全氟辛酸（PFOA）的稳定碳同位素分析：采用微流控-高压液相色谱-轨道阱质谱联用技术

《RAPID COMMUNICATIONS IN MASS SPECTROMETRY》：Stable Carbon Isotope Analysis of Perfluorooctanoic Acid (PFOA) by Microflow-High Pressure Liquid Chromatography-Orbitrap Mass Spectrometry

碳稳定同位素分析技术在PFAS污染溯源中的应用研究，采用HPLC-Orbitrap MS方法测定PFOA δ13C值，验证其与EA-IRMS方法的一致性（误差0.2‰-1.5‰），所需样品量仅为传统方法的4%，并成功分离不同供应商的PFOA样品。

　　近年来，随着人们对环境中全氟和多氟化合物（PFAS）污染的认识不断加深，开发能够追踪污染来源的法医学工具变得愈发重要。PFAS是一类广泛用于工业生产、消费品和消防应用的氟化有机化合物，它们在环境中具有高度的持久性，且已被证明对人类健康和生态系统构成严重威胁。这些化合物的种类繁多，已有超过12,000种被归类为PFAS，其广泛使用导致了它们在全球范围内的扩散，甚至在最偏远的环境中也能检测到它们的踪迹。因此，如何准确识别这些化合物的来源，成为环境研究和管理中的一个关键问题。

在法医学分析中，稳定同位素分析（CSIA）已被用于识别不同来源的物质，如假冒食品和葡萄酒的检测，以及运动员体内睾酮的来源分析。然而，由于PFAS的化学性质特殊，传统同位素分析方法难以直接应用。高分辨率质谱技术的出现为PFAS的同位素分析提供了新的可能性。本文介绍了一种基于高效液相色谱（HPLC）和轨道阱质谱（Orbitrap MS）相结合的方法，用于测量PFAS中特定化合物——全氟辛酸（PFOA）的碳同位素组成（δ13C）。该方法不仅具备较高的精确度和准确性，而且所需样品量远低于传统方法，为未来的研究和应用提供了重要的技术支持。

该研究使用六种不同供应商提供的PFOA粉末，通过HPLC-Orbitrap MS分析其δ13C值，并与传统方法——元素分析-同位素比质谱（EA-IRMS）进行比较。结果显示，该方法在误差范围内能够重现EA-IRMS测得的同位素值，且重复分析的偏差在0.2‰至1.1‰之间，误差范围在0.8‰至1.5‰之间。相比之下，EA-IRMS需要400至600微克的PFOA，而Orbitrap MS仅需约0.04%的样品量，大大减少了对昂贵或稀缺材料的依赖。此外，Orbitrap MS还能够测量单个分子或较大分子片段的同位素组成，避免了传统方法中可能产生的副产物（如氢氟酸）对仪器性能的影响。

为了确保分析的准确性和可靠性，研究团队对多个实验参数进行了细致调整。其中包括HPLC的流速、梯度洗脱程序、离子源电压、离子传输管温度、轨道阱分辨率、自动增益控制（AGC）目标值以及数据处理方式等。通过这些参数的优化，研究人员能够在不增加运行时间或注射量的情况下，提高扫描速度，从而改善信号统计的稳定性。例如，在设定轨道阱分辨率为11250时，能够有效减少1?O对13C信号的干扰，而不会显著影响结果的准确性。同时，通过调整AGC目标值至120%，研究人员能够确保系统在扫描过程中获得足够的离子数量，从而提高数据的分辨率和重复性。

在实验过程中，研究团队还测试了不同浓度的PFOA对同位素测量结果的影响。他们发现，10微摩尔的PFOA浓度在δ13C值的测量上表现最佳，因为这一浓度下的13C/12C比值最接近EA-IRMS的测量结果，同时1?O/1?O比值也较为稳定，这表明浓度变化对结果的影响较小。此外，为了进一步验证该方法的适用性，研究团队还对PFOA的C?F??片段进行了分析。通过HCD碰撞细胞电压的优化，他们能够准确测量该片段的δ13C值，并发现其与PFOA分子离子的δ13C值存在一定的差异。这种差异可能与合成路径有关，例如电化学氟化（ECF）和链式聚合（telomerization）两种不同的合成方式可能导致不同的同位素效应。

研究还指出，不同供应商的PFOA在δ13C值上存在显著差异。例如，SynQuest的PFOA样品（00022778）与Fluoryx的241009样品在统计上能够被区分开来，而Alfa Aesar、BeanTown、Strem和Fluoryx的0020TC样品则未能被显著区分。这表明，虽然当前方法在某些情况下可以区分不同来源的PFOA，但还需要进一步的同位素分析来提升其在多维空间中的分辨能力。此外，Fluoryx的241009样品由于纯度较低，其同位素值与EA-IRMS测量结果存在较大偏差，这可能表明杂质对测量结果产生了影响。

该方法不仅适用于实验室环境下的PFOA分析，还具有广阔的环境应用前景。通过同位素分析，研究人员可以追踪PFOA在环境中的迁移和降解过程，从而为环境治理提供科学依据。例如，在生物修复实验中，同位素变化可以作为评估修复效果的重要指标。同时，该方法还可以用于识别不同制造路径下的PFAS污染来源，为环境监管提供有力支持。

此外，Orbitrap MS技术的优势还在于其能够进行多元素的稳定同位素分析（multi-element CSIA），这意味着未来可以同时测量PFOA分子中碳、氟、氧等元素的同位素组成，从而提供更全面的环境指纹信息。这不仅有助于区分不同来源的PFAS污染，还可以揭示其在自然环境中的化学行为和转化过程。

本研究的成果表明，通过HPLC-Orbitrap MS技术，可以实现对PFOA同位素组成的精确测量，并为其他PFAS化合物的同位素分析提供借鉴。随着技术的进一步发展和应用，这种方法有望成为环境法医学研究的重要工具，帮助科学家和政策制定者更有效地追踪和控制PFAS污染。未来的研究可以扩展至更多PFAS化合物的同位素分析，并探索其在不同环境条件下的行为特征。同时，该方法还可以用于评估PFAS在工业生产中的污染源，为污染控制和治理提供科学依据。