水中全氟烷基醚類羧酸的超高效液相色譜-串聯質譜檢測方法研究

宋 鑫，王榮雨，王 曉，2，紀文華，2*

（1.齊魯工業大學（山東省科學院），山東省分析測試中心，山東省大型精密分析儀器應用技術重點實驗室，山東 濟南 250014；2.齊魯工業大學（山東省科學院） 藥學院，山東 濟南 250014）

全氟與多氟化合物（PFASs）是一類具有重要應用價值的含氟有機物，廣泛應用于工業和民用領域。然而，PFASs含有鍵能極高的C—F共價鍵，導致難以光解、水解與生物降解，已被證實為全球性新型化學污染物，其引起的生態和健康問題也被廣泛關注［1-3］。國內外對常規PFASs的生產和使用要求日益嚴格。聯合國環境規劃署在2009年和2019年，分別將全氟辛烷磺酸（PFOS）和全氟辛酸（PFOA）及相關的鹽列為持久性有機污染物［4］。2019年，我國環保部等部門發文規定，除可接受用途外，禁止PFOS和全氟辛基磺酰氟（PFOSF）的生產、流通和使用［5］。這些嚴格的規定加速了新型PFASs的生產和使用，如全氟烷基醚類羧酸（PFECA）［6］。研究表明，PFECA 同樣具有生物積累性、難降解性、毒性［7］。美國北卡羅來納州衛生與公眾服務部將全氟-2-丙氧基丙酸（GenX）在飲用水中的健康標準定為140 ng/L［8］。2018 年，美國環保局又將GenX 的慢性參考劑量規定為0.3 ng/mL/d［8］。因此，建立穩定、準確、靈敏的PFECA分析檢測方法十分重要。

液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）是分析PFASs 的主要技術［9-11］。通常，PFASs 在電噴霧（ESI）負模式下產生［M-H］-母離子，然后在碰撞池中發生裂解，在多反應監測（MRM）模式下檢測產物離子。然而，PFECA 在ESI 源電離時可能會發生源內裂解和CO2的中性丟失，表現為PFECA 骨架中醚氧鍵的斷裂和羧基丟失［6，12-14］。基于此，常規的［M-H］-母離子的豐度并不高，而且會產生一些與目標分析物具有相同保留時間的源內離子和［M-H-CO2］碎片離子，影響LC-MS/MS對PFECA的高靈敏檢測［6，12］。

本文針對PFECA 醚氧鍵斷裂和CO2中性丟失的問題，通過選擇［CF3（CF2）nO］或［M-H-CO2］作為母離子，其他次級氟化烷氧基和烷基片段作為子離子，大幅提高了超高效液相色譜-串聯質譜（UPLC-MS/MS）對4 種PFECA 的檢測靈敏度。結合液液萃取技術實現了不同水樣中4 種PFECA 的檢測，驗證了該分析方法的準確性。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Waters Acquity 超高效液相色譜儀、Waters Xevo TQ-XS 三重四極桿質譜儀配有ESI 離子源（美國Waters 公司）；Kylin-Bell渦旋儀（美國Vortex 公司）；3K15 型離心機（Sigma 公司）；CentriVap 型離心濃縮儀（北京照生有限公司）。

甲醇和乙腈為HPLC級，購于默克公司；質譜級醋酸銨購自Alfa Aesar（天津）化學有限公司；鹽酸（優級純）和氯化鈉（分析純）購自中國國藥集團；全氟-2，5-二甲基-3，6-二氧雜壬酸（HFPO-TA，純度98%）和全氟-2，5-二甲基-3，6-二氧雜-8-丙氧基壬酸（HFPO-TeA，純度99%）購自英國FLRO-SR公司；GenX（純度97%）購自Alfa Aesar（天津）化學有限公司；全氟-3，6-二氧雜庚酸（PFO2HpA，純度96%）購自北京強生公司。用甲醇分別配制4 種PFECA 的單標儲備液（10 μg/mL）、混合標準儲備液（100、1 ng/mL），于4 ℃下避光保存。

1.2 色譜及質譜條件

色譜條件：色譜柱：Waters Acquity BEH C18柱（1.7 μm，2.1 mm×50 mm）；流動相：A為2.5 mmol/L醋酸銨水溶液/甲醇（95∶5），B 為甲醇/2.5 mmol/L 醋酸銨水溶液（95∶5）；流速為0.3 mL/min；梯度洗脫程序：0～0.2 min，95%～5%A；0.2～3 min，5%A；3～5 min，5%～95%A；進樣量：1 μL。

質譜條件：監測模式：多反應監測（MRM）；離子源：ESI；掃描方式：負離子掃描；源溫度：150 ℃；錐體電壓：10 V；毛細管電壓：2.5 kV；去溶劑氣溫度：450 ℃；去溶劑氣流量：1 000 L/h；錐孔氣流量：150 L/h；霧化氣壓力：7 000 Pa。4種PFECA的檢測離子對、錐孔電壓、碰撞能量等質譜參數見表1。

表1 4種PFECA的MRM檢測條件Table 1 Mass spectrometry detection conditions of four PFECAs

全掃描模式：取10 ng/mL PFECA 單標溶液，分別在10、20、30、40 V 的錐孔電壓下對GenX、PFO2HpA、HFPO-TA、HFPO-TeA 進行二級質譜全掃描，得到二級質譜圖。其他質譜參數同MRM模式。

子離子掃描模式：取10 ng/mL PFECA 單標溶液，分別在10、20、30、40 V的錐孔電壓下對GenX、PFO2HpA、HFPO-TA、HFPO-TeA 進行子離子掃描，得到子離子掃描圖。其他質譜參數同MRM模式。

1.3 樣品采集與前處理

桶裝飲用水、地下水和河水，分別采集于普利斯礦泉水有限公司、濟南地下水和小清河。所有水樣于4 ℃下儲存在棕色玻璃瓶中。使用前，采用0.22 μm針式過濾器過濾。

在50 mL 離心管中加入5 mL 水樣、30 μL 鹽酸和10 mL 乙腈，振蕩10 min。然后加入2 g NaCl 并振蕩10 min，于10 000 r/min下離心10 min，用0.22 μm 針式過濾器過濾上層乙腈溶液。濾液在25 ℃下濃縮至干，用1 mL甲醇復溶，待檢測。

1.4 標準工作曲線的制作

準確移取適量PFECA 混合標準溶液于8 支50 mL 離心管中，加入5 mL 空白水樣配成質量濃度分別為0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、5 ng/mL 的混合溶液，再按“1.3”樣品處理方法進行液液萃取，以各PFECA定量離子的峰面積（Y）對其質量濃度（X，ng/mL）建立標準曲線。

2 結果與討論

2.1 質譜條件的優化

LC-MS/MS 是目前用于PFASs 定量檢測的主要技術，通常在ESI-模式下以［M-H］-為母離子對PFASs 進行檢測［15-17］。然而，由于C—O 醚鍵比C—C 鍵不穩定，PFECA 在ESI 源中電離時易發生源內裂解，產生［CF3（CF2）nO］結構的碎片離子，導致［M-H］-離子的豐度降低［6，12-14］。另外，羧基使PFECA在產生分子離子峰［M-H］-的基礎上，容易進一步丟失中性分子CO2，產生［M-H-CO2］碎片離子。上述原因均能導致［M-H］-離子的豐度降低［12，14］，影響PFECA的質譜響應。但目前大多數質譜方法主要基于［M-H］-碎片離子進行錐孔電壓、碰撞能量等參數的優化［6，12］，尚未對［CF3（CF2）nO］和［M-H-CO2］等碎片離子進行研究。基于此，本文采用全掃描和子離子掃描模式對PFECA 的母離子和子離子進行考察。

在負離子模式下，對GenX進行二級質譜全掃描。如圖1A所示，未檢測到準分子離子峰［M-H］-m/z329。然而由于CO2中性丟失和醚氧鍵斷裂產生的［M-H-CO2］m/z285 和［C3F7］m/z169 碎片離子的響應很好。嘗試以［M-H-CO2］m/z285作為母離子，對其進行子離子掃描（圖1B），得到特征子離子m/z185、169、119，分別是由母離子發生醚氧鍵斷裂和進一步丟失CF2片段形成。因此確定以m/z285/185、285/169、285/1 193個離子對進行定量分析。

圖1 負離子模式下GenX的二級質譜圖（A）與子離子掃描圖（B）Fig.1 UPLC-MS2 spectrum（A）and daughter ion scan spectrum（B）of GenX under negative mode

在負離子模式下，對HFPO-TeA 進行二級質譜全掃描。如圖2A 所示，未檢測到對應的準分子離子峰［M-H］-m/z661。然而由于醚氧鍵斷裂產生的［C6F13O2］m/z351碎片離子的響應很好。將［C6F13O2］m/z351 作為母離子，對其進行子離子掃描（圖2B），得到特征子離子m/z185、169、119，分別是由母離子發生醚氧鍵斷裂和進一步丟失CF2片段形成。因此確定以m/z351/185、351/169、351/119 3個離子對進行定量分析。

圖2 負離子模式下HFPO-TeA的二級質譜圖（A）與子離子掃描圖（B）Fig.2 UPLC-MS2 spectrum（A）and daughter ion scan spectrum（B）of HFPO-TeA under negative mode

運用相同的方法對PFO2HpA 和HFPO-TA 進行研究，在二級質譜全掃描模式下均未發現它們的準分子離子峰［M-H］-，然而，由于醚氧鍵斷裂產生的［M-CF2COOH］-m/z201 和［C3F7O］-m/z185碎片離子的響應卻很好，隨后將它們作為母離子進行子離子掃描，進一步得到由于醚氧鍵和碳碳鍵斷裂形成的特征子離子m/z85 和m/z119。因此分別以離子對m/z201/85、m/z185/119 對PFO2HpA 和HFPO-TA 進行定量分析。此外，還對4 種PFECA 的錐孔電壓、碰撞能量進行了優化，最佳檢測條件見表1。

采用文獻中4 種PFECA的MRM質譜條件［18］，對1 ng/mL的PFECA進行UPLC-MS/MS對比檢測。如圖3 所示，相對于以［M-H］-為母離子的常規MRM 條件，本文建立的［CF3（CF2）nO］、［M-H-CO2］等MRM條件，可將PFECA的質譜響應最大提高4個數量級，表明本方法更有利于PFECA的痕量檢測。

圖3 不同方法檢測4種PFECA（1 ng/mL）的UPLC-MS/MS圖Fig.3 Chromatograms of four PFECAs（1 ng/mL）under different methods

2.2 裂解規律

GenX 的裂解可能是由CO2中性分子丟失開始，產生［M-H-CO2］碎片離子。然后發生源內斷裂，導致C2F4/C2F4O 丟失，產生m/z為185 和169 的碎片離子。進一步發生C—C 鍵斷裂，導致CF2丟失，產生m/z為119的碎片離子。圖4為GenX的可能裂解途徑。

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

PFO2HpA 的碳鏈中含有2 個C—O—C 鍵，同樣可能會發生源內裂解，導致醚氧鍵斷裂，先后失去CF2CO2和C2F4O片段，產生m/z為201和85的碎片離子（圖5，途徑a）。另外，PFO2HpA在源內斷裂前也可發生CO2中性分子丟失（圖5，途徑b），然后C—C鍵斷裂，產生m/z為201的碎片離子，繼而發生醚氧鍵的斷裂，產生m/z85的碎片離子。

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

由于源內裂解和CO2的中性丟失，HFPO-TA和HFPO-TeA也會發生類似的裂解，產生［CF3（CF2）nO］或［M-H-CO2］等碎片離子。圖6和圖7分別為HFPO-TA和HFPO-TeA的可能裂解途徑。

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

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

2.3 線性關系、檢出限與定量下限

按照“1.4”方法繪制標準曲線，由表2 可見，4 種PFECA 均具有良好的線性關系，相關系數（r2）均大于0.99。通過在5 mL 空白水樣中添加不同量的PFECA 混合標準溶液，分別以信噪比為3 和10 計算該方法的檢出限（LOD）和定量下限（LOQ）。得到該方法對4種PFECA 的LOD 為0.001～0.005 ng/mL，LOQ 為0.003～0.01 ng/mL，遠低于美國北卡羅來納州衛生與公眾服務部要求的飲用水中的健康標準（0.14 ng/mL）［8］。以上結果說明，該方法可實現PFECA 的痕量檢測，能夠滿足實際檢測需要。

表2 4種PFECA的線性回歸方程、線性范圍、相關系數（r2）、檢出限和定量下限Table 2 Regression equations，linear ranges，correlation coefficients（r2），LODs and LOQs of four PFECAs

2.4 實際樣品的測定

為進一步驗證該方法的實用性，選取桶裝飲用水、地下水、河水3 種實際水樣進行檢測。如表3和圖8 所示，在桶裝飲用水中未檢出4 種PFECA，在地下水中檢出0.080 ng/mL 的GenX，在河水中檢出0.146 ng/mL 的GenX 和0.106 ng/mL 的HFPO-TA，表明自然界水樣已被新型PFASs 污染。

圖8 實際水樣中4種PFECA的UPLC-MS/MS圖Fig.8 UPLC-MS/MS chromatograms of four PFECAs in water samples

表3 實際水樣中4種PFECA的檢測及加標回收率結果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 個濃度水平下進行加標回收實驗。由表3 可見，4 種PFECA的加標回收率為90.2%～108%，相對標準偏差（RSD）不大于7.9%，說明該方法的準確度和精密度良好，可用于實際樣品中痕量PFECA 的分析。

3 結 論

本文通過使用［CF3（CF2）nO］或［M-H-CO2］作為母離子，其他次級氟化烷氧基和烷基片段作為子離子，將PFECA 的質譜響應最大提高4 個數量級，并推斷了PFECA 的裂解規律，解決了源內裂解和CO2中性丟失造成的PFECA 檢測靈敏度較低問題。結合液液萃取法，對水樣中4種PFECA 進行UPLCMS/MS分析。檢測結果表明，地下水和河水中存在GenX或HFPO-TA，應引起關注。