全氟和多氟烷基化合物的分析检测

方 程， 张红平， 罗云龙

(1.Global Centre for Environmental Remediation (GCER),纽卡斯尔大学,澳大利亚新南威尔士州 2308；2.西南科技大学材料科学与工程学院，四川绵阳 621010)

1 前言

全氟和多氟烷基化合物(Perfluorinated and Polyfluoroalkyl Substances，PFAS)是一大家族由人类合成的有机化合物，此前它们被称为全氟化合物(Perfluorinated Compound，PFC)，但后来发现该命名不够准确，这是因为：(1)有些H并没有被F全部取代[1 - 4]；(2)其中的活性基团，不管是羧酸还是磺酸都可以被衍生(为前体)，如图1所示。基于商业秘密，对许多这些衍生基团，迄今我们知之甚少。因而近年来 PFAS这一名称逐渐被大家普遍接受。简单地说，只要在分子骨架中有一个-CF2-基团，都可以被称之PFAS[5]。但-CF2-基团越少，毒性应该越低，例如有可能治疗新冠肺炎的苯酚喹(Tafenoquine)就包含一个CF3端基。

图1 典型PFAS的分子结构，包括全氟辛磺酸(PFOS)、全氟辛烷酸(PFOA)、全氟己磺酸(PFHxS)、全氟丁烷酸(PFBA)、6∶2氟调聚辛磺酸(6∶2FTS)、2-(七氟丙氧基)-四氟-丙酸(Gen X或者HFPO-DA)、6∶2氟调聚辛硫醚胺磺酸(6∶2FTSAS)[6,7]和氯氟多醚烷酸(ClPFPECA)[8]。Fig.1 Typical PFAS molecular structures,including perfluorooctanesulfonic acid (PFOS),perfluorooctanoic acid (PFOA),perfluorohexanesulfonic acid (PFHxS),perfluorobutanoic Acid (PFBA),6∶2 fluorotelomer sulfonate (6∶2FTS),2,3,3,3-tetrafluoro-2-(heptafluoropropoxy) propanoic acid (Gen X or HFPO-DA),6∶2 fluorotelomer sulfonamide (6∶2FTSAS)[6,7] and chloroperfluoropolyether carboxylate (ClPFPECA)[8].

传统意义上的有机物一般是基于C-H骨架，而PFAS中很多H被F取代，这不仅增加了PFAS的化学稳定性，还产生了许多新的物理化学性质，如既憎水又憎油、表面张力低等。这些性质是PFAS所独有的[4,9]，所以PFAS的用途广泛。例如，作为PFAS的Teflon就被用来制造不粘锅的不粘涂层，其它PFAS也被广泛应用于诸如服装、室内装潢、地毯、油漆表面、食品容器、炊具、消防泡沫等与我们日常生产生活关系密切的产品中[10]。PFAS的另一个重要应用是用作表面活性剂，比如配制水相膜泡沫灭火剂(Aqueous Film-Forming Foam，AFFF)用于扑灭燃油大火，特别是在飞机场附近的训练和真实灭火中[11 - 13]。这主要是因为PFAS这类表面活性剂，如PFOS不仅可以耐燃油大火的高温，还可以有效地降低表面张力，迅速在燃油表面形成一层泡沫，从而隔绝开空气，达到灭火的目的。虽然近年来这类含长链PFAS的AFFF被逐渐淘汰，但短链的PFAS，尤其是带有衍生基团的短链PFAS仍在使用。

然而，C-F键是最稳定的共价化合键之一，所以PFAS在自然环境中“坚不可摧”，被称作“永远的化学试剂”，甚至“比一些岩石更稳定”，几乎不能自然降解。如此一来，一旦PFAS被生产出来，最终都会释放到环境中，并作为持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants，POPs)长期存在。近20年来，PFAS所导致的环境污染引起了研究者的高度注意，因为几乎在地球的每个角落，都可以检测到PFAS。比如说，PFAS在家用吸尘器的粉尘、垃圾填埋场和雾霾中都能被检测到[14 - 15]。更为可怕的是，PFAS也可以在我们的食物中检测到。近年来，越来越多的研究表明，它们中的大多数极有可能对人类的健康产生不利影响[16,17]。由于我们对其知之甚少，PFAS也被归入新型污染物(Emerging Contaminant)。基于此，USEPA在2016年将饮用水中的PFAS(主要是PFOS和PFOA)的安全标准从0.7 ppb(十亿分之一)下调到70 ppt (万亿分之一)[11，17，18]，2018年美国政府甚至建议将12 ppt作为安全标准[19]。为了有效地监测和控制PFAS的污染，国外不同部门制定了PFAS安全指导浓度标准，包括饮用水、土壤、地表水和地下水等等，如表1所示。国内这方面也有长足进展。

表1 PFAS 安全指导浓度标准[11]Table 1 PFAS guidelines [11]

HC,Heath Canada;DoH,Department of Health (Australia);USEPA,United States Environmental Protection Agency;ECCC,Environment and Climate Change Canada.

就PFAS检测而言，目前我们所面临的困难[5]包括：(1)低浓度的检测需要高灵敏度的仪器，如高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)；(2)短链的PFAS应该用气相色谱-质谱(GC-MS)来检测；(3)目前市场估计有超过5 000个PFAS，而我们只能有效定量地监测它们中的大约30～80个，其余PFAS被称为PFAS前体(Precursor)，而这些前体目前只能被定性或是半定量地检测到[20]；(4)这些前体的衍生基团，一般都是基于C-H骨架的，它们远远没有C-F骨架稳定。所以，当这些不能被有效检测的“PFAS前体”进入环境中，其中的非C-F 骨架一旦被降解，较纯的C-F骨架就会“出现”，如PFOA、PFBA等等，而这些PFOA和PFBA是能被检测到的[21]。也就是说，PFAS检测是一个动态过程，可检测到的PFAS可能会随时间延长而浓度增大[22,23]。

虽说有些PFAS已经被禁止使用，如PFOS在欧美国家已经被禁止生产，但它们的高稳定性和持久性，使得它们对环境的污染还会持续相当长的一段时间。目前的治理更多的是用吸附方式，把PFAS从环境中清理移除。PFAS的降解和矿化，虽说在实验室取得成功，但还没有大规模使用[24，25]。所以对其进行有效地检测和治理，依然是PFAS研究的一个热点[20]。虽然HPLC-MS是最常用的检测手段[26]，但HPLC-MS费时又较昂贵(通常>100美元/样品)[20，21，27]。在定量测量之前，如果能够使用预筛选工具，在一般实验室、甚至在现场，及时检测它们的大概浓度，哪怕只是半定量的结果，都能有效增加PFAS的监测效率，因此这将是一个非常值得研究的课题。最近，市场上陆续出现了几种PFAS检测试剂盒或传感器，如亚甲基蓝活性物(MBAS)的改进版本[21]、基于分子印迹的离子选择电极(ISE)[28]、表面增强拉曼光谱(SERS)[29]等。本文将在这些方面，评述PFAS的检测方法的最新进展，包括电化学检测、光学检测，以及基于智能手机应用程序的检测。

2 电化学检测

2.1 基于分子印迹的离子选择电极(Ion-Selective Electrode,ISE)

我们使用铅笔芯作为电极，在表面上通过分子印迹聚合物(MIPs)来形成响应膜，在除掉模板分子(PFOA、PFOS或是6∶2 FTS)之后，制成ISE。如此一来，我们就可以通过电位测量来检测PFAS，如图2所示，检测限可以低至～100 nmol/L(对PFOA而言，～41 ppb)。总体效果极佳[28]。这种检测的缺点是选择性不够好，灵敏度也不够高。选择性可以通过优化掺杂PFOA到MIPs内的浓度得到提高，如图2(b)所示，但灵敏度很难进一步改善，这是ISE检测的本身缺限。譬如MIPs中的PFAS模板，有可能渗透逸漏到待测溶液中而产生背景干扰。除非进行预富集，否则其实用性将会大打折扣。如果考虑到环境样品本身的复杂性和PFAS的痕量分析，如1 ppt PFOA大概是在20 pmol/L左右，该技术的推广使用将会较为困难。

图2 PFAS的电位检测示意图(a)和电极的响应曲线(b)[28]Fig.2 Schematic drawing on the PFAS -ISE (a) and the calibration curves depending on the PFOA concentration in the doping solution(b)[28]

2.2 自组装膜(Self-Assembled Monolayer,SAM)

近年来PFOS的生产和使用被逐渐禁止，取而代之的是新型的PFAS，或称之为前体。基于商业原因，我们对新型的PFAS的具体分子结构知之甚少。但是从目前能掌握的资料来看，有一大类是基于硫醚结构的。我们还知道的是基于硫醚的有机化合物，不管其两端的基团如何，都可以在Au表面上通过S-Au 键形成一层SAM，这层SAM会有效阻断溶液中的氧化还原探针的电子传递。基于此，我们发展了基于检测硫醚的新型PFAS的传感器，如图3所示。

简言之，通过在Au电极表面上形成SAM，我们使用循环伏安法和交流阻抗开发一种检测水性消防泡沫(AFFF)中新型PFAS的简单方法，特别是基于硫醚的含氟表面活性剂成分。我们不必知道PFAS及其前体的具体分子结构，只要有硫醚，就能用这种方法检测，简便有效。我们还采用固相萃取和纳米级多孔Au电极来提高灵敏度，如图3(b -d)所示。

图3 电化学PFAS检测示意图(a)、普通金(平整)电极表面(b)和多孔纳米金电极表面(c、d)的扫描电镜图[7]Fig.3 Schematic of the electrochemical detection(a),SEM images of flat gold electrode surface(b) and nano-gold electrode surface(c,d)

3 光学检测

3.1 表面增强拉曼谱(Surface -Enhanced Raman Scattering,SERS)

SERS由于其高灵敏度(低至单分子检测)和具有分子识别的能力而备受关注。拉曼信号的增强，主要是归功于基底表面的纳米结构[30 - 33]。然而，大多数时侯基底物本身都表现出亲水性，当用来分析PFAS时，由于PFAS通常既憎水又憎油，所以PFAS的加载亲和力就是一个问题。也就是说，PFAS很难被吸附加载到基底的表面上，所以我们要对基底表面进行改性。

自从2004年单分子层的石墨烯(Graphene)被成功分离以来，人们对这种新型碳材料的研究兴趣骤增。有趣的是，石墨烯或氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)已经成功地被证实可以用作SERS基底，有效增强拉曼信号。与传统的SERS基底金属表面(例如Ag、Au和Cu)相比，GO是一种具有疏水性的有机材料。如此，极有可能会提高PFAS在其表面上的加载亲和力。因此，通过在GO膜上引入银纳米颗粒(AgNPs)以形成双基底物，我们可以将AgNPs阵列的拉曼强增属性与GO的高加载亲和力结合起来，如图4a～4d所示，以达到对PFAS进行有效检测的目的[29]。同时，由于PFAS的拉曼活性一般都较低，我们有意地引入染料(Dye)来增强检测信号。另一方面染料的选择，也应该考虑到能够增强PFAS的加载亲和力，如图4(e)所示。使用该方式，我们成功检测了PFAS，包括PFOA、PFOS、6∶2 FTS，检测限约为50 ppb(～120 nmol/L，相对PFOA而言)(图4)，这是令人鼓舞的，并值得进一步研究。

图4 SERS基底的扫描电镜图(a～d)和SERS检测PFAS的示意图(e)[29]。(a)通过纳米球光刻技术制备的银纳米结构；(b)GO膜以及(c)它的剖面图；(d)沉积于GO上的AgNPs。Fig.4 SEM images of the SERS substrates (a -d) and schematic drawing on the SERS detection of PFAS(e)[29].(a) silver nanostructure fabricated via nanosphere lithography；(b) GO film and (c) its cross-section view；(d) silver nanoparticle (AgNPs) deposited on GO film.

3.2 聚集诱导发光(Aggregation Induced Emission，AIE)

AIE是近年来由唐本忠院士提出并发展的一个全新研究领域。我们试图将AIE应用到环境检测中来，比如用来检测PFAS，包括PFOA、PFOS和6∶2 FTS等表面活性剂，如图5所示[34]。我们首先配制含有AIE分子和PFAS的丙酮水溶液。从该溶液中取一小滴液滴(1～2 μL)，并将其滴加到由载玻片制成的芯片中的小孔中，孔的体积和大小是固定的，如图5a～5c所示。当该小液滴暴露在空气中时，水和丙酮都会蒸发。但丙酮由于其高蒸气压，从而比水能更快地蒸发。因此，随着溶剂体积的减小，AIE分子和PFAS的浓度在小液滴中逐渐增加，而水的百分比也随之增加[34]。在到达某个阶段时，PFAS表面活性剂的浓度高到一定程度，胶束就开始形成。该胶束提供了导致AIE分子聚集的疏水核，发光强度将显著增强，如图5a所示。

由于荧光强度是由AIE分子的浓度控制，而胶束的数量则是由PFAS的浓度控制的。因此，我们可以对干燥后的荧光点的密度进行计数，并将其与PFOA浓度联系起来。也就是说，小液滴在芯片孔底部完全蒸发和干燥后(图5d)，聚集的AIE分子具有荧光，其密度可以有效地与PFAS的浓度相关联。因此，我们使用极其少量的PFAS样品，在1 min内就能得到结果，从而开发出了一种简单的芯片传感器，用于PFAS检测，检测范围为0.1～100 μmol/L(PFOA为41 ppm～41 ppb)。

图5 AIE检测PFAS示意图(a～c)以及检测结果(d)[34]Fig.5 Schematic of the AIE detection of PFAS(a -c) and the detection results(d)[34]

4 智能手机应用检测(Smartphone -App)

科技发展到现在，很多检测不必再局限于实验室内进行，现场检测不仅可行，而且变得越来越重要。最简单的检测，应该是类似于pH试纸，可以用肉眼来观测颜色的变化，从而迅速获取结果。这方面我们做了一些探索，用来检测PFAS，例如astkCARETM的应用[21]。

理论上，包括PFOA/PFOS的PFAS都是阴离子表面活性剂。它们可以与大的阳离子染料(如亚甲蓝或乙基紫)，相互作用形成“染料-PFAS”离子对。这种离子对一般疏水，因为它们的亲水端，由于静电相互作用而相互屏蔽，只有疏水端露在外围。因此，这种离子对在水相中是不易溶的，这意味着它可以被有效地萃取到非水相中。由于染料的使用，被萃取后非水相的颜色也因此发生改变，图6c中的分层后的上层溶液，从这层溶液颜色的深浅，可以得到PFAS的浓度信息。

我们试着使用智能手机摄像头，通过自已编写的astkCARETMApp[35]，检测“染料-PFAS”离子对在非水相中的颜色变化，如图6a所示。同时，我们用二次萃取来消除高浓度的无机离子背景的影响，如图6(b～c)所示，不管样品是来自自来水或是地下水。也就是说，在第一次的萃取中，有机相(在与水样平衡之后，也就是图6b中内插图(左)的上层蓝色溶液)将被转移，“染料-PFAS”离子对随之被转移，而水相中的无机离子仍在水样中，没有被转移。只有“染料-PFAS”离子对在有机相中被转移，并被第二次萃取(与Milli-Q水平衡，dual-LPE)，以进一步把可能残存的无机干拢离子“反萃”到Milli-Q水相中，即图6b中内插图(右)的下层蓝色溶液。如此一来，第一次萃取的水样中的无机干扰离子，仍然留在第一次萃取的水相中；接下来的非水相的转移和二次萃取平衡，可以有效地消除任何潜在的背景干扰。我们的检测将集中在二次萃取后的上层溶液，从而达到对PFAS进行现场检测的目的，如图6所示。我们的智能手机应用程序可以在10 ppb(～12 nmol/L，二次萃取约5 min)的检测限下，检测自来水/地下水中的PFAS，它有可能成为现场应用和普通实验室测试的预筛选工具[35]。

图6 PFAS检测示意图(a)、二次萃取(Dual -LPE)的App检测结果(b)和效果图(c)[35]Fig.6 Schematic drawing on the App detection of PFAS(a),(b)calibration cures and before and after image of Dual -LPE(e)[35]

上述测量事实上是针对阴离子表面活性剂，所以水样中的其它阴离子表面活性剂会对PFAS的测量产生干扰，如日常生活中广泛使用的洗涤剂(Detergent)；为了避免数据的假阳性问题，我们需要通过样品预处理来去除这些干扰物质。近年来所发展起来的氟固相萃取(Fluoro -SPE)，可以在对目标物经过氟标记后，进行选择性地萃取[37,38]。基于此技术，我们把用于预浓缩的固相萃取(SPE)和用于预选的氟固相萃取结合起来，成功实现了PFAS的选择性检测，如图7所示[36]。

图7 用氟固相萃取来提高选择性[36]Fig.7 Fluoro -SEP towards selective enhancement of a smartphone App[36]

5 结论和展望

可以预见，国内外对PFAS的研究还将持续一段时间，虽说最终目的是治理和修复，但有效地检测手段，将会对其提供评估和保障。而近年来所发展出的现场测量方法包括传感器，将会是对传统的实验室HPLC-MS测量的一个有效补充。

我们也可以预见，在不久的将来，将会有更多的报道和更好的检测方法，包括：(1)对PFAS的前体的有效检测；(2)对短链PFAS的定量检测；(3)对降解中间产物的检测；(4)更简洁有效地采样和样品制备，包括环境样品、生物样品、实验室样品等等；(5)全有机氟(TOF)的检测和全PFAS家族的检测；(6)对PFAS这一新型污染物的化学、物理性质及毒性的更为细致深入报道；(7)更有效的降解方法和对降解过程的监控；(8)更大范围内的PFAS的检测和扫描。