使用优化的快速流动固相萃取和UPLC-MS/MS方法实现饮用水中亚万亿分之一痕量水平PFAS定量

《PLOS Water》：Achieving sub-part per trillion trace level PFAS quantification in drinking water using an optimized fast flow solid-phase extraction and UPLC-MS/MS method

　　

全氟和多氟烷基物质（PFAS）不易降解，因此在环境中循环，持续极长时间，在生物体中积累，并造成潜在的健康和生态风险。饮用水中的PFAS监测依赖于固相萃取（SPE）进行样品浓缩，以及超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）进行灵敏和特异性检测，但传统方法存在处理时间长、对亚万亿分之一（ppt）痕量水平检测灵敏度不足以及成本高的问题。在本研究中，研究人员旨在开发和验证一种优化的快速流动SPE方法，以实现对美国环境保护署（US EPA）关注的40种PFAS化合物的亚ppt痕量水平定量。确定了几个关键样品制备参数（包括N₂干燥、注射器过滤、SPE洗脱体积和SPE流速）对PFAS回收率的影响。这些结果有助于最终优化快速流动SPE方法的开发，并使用加标痕量PFAS的空白水样和自来水样进行了验证。新的快速流动SPE方法显著减少了样品加载时间（500 mL样品6分钟 vs. 正常流速SPE所需100分钟；4升样品60-70分钟 vs. 正常流速SPE所需800分钟），同时不损害40种PFAS化合物中38种的回收率，并实现了饮用水中PFAS的亚ppt（方法检测限低至0.01 ppt）痕量水平定量。因此，优化的快速流动SPE是提高方法灵敏度、增加通量和降低PFAS分析成本的有效策略，并将对未来饮用水中的PFAS监测产生积极影响。

论文解读文章

### 研究背景与动机

全氟和多氟烷基物质（PFAS）因其高C-F键能（488 kJ/mol）而具有极端环境持久性，被称为“永久化学品”。这些化合物通过水系统和大气途径广泛分布，已在北极冰川等偏远地区被检出。美国地质调查局（USGS）报告显示，约45%的美国饮用水样品中可检测到至少一种PFAS，浓度范围为0.025至319 ppt（ng/L）。PFAS（如全氟辛酸PFOA和全氟辛烷磺酸PFOS）与胎儿发育异常、疫苗反应抑制、甲状腺疾病、肾癌和睾丸癌等健康问题相关，其人体半衰期可达1.2至14.9年。由于这些风险，美国环境保护署（US EPA）于2024年4月10日颁布了《国家主要饮用水条例》（NPDWR），设定六种PFAS的最大污染物水平（MCL）：PFOA和PFOS为4 ppt，全氟己烷磺酸（PFHxS）、全氟壬酸（PFNA）和六氟环氧丙烷二聚酸（HFPO-DA，即GenX）为10 ppt，并针对PFHxS、PFNA、HFPO-DA和全氟丁烷磺酸（PFBS）的组合设定了1的危害指数。此外，US EPA将PFOA和PFOS的最大污染物水平目标（MCLG）设定为零。类似地，欧盟（EU）规定饮用水中总PFAS不超过500 ppt，20种PFAS之和不超过100 ppt，世界卫生组织（WHO）也发布了临时指导值。为满足这些严格法规（尤其是MCLG为0），迫切需要一种灵敏、可靠且经济高效的分析方法，以实现饮用水中亚ppt痕量级别的PFAS检测和定量。现有EPA方法537.1和1633A基于固相萃取（SPE）和液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS），但检测限（约1.04-20.98 ppt）不足以满足MCLG要求，且处理时间漫长（如方法1633A处理500 mL样品需100分钟）。因此，研究人员开展本研究，旨在优化关键样品制备参数，开发一种快速流动SPE方法，以提高方法灵敏度和分析通量，实现40种PFAS化合物的同时亚ppt定量。该研究发表在《PLOS Water》。

### 主要关键技术方法

研究人员采用快速流动固相萃取（fast flow SPE）结合超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）技术。SPE使用Oasis PFAS WAX弱阴离子交换柱（200 mg/60 μm）并串联石墨化碳黑（GCB，50 mg），样品来源为Optima LC/MS级空白水和自来水样。UPLC-MS/MS分析采用Waters Acquity UPLC BEH C18色谱柱（1.7 μm，2.1×50 mm）和Waters Xevo TQ-S三重四极杆质谱仪，在负电喷雾电离（ESI）模式下运行。研究人员评估了N₂干燥、注射器过滤、SPE洗脱体积和SPE流速对PFAS回收率的影响，并通过加标实验和方法检测限（MDL）计算（依据40 CFR Part 136附录B）进行方法验证。

### 研究结果

**UPLC-MS/MS detection of forty target PFAS compounds**
通过优化色谱条件，在12分钟单次运行中实现了40种目标PFAS的特异性检测，包括潜在干扰物牛磺脱氧胆酸（TDCA）与PFOS的分离（保留时间差约2分钟）。短链羧酸和氟醚羧酸较早洗脱（保留时间RT<4 min），长链中性磺酰胺类化合物最晚洗脱（RT>9 min），且保留时间在多次进样间高度一致（变异系数CV<5%）。

**Calibration linearity and instrument detection limit**
采用同位素稀释定量技术，使用提取内标（EIS）和未提取内标（NIS）。各目标PFAS的10点校准曲线线性良好（响应比RSD<15%）。仪器检测限（IDL）范围为0.05至5 ppb，其中羧酸、磺酸、磺酰胺乙酸和磺酰胺类化合物的IDL低于0.2 ppb，而HFPO-DA的IDL最高（5 ppb）。

**Method detection limit, method limit, and recoveries before optimization**
采用EPA方法1633A的SPE协议（流速5 mL/min，500 mL样品），初始MDL范围为0.18至18.12 ppt，方法限（ML）范围为0.58至57.62 ppt。40种目标PFAS中38种回收率在81%-124%之间（相对标准偏差RSD 3-19%），但全氟-3,6-二氧杂庚酸（NFDHA）因高IDL和样品损失而无法检出。

**Effect of N₂ drying on MDL, ML and recovery**
将SPE洗脱液进行N₂干燥并浓缩10倍后，MDL和ML降低了2-10倍，且NFDHA的回收率达到可接受范围。然而，N₂干燥导致部分中性PFAS（如全氟辛烷磺酰胺PFOSA、N-甲基全氟辛烷磺酰胺NMeFOSA、N-乙基全氟辛烷磺酰胺NEtFOSA、N-甲基全氟辛烷磺酰胺乙醇NMeFOSE、N-乙基全氟辛烷磺酰胺乙醇NEtFOSE）以及氟调聚羧酸（3:3 FTCA、5:3 FTCA、7:3 FTCA）的回收率降至2-4%，远低于EPA限值。进一步分析表明，损失由这些化合物的半挥发性导致蒸发，而非降解。

**Effect of syringe filtration on PFAS recovery**
使用0.2 μm尼龙针式过滤器过滤SPE洗脱液（约5 mL 1%氢氧化铵甲醇溶液）前后，24种EIS的回收率无显著差异，证明在所用溶剂体积下，针式过滤不引起PFAS的非特异性吸附损失。

**Effect of SPE elution volume on PFAS recovery**
比较1、2.5和5 mL洗脱体积：1 mL时回收率低于30%（洗脱不充分），2.5 mL时大部分目标PFAS和所有EIS达到最低回收限，但部分化合物（如全氟癸烷磺酸PFDS、全氟庚烷磺酸PFHpS、NMeFOSE和NFDHA）仍低于60%；5 mL洗脱体积对所有化合物均提供最佳回收率。

**Effect of SPE Loading Flow Rate on PFAS Recovery**
以四种经典PFAS（PFOA、PFOS、全氟丁酸PFBA、PFBS）为模型，比较流速5 mL/min vs. 40-45 mL/min vs. 80-85 mL/min。结果显示，在80-85 mL/min下回收率仍达87-123%，表明快速流速不影响离子交换相互作用。500 mL样品加载时间从100分钟降至约6分钟。

**Impact of an optimized fast flow SPE protocol on the MDL and ML**
采用快速流速（80-85 mL/min）处理4 L样品（加载时间50-60分钟），结合1000倍预浓缩，MDL降至0.01-1.12 ppt，ML降至0.04-3.6 ppt。40种PFAS中38种（除NMeFOSE和NFDHA外）及其EIS回收率均在EPA限值内。额外加入N₂干燥后，MDL和ML无显著改善，且部分磺酰胺类和氟调聚羧酸回收率下降。空白水中观察到若干PFAS背景水平接近MDL，表明背景污染成为进一步降低检测限的阈值。

**Application of the optimized fast flow SPE protocol in drinking water samples**
在自来水样中应用新方法（500 mL和4 L体积），检出至少10种PFAS（浓度0.19-4.10 ppt），而EPA方法1633A未能检出这些化合物。所有受法规监管的PFAS（PFOS、PFOA、PFHxS、PFNA）浓度均低于当前MCL。

### 讨论与结论

本研究开发的优化快速流动SPE-UPLC-MS/MS方法显著提升了分析灵敏度和通量，实现了饮用水中40种PFAS的亚ppt痕量定量。讨论部分强调，快速SPE（80-85 mL/min）在不牺牲回收率的前提下将样品加载时间缩短至原来的1/10至1/20，结合大体积样品（4 L）使MDL低至0.01 ppt，满足MCLG（零浓度）的监测需求。该方法成本效益高，有望降低PFAS分析费用，推动饮用水监测从MCL向MCLG迈进。研究结论原文翻译如下：“开发了一种优化的快速流动SPE-UPLC-MS/MS方法，用于提高分析灵敏度和通量，以实现饮用水中40种PFAS化合物的亚ppt痕量水平同时检测和定量。确定了包括N₂干燥、注射器过滤、SPE洗脱体积和SPE流速在内的几个关键样品制备参数对PFAS回收率的影响，这些结果为优化过程提供了依据。结果表明，快速流动SPE在不损害PFAS回收率的前提下显著减少了样品加载时间，因此是提高PFAS分析通量和降低成本的可行策略。快速流动SPE与大体积样品的结合大大缩短了原本需要数小时的样品制备时间，并提高了方法灵敏度，使得饮用水中PFAS的亚ppt痕量水平定量成为可能。因此，本研究的成果预计将有助于降低PFAS分析成本，并将饮用水中的PFAS监测从MCL推进到更接近MCLG的水平。”