水中全氟烷基醚类羧酸的超高效液相色谱-串联质谱检测方法研究

宋 鑫，王荣雨，王 晓，2，纪文华，2*

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院），山东省分析测试中心，山东省大型精密分析仪器应用技术重点实验室，山东 济南 250014；2.齐鲁工业大学（山东省科学院） 药学院，山东 济南 250014）

全氟与多氟化合物（PFASs）是一类具有重要应用价值的含氟有机物，广泛应用于工业和民用领域。然而，PFASs含有键能极高的C—F共价键，导致难以光解、水解与生物降解，已被证实为全球性新型化学污染物，其引起的生态和健康问题也被广泛关注［1-3］。国内外对常规PFASs的生产和使用要求日益严格。联合国环境规划署在2009年和2019年，分别将全氟辛烷磺酸（PFOS）和全氟辛酸（PFOA）及相关的盐列为持久性有机污染物［4］。2019年，我国环保部等部门发文规定，除可接受用途外，禁止PFOS和全氟辛基磺酰氟（PFOSF）的生产、流通和使用［5］。这些严格的规定加速了新型PFASs的生产和使用，如全氟烷基醚类羧酸（PFECA）［6］。研究表明，PFECA 同样具有生物积累性、难降解性、毒性［7］。美国北卡罗来纳州卫生与公众服务部将全氟-2-丙氧基丙酸（GenX）在饮用水中的健康标准定为140 ng/L［8］。2018 年，美国环保局又将GenX 的慢性参考剂量规定为0.3 ng/mL/d［8］。因此，建立稳定、准确、灵敏的PFECA分析检测方法十分重要。

液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）是分析PFASs 的主要技术［9-11］。通常，PFASs 在电喷雾（ESI）负模式下产生［M-H］-母离子，然后在碰撞池中发生裂解，在多反应监测（MRM）模式下检测产物离子。然而，PFECA 在ESI 源电离时可能会发生源内裂解和CO2的中性丢失，表现为PFECA 骨架中醚氧键的断裂和羧基丢失［6，12-14］。基于此，常规的［M-H］-母离子的丰度并不高，而且会产生一些与目标分析物具有相同保留时间的源内离子和［M-H-CO2］碎片离子，影响LC-MS/MS对PFECA的高灵敏检测［6，12］。

本文针对PFECA 醚氧键断裂和CO2中性丢失的问题，通过选择［CF3（CF2）nO］或［M-H-CO2］作为母离子，其他次级氟化烷氧基和烷基片段作为子离子，大幅提高了超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）对4 种PFECA 的检测灵敏度。结合液液萃取技术实现了不同水样中4 种PFECA 的检测，验证了该分析方法的准确性。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Waters Acquity 超高效液相色谱仪、Waters Xevo TQ-XS 三重四极杆质谱仪配有ESI 离子源（美国Waters 公司）；Kylin-Bell涡旋仪（美国Vortex 公司）；3K15 型离心机（Sigma 公司）；CentriVap 型离心浓缩仪（北京照生有限公司）。

甲醇和乙腈为HPLC级，购于默克公司；质谱级醋酸铵购自Alfa Aesar（天津）化学有限公司；盐酸（优级纯）和氯化钠（分析纯）购自中国国药集团；全氟-2，5-二甲基-3，6-二氧杂壬酸（HFPO-TA，纯度98%）和全氟-2，5-二甲基-3，6-二氧杂-8-丙氧基壬酸（HFPO-TeA，纯度99%）购自英国FLRO-SR公司；GenX（纯度97%）购自Alfa Aesar（天津）化学有限公司；全氟-3，6-二氧杂庚酸（PFO2HpA，纯度96%）购自北京强生公司。用甲醇分别配制4 种PFECA 的单标储备液（10 μg/mL）、混合标准储备液（100、1 ng/mL），于4 ℃下避光保存。

1.2 色谱及质谱条件

色谱条件：色谱柱：Waters Acquity BEH C18柱（1.7 μm，2.1 mm×50 mm）；流动相：A为2.5 mmol/L醋酸铵水溶液/甲醇（95∶5），B 为甲醇/2.5 mmol/L 醋酸铵水溶液（95∶5）；流速为0.3 mL/min；梯度洗脱程序：0～0.2 min，95%～5%A；0.2～3 min，5%A；3～5 min，5%～95%A；进样量：1 μL。

质谱条件：监测模式：多反应监测（MRM）；离子源：ESI；扫描方式：负离子扫描；源温度：150 ℃；锥体电压：10 V；毛细管电压：2.5 kV；去溶剂气温度：450 ℃；去溶剂气流量：1 000 L/h；锥孔气流量：150 L/h；雾化气压力：7 000 Pa。4种PFECA的检测离子对、锥孔电压、碰撞能量等质谱参数见表1。

表1 4种PFECA的MRM检测条件Table 1 Mass spectrometry detection conditions of four PFECAs

全扫描模式：取10 ng/mL PFECA 单标溶液，分别在10、20、30、40 V 的锥孔电压下对GenX、PFO2HpA、HFPO-TA、HFPO-TeA 进行二级质谱全扫描，得到二级质谱图。其他质谱参数同MRM模式。

子离子扫描模式：取10 ng/mL PFECA 单标溶液，分别在10、20、30、40 V的锥孔电压下对GenX、PFO2HpA、HFPO-TA、HFPO-TeA 进行子离子扫描，得到子离子扫描图。其他质谱参数同MRM模式。

1.3 样品采集与前处理

桶装饮用水、地下水和河水，分别采集于普利斯矿泉水有限公司、济南地下水和小清河。所有水样于4 ℃下储存在棕色玻璃瓶中。使用前，采用0.22 μm针式过滤器过滤。

在50 mL 离心管中加入5 mL 水样、30 μL 盐酸和10 mL 乙腈，振荡10 min。然后加入2 g NaCl 并振荡10 min，于10 000 r/min下离心10 min，用0.22 μm 针式过滤器过滤上层乙腈溶液。滤液在25 ℃下浓缩至干，用1 mL甲醇复溶，待检测。

1.4 标准工作曲线的制作

准确移取适量PFECA 混合标准溶液于8 支50 mL 离心管中，加入5 mL 空白水样配成质量浓度分别为0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、5 ng/mL 的混合溶液，再按“1.3”样品处理方法进行液液萃取，以各PFECA定量离子的峰面积（Y）对其质量浓度（X，ng/mL）建立标准曲线。

2 结果与讨论

2.1 质谱条件的优化

LC-MS/MS 是目前用于PFASs 定量检测的主要技术，通常在ESI-模式下以［M-H］-为母离子对PFASs 进行检测［15-17］。然而，由于C—O 醚键比C—C 键不稳定，PFECA 在ESI 源中电离时易发生源内裂解，产生［CF3（CF2）nO］结构的碎片离子，导致［M-H］-离子的丰度降低［6，12-14］。另外，羧基使PFECA在产生分子离子峰［M-H］-的基础上，容易进一步丢失中性分子CO2，产生［M-H-CO2］碎片离子。上述原因均能导致［M-H］-离子的丰度降低［12，14］，影响PFECA的质谱响应。但目前大多数质谱方法主要基于［M-H］-碎片离子进行锥孔电压、碰撞能量等参数的优化［6，12］，尚未对［CF3（CF2）nO］和［M-H-CO2］等碎片离子进行研究。基于此，本文采用全扫描和子离子扫描模式对PFECA 的母离子和子离子进行考察。

在负离子模式下，对GenX进行二级质谱全扫描。如图1A所示，未检测到准分子离子峰［M-H］-m/z329。然而由于CO2中性丢失和醚氧键断裂产生的［M-H-CO2］m/z285 和［C3F7］m/z169 碎片离子的响应很好。尝试以［M-H-CO2］m/z285作为母离子，对其进行子离子扫描（图1B），得到特征子离子m/z185、169、119，分别是由母离子发生醚氧键断裂和进一步丢失CF2片段形成。因此确定以m/z285/185、285/169、285/1 193个离子对进行定量分析。

图1 负离子模式下GenX的二级质谱图（A）与子离子扫描图（B）Fig.1 UPLC-MS2 spectrum（A）and daughter ion scan spectrum（B）of GenX under negative mode

在负离子模式下，对HFPO-TeA 进行二级质谱全扫描。如图2A 所示，未检测到对应的准分子离子峰［M-H］-m/z661。然而由于醚氧键断裂产生的［C6F13O2］m/z351碎片离子的响应很好。将［C6F13O2］m/z351 作为母离子，对其进行子离子扫描（图2B），得到特征子离子m/z185、169、119，分别是由母离子发生醚氧键断裂和进一步丢失CF2片段形成。因此确定以m/z351/185、351/169、351/119 3个离子对进行定量分析。

图2 负离子模式下HFPO-TeA的二级质谱图（A）与子离子扫描图（B）Fig.2 UPLC-MS2 spectrum（A）and daughter ion scan spectrum（B）of HFPO-TeA under negative mode

运用相同的方法对PFO2HpA 和HFPO-TA 进行研究，在二级质谱全扫描模式下均未发现它们的准分子离子峰［M-H］-，然而，由于醚氧键断裂产生的［M-CF2COOH］-m/z201 和［C3F7O］-m/z185碎片离子的响应却很好，随后将它们作为母离子进行子离子扫描，进一步得到由于醚氧键和碳碳键断裂形成的特征子离子m/z85 和m/z119。因此分别以离子对m/z201/85、m/z185/119 对PFO2HpA 和HFPO-TA 进行定量分析。此外，还对4 种PFECA 的锥孔电压、碰撞能量进行了优化，最佳检测条件见表1。

采用文献中4 种PFECA的MRM质谱条件［18］，对1 ng/mL的PFECA进行UPLC-MS/MS对比检测。如图3 所示，相对于以［M-H］-为母离子的常规MRM 条件，本文建立的［CF3（CF2）nO］、［M-H-CO2］等MRM条件，可将PFECA的质谱响应最大提高4个数量级，表明本方法更有利于PFECA的痕量检测。

图3 不同方法检测4种PFECA（1 ng/mL）的UPLC-MS/MS图Fig.3 Chromatograms of four PFECAs（1 ng/mL）under different methods

2.2 裂解规律

GenX 的裂解可能是由CO2中性分子丢失开始，产生［M-H-CO2］碎片离子。然后发生源内断裂，导致C2F4/C2F4O 丢失，产生m/z为185 和169 的碎片离子。进一步发生C—C 键断裂，导致CF2丢失，产生m/z为119的碎片离子。图4为GenX的可能裂解途径。

图4 GenX主要碎片的可能裂解途径Fig.4 The possible fragmentation pathway of major fragment of GenX

PFO2HpA 的碳链中含有2 个C—O—C 键，同样可能会发生源内裂解，导致醚氧键断裂，先后失去CF2CO2和C2F4O片段，产生m/z为201和85的碎片离子（图5，途径a）。另外，PFO2HpA在源内断裂前也可发生CO2中性分子丢失（图5，途径b），然后C—C键断裂，产生m/z为201的碎片离子，继而发生醚氧键的断裂，产生m/z85的碎片离子。

图5 PFO2HpA主要碎片的可能裂解途径Fig.5 The possible fragmentation pathway of major fragment of PFO2HpA

由于源内裂解和CO2的中性丢失，HFPO-TA和HFPO-TeA也会发生类似的裂解，产生［CF3（CF2）nO］或［M-H-CO2］等碎片离子。图6和图7分别为HFPO-TA和HFPO-TeA的可能裂解途径。

图6 HFPO-TA主要碎片的可能裂解途径Fig.6 The possible fragmentation pathway of major fragment of HFPO-TA

图7 HFPO-TeA主要碎片的可能裂解途径Fig.7 The possible fragmentation pathway of major fragment of HFPO-TeA

2.3 线性关系、检出限与定量下限

按照“1.4”方法绘制标准曲线，由表2 可见，4 种PFECA 均具有良好的线性关系，相关系数（r2）均大于0.99。通过在5 mL 空白水样中添加不同量的PFECA 混合标准溶液，分别以信噪比为3 和10 计算该方法的检出限（LOD）和定量下限（LOQ）。得到该方法对4种PFECA 的LOD 为0.001～0.005 ng/mL，LOQ 为0.003～0.01 ng/mL，远低于美国北卡罗来纳州卫生与公众服务部要求的饮用水中的健康标准（0.14 ng/mL）［8］。以上结果说明，该方法可实现PFECA 的痕量检测，能够满足实际检测需要。

表2 4种PFECA的线性回归方程、线性范围、相关系数（r2）、检出限和定量下限Table 2 Regression equations，linear ranges，correlation coefficients（r2），LODs and LOQs of four PFECAs

2.4 实际样品的测定

为进一步验证该方法的实用性，选取桶装饮用水、地下水、河水3 种实际水样进行检测。如表3和图8 所示，在桶装饮用水中未检出4 种PFECA，在地下水中检出0.080 ng/mL 的GenX，在河水中检出0.146 ng/mL 的GenX 和0.106 ng/mL 的HFPO-TA，表明自然界水样已被新型PFASs 污染。

图8 实际水样中4种PFECA的UPLC-MS/MS图Fig.8 UPLC-MS/MS chromatograms of four PFECAs in water samples

表3 实际水样中4种PFECA的检测及加标回收率结果Table 3 Detection results and recoveries of four PFECAs in real water samples

另外，在0.05、0.50、1.00 ng/mL 3 个浓度水平下进行加标回收实验。由表3 可见，4 种PFECA的加标回收率为90.2%～108%，相对标准偏差（RSD）不大于7.9%，说明该方法的准确度和精密度良好，可用于实际样品中痕量PFECA 的分析。

3 结 论

本文通过使用［CF3（CF2）nO］或［M-H-CO2］作为母离子，其他次级氟化烷氧基和烷基片段作为子离子，将PFECA 的质谱响应最大提高4 个数量级，并推断了PFECA 的裂解规律，解决了源内裂解和CO2中性丢失造成的PFECA 检测灵敏度较低问题。结合液液萃取法，对水样中4种PFECA 进行UPLCMS/MS分析。检测结果表明，地下水和河水中存在GenX或HFPO-TA，应引起关注。