFOA的pKa=2.8，且WAX固相萃取小柱填料为混合型弱阴离子交换反相吸附剂，填料 pKa=6.0，为了使目标物质有更稳定的回收率，可考虑适当调节pH至弱酸性，实验表明，将样品pH调至6.0～7.0，13种目标全氟化合物固相萃取回收效果最好。

文献报道［12］，超声萃取条件优化，长时间、高功率的超声会导致部分目标物质降解破坏，所以需对超声时间及功率严格控制。本研究对超声时间与超声功率进行了优化。

对空白沉积物样品加入标样后(全氟羧酸、磺酸盐类添加 10.0 ng，全氟化合物前体物NEtFOSAA、NMeFOSAA 添加20.0 ng)进行超声，在固定功率下，超声1～5次，每次超声10 min，结果见图2(a)。结果表明，在超声3次的条件下，即超声30 min，可完全提取固体环境介质中的目标PFCs。超声功率为200～500 W，进行3次超声萃取，萃取效果见图2(b)。结果表明，在功率较低的情况下，目标化合物的回收率较差，在300～400 W时萃取效果最佳，继续升高功率，稳定性较差的全氟化合物前体物回收率有所下降。最终确定超声萃取最佳功率为400 W，超声时间为30 min。

2.3 线性范围、标准曲线及仪器检出限

用甲醇配制质量浓度为 0.01～100μg/L的系列标准溶液，添加内标物质 2 ng(MPFOA，MPFOS，MPFDA，d5-NEtFOSAA、d3-NMeFOSAA)。在最优的仪器检测条件下进行测定，绘制标准曲线。各目标化合物的线性范围、标准工作曲线方程及线性相关系数见表2。

仪器检出限的确定，对标准曲线溶液最低浓度的混合标准液进行n(n≥5)次重复测定并定量，计算n次测定值的标准偏差S，取标准偏差的3倍(3S)作为该目标化合物的仪器检出限。13种全氟化合物仪器检出限为0.9～15.4 ng/L(见表2)。

2.4 方法检出限及方法精密度和准确度

2.4.1 方法检出限

在选定的最优实验方法和条件下，根据《环境监测分析方法标准制修订技术导则》(HJ-168—2010)中方法检出限的计算方法，通过实验确定该方法的检出限。由于空白实验未检测目标物质，需对 7个1.0 L空白水样、7个1.0 g沉积物样品及7个1.0 g土壤样品添加一定量的标准品(11种全氟羧酸及磺酸盐类添加0.05 ng，2种全氟化合物前体物添加1.0 ng)，按照最优样品分析的方法，进行富集、净化、上机，计算7次平行测定的标准偏差，按公式计算其方法检出限。

式中:MDL为方法检出限;n为样品的平行测定次数;t为自由度n-1、置信度99%时的t分布(单侧)， n=7时，取3.143;S为n次平行测定的标准偏差。

图2 土壤及沉积物中全氟化合物在不同超声条件下的回收率

表2 方法线性范围、标准曲线及仪器检出限

方法检出限结果见表3。结果显示:3种环境介质中，9种全氟羧酸、2种磺酸及其盐类的方法检出限较低，水体介质为 0.015～0.054 ng/L，沉积物介质为 0.004 ～0.048 ng/g，土壤介质为0.012～0.33 ng/g;2种全氟化合物前体物在3种环境介质中的方法检出限较高，分别为0.046 1～0.472 mg/L、0.305 ～ 0.743 ng/g、0.656 ～0.875 ng/g。

表3 水体、沉积物及土壤PFCs方法检出限

2.4.2 方法精密度与准确度

对空白水样、沉积物及土壤进行高低浓度添加回收实验，空白水样体积为1.0 L，沉积物及土壤称取1.00 g。分别加入 10.0 ng 混合标准物、2.0 ng内标物质，进行6个平行样品的回收率验证，并计算平行样品的相对标准偏差(RSD)，结果见表4。水介质中全氟化合物的回收率除2种全氟化合物前体物(NMeFOSAA、NEtFOSAA)和2种长碳链全氟羧酸(PFTeDA、PFTrDA)回收率为 52.3% ～58.7% 外，绝大部分化合物的回收率为75.4% ～108.6%，相对标准偏差不高于20.8%;沉积物中全氟化合物回收率为85.3% ～119.3%，相对标准偏差不高于20%;土壤中回收率除全氟化合物前体物(NMeFOSAA)回收率为56.8%外，其余 12种目标物质回收率为91.3% ～108.5%，相对偏差不高于20%，方法的精密度与准确度符合痕量分析的要求。

3 实际样品分析

表4 方法精密度与准确度%

对天津某河流的沉积物及广州市某村庄土壤样品，按照实验分析流程进行测定，结果表明(表5)，环境土壤及沉积物中，有一定浓度的全氟化合物污染，土壤的污染较为严重，与相关文献报道结果相符［13］，以PFOA和PFOS含量最高。

表5 沉积物及土壤中全氟化合物含量 ng/kg

4 结语

建立了水样、沉积物及土壤中13种全氟化合物的前处理及上机检测方法，结果表明，该方法的线性、回收率、检测限均可满足环境中痕量全氟化合物分析的要求，实际样品检测表明，河流沉积物及土壤中存在PFCs的痕量污染。结果与文献报道趋势相同，说明该方法对实际样品的分析具有准确可靠性。PFCs在环境中的广泛分布也应引起研究者的广泛关注。

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