基于混合模式液相色谱法评估地表水中氟化无机阴离子与超短链全氟和多氟烷基物质污染

《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Implementation of a mixed-mode liquid chromatography-based analysis to assess fluorinated inorganic anions and (ultra)-short chain PFAS contamination in surface waters

专业摘要翻译 超短链（USC）全氟和多氟烷基物质（PFAS）极性高、迁移性强且持久性长，因其广泛存在于各类环境介质中而日益受到关注。这类物质此前常被忽视的原因之一在于，它们在大多数实验室用于PFAS分析的标准方法——反相液相色谱中保留不足。本研究优化了一种采用混合模式液相色谱（MMLC）联用串联质谱（MS/MS）的方法，用于检测和定量五种USC PFAS（C2和C3全氟羧酸（PFCAs）以及C1至C3全氟磺酸（PFSAs））、四种短链（SC）PFAS（C4-C6 PFCAs和C4 PFSA）、双三氟甲烷磺酰亚胺（NTf2）以及三种氟化无机阴离子（FIAs）：四氟硼酸根（BF4?）、六氟磷酸根（PF6?）和六氟砷酸根（AsF6?）。为探究最佳保留条件，研究人员测试了不同溶剂和添加剂组合的多种洗脱液构成。USC PFAS可在水相洗脱液（A）为中性、有机相洗脱液（B）为碱性的条件下进行分析，而FIAs则在酸性A相和碱性B相条件下进行测定。该方法经过验证，并通过质量标记标准品和标准加入法校正了基质效应。该方法成功应用于三个地表水样品，其中八种PFAS得以定量。三氟乙酸（TFA）和PF6?的浓度最高，分别为2.70 μg/L和0.287 μg/L，而所有其他目标PFAS的含量均在较低的ng/L范围内。因此，在所有样品中，TFA与PF6?的浓度之和占总PFAS浓度的97%以上。

论文解读文章

研究背景与问题提出

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类具有优异稳定性、化学惰性和两亲性的持久性合成化学品，广泛应用于工业生产，但也导致了其在全球环境介质、动物乃至人体中的普遍分布。经济合作与发展组织（OECD）对PFAS的修订定义涵盖了所有含有饱和CF₂或CF₃基团的化合物，使得PubChem数据库中列出的PFAS数量高达700万种。随着长链全氟羧酸（PFCAs）和全氟磺酸（PFSAs）逐步受到法规限制，生产重心转向了短链（SC）和超短链（USC）PFAS。这些USC和SC PFAS虽然生物累积潜力较低，被认为可能是安全的替代品，但它们同样极端稳定且持久，并且在环境条件下几乎完全去质子化，形成极性强、迁移性高的小分子阴离子。近年来，三氟乙酸（TFA）作为最短的USC PFAS代表，在地表水、降水、地下水甚至北极积雪中被频繁检出，其浓度可达μg/L级别，远超其他USC和SC PFAS。此外，一些新兴的含氟物质，如用于锂离子电池的氟化无机阴离子（FIAs）和双三氟甲烷磺酰亚胺（NTf2），也在欧洲废水及地表水中意外检出，引起了广泛关注。

然而，对这些极性极强的USC PFAS和FIAs进行准确定量分析面临巨大挑战。标准分析方法——反相液相色谱（RPLC）对这类极性物质的保留能力严重不足，导致分离效果差、基质干扰强，难以实现可靠定量。尽管亲水相互作用色谱（HILIC）、离子交换色谱、多孔石墨碳柱以及超临界流体色谱（SFC）等替代技术已被探索，但各自存在应用范围有限、重现性差、仪器设备昂贵或定量限高等缺陷。因此，亟需开发一种能够同时有效分离和定量USC PFAS、SC PFAS、NTf2以及多种FIAs的稳健分析方法。

研究内容与结论

针对上述问题，本研究旨在开发并优化一种基于混合模式液相色谱（MMLC）联用串联质谱（MS/MS）的分析方法，以实现对13种目标化合物的同步检测与定量，包括5种USC PFAS（C₂和C₃ PFCAs，C₁至C₃ PFSAs）、4种SC PFAS（C₄-C₆ PFCAs和C₄ PFSA）、NTf2以及3种FIAs（BF₄^?、PF₆^?和AsF₆^?）。研究人员通过系统优化洗脱液组成，最终建立了两种互补的色谱方法。该方法成功应用于德国施泰因拉赫河（Steinlach River）三个实际地表水样品的分析，共定量出8种PFAS。研究发现，TFA和PF₆^?是主要的污染物，其浓度之和占所有样品总PFAS浓度的97%以上，揭示了这些极性、持久性物质在水环境中的主导地位及其潜在的生态风险。该研究的重要意义在于，提供了一种无需昂贵新型设备即可在常规实验室实施的、可同时覆盖多种极性PFAS及相关阴离子的高效分析方案，为更全面的环境监测和风险评估奠定了方法学基础。

关键技术方法

研究人员采用了Atlantis? BEH? C₁₈ AX混合模式色谱柱（兼具反相和阴离子交换特性），结合Agilent 1290 Infinity II超高效液相色谱（UPLC）与6490 iFunnel三重四极杆质谱（QQQ）联用系统。针对不同目标物，分别建立了两种梯度洗脱程序：方法1用于PFAAs和NTf2，采用中性水相（含2 mM NH₄Ac）和碱性甲醇相（含2 mM NH₄Ac和0.02% NH₄OH）；方法2用于FIAs，采用酸化水相（含0.01%甲酸）和相同的碱性甲醇相。对于需要预富集的样品，采用弱阴离子交换（WAX）固相萃取（SPE）柱进行前处理，预浓缩因子为1000。基质效应通过同位素内标（IS）法和标准加入法进行校正，并使用高分辨质谱（HRMS）对无法产生碎片离子的FIAs进行了确证。

研究结果

方法优化

通过测试16种不同洗脱液组合，发现酸性水相配合碱性有机相可获得良好峰形，但会导致TFA背景升高；中性水相配合碱性有机相则适用于PFAAs分析。最终确定方法1（中性水相+碱性甲醇相）用于PFAAs和NTf2，方法2（酸性水相+碱性甲醇相）用于FIAs，两者均采用甲醇为有机溶剂并添加2 mM NH₄Ac缓冲盐。

方法验证

方法1对所有PFAAs和NTf2实现了良好分离，保留因子（k）范围为1.9（TFA）至9.4（PFHxA）。方法2对三种FIAs的k值在5.5至5.8之间。所有USC和SC PFAS在50–5000 ng/L工作范围内线性良好（R2≥0.990），BF₄^?的R2>0.960。仪器定量限（LOQ）多为50 ng/L，PFHxA和PF₆^?为100 ng/L。基于参考标准的仪器准确度（90–110%）和精密度（RSD<20%）表现优良。在加标自来水基质中，除BF₄^?外，所有目标物的日间准确度在75–125%范围内，精密度RSD<20%。

样品前处理

经SPE预浓缩后，TFMS、PFPrA、PFEtS、PFBA和PFPeA回收率在70–120%之间；PFPrS、PFBS和PFHxA回收率为50–70%；TFA回收率为56%（标准偏差35%）；而BF₄^?、PF₆^?、AsF₆^?和NTf2的回收率分别仅为36%、21%、5%和9%，表明弱阴离子交换SPE对后几类化合物不适用。计算所得SPE方法LOQ范围为0.06 ng/L（TFMS）至0.1 ng/L（TFA）。

地表水样品分析

三个地表水样品中，共定量出8种目标PFAS，包括TFA、PFPrA、PFPeA、PFHxA、PFBS、NTf2、BF₄^?和PF₆^?。TFA浓度最高，介于1.82至2.74 μg/L之间；PF₆^?浓度次之，为0.231至0.315 μg/L。在所有样品中，TFA和PF₆^?的浓度之和占总PFAS浓度的97%以上，其余PFAS含量均在低ng/L范围。下游（D）样品中PFAS种类最多，表明污水处理厂（WWTP）排放可能是一个重要来源。基质效应评估显示，影响主要来自电喷雾电离（ESI）过程，且呈化合物依赖性而非样品依赖性。

总结与结论

本研究成功建立并验证了一种基于混合模式液相色谱-串联质谱（MMLC-MS/MS）的分析方法，能够同时分离和定量地表水中的超短链和短链全氟烷基酸（PFAAs）、双三氟甲烷磺酰亚胺（NTf2）以及三种氟化无机阴离子（FIAs）。该方法克服了传统反相液相色谱对极性PFAS保留不足的局限，且无需购置昂贵的专用设备（如SFC），具有良好的实用性和推广价值。通过对德国施泰因拉赫河三个地表水样品的实际应用，研究人员发现三氟乙酸（TFA）和六氟磷酸根（PF₆^?）是最主要的污染物，其浓度之和占比超过97%。这一发现强调了在环境监测中应高度关注这些以往被忽视的极性、移动性强的持久性污染物。研究同时指出，弱阴离子交换固相萃取（SPE）对FIAs和NTf2的回收率较低，未来需要开发更合适的预富集策略以提高对此类新兴污染物的痕量分析能力。