全氟辛酸和全氟辛烷磺酸的提取和檢測技術應用

徐雙雙 王 尉 湯 樺 賀天雨 趙新穎

(1.北京市理化分析測試中心，北京 100094；2.中國計量科學研究院，北京 100029；3.北京電子科技職業學院，北京 100176)

1 前言

全氟辛酸(Perfluorooctanoic acid，PFOA)和全氟辛烷磺酸(Perfluorooctane sulfonic acid，PFOS)是具有超疏水性的重要工業前體，在印染、涂料、紡織和化工等領域具有極其重要的應用[1-5]。該類化合物能夠經受較強光、熱、化學和微生物作用以及動物的代謝，很難降解[6]，也是一類新型持久性有機污染物。近年來，大量報道PFOA和PFOS在土壤、水、食品和生物樣品都有檢出[7-9]。尤其引起關注的是PFOA和PFOS具有很強的生物累積性，哺乳動物、蚤類和其他水生生物食物鏈等高生態位的水生生物對PFOA和PFOS具有很強的生物富集作用[10,11]，分布于血液和肝臟，能引起器官病變、生殖干擾、免疫毒性和致癌性[12]。目前，世界各國對PFOA和PFOS的危害和污染已達成共識。美國環保署飲用水指南規定PFOA的限值為70 ng/L，歐洲議會和理事會修改指令規定內陸地表水中PFOS及其衍生物的含量限制為0.65 ng/L。我國規定飲用水中氟化物含量不得超過1.0 mg/L，但尚未制定PFOA和PFOS單體的限值[13-15]。

PFOA和PFOS檢測難點在于樣品基質的多樣(包含土壤、水、水品和生物組織等)，目標物含量低，同系物數量多；具有超級疏水性，在紫外、二極管陣列等檢測器上均無響應。因此，PFOA和PFOS的分離和檢測都有一定的困難。本文從常規分析測試角度出發，概述了我國近5年中各類樣品中PFOA和PFOS的提取方法，介紹了常用的色譜以及色譜質譜聯用的檢測方法，為PFOA和PFOS的日常檢測提供了一些參考。

2 樣品提取方法

樣品提取方法應當快速簡捷，成本低，能滿足大批樣品的檢測需求，避免浪費溶劑，減少二次污染。PFOA和PFOS分布廣泛在食品、動物內臟、土壤、空氣顆粒物等基質中，樣品狀態有固體、半固體和液體，且含量處于痕量水平。因此，提取方法需要同時達到提取、凈化和高倍富集的效果。目前，實驗室常用的有液液萃取法、超聲萃取法、固相萃取法、加速溶劑萃取法和QuEChERS法[16]，見表1。

表1 樣品提取方法、名稱和狀態

2.1 液液萃取法

液液萃取法利用目標物在不同溶劑中溶解性的差異，對其進行提取富集，常用萃取劑有甲基叔丁基醚(MTBE)、四丁基銨(TBA)和乙腈等[17]。王杰明等[18]采用MTBE作為萃取劑對動物內臟和肌肉組織中PFOA進行液液萃取。取樣本1g，加入2 mL碳酸鈉緩沖溶液(pH 10)，提取液過WAX柱，洗脫液用氮氣吹至約0.5 mL，定容至l mL，離心檢測。結果顯示，方法檢出限為0.018 μg/L，加標回收率為82.9%～113.3%。Thomsen等[19]和Lankova等[20]采用乙腈作為萃取劑對母乳中PFOA進行液液萃取，加標0.15 ng/mL或1.5 ng/mL時回收率分別為92%～106%和93%～117%。液液萃取法是最傳統的提取方法，操作程序相對繁瑣，耗費的萃取劑量較多，不適于大批量樣品的檢測，目前已逐漸被其他提取方法替代。

2.2 超聲萃取法

超聲萃取法利用超聲波輻射壓強產生的強烈空化應效應、機械振動、擾動效應、高的加速度、乳化、擴散、擊碎和攪拌作用等多級效應，增大物質分子運動頻率和速度，加速目標成分進入溶劑，促進提取的進行。實際檢測中，這種技術主要應用于固體樣品中PFOA和PFOS的提取，如土壤、底泥、灰塵等。黃東仁[21]采用甲醇作萃取劑對沉積物中的PFOA進行超聲提取，70℃持續60 min。結果顯示，PFOA加標回收率為(103.2±9.2)%, PFOS加標回收率為(82.5±9.2)%,定量限(LOQ，S/N = 10)為0.08 ng/g。Xiang等[22]以谷物和胡蘿卜等可食用作物為研究對象，比較了甲基叔丁基醚(MTBE)、乙腈/水、四氫呋喃/水)的萃取效果，發現采用乙腈/水為溶劑進行超聲萃取效果最好。超聲萃取法的優勢是無需高溫、方便快捷、普適性好；缺點在于只適用于簡單樣品的提取，對于生物樣品等復雜樣品的適用性需進一步研究，且大部分樣品經過超聲萃取后要經過旋轉蒸發儀濃縮，操作繁瑣，方法穩定性不高。

2.3 固相萃取法

固相萃取利用吸附劑將目標物吸附，再經過洗脫液洗脫或解吸附，達到對目標物分離和富集的目的。PFOS等含氟表面活性劑具有較長的烷基鏈，可利用同相萃取法來進行富集提取。目前，樣品提取使用較多的固相萃取柱是C18柱和HLB柱。劉征輝等[23]利用WAX固相萃取小柱對一次性紙杯中PFOA和PFOS進行富集，結果顯示，在0.1～2.0 ng/mL范圍內線性關系良好，平均加標回收率為81.27%～97.12%，相對標準偏差(RSD)為2.9%～7.4%，為食品接觸材料中全氟化合物的遷移限量標準提供了技術支持。楊文龍等[24]分別將水樣、土壤樣品經過WAX柱進行提取。結果顯示，水中的PFOA和PFOS的檢出限分別為0.1 ng/L和0.3 ng/L；土壤檢出限分別為4 ng/kg和7 ng/kg，PFOA和PFOS的添加回收率分別介于88.4%～98.8%和 88.0%～97.3%之間，RSD小于14%。回收率分別介于98.6%～113%和96.8%～111%之間，RSD小于7%。該方法靈敏、準確、可靠，可以滿足環境水與土壤介質中痕量PFOA和PFOS的監測要求。固相萃取法是目前應用最廣泛的萃取技術，優勢萃取效率高、有機溶劑消耗低、易收集、操作方便，是富集環境、食品包裝材料等樣品中的PFOS和PFOA的首選提取方法。

2.4 加速溶劑萃取法

加速溶劑萃取法是在較高的溫度(50～200℃)和壓力(10.3～20.6 FMPa)下，用相應的溶劑對固體或半固體的樣品進行提取的方法。王懿等[25]采用甲醇作為萃取劑運用該方法對土壤中PFOA進行富集，在濃度范圍0.518～3.520 pg/g之間，回收率為71.2%～119.2%。楊運云等[26]采用甲醇-丙酮(1∶1, V/V)作為萃取劑，對空氣顆粒物樣品中的PFOA進行萃取，回收率為80%～100%。與其提取方法相比，加速溶劑萃取法的使用溫度更高，且可以增加一定的壓力，效率高，有機溶劑用量少、耗時較短以及自動化程度高，在科研類分析實驗室中的普及程度和利用率逐步提高。

2.5 QuEChERS

QuEChERS是Anastassiades教授等[27]于2003年開發的一種用于除雜凈化的快速樣品提取方法，利用吸附劑填料與基質中的雜質相互作用，吸附雜質，從而達到凈化的目的。李磊等[28]采用乙腈提取母乳中的PFOA和PFOS等全氟化合物，母乳中的脂肪和水分分別通過QuEChERS法凈化，凈化液經氮吹定容后能直接用于LC-MS/MS定量分析。李帥等[29]采用改進的QuEChERS方法對蜂蜜進行提取，用含1.5%甲酸的乙腈溶液振蕩提取PFOA和PFOS，用氯化鈉/硫酸鎂除去水分，C18柱和N-丙基乙二胺吸附劑除去糖類物質，蜂蜜中20種全氟化合物的提取在16 min內即可完成，簡化了前處理流程，縮短了分析時間。該法設備簡單、溶劑使用量少，操作簡單、重現性好、回收率高等優點，為復雜樣品尤其是食品樣品中PFOA和PFOS的前處理提供了新的思路。但是對于含水量低或者脂肪含量高的樣品，凈化效果不理想，提取效率低、凈化過程損失較大。

3 檢測方法

由于樣品基質復雜，干擾物多，即使經過前處理，還是需要具有分離功能的儀器進行定量檢測。目前，主要有氣相色譜法(GC)、液相色譜法(LC)、氣相色譜質譜法(GC-MS)和液相色譜質譜法(LC-MS)。

3.1 色譜法

PFOS是全氟化化合物，沸點260℃，較難衍生，氣相色譜法不能實現定量測定；且沒有紫外吸收基團和熒光基團，常用的液相色譜紫外法和液相色譜熒光法也不能實現定量測定。PFOA也是全氟化合物，沸點189℃，末端具有羧基。因此，通過衍生化，可以利用氣相色譜法和液相色譜法實現定量測定。但是，衍生化過程步驟多，繁瑣，且樣品損失大，測定結果不準確，報道較少。

GC法的衍生方法有酰化反應和酯化反應，衍生過程中更易產生有毒氣體，應用上受到一定程度的限制[13]。Yang等[30]將血清冷凍干燥以后先用乙酰氯將PFOA衍生成酯以后采用電子捕獲測器(Electron Capture Detector，ECD)檢測器測定。Kudo等[31]人用重氮甲烷將PFOA甲酯化，然后用GC-ECD對小鼠肝組織中的PFOA進行了測定；夏靜芬等[32]使用2,4-氟苯胺為衍生劑，N,N′-二環己基碳二亞胺為脫水劑，9種全氟羧酸均可發生衍生反應生成酰胺衍生物，據此建立了柱前衍生-GC-ECD法同時測定水中9種全氟羧酸，檢出限為0.62～1.38 μg/L。

HPLC的衍生主要是在紫外基團。單國強等[33]選用3,4-二氯苯胺為衍生化試劑，通過碳二亞胺合成法，將PFOA轉化為酰胺化衍生物，用LC-UV進行定性和定量分析。黃可等[34]采用芐胺作為紫外衍生劑建立了柱前紫外衍生的HPLC-UV法檢測紡織品中的PFOA，濃度范圍為6.67 μg/L ～ 0.974 mg/L，回收率為82.15%～120.77%。程小艷[35]探討了采用w-苯溴乙酮作為紫外衍生劑，建立了柱前紫外衍生的HPLC-UV法，檢測水體和尿液中PFOA，濃度范圍為0.007 mg/L～ 60 mg/L，水樣和尿樣的回收率分別為92.7%～107.1%和85.3%～116.0%。黃永周等[36]選擇3-BrAC丙酮溶液作為衍生試劑，四丁基溴化銨作為催化劑，用于垃圾滲濾液中PFOA的測定，檢出限為0.007 mg/L，加標回收率為86%～95.8%。

3.2 色譜質譜聯用法

與紫外、熒光、ECD等檢測器相比，質譜的靈敏度高，可以進行定性和定量分析，有效解決同系物共存的問題。色譜質譜聯用技術是目前分析實驗室的檢測PFOA和PFOS的首選方法。

3.2.1GC-MS

PFOS和PFOA的揮發性低，使用GC-MS法測定時，還是需要進行衍生，因此應用并不廣泛，主要報道依舊集中在PFOA的檢測。Chu等[37]利用固相萃取法有效地從復雜樣品中分離出PFOS，再利用四丁基氫氧化銨(TBAH)通過原位熱解烷基化反應對PFOS衍生化，GC-MS法檢測到PFOS，檢出限為0.09～0.46 ng/g。Monteleone等[38]采用固相萃取法提取，全氟羧酸衍生化，GC-MS檢測PFOA，檢出限和定量限分別為0.11 ng/L和0.24 ng/L。張書馳等[39]采用GC-MS法檢測防油紙中PFOA的殘留以及遷移量，以鹽酸/甲醇為衍生化試劑，衍生溫度為60℃，衍生時間為60 min，采用內標法進行定量。這種方法可以用于測定包裝材料中的PFOA殘留。

3.2.2HPLC-MS

HPLC-MS不需要對PFOA和PFOS進行衍生，可以直接檢測。Ericson等[40]采用HPLC-MS內標法進行定量定量測定自來水中的PFOS和PFOA分別在0.39～0.87 ng/L和0.32～6.28 ng/L范圍內；江水中PFOS和PFOA的濃度分別小于0.24～5.88 ng/L和0.22～24.9 ng/L。趙逸松等[41]建立了HPLC-MS測定血清中的PFOS的方法。樣品經固相萃取后，進行電噴霧質譜分析，結果顯示在線性范圍0～120μg/L內，回收率為76.88%。方祥光等[42]采用HPLC-MS/MS法分析檢測我國10個城市的大氣顆粒物中的PFOS和PFOA。楊文龍等[24]建立了HPLC-MS/MS技術測定環境水體與土壤中的PFOA和PFOS。此外，孔蓉等[43]通過LC-MS/MS法測定QT脂質體注射液用鍍膜膠塞中PFOS和PFOA的遷移，采用Symmetry C18(150 mm×3.0 mm，5μm)，以0.01 mol/mL乙酸銨-乙腈(55∶45)為流動相，采用電噴霧離子源(ESI)、負離子模式檢測方式進行定量分析。結果顯示，QT脂質體注射液用鍍膜膠塞中PFOS和 PFOA在8～200 ng/mL范圍內線性良好，最低檢測限分別為2.000、2.074 ng/mL，平均回收率分別為103.7%、105.9%，RSD分別為7.2%、7.5%，HPLC-MS/MS法是文獻報道最多的檢測PFOS和PFOA的方法，突出的優點是能提供比單級更詳細MS的結構信息，定性更加準確，選擇性好、靈敏度高[13]。

3.3 其他

光譜法、酶聯免疫法、電化學等傳統的分析方法也可以用于PFOA和PFOS的分析，然而更值得關注的是近年來基于這些原理發展的快檢方法。Kong等[44]提出了巰基聚苯乙烯修飾的金納米粒子(AuPS)比色檢測PFOA，通過肉眼可觀察到AuPS溶液的顏色從紅色變為藍紫色，實現快速檢測。Chen等[45]報道了分子印跡修飾的超薄石墨氮化碳納米片作為探針電化學傳感器檢測PFOA，在0.02～ 40.0 ng/mL和50.0～400.0 ng/mL濃度范圍內，檢出限為0.01 ng/mL，用于水樣中PFOA的檢測，方便快速。但是快檢方法的定量能力還有待提升，應用并不廣泛。

4 總結與展望

目前，PFOA和PFOS的檢測對象主要是土壤、水、食品(及包裝材料)和生物樣品，分析測試中首選方法是固相萃取技術結合LC-MS分析，可以去除基質中的干擾物，高效富集PFOA和PFOS，直接實現定性定量檢測。方法成熟、靈敏度高、適用范圍廣。基于光譜、電化學的快檢技術也有一定程度的發展，現階段直接用于實際樣品的定量檢測還有技術瓶頸尚未突破，這也是未來研究的重點方向。