采用EPA方法1633從土壤和組織中提取40種PFAS化合物

01 摘要

全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）是一類在各種工業(yè)中廣泛使用的人造化學(xué)品，得益于其對(duì)非粘鍋和滅火泡沫等產(chǎn)品的優(yōu)異性能。這類化合物的穩(wěn)定性和普遍應(yīng)用已經(jīng)導(dǎo)致它們?cè)诃h(huán)境中的積累，并且缺乏有效的去除技術(shù)使得它們能夠在人類和動(dòng)物體內(nèi)生物積累。已經(jīng)證實(shí)，PFAS 會(huì)引發(fā)人體健康問(wèn)題，包括癌癥、內(nèi)分泌干擾和不孕等。因此，對(duì)土壤和組織等環(huán)境固體樣本的監(jiān)測(cè)變得至關(guān)重要。EDGE PFAS™ 系統(tǒng)是一個(gè)為從固體樣本中提取 PFAS 設(shè)計(jì)的自動(dòng)化溶劑提取系統(tǒng)。在本研究中，我們依照美國(guó)環(huán)保署 1633.1 方法，使用 EDGE PFAS 從土壤和組織中提取了 40 種添加的 PFAS 化合物。自動(dòng)化提取過(guò)程每個(gè)樣本耗時(shí)不足 10  分鐘，且獲得了令人滿意的回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，同時(shí)確保系統(tǒng)中無(wú)交叉污染。對(duì)于希望實(shí)現(xiàn)固體樣本 PFAS 提取自動(dòng)化的實(shí)驗(yàn)室而言，EDGE PFAS 是蕞佳選擇。

02 引言

在當(dāng)今工業(yè)界，已有數(shù)千種全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）被廣泛應(yīng)用。這些化合物因其出色的耐用性和生物累積性而被稱為“永恒化合物”。PFAS 的結(jié)構(gòu)包含一個(gè)碳原子主鍵，氟原子從該主鍵延伸出去，形成的強(qiáng)碳-氟鍵是這些化合物穩(wěn)定性的關(guān)鍵。由于其廣泛使用，PFAS 已通過(guò)生產(chǎn)和廢水排放滲透到環(huán)境中，并進(jìn)入水源。一旦進(jìn)入水源，PFAS 可以迅速擴(kuò)散，進(jìn)而污染土壤和生物體組織。更嚴(yán)重的是，這些化合物在動(dòng)物和人體內(nèi)顯示出生物累積性，且對(duì)人體的暴露已被證實(shí)會(huì)導(dǎo)致不良健康后果。因此，評(píng)估環(huán)境中 PFAS 水平對(duì)于保障人類健康與安全至關(guān)重要。

美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（EPA）提供了 EPA 第 1633 方法來(lái)分析包括土壤和組織樣本在內(nèi)的 PFAS。該方法中詳細(xì)介紹的固體樣本提取過(guò)程是一個(gè)漫長(zhǎng)的手工操作。然而，由于該方法是基于性能的，只要滿足質(zhì)量控制要求，就可以對(duì)提取過(guò)程進(jìn)行修改。EDGE PFAS 系統(tǒng)能夠在不到 10 分鐘的時(shí)間內(nèi)完成土壤和組織樣本的提取，自動(dòng)化了溶劑添加、提取和提取物過(guò)濾過(guò)程。這為從這些固體環(huán)境樣本中快速、高效、簡(jiǎn)便地提取 PFAS 提供了可能。

在本研究中，我們利用 EDGE PFAS 有效地從土壤和組織樣本中提取了 PFAS，并且獲得了可接受的回收率和 RSD 值。動(dòng)物組織是特別難以提取的基質(zhì)，它增加了樣本制備和分析的復(fù)雜性。使用 EDGE PFAS 系統(tǒng)，一個(gè)簡(jiǎn)單的方法就可以適用于許多不同的困難樣本類型。

03 材料與方法

試劑與樣本

土壤參考物質(zhì)（編號(hào)Soil 2022-110）購(gòu)自北美能力驗(yàn)證測(cè)試組織（NAPT）。磨碎的雞肉購(gòu)自當(dāng)?shù)厥称妨闶凵�，按照美�?guó)環(huán)保署（EPA）推薦的方法 1633，用作組織樣本的代表基質(zhì)。大部分使用的試劑包括 HPLC 級(jí)別的甲醇、HPLC 級(jí)別的水、氫氧化鉀、甲酸和乙酸，均采購(gòu)自 MilliporeSigma 公司。氫氧化銨由霍尼韋爾提供。內(nèi)標(biāo)替換 PFAS 溶液（PFAC-MXF）、原生全氟烷基醚羧酸和磺酸鹽溶液（PFAC-MXG）、原生PFAS溶液（PFAC-MXH）、N-甲基/乙基 FOSA 原生溶液（PFAC-MXJ）、X:3 氟調(diào)聚羧酸原生溶液（PFAC-MXJ）以及質(zhì)量標(biāo)記的PFAS提取標(biāo)準(zhǔn)溶液（MPFAC-HIF-ES）均由惠靈頓實(shí)驗(yàn)室提供。所使用的凈化材料，包括石墨化碳黑，由雷斯特克公司提供。用于 PFAS 分析的 Oasis^®WAX 6cc 真空柱購(gòu)自沃特世公司。

EDGE 樣本制備

在使用前，每個(gè) Q-Cup^® 需用甲醇沖洗并干燥。Q-Cups 裝配 Q-Disc^®PFAS 后，分別稱取 5 克土壤或 2 克磨碎的雞肉加入其中。每個(gè)樣本按照表 1 所示濃度添加了原生 PFAS。提取的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)（EIS）按照 EPA 方法 1633 所述濃度添加。每個(gè)樣本都準(zhǔn)備了四份。隨后，將所有的 Q-Cups 連同聚丙烯離心管一起放入 EDGE PFAS 架子中，并依照所列方法在 EDGE PFAS 系統(tǒng)上進(jìn)行提取。

表1. 原生PFAS化合物的添加濃度

Q-Disc: Q-Disc PFAS

周期 1

提取溶劑：甲醇中的0.3%氫氧化銨（土壤）或甲醇中的0.05 M KOH（組織）

頂部添加：15 mL

沖洗：0 mL

溫度：65ºC

保持時(shí)間：03:00（分：秒）

周期 2

提取溶劑：甲醇中的0.3%氫氧化銨（土壤）或甲醇中的0.05 M KOH（組織）

頂部添加：10 mL

沖洗：5 mL

溫度：65ºC

保持時(shí)間：03:00（分：秒）

洗滌 1

洗滌溶劑：提取溶劑

洗滌體積：15 mL

溫度：65ºC

保持時(shí)間：00:15（分：秒）

洗滌 2

洗滌溶劑：提取溶劑

洗滌體積：15 mL

溫度：---

保持時(shí)間：--:--（分：秒）

提取后凈化處理

樣本在 55°C 下通過(guò)氮?dú)獯祾邼饪s至 7 mL，隨后使用高效液相色譜（HPLC）級(jí)別的水重新稀釋至 50 mL。使用 50% 甲酸或 30% 氫氧化銨調(diào)整樣本的 pH 值，使其達(dá)到 6.5 ± 0.5 的范圍內(nèi)。接著，根據(jù)美國(guó)環(huán)保署（EPA）第 1633 方法，樣本經(jīng)由松散的石墨化碳黑和 WAX 固相萃取（SPE）進(jìn)行凈化。

分析過(guò)程

分析工作由沃特世公司采用 ACQUITY™ Premier 系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)配備了 Xevo™ TQ Absolute 質(zhì)譜儀。液相色譜（LC）系統(tǒng)經(jīng)過(guò)沃特世 PFAS 分析套件的改造�；�合物在 ACQUITY Premier BEH C18 色譜柱（2.1 mm x 50 mm, 1.7 µm）上實(shí)現(xiàn)分離。進(jìn)樣量為 2 µl，流動(dòng)相 A 為 2 mM 乙酸銨水溶液，流動(dòng)相 B 為 2 mM 乙酸銨乙腈溶液。使用的梯度程序詳見表2。監(jiān)測(cè)每種化合物的 MRM（多反應(yīng)監(jiān)測(cè)）躍遷所用的離子源參數(shù)詳見表3。

表2. 用于分離的超高效液相色譜（UPLC）梯度程序

表3. 使用的源參數(shù)

土壤和雞肉樣本均采用了一種簡(jiǎn)潔快速的自動(dòng)化提取方法進(jìn)行提��；兩種樣本類型使用了相同的參數(shù)，唯有提取溶劑例外。提取溶劑的選擇遵循了 EPA 第 1633 方法的建議。無(wú)論樣本類型如何，從溶劑添加、提取到過(guò)濾的整個(gè)過(guò)程均在 10 分鐘內(nèi)完成。所有樣本均采用了統(tǒng)一的凈化和分析流程。如表 4 所示，兩種樣本類型的全部 40 種原生 PFAS 化合物均達(dá)到了合格的回收率和 RSD 值。同時(shí)，表 5 顯示，兩種樣本類型的提取內(nèi)標(biāo)也實(shí)現(xiàn)了令人滿意的回收率和 RSD 值。采用傳統(tǒng)的提取技術(shù)時(shí)，通常需要三個(gè)長(zhǎng)時(shí)間周期才能有效提取土壤和組織樣本，組織樣本的提取時(shí)間甚至超過(guò) 16 小時(shí)。而通過(guò) EDGE PFAS 技術(shù)，僅需兩個(gè)短周期，每個(gè)周期 3 分鐘，就能實(shí)現(xiàn)土壤和雞肉樣本的良好回收率。

土壤樣本的回收率略高，RSD 值也更為集中，不過(guò)所有數(shù)據(jù)均處于可接受范圍內(nèi)。這一細(xì)微差別可能源于雞肉樣本中較高的脂肪含量及其他干擾物質(zhì)的存在。組織樣本被認(rèn)為是提取過(guò)程中的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的基質(zhì)。對(duì)于這些難處理的樣本，能夠采用一種快速、簡(jiǎn)單且高效的自動(dòng)化提取方法，將極大地助力那些面臨大量 PFAS 樣本分析需求的環(huán)境 PFAS 實(shí)驗(yàn)室。

表4. 土壤和雞肉中 40 種原生 PFAS 的平均回收率和RSD（n=4）

全氟烷基物質(zhì)（PFAS）的環(huán)境污染是一個(gè)全球性問(wèn)題，其影響范圍和程度隨著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步而日益顯現(xiàn)。PFAS 在環(huán)境中的廣泛分布已經(jīng)觸及地球上的多個(gè)角落，并在各種生物體內(nèi)留下了污染的痕跡。隨著我們對(duì)這一問(wèn)題認(rèn)識(shí)的深入，對(duì)于高效、快速的樣本處理方法的需求也相應(yīng)增加。在本研究中，我們采用了一種名為 EDGE PFAS 的技術(shù)，成功地從加標(biāo)的土壤和組織樣本中提取了 PFAS。這種方法不僅快速、簡(jiǎn)單，而且高效，能夠自動(dòng)化地進(jìn)行大量樣本的處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用該技術(shù)獲得的回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）值均達(dá)到了可接受的水平。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的樣本處理需求具有重要意義，并為未來(lái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和污染治理提供了有力的技術(shù)支持。

參考

1 United States Environmental Protection Agency. Method 1633 Analysis of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS)in Aqueous, Solid, Biosolids, and Tissue Samples by LC-MS/MS, Revision 1, January, 2024.

在本次項(xiàng)目中，我們得到了 Waters Corporation 的大力支持與幫助。他們負(fù)責(zé)對(duì)提取物進(jìn)行深入分析，展現(xiàn)了優(yōu)秀的專業(yè)能力。對(duì)此，我們深感感激，并對(duì)他們長(zhǎng)期以來(lái)的積極參與和持續(xù)合作表示衷心的感謝。