基于Fe3O4-PSA磁性固相萃取结合LC-MS/MS灵敏快速测定牛奶中长链全氟及多氟烷基物质

《Foods》：Sensitive and Rapid Determination of Long-Chain Per- and Polyfluoroalkyl Substances in Milk Using Fe3O4-PSA-Based Magnetic Solid-Phase Extraction Coupled with LC-MS/MS

　　

本研究开发了一种灵敏且省时的方法，用于测定牛奶中11种长链全氟及多氟烷基物质（per- and polyfluoroalkyl substances，PFASs），该方法采用磁性固相萃取（magnetic solid phase extraction，MSPE）结合液相色谱-串联质谱（liquid chromatography-tandem mass spectrometry，LC-MS/MS）。研究人员采用伯胺-仲胺修饰的Fe3O4（Fe3O4-PSA）吸附剂对牛奶中的PFASs进行萃取和富集。研究人员考察了PFASs在Fe3O4-PSA上的吸附行为，实验结果表明静电相互作用和疏水相互作用均参与了吸附过程。研究人员系统考察了样品溶液pH、吸附剂用量、吸附时间、洗脱溶剂类型及洗脱时间对PFASs回收率的影响，并确定了最优条件。结果表明，该方法在0.005–20 μg/kg范围内表现出良好的线性（R2 > 0.9972）。检出限（limit of detection，LOD）范围为0.008–0.062 μg/kg，定量限（limit of quantitation，LOQ）范围为0.0260–0.206 μg/kg。在加标牛奶样品（0.5、5和20 μg/kg）中，11种PFASs的回收率为79.4%–118%，相对标准偏差（RSD）低于17%。因此，所开发的方法在牛奶样品中PFASs的测定方面展现出良好的应用潜力。

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一、研究背景与问题

全氟及多氟烷基物质（per- and polyfluoroalkyl substances，PFASs）是一类碳链完全氟化的疏水性化合物，其亲水头部基团多样，涵盖全氟羧酸（perfluorocarboxylic acids，PFCAs）和全氟磺酸（perfluorosulfonic acids，PFSAs）。PFASs因具有疏水疏油、高表面活性及耐高温等优异性能，被广泛用于食品包装、涂料、阻燃剂及多种工业过程。根据经济合作与发展组织（OECD）的定义，长链PFASs包括含七个及以上全氟碳原子的PFCAs和含六个及以上全氟碳原子的PFSAs，且其生物累积和生物放大潜力随碳链长度增加而增强。牛奶及乳制品是人类膳食的基本组成部分，消费量持续增长。已有多个国家（包括德国、波兰、中国、美国和意大利）在牛奶中检出PFASs，表明其在乳制品中的污染具有广泛性。鉴于PFASs具有较高的肠道吸收效率及通过食物链在人体内生物累积的潜力，其对人体健康构成威胁。因此，亟需开发一种灵敏可靠的分析方法，用于测定牛奶中痕量PFASs。

目前，高效液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）检测PFASs的技术已较为成熟，但分析仍面临诸多挑战：PFAS同系物碳链覆盖范围广、理化性质差异大；牛奶基质复杂且PFAS浓度处于痕量水平；PFASs广泛存在于包装材料、水及其他环境介质中，可能引入背景污染并干扰样品前处理与检测。因此，开发高效的分离富集方法对于牛奶中PFASs的可靠测定尤为重要。

传统固相萃取（solid-phase extraction，SPE）因操作相对简单、富集能力好而被广泛应用，分散固相萃取及QuEChERS方法也被引入复杂食品和环境基质中PFASs的萃取。然而，这些传统方法往往需要多次离心、过滤、蒸发或溶剂置换步骤，增加了样品前处理时间并可能导致分析物损失或基质效应。近年来，研究者聚焦于开发更高效、更具选择性的基于吸附剂的萃取策略。磁性固相萃取（MSPE）因磁性吸附剂可借助外部磁场从复杂样品基质中快速分离而受到广泛关注。功能化磁性纳米材料的发展进一步拓展了MSPE在PFAS富集中的应用潜力，但此类材料在复杂食品基质（尤其是牛奶）中快速萃取痕量长链PFASs的适用性仍缺乏系统研究。

二、研究内容与意义

研究人员基于前期制备的伯胺-仲胺修饰Fe₃O₄（Fe₃O₄-PSA）材料，系统评估了其对牛奶中痕量长链PFASs的萃取性能。初步比较表明，Fe₃O₄-PSA在现有MSPE条件下对短链PFASs的萃取性能相对有限，且部分短链PFASs仪器灵敏度较低，因此本研究聚焦于长链PFASs。研究人员开发了基于Fe₃O₄-PSA的MSPE方法并结合LC-MS/MS，实现了11种长链PFASs（包括PFCAs和PFSAs）的同时测定。该方法在灵敏度、准确度和精密度方面均表现出满意的分析性能，为牛奶中长链PFASs的可靠测定提供了新的技术手段，具有重要的实际应用价值。

三、关键技术方法

研究人员采用以下主要技术方法开展研究：利用Fe₃O₄-PSA纳米材料作为MSPE吸附剂，对牛奶样品进行前处理，包括酸乙腈萃取、盐析、冷冻脱脂及20倍稀释；通过LC-MS/MS（Shimadzu 8050三重四极杆质谱仪，配Phenomenex Luna Omega C18色谱柱）进行分离检测，采用负离子电喷雾电离和多反应监测模式；使用两种同位素标记内标（¹³C₂-PFDA和¹³C₄-PFOS）进行定量校准；通过吸附动力学、吸附等温线、热力学分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等手段研究吸附机理。牛奶样品购自中国杭州某超市，共30份不同品牌和类型的牛奶样品。

四、研究结果

4.1 Fe₃O₄-PSA纳米颗粒对PFASs的吸附性能与机理

吸附动力学研究表明，Fe₃O₄-PSA对除PFHxS外的10种PFASs均表现出优异的吸附容量（32.8–40 mg/g），且吸附容量随疏水性和链长增加而增大；相同碳链长度下，PFSAs的吸附优于PFCAs，归因于磺酸基更强的酸性和电离度以及更高的疏水性。伪一级和伪二级动力学模型拟合结果表明两种模型的适用性因化合物而异，主要用于表征吸附动力学行为而非区分物理/化学吸附机理。吸附等温线研究表明，Langmuir模型（R² = 0.9546）比Freundlich模型（R² = 0.8519）拟合更优，最大吸附容量（q_m）为64.33 mg/g，表明吸附呈饱和型行为。热力学分析表明，ΔG为负值说明吸附在288.15–308.15 K范围内热力学可行，ΔH为负值（?48.88 kJ/mol）证实吸附过程为放热反应，ΔS为负值（?158.56 J/mol·K）表明吸附过程中固液界面无序度降低。FTIR和XPS表征显示，吸附后Fe₃O₄-PSA的碳骨架基本保持稳定；N 1s谱中C-N组分结合能从401.05 eV正向位移至401.63 eV，并出现新的N相关组分（约400.81 eV），表明含氮官能团参与了与PFOA的氢键相互作用；吸附后出现明显的F 1s信号（688.48 eV），直接证实PFOA存在于Fe₃O₄-PSA表面。结合pH依赖性吸附行为和ζ电位结果，证实质子化胺基与阴离子型PFOA之间存在静电相互作用，同时疏水相互作用和氢键也可能参与吸附。

4.2 MSPE方法开发

研究人员系统优化了MSPE的关键参数。pH优化实验表明，ζ电位测量显示Fe₃O₄-PSA的等电点（IEP）为8.0，低于此pH时表面带正电。在pH 3.0–6.0范围内，阴离子型PFASs可与带正电的吸附剂发生静电相互作用；pH > 8时，吸附剂和待测物均带负电，产生静电排斥，回收率普遍下降。虽然个别PFASs在pH 4.0时回收率较高，但pH 6.0对11种PFASs提供了更均衡的整体回收率，因此选择pH 6.0作为最优条件。吸附剂用量优化表明，当用量从5 mg增至20 mg时，回收率在合理范围内的长链PFASs比例从54.5%增至63.6%；当用量增至30–50 mg时，半数目标PFASs的回收率呈下降趋势，归因于高浓度下纳米颗粒因磁偶极-偶极相互作用发生聚集，降低有效表面积并物理包埋吸附的长链磺酸盐。因此选择20 mg作为最优吸附剂用量。吸附时间优化表明，吸附时间为10 min时，所有目标分析物的RSD范围为2.1%–8.2%；吸附时间从15 min延长至30 min时，回收率显著下降，可能与可逆脱附或吸附平衡变化有关，因此选择10 min作为最优吸附时间。洗脱溶剂优化表明，以丙酮、乙腈和0.1%甲酸-甲醇洗脱时，11种PFASs的回收率分别为79.0–114%、79.7–110%和71.4–99.6%；丙酮因低黏度、高扩散性有利于快速传质，且氮吹干燥速度显著快于乙腈，因此选择丙酮作为洗脱溶剂。洗脱时间优化表明，0.5 min时11种目标化合物的回收率为78.0%–121%，RSD为2.5%–11%，表明PFASs从Fe₃O₄-PSA上脱附极为迅速；延长洗脱时间并未进一步提高整体回收率，因此选择0.5 min作为最优洗脱时间。

4.3 方法验证

方法验证结果表明，11种PFASs在0.005–20 μg/L范围内线性良好，相关系数（R²）为0.9972–0.9999。LOD范围为0.008–0.062 μg/kg，LOQ范围为0.026–0.206 μg/kg，低于欧盟委员会（2010/161/EU）推荐的PFOA和PFOS限值（1 μg/kg）。11种PFASs的基质效应（ME）范围为0.9–1.1，表明在优化条件下基质效应有限。在三个加标水平（0.5、5和20 μg/kg）下，11种长链PFASs在牛奶样品中的回收率为79.4%–118%，RSD均低于17%；日间RSD范围为1.6%–19%，回收率为76.3%–120%，表明方法具有良好的重现性。基于日间精密度和方法偏差的测量不确定度评估显示，合成标准不确定度（u_c）为12.4%–18.3%，扩展不确定度（U，k = 2）为24.9%–36.6%。

4.4 与已报道方法的比较

与常规SPE方法相比，本方法所需样品前处理步骤更少、有机溶剂消耗量更低。SPE方法需要500 mg吸附剂和10 mL洗脱溶剂，而本MSPE方法仅需20 mg吸附剂和2 mL洗脱溶剂，且回收率相当（79.4%–118% vs 91–105%）。与近期报道的QuEChERS和MSPE方法相比，本方法使用相对较少的吸附剂量和较短的萃取时间。因此，本方法的主要优势在于操作相对简单、吸附剂消耗量低和磁分离快速。

4.5 实际样品分析

研究人员将该方法应用于30份不同类型（全脂牛奶、低脂牛奶、脱脂牛奶和鲜牛奶）和不同品牌的牛奶样品分析。在14份样品（全脂纯牛奶和鲜牛奶）中检出5种长链PFASs，包括PFDoDA（0.032 μg/kg）、PFUnDA（0.029 μg/kg）、PFDA（0.033 μg/kg）、PFOA（0.037–0.262 μg/kg）和PFHpS（0.031–0.069 μg/kg）。其中PFOA的浓度和检出频率均最高，与中国原料奶中的近期观测结果一致。基于检出的PFOA浓度，估算成人从牛奶消费中获得的PFOA每日摄入量（EDI）为0.123–0.873 ng·kg^?1体重·天^?1，儿童为0.925–6.55 ng·kg^?1体重·天^?1。实际样品分析结果表明，所建立的MSPE方法可用于真实牛奶样品中多种长链PFAS污染物的测定。

五、讨论与结论

讨论部分指出，牛奶中PFAS污染的潜在来源包括受污染的饲料、饮用水、环境暴露及食品加工材料。中国的研究表明，PFASs可同时存在于饲料、饮用水和原料奶中，PFOA可能从环境源高效转移至牛奶中。从监管角度看，在商业牛奶中检出PFOA及其他PFASs凸显了持续监测乳制品的必要性。虽然部分司法管辖区已对特定食品类别中的部分PFASs设定监管限值，但本研究中测得的浓度不能直接解释为不符合法规，因为适用限值因食品类别和监管体系而异。牛奶中PFOA及其他PFASs的存在与膳食暴露相关，尤其是对儿童，此前评估报告指出儿童面临更高的暴露风险。

研究结论部分指出，本研究开发了一种基于Fe₃O₄-PSA的MSPE方法并结合LC-MS/MS，用于测定牛奶中11种长链PFASs。研究人员系统优化了样品pH、吸附剂用量、吸附时间、洗脱溶剂和洗脱时间等关键实验参数。该方法表现出满意的分析性能，LOD为0.008–0.062 μg/kg，LOQ为0.026–0.206 μg/kg，在三个加标水平下具有可接受的回收率和精密度。ζ电位、pH依赖性吸附、链长依赖性吸附和XPS结果的综合证据支持静电相互作用、疏水相互作用和氢键参与了PFASs在Fe₃O₄-PSA上的吸附。热力学分析进一步表明，在所研究的温度范围内，吸附过程热力学可行且为放热反应。该方法实现了快速磁分离，吸附剂用量相对较低，且无需使用传统SPE小柱。对商业牛奶样品的应用进一步证明了该方法在乳制品基质中痕量长链PFASs测定的可行性。