摘 要： 建立超高效液相色谱-串联质谱测定复杂水质中25种全氟/多氟化合物（PFASs）含量的分析方法。样品经直接过滤、乙腈提取或固相萃取，用Agilent Eclipse Plus C18色谱柱分离，以含0.01%甲酸的甲醇溶液和水作为流动相，梯度洗脱，在电喷雾负离子模式下，采用多反应监测模式检测，用内标法定量。25种PFASs的质量浓度在0.5～100 μg/L范围内与色谱峰面积线性关系良好，相关系数均大于0.999， 3种样品处理方法的检出限分别为0.06～0.20、0.002～0.006 μg/L和0.1～0.2 ng/L。样品加标平均回收率为69.9%～115%，测定结果的相对标准偏差为2.9%～19.6%（n=6）。该方法简单快捷、重现性好、灵敏度较高，适用于氟化工园区污水、地表水和地下水中25种PFASs的测定。

关键词： 全氟/多氟化合物； 超高效液相色谱-串联质谱法； 直接进样； 乙腈提取； 固相萃取

 

全氟/多氟化合物(PFASs)是一类化合物分子中的C—H全部或部分被C—F所取代的人造化学品，具有理想的疏水疏油、表面活性和热化学稳定性等特性，广泛应用于生产及生活消费的各个领域[1]。截至2020年，全球市场已确定有超过4 700种PFASs被用于200多种不同的用途[2‒4]。由于全氟辛酸(PFOA)与全氟辛烷磺酸(PFOS)及其相关化合物等具有环境持久性和高毒性，近年来已相继受到管控，开始生产使用毒性较低的短碳链(C≤7)或多氟类PFASs作为替代品[5]，但有研究表明，相比于长链PFASs，短碳链或多氟类PFASs具有较高的流动性，对生物体的神经、发育等仍具有较高的毒性效应，由此引起的环境污染和健康风险不容忽视[6‒8]。

地表水中的PFASs主要来源于污水处理厂，污水成分复杂多样，存在数千种有机物、悬浮物(SS)和色素等，而PFASs存在水平极低(ng级)，开展复杂基质干扰下污水样品中PFASs分析方法研究具有一定挑战性。目前PFASs的分析方法主要是在固相萃取的基础上，采用液相色谱-串联质谱法测定[9‒10]。美国环境保护署(EPA)制定了饮用水中PFASs的固相萃取-液相色谱-串联质谱标准分析方法，是目前针对水体中PFASs检测方法中涵盖物质较为全面的技术标准。我国关于PFASs检测方法研究主要集中于饮用水、地表水等领域，对污水等复杂基质中PFASs的研究比较有限，并且这类研究主要局限于有限数量的PFASs[11‒13]。我国现有的标准方法如GB/T 5750.8—2023《生活饮用水标准检验方法　第8部分：有机物指标》、DB32/T 4004—2021《水质　17种全氟化合物的测定　高效液相色谱串联质谱法》和HJ 1333—2013《水质　全氟辛基磺酸和全氟辛酸及其盐类的测定　同位素稀释/液相色谱-三重四极杆质谱法》，均采用固相萃取-高效液相色谱-串联质谱法进行测定，存在样品处理操作繁琐、回收率不稳定、成本高等问题。笔者以地表水中高检出的25种PFASs为目标化合物，分别采用直接过滤、乙腈提取和固相萃取3种样品处理方法，通过选择滤膜、优化盐的加入量和淋洗液体系等关键因素，有效去除了复杂水样中悬浮物和有机物等干扰，开发了一套高浓度直接过滤-低成本快速富集-高灵敏固相萃取的梯级检测方法，适用于不同类型水质中25种PFASs的快速低成本分析，对全面评价环境中PFASs的污染程度尤为必要。

 

1. 实验部分

 

1.1 主要仪器与试剂

超高效液相色谱-三重四极杆串联质谱仪：Ultimate 3000超高效液相色谱仪，TSQ Fortis plus三重四极杆串联质谱仪，美国赛默飞世尔科技公司。

全自动固相萃取仪：ASPE900型，日本技尔科技股份有限公司。

全自动高通量平行浓缩仪：Flex MVP型，北京莱伯泰科仪器股份有限公司。

纯水机：Milli-QR型，美国密理博公司。

25种PFASs混合标准溶液：质量浓度均为0.5 µg/mL，介质为甲醇，批号为533PAR0723，加拿大威灵顿公司。

16种PFASs同位素内标混合标准溶液：质量浓度均为0.5 µg/mL，介质为甲醇，批号为533ES0623，加拿大威灵顿公司。

甲醇、乙腈：均为色谱纯，美国天地公司。

甲酸：质谱纯，美国赛默飞世尔科技公司。

乙酸铵、氨水：均为优级纯，国药集团化学试剂有限公司。

氯化钠：分析纯，国药集团化学试剂有限公司，使用前于450 ℃加热4 h。

实验用水为超纯水，由Milli-QR型超纯水仪制备。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 色谱条件

色谱柱：Agilent Eclipse Plus C18柱(100 mm×2.1 mm，1.8 μm，美国安捷伦科技有限公司)；流动相：A相为水，B相为含0.01%甲酸的甲醇溶液；流量：0.4 mL/min；洗脱方式：梯度洗脱，洗脱程序见表1；柱温：35 ℃；进样体积：5 μL。

表1   梯度洗脱程序

Tab. 1   Gradient elution program

 

1.2.2 质谱条件

离子源：电喷雾离子源(AJS-ESI)；扫描方式：负离子扫描；毛细管电压：-2.5 kV；脱溶剂气温度：300 ℃；鞘气流量：50 L/min；离子源温度：275 ℃；扫描模式：多反应监测(MRM)模式。25种PFASs的质谱参数见表2。

表2   25种全氟/多氟化合物质谱参数

Tab. 2   Mass spectrometry parameters for 25 PFASs

 

1.3 溶液配制

25种PFASs混合标准中间液：准确吸取25种PFASs混合标准溶液100 µL于1 mL棕色容量瓶中，用甲醇-水(体积比为9∶1)定容至标线，混匀，配制成25种PFASs的质量浓度均为50 µg/L的标准中间液，于4 ℃下保存。

16种PFASs同位素内标使用液：准确吸取16种PFASs同位素内标混合标准溶液100 µL于1 mL棕色容量瓶中，用甲醇-水(体积比为9∶1)定容至标线，混匀，配制成16种PFASs同位素内标的质量浓度均为50 µg/L的内标使用液，于4 ℃下保存。

25种PFASs系列混合标准工作溶液：准确移取适量的25种PFASs混合标准中间液分别至5只1 mL容量瓶中，每只容量瓶中均加入50 μL 16种PFASs同位素内标使用液，用甲醇-水(体积比为9∶1)稀释并定容至标线，混匀，配制成25种PFASs的质量浓度均分别为0.5、1.0、5.0、25、50 µg/L，16种PFASs同位素内标的质量浓度均为2.5 µg/L的系列混合标准工作溶液。

1.4 实验步骤

1.4.1 样品处理

分别采用直接进样、乙腈提取和固相萃取3种方法处理样品，其中，直接进样法适用于已知高浓度(质量浓度大于0.20 μg/L)的污水样品，乙腈提取法适用于已知较高浓度(质量浓度大于0.006 μg/L)的污水样品；固相萃取法适用于各种低浓度水质样品。

直接进样：摇匀水样，移取5 mL水样于10 mL聚丙烯离心管中，加入25 µL 16种PFASs同位素内标使用液，涡旋30 s，混匀，过0.22 μm聚丙烯滤膜，滤液作为样品溶液。

乙腈提取：摇匀水样，量取50 mL水样于100 mL具塞量筒中，依次加入50 µL 16种PFASs同位素内标使用液、5 g氯化钠和50 mL乙腈，振摇5 min，静置分层，取上清液，于40 ℃下氮吹干，用1 mL甲醇-水(体积比为9∶1)复溶，过0.22 μm聚丙烯滤膜，滤液作为样品溶液。

固相萃取：摇匀水样，量取1 000 mL水样于仪器自带的样品瓶中，加入50 µL 16种PFASs同位素内标使用液，混合摇匀。调整仪器，用5 mL甲醇、5 mL含0.1%氨水的甲醇溶液和5 mL超纯水依次对固相萃取小柱进行活化，控制水样以6 mL/min的流量通过固相萃取小柱，上样结束后，用10 mL 0.1 mol/L甲酸溶液-甲醇(体积比为1∶1)淋洗固相萃取小柱，再用隔膜真空泵抽气干燥固相萃取小柱，最后用5 mL甲醇和5 mL含0.1%氨水的甲醇溶液进行洗脱；用吹托管收集洗脱液，于40 ℃下氮气吹干，用1 mL甲醇-水(体积比为9∶1)复溶，过0.22 μm聚丙烯滤膜，滤液作为样品溶液。

空白样品溶液：量取超纯水，按照上述3种样品处理方法分别进行处理后得到空白样品溶液。

1.4.2 定量方法

在1.2仪器工作条件下，由低浓度到高浓度依次对25种PFASs系列混合标准工作溶液进行测定。以目标化合物与对应内标的质量浓度比为横坐标，以其对应的色谱峰面积与内标峰面积的比值为纵坐标，建立标准工作曲线，采用内标法计算样品中25种PFASs的含量。

 

2. 结果与讨论

 

2.1 色谱和质谱条件优化

PFASs既具有疏水的烷基链，又有亲水的官能团，是一类具有表面活性的极性有机化合物。多数研究中采用了较低硅羟基活性填料的C18反相色谱柱，以甲酸-乙腈、乙酸铵-乙腈等流动相体系进行梯度洗脱，实现PFASs多组分的分离[14‒16]。笔者采用Agilent Eclipse Plus C18 (100 mm×2.1 mm，1.8 μm)色谱柱，分别选用0.01%甲酸溶液-乙腈、2 mmol/L乙酸铵溶液-乙腈、0.01%甲酸溶液-甲醇3种流动相，考察不同流动相体系对25种PFASs色谱行为的影响。结果表明，当使用0.01%甲酸溶液-乙腈和2 mmol/L乙酸铵溶液-乙腈为流动相时，化合物分离效果较差；当使用0.01%甲酸溶液-甲醇为流动相时，化合物色谱峰形与响应均较好，故选择甲醇-0.01%甲酸溶液体系作为流动相。25种PFASs总离子流图如图1所示。

 

  1—全氟辛基磺酸； 2—全氟辛酸； 3—全氟己基磺酸； 4—全氟丁酸；5—全氟戊酸； 6—全氟己酸； 7—全氟庚酸； 8—全氟壬酸； 9—全氟癸酸； 10—全氟十一烷酸； 11—全氟十二烷酸； 12—全氟丁基磺酸；13—全氟戊基磺酸； 14—全氟庚烷磺酸； 15—1H，1H，2H，2H-全氟己二磺酸； 16—1H，1H，2H，2H-全氟辛烷磺酸； 17—1H，1H，2H，2H-全氟癸烷磺酸； 18—全氟（2-甲基-3-氧杂己酸）； 19—4，8-二氧-3H-全氟壬酸； 20—9-氯-3-氧杂全氟壬烷磺酸钾； 21—11-氯-3-氧杂全氟十一烷磺酸； 22—2，2，3，3-四氟-3-（三氟甲氧基）丙酸；23—2，2，3，3，4，4-六氟-4-（三氟甲氧基）丁酸； 24—全氟-3，6-二氧庚酸； 25—全氟（2-乙氧基乙烷）磺酸图1　25种PFASs的总离子流色谱图

Fig. 1   Total ion chromatogram of 25 PFASs

采用直接进样方式，优化了离子源温度、鞘气流量、脱溶剂气温度、毛细管电压等参数，并对不同PFASs，分别优化定性、定量离子质荷比、内标和碰

撞能量(CE)等参数，得到25种PFASs的最优MRM参数，见表2。

2.2 滤膜选择

当样品较浑浊时，考虑样品中悬浮颗粒物等机械杂质对仪器的损害，进样前需预先进行过滤处理。常用的水系滤膜有聚丙烯滤膜、尼龙膜和玻璃纤维滤膜，有机系滤膜有GHP滤膜、聚丙烯滤膜、尼龙膜和可再生纤维膜。通过对比同一样品中PFASs过滤前后浓度的变化，比较不同材质滤膜对PFASs的影响，结果见表3。由表3可知，尼龙膜对水样中PFASs吸附能力极强，尤其是长链PFASs，几乎全被吸附，不适合水样过滤；玻璃纤维滤膜对长链PFASs有一定的吸附作用，使其回收率偏低，可选择性使用； GHP滤膜和尼龙膜对有机相中PFASs基本不吸附，但会溶出干扰物使样品背景值升高；可再生纤维膜对有机相中PFASs不吸附，可用于有机相样品过滤；聚丙烯滤膜无论是对水样还是有机相中PFASs均不吸附，可用于25种PFASs的过滤，故选择聚丙烯滤膜。

表3   不同材质滤膜时25种PFASs的回收率

Tab. 3   Recoveries of 25 PFASs using different membrane materials

注：A、B、C为水系滤膜，分别代表聚丙烯滤膜、尼龙膜、玻璃纤维滤膜； D、E、F、G为有机系滤膜，分别代表GHP滤膜、聚丙烯滤膜、尼龙膜、可再生纤维膜。

 

2.3 盐的加入量

乙腈对PFASs的提取效果较好，且提取液的基质效应较低，是良好的提取溶剂。加入适量无机盐，可实现乙腈和水相的分离，盐的加入量对提取效率有直接影响。以空白加标样品为测定对象，分别加入1、3、5、8、10 g氯化钠，考察盐加入量对PFASs提

取效率的影响。结果发现，当氯化钠的加入量达到5 g时，乙腈和水相能够很好地分离，25种PFASs的回收率在75.7%～128%之间，继续增加氯化钠加入量时，有机相中会带入大量盐并形成结晶，对分析仪器流动相系统管路造成影响，因此，确定氯化钠加入量为5 g。

2.4 全自动固相萃取方法优化

2.4.1 固相萃取柱选择

量取1 000 mL水样，分别加入25种PFASs混合标准中间液200 µL、16种PFASs同位素内标使用液50 µL，按照1.4.1固相萃取步骤处理，考察2种固相萃取柱(HLB柱、WAX柱)对PFASs回收率的影响。结果表明，HLB柱对短链PFASs存在假阳性结果，PFMBA、NFDHA、4：2 FTS等短链PFASs回收率大于120%；WAX柱的萃取效果较佳，萃取回收率在80%～120%之间。WAX固相萃取柱填料中含有哌嗪环，环上的氮原子在中性水溶液中带正电荷，能兼顾长链和短链PFASs，因此选择WAX小柱为萃取柱。

2.4.2 淋洗液选择

污水基质组成复杂，存在大量有机污染物(上千种)、悬浮物和色素等，这些基质干扰化合物的定量分析，因此在质谱分析前需进行样品净化[17]。为消除水样中复杂基质对质谱信号的抑制作用以及背景信号较高的现象，需在洗脱PFASs前增加淋洗液去除杂质的流程。在空白样品中添加目标物，比较10 mL超纯水、10 mL 25 mmol/L乙酸铵溶液、5 mL超纯水+5 mL 0.1 mol/L甲酸溶液-甲醇(体积比为1∶1)、10 mL 0.1 mol/L甲酸溶液-甲醇(体积比为2∶1)、10 mL 0.1 mol/L甲酸溶液-甲醇(体积比为1∶1) 5种淋洗液体系对25种PFASs回收率的影响，结果如图2所示。

图2   不同淋洗液时25种PFASs的回收率

Fig. 2   Recoveries of 25 PFASs in different weak eluents

由图2可以看出，5种淋洗液体系条件下，随着甲醇比例的增加，部分PFASs回收率有所下降，但仍能满足方法要求。一般来说，淋洗液体系中有机相比例越高，洗脱能力越强，基质干扰去除效果越好。综合考虑，最终选定10 mL 0.1 mol/L甲酸溶液-甲醇(体积比为1∶1)作为淋洗液体系。

2.4.3 洗脱液选择

在WAX固相萃取柱上，PFASs通常采用甲醇体系洗脱，去除由于疏水作用吸附在小柱上的各种杂质，同时保留PFASs良好的回收率。分别考察了5 mL甲醇和5 mL 0.1%氨水甲醇溶液、5 mL甲醇和5 mL 1%氨水甲醇溶液、7 mL甲醇和7 mL 0.1%氨水甲醇溶液、7 mL甲醇和7 mL 1%氨水甲醇溶液4种洗脱液体系对PFASs回收率的影响，结果如图3所示。由图3可以看出，在甲醇中加入少量氨水，可增强PFASs从WAX固相萃取柱上的洗脱能力，使PFASs快速洗脱，且加入不同浓度氨水的甲醇溶液均可达到洗脱效果，考虑到氨水浓度和体积增加会使氮吹时间延长，PFASs损失增加，最终确定5 mL甲醇和5 mL 0.1%氨水甲醇溶液作为洗脱液体系。

图3   不同洗脱液时25种PFASs的回收率

Fig. 3   Recoveries of 25 PFASs using different strong eluents

2.5 方法学验证

2.5.1 线性方程、检出限和定量限

在1.2仪器工作条件下，测定25种PFASs系列混合标准工作溶液，以PFASs色谱峰面积与内标物峰面积之比为纵坐标，标准溶液中目标物质量浓度与内标物质量浓度之比为横坐标，绘制标准工作曲线，计算线性方程和相关系数。根据HJ 168—2020《环境监测分析方法标准制订技术导则》，每种样品处理方法分别测定7个低浓度加标样品，计算测定结果的标准偏差s，按3.14s计算方法检出限。25种PFASs质量浓度线性范围、线性方程、相关系数和检出限见表4。

表4   质量浓度线性范围、线性方程、相关系数和检出限

Tab. 4   Linear range of mass concentrations、linear equations、correlation coefficients and detection limits

注：固相萃取时检出限的单位为ng/L。

 

由表4可知，25种PFASs的质量浓度在0.5～100 µg/L范围内具有良好的线性关系，相关系数均大于0.999；直接进样、乙腈提取和固相萃取3种样品处理方法的检出限分别为0.06～0.20、0.002～0.006 μg/L和0.1～0.2 ng/L。由此可见，3种样品处理方法灵敏度不同，分别适用于不同类型水质的检测。直接进样法操作简单，适用于已知高浓度工业废水样品的快速测定；乙腈提取法可快速富集水样中的PFASs，适用于已知较高浓度污水处理厂尾水样品的测定；固相萃取法灵敏度高，适用于各类低浓度(ng级)水样的测定。

2.5.2 加标回收与精密度试验

选择氟化工园区废水、地表水和地下水，分别添加0.1、5.0 µg/L和0.5、5.0 ng/L 4个质量浓度水平的目标物，每个质量浓度水平平行测定6次，计算回收率和测定结果的相对标准偏差(RSD)，结果见表5。

表5   样品加标回收与精密度试验结果(n=6)

Tab. 5   Results of samples spiked recovery and precision test (n=6)

 

由表5可知，直接过滤进样的加标平均回收率为78.5%～107%，相对标准偏差为4.1%～15.6%；乙腈提取的加标平均回收率为69.9%～115%，相对标准偏差为2.9%～19.6%；固相萃取法的加标平均回收率为74.9%～105%，相对标准偏差为3.5%～18.4%，表明该方法的准确度和精密度均满足氟化工园区复杂基质水样中痕量水平PFASs的分析要求。

2.6 干扰去除与质量控制

聚四氟乙烯材质的耗材或部件可能会溶出PFASs，造成较高的背景污染。为防止背景污染，在样品采集、制备和保存过程中，应尽可能避免使用含氟材质的耗材或部件，可使用聚丙烯或不锈钢材质，同时在仪器中使用氟化物捕集柱[17‒19]。

初次使用仪器或在仪器维修、更换色谱柱或校准不合格时，应建立工作曲线，相关系数应不小于0.995。每次试验应测定一个工作曲线中间浓度点标准溶液，其测定结果与该点浓度的相对误差应在±30%以内；至少分析两个实验室空白，以检查可能存在的干扰，其目标化合物的测定值不得高于方法的检出限；至少测定一个平行样，平行样测定结果的相对偏差应不大于20%；至少做1个基体加标，加标回收率应在60%～130%之间。

 

3. 结语

 

利用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)法，分别采用直接进样、乙腈提取和全自动固相萃取3种样品处理技术，建立了适用于复杂水质背景的25种PFASs的测定方法。该方法准确性好、快速灵敏、适用范围广，分析时间由原来的数小时提高至30 min以内，可满足氟化工园区污水、地表水和地下水中25种PFASs的高效测定，具有较强的实用价值。

 

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引用本文： 吴萍，王炜，刘惠敏，等 . 超高效液相色谱-串联质谱法测定复杂水质中25种全氟/多氟化合物［J］. 化学分析计量，2025，34（1）： 12. (WU Ping, WANG Wei, LIU Huimin, et al. Determination of 25 per-and polyfluoroalkyl substances in complex water by ultra high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry[J]. Chemical Analysis and Meterage, 2025, 34(1): 12.)

 

 

来源：化学分析计量

关键词： 水质 全氟化合物 多氟化合物