使用高分辨率飞行时间质谱仪Xevo™ G3 QTof直接进样方法筛查饮用水中的全氟烷基和多氟烷基化合物(PFAS)

优势

• 使用LC与高分辨率飞行时间质谱仪(QTof)联用系统直接进样方法的PFAS筛查工作流程
• 在ng/L水平的低浓度PFAS分析中具有高质量精度和高灵敏度
• 在没有可供从头鉴定的标准品的情况下，分析超出目标和管制范围的PFAS化合物

全氟烷基和多氟烷基化合物(PFAS)是一类特殊的人造有机化合物，其中的氢原子被氟原子部分或完全取代。这种C-F键是带来重要特性的关键，例如防水和防油性能、类似表面活性剂的特性以及对化学和热降解的高度稳定性。然而，这些特性使PFAS在环境中具有高度持久性，因此被称为“永远的化学品”^1-3。 自20世纪60年代末首次报道生物样品中存在PFAS以来，PFAS与不同疾病之间的联系已得到充分证实⁶。 因此，监管机构现在将其视为主要的环境和健康问题，而目标PFAS清单也在不断扩展^4-5、7-9。

业界广泛应用靶向方法来定量不同基质中的PFAS^10-11。 但这些方法受限于质量分辨率较低且只能检测已知化合物，因为需要通过分析标准品获取色谱保留时间、母离子和子离子质量数。受限于这些标准品的可获得性，靶向方法只能分析少量PFAS，每种分析方法只能分析约40种PFAS¹¹。 目前已知的PFAS化合物数量已超过15000种，高分辨率质谱(HRMS)筛查方法具有明显优势，能够解决这一挑战，从研究样品中筛查出更多的PFAS相关化合物¹²。 HRMS可以生成定性和定量数据，借助精确质量数和同位素分布等信息生成分子式，这是从头鉴定的第一步。此外，高碰撞能量扫描的碎裂特征有助于对组分进行进一步的结构表征和推断性鉴定¹³。 该技术的要求和检测限极富挑战性，HRMS仪器和方法的灵敏度必须达到ng/L水平^9,14。

通常建议在分析前使用固相萃取(SPE)等样品前处理技术进行样品净化和浓缩。然而，SPE技术可能偏向于对SPE小柱具有高吸附亲和力的化合物。许多PFAS相关化合物受专有权保护，可能没有列在任何观察列表数据库中^12,15。 在不使用标准品的情况下，如需全面鉴定这些化合物，可能需要核磁共振(NMR)等互补技术¹⁶。 但NMR需要大量高浓度的样品，而这也是一项挑战。LC-HRMS直接进样方法是一种无偏差检查样品成分的理想方法，能够基于准确质量数测量、同位素分布、碎片离子信息和质量数亏损过滤来进行推断性鉴定^13,17。 由于业界面临的种种挑战，因此迫切需要高灵敏度的HRMS仪器，既能用于筛查又能进行从头注释/鉴定。

在本研究中，我们将使用更新的隔离柱和PFAS方法包改良的ACQUITY Premier UPLC系统与搭载Waters™ PFAS数据库的Xevo G3 QTof联用，展示了水样中PFAS筛查的性能¹⁸。

样品前处理

所有PFAS标准品均购自Wellington laboratories，使用甲醇制备浓度为10 ng/mL的储备液，其中包含表1中列出的所有化合物。使用0.1%甲酸的甲醇:水(1:1)溶液连续稀释储备液，制得浓度范围为0.5~5000 ng/L的溶液。每个浓度水平重复分析三次。

将由自来水、过滤水和MilliQ水组成的水样直接收集到样品瓶中，不进行样品前处理，每份样品进样10 μL并重复分析三次。

软件工具

使用waters_connect采集数据，并在UNIFI™应用程序中进行数据分析。

筛查工作流程 — 鉴定和仪器质量精度

在MS^E采集模式下，对含有46种PFAS（浓度为2000 ng/L）的标准品溶液进行LC-HRMS分析，然后使用UNIFI应用程序筛查工作流程处理采集到的数据。该工作流程包括质量数亏损过滤步骤，用于区分PFAS相关组分。比对沃特世生成的PFAS数据库筛选生成的组分列表¹⁸。基于精确质量数和碎裂鉴定组分，接受质量数测量精度≤3 ppm的推断性鉴定。图1展示了2000 ng/L混标中46种已鉴定PFAS的提取离子流色谱图(XIC)。

图1展示了在2000 ng/L混标中鉴定的不同类别PFAS的洗脱顺序，质量数测量精度≤3 ppm。如Adams等人(2023)所述，PFAS LC方法包（P/N：205000588和205000589）对于区分样品成分中的任何残留实验室污染物至关重要¹⁰。 使用的色谱方法能够分离直链和支链PFAS分析物，例如，支链PFOS (PFOS-br)的洗脱时间早于直链PFOS (PFOS-L)（图1，峰编号分别为22a和22b）。例如N-甲基全氟辛烷磺酰氨基乙酸(N-MeFOSAA)和N-乙基全氟辛烷磺酰氨基乙酸(N-EtFOSAA)的直链/支链异构体均可使用该色谱方法成功分离和区分。图2A展示了N-MeFOSAA（直链和支链）的提取离子流色谱图(XIC)，图2B展示了在低碰撞能量和高碰撞能量下2000 ng/L混标中直链N-MeFOSAA的质谱图（分别为图2B的上图和下图）。

图2A中的XIC显示一个主峰在13.8 min处洗脱，两个次峰在13.5 min和13.6 min处洗脱（图2B）。图2B所示的谱图对应低碰撞能量和高碰撞能量下13.8 min处洗脱主峰的谱图（分别为上图和下图）。低碰撞能量谱图展示了m/z 569.96694处的主要离子，鉴定为N-MeFOSSA，质量数测量精度为-0.7 ppm。高能量谱图展示了13.8 min处洗脱基峰生成的不同碎片离子，其中有6个碎片离子对应于直链N-MeFOSAA的不同断键（图3），这6个碎片离子中有2个未在13.49 min或13.6 min处检出，表明这两种离子对应于N-MeFOSAA支链异构体。m/z 218.98525和m/z 268.98256处的这些特有碎片离子对应于[C₄F₉]^-和[C₅F₁₁]^-（图3，以蓝色突出显示）。

线性、灵敏度和动态范围

使用配备不含PFAS浸出物的组件（例如PFAS LC方法包）的LC对于减少任何残留的实验室污染至关重要，能够确保鉴定出的任何PFAS物质均是来自样品成分¹¹。 由于PFAS以低浓度存在于复杂基质中，因此本研究评估了Xevo G3 QTof的灵敏度和动态范围。连续稀释46种PFAS的混标，制得浓度范围为0.5 ng/L-5000 ng/L的溶液。将这些标准品重复分析三次，并使用waters_connect中的UNIFI应用程序处理数据。数据评估采用筛查和定量方法。将低能量扫描得到的每种鉴定出的分析物的响应值及其相应的浓度作图，获得标准曲线，并采用1/X加权进行线性回归拟合。

图4A展示了2 ng/L全氟丁烷磺酸(PFBS)的XIC，信噪比(S/N)为7.2，使用峰到峰方法计算。在m/z 298.9432处检出并鉴定了PFBS，质量数测量精度为±0.7 ppm。PFBS的响应在2~2000 ng/L的浓度范围内呈线性，确定系数(R²)为0.99915（图4B）。需要注意的是，该方法的动态范围涵盖三个数量级，可以使用标准品（如有）定量PFAS分析物。此分析的柱上进样量为10 μL，PFBS的检测限为2 ng/L或柱上进样0.02 pg (2 ppt)，信噪比>7.2。本研究考察了所有46种化合物的线性和灵敏度，其中30种化合物的LLOD ≤ 5 ng/L。表2汇总了所研究各化合物的检测下限(LLOD)、定量上限(HLOQ)、信噪比(S/N)和R²。

这些结果表明，Xevo G3 QTof具有出色的灵敏度，30种化合物的检测限≤5 ng/L（柱上进样量0.05 pg），其中PFBS、FBSA、FOSA和PFEESA的LOD为1 ng/L（柱上进样量0.01 pg），PFHxA和ADONA的LOD为2 ng/L（柱上进样量0.02 pg）。有些数值低于监管机构要求的方法检测限(MDL)，因此需要进行样品前处理和样品浓缩¹⁴。 46种化合物中有4种化合物的LLOD为50 ng/L，2种化合物的LLOD为100 ng/L。值得注意的是，本研究使用的分析方法适用于不稳定的化合物，如果需要靶向分析，可以通过修改某些离子源参数来改善检测限¹⁹。PFAS物质的线性在三个数量级范围内得到验证，校准曲线上至少有六个点，且三次重复进样的% RSD小于10%。所有46种化合物均显示出线性响应，且定量曲线的R²值>0.99。

水样中PFAS的检测和定量

采用该筛查方法直接分析自来水、经过滤的饮用水和MilliQ水，这些水从源头直接收集到分析样品瓶，未经样品前处理或净化步骤。筛查的46种PFAS化合物中，在自来水样品中初步鉴定出PFHxA。PFHxA鉴定的质量数测量精度为-0.3 ppm，定量的浓度水平为5 ng/L，PFHxA的检测下限确定为2 ng/L（图5）。

PFAS筛查工作流程使用waters_connect中的UNIFI应用程序结合Xevo G3 QTof的灵敏度进行了简化，用于定量分析水样中的PFAS。UNIFI筛查和发现工作流程可提供丰富的选项，包括从质量数亏损过滤到在线数据库和谱库搜索。生成的数据集将用于靶向定量方法，并且可以针对使用不同数据库来源的鉴定和发现工作流程进行回顾性挖掘。Xevo G3 QTof仪器的高灵敏度有助于突破使用SPE进行样品前处理的局限性，以及使用传统靶向方法鉴定时对市售标准品的需求。要提高灵敏度，还可以选择增加进样体积。

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