章 濤, 孫紅文＊,ALD ER A lfredo C., GERECKE Andreas C.,MüLLER C laudia

(1.南開大學(xué)環(huán)境污染過程與基準(zhǔn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300071;2.瑞士聯(lián)邦水科學(xué)與技術(shù)研究所,杜本多夫 8600,瑞士;3.瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所,杜本多夫 8600,瑞士)

20世紀(jì) 50年代,美國 3M公司利用電化學(xué)氟化法首次生產(chǎn)出全氟化合物 (perfluorinated compounds,PFCs)。該類物質(zhì)因具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、高表面活性及疏水疏油性能而被大量用于化工、紡織、皮革、消防、日用洗滌劑、炊具制造等諸多與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的生產(chǎn)中[1]。在被廣泛應(yīng)用的同時,PFCs特別是其典型物質(zhì)全氟辛烷磺酸鹽 (perfluorooctane sulfonate,PFOS)和全氟辛酸 (perfluorootanoic acid,PFOA)在環(huán)境樣品以及人類與野生動物體內(nèi)被廣泛檢出[2-6]。PFCs具有持久性有機(jī)污染物的特征,受到科學(xué)界及國際社會的高度關(guān)注。2009年 5月 9日聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)表申明,包括 PFOS在內(nèi)的 9種化合物被列入《關(guān)于持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約》[7]。

污水處理廠被認(rèn)為是水體環(huán)境中 PFCs的主要來源之一,調(diào)查表明 PFCs在污水處理廠出水中的最高濃度可達(dá)到m g/L水平[8]。另外,經(jīng)過污水處理廠處理后,某些 PFCs濃度呈現(xiàn)升高的趨勢,這被歸因?yàn)槲鬯?PFCs的前體物質(zhì) (如聚氟調(diào)醇 (fluorotelom er alcohol,FTOH)及全氟辛烷磺酰胺衍生物)的生物轉(zhuǎn)化[9,10]。因此,對污水處理廠樣品中 PFCs及其前體物質(zhì)的監(jiān)測對于該類物質(zhì)在污水處理廠乃至整個水體環(huán)境中的來源和分布的研究十分重要。

目前對污泥中 PFCs的研究不多[11,12],且多數(shù)研究主要針對全氟羧酸 (perfluorocarboxylic acids,PFCAs)及全氟磺酸鹽 (perfluoroalkyl sulfonates,PFSAs),很少有文章涉及它們的前體物質(zhì)的分析研究。本研究建立了高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用 (HPLC-MS/MS)技術(shù)分析污泥中 7種 PFCAs及其 2種前體物質(zhì)、2種 PFSAs及其 5種前體物質(zhì)的方法,并著重對污泥樣品的液相萃取過程中的主要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與化學(xué)品

Varian1200L HPLC-MS/MS(美國瓦里安公司),配自動進(jìn)樣器。凈化用 Envi carbon柱 (荷蘭JT B aker公司)。

目標(biāo)分析物質(zhì)及內(nèi)標(biāo)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液(純度均高于 95%)購于加拿大 W ellington公司。其中,PFCAs為 11種全氟羧酸類物質(zhì)(C4～C14)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液 (2m g/L)、全氟丁烷磺酸(PFBS)、全氟辛烷磺酸鹽(PFOS)及前體物質(zhì)全氟辛烷磺酰胺(FOSA)、N-甲基全氟辛烷磺酰胺 (N-M eFOSA)、N-乙基全氟辛烷磺酰胺 (N-EtFOSA)、N-甲基全氟辛烷磺化氨基乙酸(N-M eFOSAA)、N-乙基全氟辛烷磺化氨基乙酸(N-EtFOSAA)、6∶2聚氟調(diào)不飽和酸(6∶2FTUCA)、8∶2聚氟調(diào)不飽和酸(8∶2FTUCA)均為單標(biāo),質(zhì)量濃度為 50m g/L。4種內(nèi)標(biāo)物質(zhì)(50m g/L),分別為13C4-PFOA(M PFOA)、13C4-PFOS(M PFOS)、13C2-6∶2FTUCA、d-N-M eFOSA。甲醇及水均為色譜純,購于 Scharlau公司。醋酸銨及醋酸為分析純,購于A lfa Aesar公司。

1.2 樣品前處理

1.2.1 提取

用 15mL-聚丙烯離心管 (PP-tube)取約 0.5g干燥污泥樣品,加入 2.5mL甲醇溶劑對目標(biāo)物進(jìn)行萃取。萃取時,先振蕩 10m in,然后在 40℃下超聲 10m in,在 3 500r/m in下離心 8m in。收集上層萃取清液于新的 15mL-PP-tube中。再重復(fù)萃取兩次,依次使用 1.5mL和 1.0mL甲醇萃取。收集上層萃取清液,最終得到甲醇萃取液共 5mL。

1.2.2 凈化

以 2滴/s的速度將 5mL水及 5mL甲醇先后通過 Envi carbon柱對其進(jìn)行活化。將 5mL甲醇萃取液通過活化的 Envi carbon柱,流速為 1滴/s,然后用 5mL甲醇對 Envi carbon柱進(jìn)行進(jìn)一步的洗脫 (流速為 2滴/s),最終收集到約 10mL樣品。為了進(jìn)一步降低基質(zhì)干擾,保持出峰的穩(wěn)定性以及定量的準(zhǔn)確性,在凈化后的樣品中加入氨水和內(nèi)標(biāo)(按每 1 000mL樣品中加入 400mL0.01% NH4OH水溶液及 10ng(1m g/L)內(nèi)標(biāo))。

1.3 色譜-質(zhì)譜條件

色譜條件:N ucleodur C18G ravity色譜柱 (70 mm×2mm,3μm)。流動相 A:甲醇-水 (95∶5, v/v;含 2.5mm ol/L醋酸銨溶液),流動相B:水-甲醇 (95∶5,v/v;含 2.5mm ol/L醋酸銨溶液);流速: 0.25mL/m in;進(jìn)樣量:20μL。梯度洗脫程序分為兩組,(1)對 PFCAs及其前體物質(zhì) 6∶2和 8∶2FTUCA的分析:0～4m in,20%A～50%A;4～14 m in,50%A～75%A;14～15m in,75%A;15～16 m in,75%A～20%A;16～25m in,20%A。(2)對PFBS、PFOS及其前體物質(zhì) FOSA、N-M eFOSA、NEtFOSA、N-M eFOSAA、N-EtFOSAA的分析:0～0.8 m in,5%A～60%A;0.8～12.5m in,60%A～100%A;12.5～13.5m in,100%A;13.5～14.5 m in,100%A～5%A;14.5～25m in,5%A。

質(zhì)譜條件:電噴霧離子源,負(fù)離子掃描方式(ESI-);分析 PFCAs及其前體物質(zhì) (6∶2/8∶2FTUCA)的噴霧電壓為 -3 000V,離子源溫度為 200℃;分析 PFBS、PFOS及其前體物質(zhì)的噴霧電壓為 -4 500V,離子源溫度為 350℃。其他參數(shù)見表 1。

表 1 全氟化合物的質(zhì)譜檢測參數(shù)及定量限Table1 A na lysis p a ram e te rs of m ass spectrom e try and lim its of quan tifica tion(LOQ)of pe rfluorina ted com pounds

2 結(jié)果與討論

2.1 HPLC-M S/M S條件的選擇

PFCs(包括 PFCAs和 PFASs)及其前體物質(zhì)是具有一定表面活性或極性的有機(jī)化合物,利用N ucleodur C18G ravity柱可以實(shí)現(xiàn)這類物質(zhì)的分離。由于目標(biāo)物質(zhì)多為酸性,因此流動相的離子強(qiáng)度和 pH值對其分離影響較大[13]。本研究在淋洗液中加入 2.5mm ol/L的醋酸銨,可有效調(diào)節(jié)離子強(qiáng)度和pH值,使 16種目標(biāo)物質(zhì)在 25m in內(nèi)達(dá)到有效分離。淋洗液梯度根據(jù)峰形、物質(zhì)分離效果及出峰時間穩(wěn)定性而確定。所有質(zhì)譜條件的選擇采用針泵注射進(jìn)樣,根據(jù)目標(biāo)物質(zhì)的峰高及儀器的限定范圍確定,優(yōu)化的條件列于 1.3節(jié)及表 1中。

2.2 樣品前處理方法的優(yōu)化

加標(biāo)樣品(50μg/kg,干重)經(jīng)不同條件前處理后,各目標(biāo)分析物的相對峰面積如圖 1～圖 4所示。本研究中,以相對峰面積 (A分析物/A內(nèi)標(biāo)物)來表征各目標(biāo)物質(zhì)的萃取效率。分別對萃取方法中甲醇的pH值、超聲萃取溫度、超聲萃取時間、樣品凈化后洗脫溶劑體積進(jìn)行了優(yōu)化。

由圖 1可知,甲醇溶劑的 pH值對萃取效率影響不大,只有N-M eFOSAA在酸性條件下的萃取效率略高于中性和堿性萃取條件。但為了使方法更加簡便,避免 pH值的調(diào)節(jié)步驟,最終采用中性萃取。

圖 1 目標(biāo)物在不同 pH條件下萃取的相對峰面積F ig.1 Re la tive peak a reas of ta rge t ana lytes ex tracted by the ex traction solven t w ith diffe ren t pH va lues

如圖 2所示,各目標(biāo)物質(zhì)的萃取效率受超聲溫度的影響較大,尤其對 PFCAs及 6∶2/8∶2FTUCA,萃取效率隨著溫度的升高而降低;對于 PFSAs及其前體物質(zhì),雖然萃取效率隨溫度升高而降低的規(guī)律并不明顯,但 PFBS、PFOS、N-EtFOSA、N-M eFOSAA及N-EtFOSAA在 40℃時的萃取效率均為 3種溫度條件下的最佳,因此選擇超聲溫度為 40℃。

圖 2 目標(biāo)物在不同萃取溫度下的相對峰面積F ig.2 Re la tive p eak a reas of ta rge t ana lytes ex tracted a t d iffe ren t ex traction temp e ra tu res

各目標(biāo)物質(zhì)在選擇的 4個不同超聲時間(5、10、20及 30m in)條件下,其萃取效率并無明顯的變化(見圖 3)?；跍p少前處理過程的耗時及達(dá)到萃取溫度所需的加熱時間兩方面的因素,選擇 10m in為最佳的萃取時間。

污泥樣品中背景物質(zhì)的成分復(fù)雜,且濃度很高,樣品定容后往往呈現(xiàn)出黃色或綠色,容易引起儀器分析的基質(zhì)效應(yīng),影響定量的準(zhǔn)確性,且降低分離柱的使用壽命[14]。為了消除污泥本底物質(zhì)帶來的基質(zhì)影響,本文采用 Envi carbon柱對萃取液進(jìn)行凈化,凈化后分別用 1、3、5mL甲醇對 Envi carbon柱進(jìn)行洗脫。結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同體積的甲醇對大多數(shù)目標(biāo)物的洗脫效率相當(dāng),但對于 PFNA、PFBS、N-M e-FOSAA及N-EtFOSAA,5mL甲醇的洗脫效率明顯高于 1mL和 3mL(見圖 4)。因此最終選擇 5mL甲醇對 Envi carbon柱進(jìn)行洗脫。

圖 3 目標(biāo)物在不同萃取時間下的相對峰面積F ig.3 Re la tive peak a reas of ta rge t ana lytes ex tracted w ith diffe ren t ex traction tim es

圖 4 目標(biāo)物在不同洗脫劑體積下的相對峰面積F ig.4 Re la tive peak a reas of ta rge t ana lytes ex tracted in diffe ren t vo lum es of the e lu tion solven t

2.3 精密度與準(zhǔn)確度

目標(biāo)物質(zhì)的定量采用內(nèi)標(biāo)法(每個標(biāo)準(zhǔn)溶液中加 10ng內(nèi)標(biāo)),4種內(nèi)標(biāo)物質(zhì)對應(yīng)的目標(biāo)污染物依次為 M PFOA對應(yīng) PFCAs,M PFOS對應(yīng) PFSAs,13C2-6∶2FTUCA對應(yīng) 6∶2/8∶2FTUCA,d-N-M eFOSA對應(yīng) FOSA、N-M eFOSA、N-EtFOSA、N-M eFOS-AA、N-EtFOSAA。結(jié)果表明,多種內(nèi)標(biāo)物質(zhì)的使用,有效地消除了由污泥的背景物質(zhì)帶來的基質(zhì)影響。標(biāo)準(zhǔn)曲線在目標(biāo)物質(zhì)的濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出較好的相關(guān)性,除了 8∶2FTUCA(相關(guān)系數(shù) r2=0.987 5)之外,r2均大于 0.99。線性范圍為 0.1～20μg/L (PFCAs及 6∶2/8∶2FTUCA)及 0.25～50μg/L (PFSAs及其前體物質(zhì)),定量限 (LOQ)在 0.6～30 μg/kg(干重)之間。

2.4 回收率及樣品分析

方法的回收率計(jì)算采用比較基質(zhì)匹配曲線(m atrix m atched calibration curve)與標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率的方法?；|(zhì)匹配曲線是通過對一組樣品 (7個,每個約 0.5g)加入不同含量 (2～1 000μg/kg,干重)的目標(biāo)污染物質(zhì),并對加標(biāo)樣品進(jìn)行前處理及進(jìn)樣分析?；|(zhì)匹配曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線均以各目標(biāo)物質(zhì)的 A分析物/A內(nèi)標(biāo)物為縱坐標(biāo),C分析物/C內(nèi)標(biāo)物為橫坐標(biāo)?；厥章?=100% ×斜率基質(zhì)匹配曲線/斜率標(biāo)準(zhǔn)曲線。該方法可以更加全面地評價在不同濃度條件下前處理方法的回收率。

將該方法應(yīng)用于 3個取自瑞士蘇黎世州不同污水處理廠的污泥樣品中全氟化合物的測定,結(jié)果見表2。其中大多數(shù)目標(biāo)物質(zhì)的加標(biāo)回收率為 74%～141%,只有 6∶2FTUCA和 8∶2FTUCA的回收率較低,分別為 50%及 53%(加標(biāo)水平為 10和 100μg/kg (以干重計(jì)),每個加標(biāo)水平測定 3次)。結(jié)果顯示, PFOS是污泥中最主要的 PFCs,且含量明顯高于其他目標(biāo)物質(zhì),為 176～1 121μg/kg(干重)。在所有的PFCAs中,PFDA及 PFOA最為主要,其次為 PFDoA及 PFHxA,偶數(shù)碳鏈長度的 PFCAs(例如 PFDA、PFOA、PFDoA及 PFHxA)的含量明顯高于奇數(shù)碳鏈長度的 PFCAs(例如 PFPeA、PFHpA及 PFNA)的含量。另外,6∶2/8∶2FTUCA的含量水平與 PFHxA及PFOA的含量水平最為接近,這些結(jié)果也初步表明了FTOH及其相關(guān)物質(zhì)(如 6∶2/8∶2FTUCA)在污泥中經(jīng)生物轉(zhuǎn)化后生成相對應(yīng)的偶數(shù)碳鏈長度的 PFCAs,可能是這些物質(zhì)在污水處理廠中的來源之一。

表 2 污泥樣品＊中目標(biāo)物質(zhì)的含量及回收率(n=3)Table2 Concen tra tions of ta rge t ana lytes in sludge samp les＊and recove ries(n=3)

3 結(jié)語

經(jīng)過優(yōu)化后,確定了利用甲醇對污泥進(jìn)行液相萃取法的最優(yōu)參數(shù):在中性條件下,于 40℃下超聲萃取 10m in,采用 Envi carbon柱凈化。該方法快捷而有效。但部分短鏈和長鏈 PFCAs(例如 PFBA (C4)和 PFTeA(C14)),由于沒有與之匹配的內(nèi)標(biāo)物質(zhì),使得回收率很低而未列入本文中。另外,前體物質(zhì)尤其是N-M eFOSAA和N-EtFOSAA,其較高的LOQ也是本方法應(yīng)用于環(huán)境樣品測定的一個局限。研究表明,氮吹濃縮樣品體積被認(rèn)為是能降低LOQ的有效手段,改進(jìn)的方法正在進(jìn)一步研究中。

[1] So M K,Yam ashita N,Taniyasu S,et al.Eviron Sci Technol,2006,40:2924

[2] Yang YL,Wang H,Rui Z R,et al.Chinese Journal of Chrom atography(楊玉林,王宏,芮振榮,等.色譜),2002,20 (1):66

[3] Sim cik M F,Dorw eiler K J.Environ Sci Technol,2005,39: 8678

[4] Tom s L M L,Calafat A M,Kato K,et al.Eviron Sci Technol,2009,43:4194

[5] Giesy J P,Kannan K.Environ Sci Technol,2001,35:1339

[6] Zhang T,Wang C P,Sun H W.Chinese Journal of Safety and Environm ent(章濤,王翠萍,孫紅文.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)),2008,8(3):22

[7] W ang T,W ang YW,Liao C Y,et al.Environ Sci Technol, 2009,43:5171

[8] Bossi R,Strand J,Sortkjaer O,et al.Environ Int,2008, 34:443

[9] W ang N,Szostek B,Folsom P W,et al.Environ Sci Technol,2005,39:531

[10] Rhoads K R,Janssen E M L,Luthy R G,et al.Environ Sci Technol,2008,42:2873

[11] Sinclair E,Kannan K. Environ Sci Technol,2006,40: 1408

[12] Pow ley C R,George S W,Ryan T W,et al.Anal Chem, 2005,77:6353

[13] Pan Y Y,Shi Y L,Cai Y Q.Chinese Journal of Analytical Chem istry(潘媛媛,史亞利,蔡亞岐.分析化學(xué)),2008,36 (10):1321

[14] Higgins C P,Field J A,Criddle C S,et al. Environ Sci Technol,2005,39:3946