食品中全氟烷基酸前处理方法与检测技术研究进展

2021-09-01彭名军张少仪

现代食品 2021年12期

◎ 戚平，彭名军，张少仪，曾羲，汪宁

（1.广州市食品检验所，广东广州 511410；2.华南农业大学材料与能源学院，广东广州 510642）

全氟烷基酸（Perfluoroalkyl Acids，PFAAs）是一类新型持久有机污染物[1]，广泛应用于食品包装、造纸、半导体、纺织和灭火剂等，是重要的工业和民用化学品。随着PFAAs在生产、生活中的广泛使用，大量PFAAs进入环境中，并通过食物链的传递放大效应在食品内富集。目前在禽蛋类、水产品、动物肝脏，甚至人体组织中频繁检出PFAAs，对人类健康构成重大威胁。因此，开发痕量与超痕量PFAAs高通量检测方法，探索食品中PFASs污染状况，成为目前食品安全研究重点之一。本文对当前食品中PFAAs的危害，前处理方法和检测技术进行综述，并对基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF/MS）技术检测PFAAs的未来发展方向进行展望。

1 主要PFAAs结构类别及毒性

PFAAs分子通常由一个全氟化疏水烷基碳链和一个亲水的功能基团（如羧酸和磺酸）构成；主要包括全氟羧酸类（PFCAs）、全氟磺酸类（PFSAs）等，其中全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）的应用最为广泛。PFAAs表面具有活性剂性质，含有水溶性官能团，在水中溶解度大，因此能在水体中大量长期存在。

毒理学研究表明，PFAAs影响新陈代谢和生殖系统，具有全身多脏器毒性，可引起肝脏毒性[2]、心血管毒性[3]、免疫系统毒性[4]、甲状腺毒性[5]、生殖毒性[6]和神经毒性[7]，使生物体内细胞膜发生病变，线粒体功能受损，中断细胞间的联系，对细胞的正常生命活动造成严重的影响，随着碳链的增长，其毒性也随之增强[8-9]。PFAAs对健康有很大的潜在风险，是潜在的食品安全风险因子。

2 PFAAs主要前处理方法

2.1 离子对萃取法

离子对萃取法（Ion Pair Extraction，IPE）是四丁基硫酸氢铵（TBA）与PFAAs在碱性条件下（pH=10）结合成中性分子，再用叔甲基丁基醚（MTBE）进行提取的一种样品前处理方法。IPE技术由HANSEN[10]提出，广泛用于环境、生物样品等样品的提取，已成为提取样品中PFAAs的常用方法。柳思帆等[11]采用IPE技术对鱼肉中的全氟和多氟化合物进行提取，使用Oasis WAX SPE小柱净化，共分析测定12种全氟和多氟化合物。STOCK等[12]采用IPE技术对北极圈3个湖泊沉积物中PFAAs进行研究，检出限为0.029～2.600 ng·g-1。HANSEN等[10]以TBA作离子对试剂（pH=10），MTBE为萃取剂提取血清和肝脏样品，血清中PFOA、PFOS的检出限分别为1.0 ng·mL-1、1.7 ng·mL-1。

2.2 碱消化法

碱消化法（Alkali Digestion Method，ADM）是从固体和生物样品中提取PFAAs的有效方法，一般使用碱性溶液对样品进行提取，以减少基质干扰[13]。HAUG等[14]采用碱液对挪威的16种蔬菜和动物食品进行消解，再用甲醇萃取后通过Oasis WAX柱子和ENVI-Carb柱子进行提取净化，生菜检出限为0.06～0.60 pg·g-1，牛肉检出限为0.28～20.00 pg·g-1。温泉等[15]采用碱消解方法对猪肉肌肉进行前处理，并通过固相萃取装置处理以得到更加纯净的样品，PFOS和PFOA最低检测浓度为1 ng·mL-1，在猪肉肌肉样品中定性检测限为1 μg·kg-1，定量检出限为2 μg·kg-1。

2.3 固相萃取

固相萃取（Solid-Phase Extraction，SPE）技术是基于选择性吸附，使被检测物吸附于萃取剂上，再进行洗脱的提取方法[13]。SPE技术已被应用于生物样品的检测，如齐彦杰等[16]采用离子对溶剂液液萃取结合固相萃取的前处理技术分析了北京市售鸡蛋的PFAAs水平，17种PFAAs的检出限为0.018～0.176 ng·mL-1；孔德洋等[17]采用碱消解生物体样品结合固相萃取的前处理技术分析鱼体样品中的11种PFAAs，检出限为3.4～26.7 pg·g-1。

2.4 加速溶剂萃取

加速溶剂萃取是在一定的温度（50～200 ℃）和压力（1 000～3 000 psi）下，使用常规的溶剂，通过提高温度和增加压力以提高萃取的效率，从而加快萃取时间并明显降低萃取溶剂的使用量的提取方法，其主要应用于固体或半固体样品的提取[18]。目前已有较多实验以此方法提取包装材料中的PFAAs，如王利兵等[19]以甲醇作为溶剂进行快速溶剂萃取，分析包装材料中的全氟辛酸及其盐类，其最低检出限为0.25 ng·g-1；张岩等[20]以甲醇为萃取溶剂对纸质食品接触材料中的全氟辛烷磺酸进行提取，其回收率达90.2%～103.3%。

2.5 衍生化技术

衍生化技术是通过化学反应的方式，把难以分析的待测物质转化为与其化学结构相似但易于分析的物质，便于进行分离和检测的提取方法。夏静芬等[21]使用2，4-二氟苯胺为衍生剂，N，N'-二环己基碳二亚胺为脱水剂，与PFCAs形成酰胺衍生产物，衍生产物通过TR-5毛细管色谱柱分离，并以ECD检测器进行检测，在最优实验条件下，9种全氟羧酸衍生物线性相关系数＞0.99，检出限为0.62～1.38 μg·L-1。衍生化技术虽降低了难以分析的待测物质的检测难度，但其前处理步骤烦琐且衍生产物不稳定。

离子对萃取法操作简单，不受样品含水量限制，但是基质干扰物质被共萃取，影响定量的准确性，且不适用于大批量样本处理。碱消化适用高蛋白物质，但其操作步骤烦琐且消化时间长。固相萃取技术适用范围广，可根据目标物极性的不同选择合适的萃取柱。加速溶剂萃取法提取效率高，消耗时间短，样品前处理步骤简洁，但此方法需提高温度和增加压强来进行。衍生化技术增加了样品前处理的烦琐程度以及检测结果不稳定性。因此，建立一种高效的PFAAs检测前处理技术，是亟待解决的问题之一。

3 PFAAs检测方法及特点

针对食品中痕量与超痕量PFAAs的分析方法，国内外进行了大量研究，建立了多种PFAAs分析方法，主要包括液相色谱串联质谱法（HPLC-MS/MS）[22-24]、气相色谱串联质谱法（GC-MS/MS）[25-26]、气相色谱电子捕获法（GC-ECD）[27]和光谱法[28-29]等。气相色谱法和气相色谱串联质谱法用于PFAAs的检测，具有检测成本低、便于普及的优点，但需要先进行酰化或酯化，过程烦琐，效率低。光谱类方法每次只能检测一种组分PFAAs，不能同时检测多种PFAAs。液相色谱串联质谱法（HPLC-MS/MS）具有灵敏度高、方法简单、多组分测定等优点，广泛用于PFAAs的检测。但LC系统中存在潜在的污染问题，如PFOA是聚四氟乙烯（PTFE）合成的助剂，而在LC系统中很多管线都是PTFE材质，加之密封垫上含有氟聚合物涂层，容易引起系统本底背景值的升高，使HPLC-MS/MS和UPLC-MS/MS难以获得理想的空白分析结果，影响痕量分析的准确性。另外，食品中PFAAs含量普遍较低（液体基质＜1 mg·L-1；固体基质＜10 mg·L-1），现有方法需要用固相萃取技术进行富集净化，每个样品固相萃取处理时间均在30 min左右，由于不同研究者使用的固相萃取柱型号不同，导致样品检测过程复杂、周期长、成本高。

4 MALDI-TOF分析及PFAAs技术展望

PFAAs的高效富集和高通量精准检测，一直是食品安全检测的难点。现有检测方法总结，如表1所示[30-37]，均存在前处理过程复杂、周期长、成本高、效率低的缺点。然而，基于MOFs基质的MALDITOF/MS技术的出现，可以很好的克服这些缺点。MALDI-TOF/MS技术是由MOFs高比表面材料结合基质辅助激光解吸质谱技术发展而来的新一代分析方法，既具有传统MALDI-TOF/MS样品制备简单、信噪比高、分析速度快及高耐盐性的优势，又具有高表面新型材料特异性富集，小分子（m/z＜1 000）分析噪声背景更低、重现性更好的优点，已广泛应用于生物代谢物、环境污染物等小分子的高效检测[38-39]。

表1 食品中PFAAs检测技术比较表

传统MALDI受基质的限制，在低分子量（m/z＜1 000 Da）范围内会产生大量碎片离子，难以分析小分子。为解决这一问题，采用金属有机骨架材料（MOFs）、石墨烯、碳纳米管等高比表面新型材料，结合MALDI-TOF/MS发展表面辅助激光解吸飞行质谱（SALDI-TOF/MS）技术。LIN等[40]将传统基质键合到MNP表面，减少背景干扰，直接从复杂生物流体中萃取小分子。SHI等[41]通过一步溶剂热反应合成磁性石墨烯，作为吸附剂和MALDI基质成功检测中药活性成分。MA等[42]合成聚多巴胺包覆的Fe3O4纳米粒子，将其作为基质成功检测出分子量为251.6～499.3 Da的11种小分子污染物，包括苯并芘、PFAAs和抗生素。

MOFs含有苯环，具有紫外吸收强、功能化的有机配体特异性富集小分子等特性，结合MALDI-TOF/MS可将分析对象由大分子扩展到小分子，具有样品制备更均匀、信号强度更高、噪声背景更低及重现性更好等优势，是一种非常有应用前景的新型基质[43]。SHIH等[44]将笼型MIL-100（Fe）用作MALDI基质，有效分析了非极性的多环芳烃污染物和极性化合物。LIN等[45]报道了沸石咪唑磁性MOFs（Fe3O4＠ZIF-8）用作MALDI负离子检测模式的基质，检测小分子时展现出无背景干扰、好的盐容忍度和高灵敏度。