CN113419013B

CN113419013B - 一种分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的方法及应用

Info

Publication number: CN113419013B
Application number: CN202110920603.3A
Authority: CN
Inventors: 赵汝松; 卢元月; 王磊磊; 王晓利; 赵学伟
Original assignee: Shandong Analysis and Test Center
Current assignee: Shandong Analysis and Test Center
Priority date: 2021-08-11
Filing date: 2021-08-11
Publication date: 2023-07-21
Anticipated expiration: 2041-08-11
Also published as: CN113419013A

Abstract

本发明属于环境水样检测技术领域，涉及一种分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的方法及应用，所述方法包括氟化碳纳米管用作固相萃取吸附剂与液相色谱‑串联质谱联用来测定分析环境水样中全氟烷基酸类污染物。该方法具有材料用量少，线性范围宽,回收率高，检出限低等优点，可实现环境水样中微量和痕量全氟烷基酸类污染物的快速分析和测定。

Description

一种分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的方法及应用

技术领域

本发明属于环境水样检测技术领域，涉及一种分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的方法及应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

全氟烷基酸类污染物(PFAAs)是环境中备受关注的有机污染物之一，具有高毒性、致畸性、致癌性、致突变等毒性特点。全氟烷基酸类污染物对于人体有多种脏器毒性，造成免疫系统损伤和内分泌功能失衡等危害。全氟烷基酸类污染物由于其热稳定性和化学稳定性，一旦进入环境中将难以被自然降解。然而通常真实水环境中的全氟烷基酸浓度低(ng/L)且基质复杂，很难直接对全氟烷基酸类污染物进行检测。因此，建立灵敏简单的环境水样中的痕量全氟烷基酸类污染物的检测方法具有十分重要的意义。

迄今为止，高效液相色谱串联质谱法已是用于识别和定量分析水样中的全氟烷基酸类污染物的有效方法。考虑到全氟烷基酸类污染物在实际环境水样中低浓度存在和复杂的基质干扰，适当的样品预处理技术是应用于高效液相色谱串联质谱法分析之前必要的手段。固相萃取(SPE)是用固体吸附剂将目标分析物从流动的气体或液体的样品中分离以及富集浓缩的一种方法。相较于传统的液液萃取法，固相萃取技术提高了分析物的回收率，能很好的消除基质干扰，消耗溶剂较少，其操作更加的省时、省力、简单。这种技术的核心部分是固相吸附材料，然而，现有的用于检测全氟烷基酸类污染物(PFAAs)的固相吸附剂材料对于全氟烷基酸类污染物(PFAAs)的检测灵敏度较低，容易受到基质干扰，导致检测结果不理想的问题。研究人员发现，由于真实水样中全氟烷基酸类污染物(PFAAs)含量非常低，并没有发现更好的固相吸附材料适用于全氟烷基酸类污染物(PFAAs)的检测。

发明内容

全氟烷基酸类污染物(PFAAs)在水环境中的浓度较低，具有较高的极性和水溶性，导致富集难度非常大，并且，还容易受到基质干扰等问题。目前的固相吸附材料无法满足检测环境水样中全氟烷基酸类污染物(PFAAs)的要求，检测灵敏度低、回收率低，检测效果差，为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的方法及应用，该方法相比于现有的其他检测方法具有更好的优势。

具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：

在本发明的第一方面，一种分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的方法，氟化碳纳米管用作固相萃取吸附剂与液相色谱-串联质谱联用来测定分析环境水样中全氟烷基酸类污染物。

在本发明的第二方面，任一所述的分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的方法在环境水样检测中的应用。

本发明一个或多个实施例具有以下有益效果：

(1)、碳纳米管(CNTs)由于其良好的圆柱形中空结构、大的表面积、高的纵横比和易于改变的表面而成为潜在的吸附剂。碳纳米管经过改性后，能够改变理化性质，从而能够增加对特定的污染物的吸附能力。本发明以氟化碳纳米管材料(F-CNTs)作为固相萃取吸附剂用于分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的含量能够极大地提高检测灵敏度，检测效果更优。

(2)、氟化碳纳米管具有显著的水样预浓缩和对于PFAAs萃取富集潜力，与碳纳米管相比萃取效率提高了18.4％-60.0％。氟化碳纳米管对PFAAs具有良好的吸附能力，F-CNTs对SPE预处理的回收率为71.8～117.0％。

(3)、该方法具有1-2000ng L^-1的宽线性范围，当信号峰面积分别是基线噪声面积的三倍和十倍时，7种PFAAs的检出限(LOD)和定量限(LOQ)分别为0.036-0.147ng L^-1和0.120-0.489ng L^-1。

(4)、该方法具有材料用量少，线性范围宽,回收率高，检出限低等优点，可实现环境水样中微量和痕量全氟烷基酸类污染物的快速分析和测定。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1：为实施例1的F-CNTs和MWCNTs吸附效率的比较；

图2：为实施例1实际水样中7种全氟烷基酸类污染物的典型色谱图，(A)空白样品，(B)空白样品经过新方法处理，(C)加标10ng L-1样品经过新方法处理。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

目前，现有的固相吸附材料无法实现对水样中全氟烷基酸类污染物(PFAAs)的痕量检测，检测灵敏度较差，回收率低，为此，本发明提供了一种分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的方法及应用。

在本发明的一种或多种实施例中，一种分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的方法，氟化碳纳米管用作固相萃取吸附剂与液相色谱-串联质谱联用来测定分析环境水样中全氟烷基酸类污染物。

所述全氟烷基酸类污染物选自PFHpA、PFOA、PFHxS、PFNA、PFDA、PFOS和PFUdA。水样采集可以来自自来水、废水、地下水和地表水。

由于氟化碳纳米管(F-CNTs)具有较强的疏水作用，同时，PFAAs分子与F-CNTs材料之间发生氢键相互作用，这种相互作用通过在F-CNTs表面引入氟基团而增强，有利于对F-CNTs的富集。其次，F-CNTs由于氟的含量高，F-CNTs被用作功能化材料来吸附PFAAs。强的氟-氟相互作用对吸附PFAAs有很大的贡献。这些相互作用共同促进了PFAAs的富集。氟化碳纳米管具有显著的水样预浓缩和对于PFAAs萃取富集潜力，与碳纳米管相比萃取效率提高了18.4％-60.0％。

氟化碳纳米管的管径为20-30nm，管长为：2-10μm；或，氟化碳纳米管的氟含量为：48-58wt％；或，氟化碳纳米管比表面积为100-130m² g^-1。以该氟化碳纳米管为吸附剂，建立了可对痕量PFAAs进行检测的方法；样品基质复杂且PFAAs水溶性强不易富集，利用PFAAs和氟化碳纳米管之间特殊的氟-氟键作用，可针对性的对全氟烷基酸类污染物进行的吸附富集处理；真实环境水样中PFAAs浓度低，利用固相萃取可提高富集倍数(500倍)，检测灵敏度高。

固相萃取的步骤包括：

在固相萃取操作前，用丙酮和纯水对氟化碳纳米管固相萃取柱清洗和活化；再将待测水样通过装有氟化碳纳米管材料的固相萃取柱，然后用水对固相萃取柱进行冲洗；用洗脱液洗脱保留在氟化碳纳米管上的目标化合物；收集提取液，用甲醇复溶后，过0.25微米有机相滤膜后。将氟化碳纳米管作为环境水样中PFAAs的SPE吸附剂，F-CNTs-SPE对PFAAs具有优异的萃取性能，这是因为F-CANTs对PFAAs具有多种相互作用，主要是强的氟-氟亲和作用，其次是疏水和氢键，这些相互作用共同促进了PFAAs的富集。

在固相萃取中，合适的洗脱液与洗脱效果直接相关，它决定了对于吸附剂上目标物的洗脱效率。为了让全氟烷基酸的回收率达到最佳，选择了四种溶剂作为洗脱液进行筛选，即甲醇、丙酮、5％氨水含量的甲醇(v/v)和5％氨水含量的丙酮(v/v)。其中，5％氨水含量的丙酮的解析效率最高。同时对洗脱液中氨水的含量做了优化，选择0％、1％、3％、5％和7％的氨水含量(v/v)进行一系列实验。随着氨水含量0％-3％的增加，PFAAs的回收率在增加；在氨水含量3％-7％时，PFAAs的回收率无明显变化。因此，选择氨水含量3％的丙酮(v/v)作为洗脱液。

其次，洗脱液体积影响了固相萃取技术中对于目标物的洗脱效率。通过改变氨水含量3％的丙酮(v/v)的体积，来达到优化洗脱液体积用量的目的。当洗脱液体积从1-6mL的增加时，PFAAs的回收率随之增加；然而，随着洗脱液的体积从6-8mL的不断增加，PFAAs的回收率无明显变化。实验结果证明6mL洗脱剂足够对固相萃取进行完全洗脱。

再次，F-CNTs的使用量是影响萃取效率的重要参数。使用50、100、150、300、500mg的F-CNTs用于研究吸附剂量对萃取性能的影响。在50至150mg范围内，回收率随着吸附剂使用量增加而增加，而100mg的使用量已经足以满足固相萃取需求；而在150-500mg萃取效率没有明显变化。

为了实现固相萃取方法对PFAAs产生最佳富集能力，在SPE过程中，水样中的PFAAs被F-CNTs萃取吸附需要充足的接触时间以达到在F-CNTs和水样之间的吸附分布平衡。在流速为3～6mL min^-1时PFAAs的回收率无明显变化，在流速为6～12mL min^-1内的阶段有显著下降，最佳流速为6mL min^-1。

由于水样的酸碱度会对目标物的电离状态和吸附剂官能团存在的离子形式有影响，所以pH对于目标污染物萃取的最终结果有不可忽视的作用。当pH值从2.0增加到4.0时，所有分析物的萃取性能均略有提高。随着pH值4.0-10.0的不断增加，PFAAs的萃取性能下降。在平衡萃取效果的基础上，选择pH为4.0作为最佳样品pH值。

最终得到SPE最佳实验条件：(1)洗脱液：6mL氨水含量3％(v/v)的丙酮，(2)水溶液的pH值：4.0，(3)氟化碳纳米管用量：100mg，(4)水样流速：6mL min^-1，此时的固相萃取效果是最优的。

液相色谱条件:

C18色谱柱：2.1mm×150mm,5μm；流动相：A相为0.5mM乙酸铵水，B相为乙腈；梯度洗脱程序：(1)0～1min，10％B(v/v)；(2)1-2min，10％-40％B；(3)2-10min，40％-95％B；(4)10-11min，95％B；(5)11～16min，10％B；流速：0.3mL min-1；柱温：25℃；进样量：5μL。

在色谱分析的过程中，控制好梯度洗脱程序对于目标分析物的分离具有重要的作用。研究表明，由于水样中全氟烷基酸类污染物是痕量的，分离难度很高。而且，由于不同物质之间的电荷等因素的影响，容易对目标分析物的分离造成一定的干扰。通过将梯度洗脱程序设置为上述范围，有利于实现对水样中痕量的全氟烷基酸类污染物实现精准分离、检测，提高分析检测的灵敏度，降低检出限，提高回收率。对于梯度洗脱程序的设定并非简单尝试就能够得到的，如果在前处理中无法消除基质干扰，对于目标分析物的提取纯度不够，都会影响液相色谱分析过程中的梯度洗脱，无法通过简单的尝试获得。

质谱条件:采用负喷雾电离多反应监测模式，源温度为550℃，碰撞气体为N₂，离子注入电压为-4500V；幕帘气、离子源气1、离子源气2分别设置在40、55、60psi。基于该质谱条件，能够保证目标分析物的准确出峰，对于检测准确度的提高具有较好的控制作用。

在本发明的一种或多种实施例中，任一所述的分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的方法在环境水样检测中的应用。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

基于F-CNTs(氟化碳纳米管)、MWCNTs(多壁碳纳米管)作为固相萃取吸附剂与液相色谱-串联质谱联用来测定环境水样中7种PFAAs。F-CNTs(氟化碳纳米管)、MWCNTs(多壁碳纳米管)为市售产品。

其中，氟化碳纳米管的管径为20-30nm，管长为：2-10μm；或，氟化碳纳米管的氟含量为：48-58wt％；或，氟化碳纳米管比表面积为100-130m²g^-1。

目标污染物分别为：PFHpA、PFOA、PFHxS、PFNA、PFDA、PFOS和PFUdA。具体分析检测过程如下：

样品的采集与处理：

水样采集于济南本地的地下水。收集的实际水样，经过0.45μm微孔膜过滤，避光存放于4℃的玻璃瓶中待用。

固相萃取流程：

在固相萃取操作前，用3mL丙酮和10mL纯水对氟化碳纳米管固相萃取柱(SPE)清洗和活化，其中氟化碳纳米管用量为100mg。其次，将提前配置好的pH为4.0的100ng L^-1浓度的200mL水样以6mL min^-1速度通过装有氟化碳纳米管材料的SPE柱。然后用10mL纯净水对SPE柱进行冲洗，消除SPE柱上潜在的干扰基质。SPE柱在负压状态下5分钟，以去除多余的纯净水。

再次，用6mL氨水含量3％(v/v)的丙酮保留在氟化碳纳米管上的目标化合物。然后在40℃下使用适度的氮气气流干燥浓缩提取液。最后，用0.4mL色谱纯甲醇溶解提取物，过0.25微米有机相滤膜后，储存于棕色样品瓶中待测。

液相色谱-串联质谱条件

液相色谱条件:C18色谱柱：2.1mm×150mm,5μm；流动相：A相为0.5mM乙酸铵水，B相为乙腈；梯度洗脱程序：(1)0～1min，10％B(v/v)；(2)1-2min，10％-40％B；(3)2-10min，40％-95％B；(4)10-11min，95％B；(5)11～16min，10％B；流速：0.3mL min-1；柱温：25℃；进样量：5μL。

质谱条件:采用负喷雾电离多反应监测模式，源温度为550℃，碰撞气体为N₂，离子注入电压为-4500V。幕帘气、离子源气1、离子源气2分别设置在40、55、60psi。

实验结果证明，该方法具有1-2000ng L^-1的宽线性范围。当信号峰面积分别是基线噪声面积的三倍和十倍时，7种PFAAs的检出限(LOD)和定量限(LOQ)分别为0.036-0.147ngL^-1和0.120-0.489ng L^-1，该方法也对于7种PFAAs(100ng L^-1，n＝5)表现出了较好的当日相对标准偏差(2.1-9.4％)和批次柱相对标准偏差(2.8-8.3％)。氟化碳纳米管材料制备的固相萃取小柱可以经过清洗负压干燥等步骤处理后，重复使用50次以上，而且污染物的回收率没有明显下降。

如图1所示，F-CNTs比MWCNTs具有更好的萃取性能。F-CNTs中PFAAs的回收率比MWCNTs高18.4％～60.0％。

用加标回收率研究了该方法的准确性，向样品中添加7种全氟烷基酸混合标准溶液，使其加标浓度为10ng L^-1、50ng L^-1和100ng L^-1，以评估新方法的可靠性。废水水样(n＝3)的加标回收率分别在73.3％-116.0％之间，RSD为1.4％-9.9％。废水水样及其加标水样中7种全氟烷基酸的色谱图如图2所示。以上分析数据表明，氟化碳纳米管作为固相萃取材料对实际水样中的7种全氟烷基酸类污染物具有很好的吸附作用，可用于富集和分析真实环境水样中痕量存在的全氟烷基酸类污染物。

氟化碳纳米管具有显著的水样预浓缩和对于PFAAs萃取富集潜力，与碳纳米管相比萃取效率提高了18.4％-60.0％。在此基础上，建立了固相萃取-液相色谱-串联质谱联用分析环境水样中7种全氟烷基酸类污染物的新方法，与其他方法相比，该方法具有材料用量少，线性范围宽,回收率高，检出限低等优点，可实现环境水样中微量和痕量全氟烷基酸类污染物的快速分析和测定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的方法，其特征是，氟化碳纳米管用作固相萃取吸附剂与液相色谱-串联质谱联用来测定分析环境水样中全氟烷基酸类污染物；

所述固相萃取的步骤包括：

在固相萃取操作前，用3 mL丙酮和10 mL纯水对氟化碳纳米管固相萃取柱清洗和活化，其中氟化碳纳米管用量为100mg；将提前配制好的pH为4.0的100 ng/L浓度的200 mL水样以6 mL/min的速度通过装有氟化碳纳米管材料的SPE柱；然后用10 mL纯净水对SPE柱进行冲洗，消除SPE柱上潜在的干扰基质；SPE柱在负压状态下5分钟，以去除多余的纯净水；

用6mL氨水体积分数为3%的丙酮洗脱保留在氟化碳纳米管上的目标化合物；然后在40℃下使用适度的氮气气流干燥浓缩提取液；用0.4mL色谱纯甲醇溶解提取物，过0.25微米有机相滤膜后，储存于棕色样品瓶中待测；

液相色谱条件：C18色谱柱：2.1mm×150mm，5µm；流动相：A相为0.5mM乙酸铵水，B相为乙腈；梯度洗脱程序：(1)0~1min，10%B；(2)1−2min，10%−40%B；(3)2−10min，40%−95%B；(4)10−11min，95%B；(5)11~16min，10%B；流速：0.3mL/min；柱温：25℃；进样量：5μL；

所述全氟烷基酸类污染物选自PFHpA、PFOA、PFHxS、PFNA、PFDA、PFOS和PFUdA，当信号峰面积分别是基线噪声面积的三倍和十倍时，对上述7种全氟烷基酸类污染物的检出限和定量限分别为0.036-0.147 ng/L和0.120-0.489 ng/L。

2.如权利要求1所述的一种分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的方法，其特征是，氟化碳纳米管的管径为20−30nm，管长为：2−10μm；或，氟化碳纳米管的氟含量为：48−58wt%；或，氟化碳纳米管比表面积为100-130 m²/g。

3.如权利要求1所述的一种分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的方法，其特征是，质谱条件：采用负喷雾电离多反应监测模式，源温度为550℃，碰撞气体为N₂，离子注入电压为−4500 V；幕帘气、离子源气1、离子源气2分别设置在40、55、60 psi。

4.权利要求1-3任一所述的分析环境水样中全氟烷基酸类污染物的方法在环境水样检测中的应用。