水中PFAS全氟和多氟烷基化合物检测方案(液质联用仪)

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岛津 白皮书利用 LC-MS/MS 超快速分析环境水中的 PFAS 岛津企业管理(中国)有限公司岛津(香港)有限公司http：//www.shimadzu.com.cn用户服务热线电话： 800-810-0439400-650-0439第一版发行日：2019年5月 水与环境分析 发布日期： 2019年1月10日 ( 作者： ) 美国 白皮书 利用超快速LC-MS/MS分析环境样品中的PFAS 人们开始日渐关注全氟和多氟烷基化合物(PFAS)对环境的持久影响。本白皮书总结了用于监测 PFAS 的最先进的分析方法，并演示了岛津超快速质谱仪(UFMS)在环境水中进行PFAS 分析的速度和性能。所述方法包括简单的甲醇稀释，然后直接进行LC-MS/MS上机分析。本研究采用三重四极杆质谱仪 LCMS-8060，以有效分离和定量49种PFAS，所有化合物均在13分钟内洗脱。我们研究了PFAS的稳定性以及溶剂、小瓶和涡旋对回收率的影响。对94%的目标PFAS(包括ASTM D7979中列出的所有化合物)，能够达到方法检出限0.6-5.4ng/L，回收率84-113%，校准范围5-200ng/L的水平。岛津 LCMS-8060 拥有极高的扫描速度和较短的驻留时间，能够快速、灵敏且稳定地分析环境水中的 PFAS。 关键词： 全氟和多氟烷基化合物； PFAS；全氟化合物；PFC；环境；地表水；非饮用水；地下水；废水； PFOA； PFOS； 持久性有机污染物； POPs 引言 日渐加强强 PFAS 监测需求 全氟和多氟烷基化合物(PFAS)是一类高度稳定且难以降解的人造化学品。这些化学品具有耐热、防油和防水性能，并用于制造众多消费品和工业产品(例如食品包装材料、灭火泡沫和纺织品)。由于这些 PFAS 化合物难以降解，具有毒性并对人类具有潜在危害[1]，[2]，[3]， PFAS的环境泄漏与存在引起了全球的高度关注。 经由饮用水及其及环境介质的 PFAS 暴露已经由多项研究所确证[4]，[5]，[6]，[7]。2016年5月，美国国家环境保护局 (US EPA) 为 PFOA 和 PFOS 的总浓度设立了70万亿分之一(ppt)的饮用水浓度建议值[8]。美国多个州(如加利福尼亚州、明尼苏达州、新泽西州、科罗拉多州、马萨诸塞州、佛蒙特州和密歇根州)都遵循了这一建议，并建立了相似甚至更严格的 PFAS 指导水平，达到了 13-14 ppt [9]，，[[10][11]。最近的研究表明，各个地区[12]和各个国家[13]自来水中所含的 PFAS 化有物有所不同。越来越多的证据表明，需要持续监测水源以及饮用水，以控制 PFAS 暴露。 可靠的PFAS分析方法 液相色谱与三重四重杆质谱仪 (LC-MS/MS) 以其灵敏度和特异性著称，被广泛用于水中 PFAS 的测定。鉴于 PFAS监测具有重要的社会意义，所以需要开发和验证LC-MS/MS的标准化分析方法，以确保所有结果一致可靠，尤其是用于实施监管的数据，一致可靠性更加重要。 2009年9月， USEPA 发布了 EPA 方法 537 Version 1.1[14]，以用于测定饮用水中的14种 PFAS 化合物。该方法后来用于在未管制污染物监测规则3(UCMR3)期间，监测选定的 PFAS。然而，对于环境水(例如非饮用水、地表水、废水和地下水)和土壤基质，仍没有可用的标准EPA方法。US EPA 目前正在开发 EPA 方法8327[15]，旨在使用 LC-MS/MS分析环境水中的 PFAS。 在此期间，实验室使用内部开发方法(例如，改进的 EPA方法537)或由非政府标准化机构开发的方法，例如美国材料与试验协会(ASTM International)和ISO。 美国材料与试验协会为环境水和土壤中的 PFAS分析分别开发了 ASTM D7979-17[16] 和 ASTM D7968-17a[17]。这些 ASTM 方法之间的主要区别在于样品制备步骤。提取样品后的程序与LC-MS/MS 方法基本相同。岛津是 ASTM D19.06任务组成员之一，参与了 ASTMD7979独立的第二次实验室验证。本白皮书介绍了这一验证的相关工作。表1总结了用于检测环境水和土壤基质中 PFAS 的各种LC-MS/MS 方法。 表1.比较各种EPA 和 ASTM 方法对水基质中 PFAS 的检测。 方法 EPA 537[14] ASTM D7979 [16] ASTM D7968 [17] EPA 8327 [15] PFAS 化合物 14种目标物 3种替代物3种内标 21种目标物9种替代物 21种目标物9种替代物 24种 PFAS化合物(详情待公布) 样品基质 样品制备 饮用水 污泥、生活污水、污水厂入水及污水厂出水 (<0.2%固体含量) 土壤 地下水、地表水和废水。 待规定样品采集程序。 250 mL SPE→1mL 用5mL甲醇稀释5mL→过滤器→直接进样 用10 mL 50%甲醇提取2g→过滤器→直接进样 直接进样法 进样量 10 pL 30 pL 30pL 待宣布 定量 内标 外部校准 (允许同位素稀释或内标) 外部校准 (允许同位素稀释或内标) 待宣布 分析仪器的适用性 不断扩大的PFAS化合物清单 由于 PFAS 会对人类健康和环境造成不良影响，因此EPA 于2006年初启动了2010/2015 PFOA 管理计划[18]，以减少并最终消除产品和排放中的PFOA、PFOS和长链PFAS。业务遍布全球的八家相关公司已停止生产和进口这些选定的PFAS，转而选择替代品或完全摒弃 PFAS 行业。 为了适应不断扩大的PFAS化合物列表并提高LC-MS/MS分析的特异性和灵敏度，通常使用多反应监测(MRM)进行相关分析。岛津超快速质谱仪(UFMS) 具有555MRM/sec的超快采集速率和极高的灵敏度，是单次快速灵敏分析多种PFAS化合物的理想之选。 GenX 工艺和技术已成为PFOA和PFOS的替代品；企业界已能够生产其它高性能含氟聚合物(GenX 化学品)，如六氟环氧丙烷 (HFPO)二聚酸及其铵盐。最近联合国全球科学委员会[19]建议全球禁止使用PFOA及其相关化学品，世界各地的制造商和工业界可能采用 GenX 化合物作为替代品。 岛津碰撞池 UFsweeperTM 有助于显著提高采集速率。碰撞池经重新设计，能够实现超快速离子扫描，在不损失动量的条件下，离子可以加快通过碰撞池。岛津 UFMS 所拥有的独特功能有助于实现较短的驻留时间1和延迟时间，能够在不牺牲灵敏度的前提下，高速采集数据。UFMS技术拥有更充裕的数据收集时间，能够满足PFAS分析的多物质同时检测需求，也确保了PFAS LC-MS/MS方法的潜在扩充需求。 这些替代品也引发了一些健康和环境问题，因为它们有着与PFOA和PFOS类似的特性[20]。为加快评估，EPA 于2018年11月[21]更新了饮用水方法 - EPA 537.1 Version 1.0，将GenX (HFPO-二聚酸))和其他三种化合物勿(即11D1-PF3OUdS、9CI-PF3ONS和ADONA，[21])纳入其中。 本白皮书描述了用于监测 PFAS 的最先进的分析方法，重点介绍了 ASTM D7979 的验证工作。我们展示了一种包括简单样品制备和直接上机分析(岛津 LCMS-8060)的稳健方法，展示了 LCMS-8060分离和分析环境样品中49种 PFAS 的设置方式、性能及兼容性。 随着EPA 于2017年发布针对 PFAS 的健康建议值，可靠分析方法的建立以及公众意识的不断提高， PFAS的监测和检测已逐渐常规化。随着类似化合物作为替代品的不断使用， PFAS 清单可能会继续扩大。 驻留时间是用于获取质谱仪中特定 m/z 离子数据的时间。 2必须切换LC-MS/MS 测量条件以同时测量多种化合物。这一过程所需的时间称为延迟时间。由于在暂停期间无法获取数据，因此应尽可能缩短这一时间。 PFAS 化合物清单和标准曲线的制备 表2列出了本研究中使用的所有49种PFAS化合物(30种目标物和19种同位素标记的替代物)。该清单涵盖了ASTMD7979方法中提及的PFAS化合物，并纳入了该方法附录中的其他化合物。所有PFAS标准品均购自 WellingtonLaboratories (安大略，圭尔夫)。 使用市售储备溶液制备所有49种化合物，储备标准溶液的浓度为200 ng/L。使用50：50(体积：体积)甲醇/水以及0.1%乙酸进一步稀储储备标准溶液，以获得其他八种标准溶液；它们的最终浓度分别为150、100、80、60、40、20、10和5 ng/L。标准品未经过滤。使用9点曲线进行校准，范围为5-200 ng/L。 由于FHEA、FOEA和FDEA的方法检出限(MDL)较高，因此这些化合物的校准范围调整为100-4000 ng/L， 并如上所述制备校准标准品。 制备储备溶液并将其储存在不含 PFAS 的聚丙烯((PP)容器中。在分析之前，彻底振荡溶液，然后转移到2mL琥珀色玻璃 LC小瓶中，并在24小时内进行分析，以获得最佳结果。如果样品或标准品放置在 LC 小瓶中，则一些PFAS化合物可能会沉淀、析出或吸附在表面上。为了确保均匀的溶液和最佳结果，必须在进样前对溶液进行涡旋。 将含有每种同位素标记的 PFAS 替代物加标溶液添加到所有样品中，包括方法空白、重复样品、实验室对照样品、基质加标样品和报告限值确证样品。在95：5%((体积/体积)的乙腈(ACN) ：水溶液中，制备20 pg/L的储备替代物加标溶液。用15 mL PP/HDPE 离心管收集水样(5mL)。此外，还需要制备空白溶液(含有5mL试剂水)和实验室对照样品(含有每种PFAS的标准曲线最低点浓度)。 用甲醇1：1稀释样品(5mL)， 并加入40 uL替代物加标溶液，然后涡旋2分钟，得到80 ng/L浓度的稀释溶液。过滤样品并向滤液中加入乙酸(10pL) 以调节pH。将试样转移至LC小瓶，以用于进样并样用LC-MS/MS分析。 LCMS分析和义器条件 分析和仪器条件如表3所示。各个PFAS标准品分别进样分析，以确保良好的物质确证和最大的分辨率。整理好各个保留时间和最佳MRM参数后，制备PFAS标准混合物(含有所有PFAS化合物)并将其用于后续分析。使用LabSolutions软件在不连接色谱柱的情况下直接优化所有化合物参数，包括前体离子、产物离子和碰撞能量。使用至少两个MRM通道。 岛津 UFMS 具有 555 MRM/sec 的超快采集速率和5msec 的高极性切换速度，在保证高灵敏度的同时，还能保证 MRM 事件间的快速切换，每个色谱峰至少能获得10个数据点。通过比较样品和标准品的 MRM 通道来确定目标化合物。使用目标化合物的定量 MRM 通道(表4)对目标分析物进行定量。使用 LabSolutions 软件计算浓度以产生线性回归。排除原点后，使用1/x的拟合权重来赋予低浓度校准点更多的权重。 表2.本白皮书中纳入的49种PFAS(目标化合物和同位素标记的替代物)清单。 LCMS仪器 岛津 LCMS-8060 分析色谱柱 Shim-pack GIST Phenyl-Hexyl， 2.1 mm ID×100 mm， 3 um 粒径 溶剂延迟柱 Shim-pack XR-ODS， 3 mm ID ×50 mm， 2.2 um 粒径 柱温 40°C 进样量 10pL LC 流速 0.4 mL/min 流动相A 含有20mM 醋酸铵的 LCMS 级水 流动相B 乙腈 梯度条件 时间(分钟) 溶剂线A(%) 溶剂线B(%) 0 90 10 1 90 10 3 70 30 14 35 65 14.1 2 98 17.1 90 10 20 90 10 运行/采集时间 20分钟(所有49种 PFAS 化合物在13分钟内洗脱) 接口 电喷雾电离((ESI) 接口温度 300°℃ 脱溶剂管温度 100°℃ 加热块温度 200°C 加热气流量 15 L/min 干燥气流量 5 L/min 雾化气流量 3 L/min MRM 通道数 74 所描述的LC-MS/MS方法完全按照 ASTM 方法 D7979中的指示进行。根据 ASTM 液相色谱(LC)条件进行一项改进。本研究中仅使用了两个LC流动相。未使用ASTM方法中规定的试剂C(含有400mM乙酸铵的95：5%乙腈-水溶液)。本研究使用易于制备的LC流动相(表3)。此外，与ASTM方法规定的流动相相比，这里使用的流动相获得的色谱峰形状和灵敏度与之相似，甚至更好。 避免污染 PFAS可能存在于取样和储存容器中，甚至可能污染样品。因此应重点考虑PFAS的来源，最好使用不含PFAS的材料、优质溶剂，并通过进样多种空白溶液来冲洗仪器，以将其污染降至最低。 在这一研究中，使用溶剂延迟柱以消除玻璃容器、实验室耗材(例如移液枪吸头)和LC系统(例如泵和管)中存在的PFAS污染。该溶剂延迟柱位于自动进样器之前，有助于延迟PFAS洗脱。图1显示的是使用延迟柱的情况，这种杂质延迟方法可以区分仅源自样品的PFOA。此外，岛津服务工程师团队能够搭建严格满足要求的HPLC配置(包括溶剂管线、管道、旁路溶剂管线等)，这些配置经证明可以提供无污染的数据。 图1.PFOA的色谱图：(a)无延迟柱(b)有延迟柱。 最重要的是，异构体(例如PFOS和PFHxS)得到了色谱分离。可以通过具有苯基-己基官能团的柱来实现这一点。在包含最后用乙腈冲洗以除去污染物步骤的情况下，总LC-MS/MS 运行时间为20分钟。 氟调酸能同时产生[M-H]和[M-HF-H]离子，与相应不饱和氟调酸产生的离子相同。即使在优化的色谱条件下，这些化合物的保留时间也几乎相同。为了减少[M-HF-H]离子的产生并将氟调酸错误识别降至最低，使用了较低的脱溶剂管温度。 图2.混合标准溶液中所有 49 种 PFAS 的 MRM (粉红色和蓝色)和 TIC(黑色)色谱图，每种 PFAS 浓度为 100 ng/L。 表4.MRM通道((定量离子)、保留时间、方法检出限(MDL)、校准范围、PFAS的准确度和精度结果。 * FHEA、FOEA 和FDEA (MDL研究的加标浓度为 100 ng/L， 精度和准确度研究，浓度为400 ng/L) PFAS稳定性研究-溶剂、LC小瓶材料和涡旋的影响 使用以下溶剂评估制备的PFAS标准品的保质期：分别盛装于玻璃和聚丙烯小瓶中的10%、30%、50%、70%和90%的甲醇。图3显示的是PFAS相对强度与保存时间(时间/小时)的关系曲线图。图表显示，在ASTM方法中，使用50%甲醇水溶液可以充分溶解PFAS化合物并使它们保持在溶液中。而对于较低浓度的甲醇(10%和30%甲醇)，由于PFAS不溶于所用溶剂，所以显示PFAS显著损失。90%甲醇的回收率与70%甲醇相似。 此外，还研究了LC小瓶(琥珀色玻璃和聚丙烯)的材料，以确定PFAS在不同小瓶表面上的吸附性。无论LC小瓶所用材料如何，都观察到类似的回收率和总量。除了LC小瓶的材料，涡旋对PFAS回收率也有极大的影响(图4)。为了证明使用涡旋混合器的重要性，应使PFAS标准溶液静置24小时。制备最终使用的中等浓度校准检查(50 ng/L)溶液，并测定混合之前和之后小瓶中 PFAS化合物的回收率。图4显示了涡旋前后PFAS化合物的色谱图。在涡旋之前，长链PFAS的回收率明显较低。涡旋能够确保溶液的均匀，并获得一致的结果。 如果小瓶的盖被刺穿，小瓶中的PFAS浓度会有所改变，因为有机溶剂(即甲醇：水溶液)和/或PFAS化合物可能会因穿孔而损失。如果要多次使用校准标准品，建议使用带有密封可更换盖的琥珀色玻璃瓶。进样后立即密封小瓶可以减少PFAS的损失。 ■ 校准范围和方法检出限(MDL) 使用9点标准曲线对所有PFAS化合物进行校准，范围为5ng/L-200 ng/L。但FOHA、FOEA和FDEA(氟调酸)的校准范围为100-4000 ng/L。使用1/x加权评估曲线的线性，不强制通过原点。表4显示了校准范围，所有标准曲线的回归系数(R2)均大于0.99。图5显示了一些选定的PFAS化合物的标准曲线和回归系数(R2)。 通过加标水样(5mL) 进行MDL研究。FHEA、FOEA和FDEA在100 ng/L 浓度时加标；其余的PFAS化合物在20 ng/L 浓度时加标。表4显示了测定的MDL、回收率(%)和RSD(%)。使用 LCMS-8060， 44种PFAS化合物(不包括氟调聚酸)的 MDL 在0.6-5.4 ng/L的范围内。同样地，这44种PFAS的回收率(%)和RSD(%)均在可接受的限度内(70-130%)。 总结和结论 本白皮书总结并说明了岛津UFMS 在环境样品中分析PFAS的性能和兼容性。通过参考 ASTM D7979，使用简单的直接进样方法和快速 LC-MS/MS 分析(LCMS-8060)分离和定量49种PFAS化合物。无需SPE的直接进样可以实现最大通量的分析，并将样品制备的影响、损失和污染降至最低。LCMS-8060 的高速和高灵敏度特性实现了0.6-5.4 ng/L的方法检出限，除FTA外的所有PFAS化合物的回收率为84-113%。这些结果均在质量控制要求和限制范围之内。岛津 LCMS-8060 拥有极高的扫描速度和短暂的驻留时间，可快速、可靠、灵敏定量环境水中的PFAS。 图 3. PFAS 回收率与玻璃和聚丙烯 LC 小瓶所具有的各种溶剂保质期(时间/小时)的关系曲线。 图4.混合标准品 PFAS 溶液瓶之前(左)和之后(右)的 PFAS 回收率。 图5.使用LCMS-8060 获得的 10uL进样的代表性标准曲线 (PFOA， PFBS， PFNA 和 FOSA)。 ( 参考文献 ) ( [ 1 ] Agency for T oxic S ubstances a n d Disease Registry，"Pe r -and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) and Your H ealth，"31October 2018.[ O nline]. Available：https：//www.atsdr.cdc.gov/pfas/. [Accesse d 11 December 2018]. ) ( [2] C . L au， K . Anitole， C. Hodes， D . L ai， A. Pfahles-Hutchens and J. Seed， " Perfluoroalkyl Acids： A Review of Monitoring and T oxicological F indings，"Toxicological Sciences， vo l . 99， n o .2，pp.366-394， 1 O ctober 2007. ) ( [3] Environmental P r otection Agency，"Lifetime Health Advisoriesand Health Effects S upport Documents for Pe r fluorooctanoicAcid and Perfluorooctane Su l fonate，" Fe d eral Register， vol . 81， no. 101， pp. 33250-33251，2016. ) ( [4] United States Environmental Protection Agency (US EPA)， "PFOA， PFOS and Other P F ASs： Basic Information about P FAS，" 20 August 2018.[O n line]. 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