柱前衍生气相色谱电子捕获法同时检测水体中的9种全氟羧酸

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摘要建立了柱前衍生气相色谱电子捕获（GCECD）法同时测定水中PFBA， PFPeA， PFxA， PFpA， PFOA， PFNA， PFDA， PFUnA及PFDoA等（全称见正文） 9种全氟羧酸（Perfluorinated carboxylic acids， PFCAs）。使用2，4二氟苯胺（2，4Difluoroaniline， 2，4DFA）为衍生剂， N，N′二环己基碳二亚胺（N，N′Dicyclohexylcarbodiimide， DCC）为脱水剂， 与PFCAs形成酰胺衍生产物， 衍生产物通过R5毛细管色谱柱分离， 并以ECD检测器进行检测。对全氟羧酸衍生化过程中2，4DFA和DCC用量、衍生反应溶剂、反应温度、反应时间等条件进行了优化， 得出最佳衍生化条件。结果表明， 在最优实验条件下， 9种PFCAs衍生产物的线性相关系数>0.99， 检出限为0.62～1.38 μg/L， 相对标准偏差RSD为1.3%～7.5%。应用本方法对城市污水中全氟类羧酸进行了分析， 城市污水中存在以PFPeA、PFpA和PFOA为主的痕量PFCAs化合物， 实际样品的加标回收率在84.4%～120.9%之间。本方法稳定、可靠、成本低， 能够满足水样中多种全氟羧酸的同时检测的要求， 可为水体中全氟化合物的污染评价提供技术支持。

关键词全氟羧酸； 衍生化； 气相色谱电子捕获检测法； 水体

1引 言

全氟化合物（Perfluorochemicals， PFCs）是一系列人工合成的、与碳原子相连的氢原子全部被氟原子取代的有机化合物， 因为结构中含有大量C-F键使得它能在环境中长期稳定地存在[1，2]。PFCs具有良好的化学稳定性、热稳定性、表面活性及既疏水又疏油的特性， 被广泛应用于纸张、纺织品、皮革、地毯等领域中[3]。研究表明， PFCs具有发育毒性、免疫毒性、内分泌干扰等多种生物毒性效应；此外， 长链PFCs还具有很强的生物蓄积性及沿食物链生物放大的倾向[4～7]。因此， PFCs成为广泛存在的持久性有机污染物。

全氟羧酸（Perfluorinated carboxylic acids， PFCAs）是PFCs中的一类典型代表。近年来， 由于PFCs的广泛使用， PFCAs大量进入环境， 并在水体[8，9]、土壤[10，11]、大气[12，13]等各类环境介质中被检出。PFCAs在水中具有一定的溶解度、解离度和较强的表面活性， 较易蓄积于水体中， 掌握PFCAs在水环境中的分布特征极为重要。目前， 我国国家标准及行业标准都未见水体中PFCAs的检验标准， 因此， 亟需研究并建立水体中痕量全氟羧酸准确快捷的检测方法。

液相色谱质谱联用技术（PLCMS或者PLCMS/MS）由于具有灵敏度高、 检测限低、 对前处理要求不高等优点， 是目前检测全氟羧酸最常用的技术， 得到了较深入的开发和应用[14～20]。但由于LC系统中潜在的污染问题（如密封垫上的含氟聚合物涂层）， 使此技术难以获取理想的空白分析结果， 且检测费用较高。相对于液相色谱质谱分析法， 气相色谱法（GC）检测成本低， 也更为普及， 但全氟羧酸带有极性基团， 沸点高、难挥发， 无法用气相色谱法直接测定， 必须经过衍生化步骤转化为具有挥发性的衍生物。目前， 直接用气相色谱法分析测定PFCAs的研究报道较少， 使用的衍生方法包括酯化衍生化[21，22]、酰化衍生化[23]、硅烷化衍生化和卤化衍生化等， 分析对象多为单种全氟羧酸， 生成的衍生a物稳定性有限， 副产物较多[24]。如乙酰氯/甲醇衍生化试剂与全氟辛酸反应生成甲酯化产物的效率较高， 但同时存在甲醚、一氯甲烷和乙酸甲酯等副产物。因此， 选择合适的衍生化技术进行多种PFCAs的气相色谱的方法学研究是PFCs的重要研究方向之一。本研究以2，4二氟苯胺作为衍生化试剂， 通过酰胺化降低PFCAs极性， 建立了一种柱前衍生气相色谱电子捕获检测器同时检测水样中9种PFCAs （C4～C12）的分析方法。此方法衍生效率高， 衍生产物稳定， 能够满足水样中多种全氟羧酸的同时检测， 可为水体中全氟化合物的污染评价提供技术支持。

2实验部分

2.1仪器与试剂

race 1300气相色谱仪， 配电子捕获器（ECD）检测器和R5毛细管色谱柱（7 m × 0.32 mm × 0.25 μm， 美国hermo Fisher Scientific公司）；12管防交叉固相萃取装置（美国SUPELCO公司）；WAX小柱（200 mg， 6 mL， 美国Waters公司）；大容量采样管（上海安谱科学仪器有限公司）；固相萃取小柱连接管（上海安谱科学仪器有限公司）；MilliQ 型纯水器（美国Millipore 公司）；KL512J水浴恒温氮吹装置（北京康林科技有限责任公司）；SK8200超声波清洗仪（上海科导超声仪器有限公司）；AL104电子天平（梅特勒托利多仪器上海有限公司）。实验所用的玻璃容器均用正己烷洗净， 烘干， 除去有机杂质。

全氟丁酸（Perfluorobutyric acid， PFBA）、全氟戊酸（Perfluropentanoic acid， PFPeA）、全氟己酸（Perfluorohexanoic acid， PFxA）、全氟庚酸（Perfluoroheptanoic acid， PFpA）、全氟辛酸（Pentadecafluorooctanoic acid， PFOA）、全氟壬酸（Perfluorononanoic acid， PFNA）、全氟癸酸（Perfluorodecanoic acid， PFDA）、全氟十一酸（Perfluoroundecanoic acid， PFUnA）和全氟十二酸（Perfluorododecanoic acid， PFDoA）的标准品购自上海安谱科学仪器有限公司。2，4二氟苯胺（2，4Difluoroaniline， 2，4DFA）、N，N′二环己基碳二亚胺（N，N′dicyclohexylcarbodiimide， DCC）、正己烷、乙酸乙酯、甲醇、乙腈、丙酮、甲苯均为色谱纯。

2.2溶液的配制

用正己烷配制PFBA， PFPeA， PFxA， PFpA， PFOA， PFNA， PFDA， PFUnA和PFDoA 9种浓度均为0.001 mol/L的PFCAs标准贮备液， 4℃避光保存。准确移取各PFCAs溶液10 mL， 以正己烷定容至100 mL， 即配制成0.1 mmol/L的混合PFCAs标准使用液， 临用前根据需要再稀释成相应浓度的混合标准系列溶液。同时， 用正己烷配制0.1 mmol/L的2，4DFA和DCC溶液， 4℃避光保存。

2.3水样预处理

将1 L水样经0.45 μm的水相微孔滤膜过滤后，用1 mol/L NaO调节至p 6， 随后进行固相微萃取。安装WAX小柱， 分别用4 mL含0.5%氨水的甲醇溶液、4 mL甲醇、4 mL高纯水依次通过WAX小柱进行活化和平衡。将经过滤后水样以5 mL/min的流速通过WAX小柱， 样品过柱完毕后， 用4 mL 25 mmol/L醋酸钠溶液冲洗小柱， 并继续抽真空以除去水分；目标物依次用4 mL 甲醇、4 mL含0.5%氨水的甲醇溶液淋洗， 收集于具塞玻璃刻度离心管中[25]。淋洗液用高纯氮气（40℃恒温水浴）吹脱至近干， 加入0.5 mL正己烷， 放置于涡旋振荡器混合均匀。

2.4衍生化方法

准确移取适量PFCAs溶液或处理后水样样品， 加入2，4DFA和DCC后， 定容于5 mL衍生瓶， 摇匀， 在一定温度下反应一定时间后， 衍生产物经微孔有机滤膜过滤后进气相色谱仪测定。

2.5色谱条件

进样口温度： 300℃； 升温程序： 60℃保持1 min， 以2℃/min升至130℃， 保持1 min， 以20℃/min 升温至300℃， 保持1 min。载气： 高纯氮（纯度≥99.99%）；流速1.5 mL/min； 进样方式： 不分流进样； 进样量1 μL。检测器温度： 300℃。

3结果与讨论

3.1衍生化条件的优化

PFCAs 含有极性羧基， 不能直接测定。本研究以2，4DFA为衍生剂， DCC为脱水剂， 并根据PFCAs碳链含有较多的氟原子， 电子捕获检测器（ECD）对其有很高响应的原理，采用GCECD法测定PFCAs与2，4DFA反应生成的酰胺衍生物。

为优化衍生条件， 在PFCAs的衍生化反应过程中， 固定其它参数， 逐一考察2，4DFA和DCC的用量、衍生反应的温度、时间、溶剂等反应条件对衍生产物生成的影响。

3.1.12，4DFA用量对衍生效果的影响取10 μL PFCAs标准使用液， 分别加入0， 250， 500， 1000， 2000和4000 μL的2，4DFA及250 μL DCC， 用正己烷定容至5 mL， 涡旋混匀后于10℃振荡反应24 h， 进气相色谱检测， 结果如图1所示。

结果表明， PFCAs衍生产物的峰面积随2，4DFA加入量的增加而增大。这是因为在酰胺化反应中， 增加2，4DFA的用量可以使PFCAs与2，4DFA充分接触， 有利于反应进行， 此结果与文献[25]一致。当2，4DFA浓度大于1000 μL后， 衍生物的峰面积基本不再随衍生化试剂浓度的增大而增加， 说明衍生反应已基本完全， 因此选用的衍生剂2，4DFA的用量为1000 μL。

3.1.2DCC用量对衍生效果的影响DCC常作为酰胺类反应的脱水剂， 本研究取10 μL PFCAs标准使用液， 1000 μL 2，4DFA， 分别加入0， 50， 100， 250， 500和750 μL的DCC溶液后， 用正己烷定容至5 mL， 涡旋混匀， 于10℃振荡反应24 h， 衍生产物峰面积与DCC用量之间的关系如图2所示， 未加DCC， 酰胺衍生物的峰面积极小；加入DCC后， 衍生产物峰面积明显增大， 当DCC的用量增加到250 μL后， 衍生化产物峰面积基本稳定， 继续增加DCC的用量， 衍生产物峰面积略有减小。因此， DCC用量选择为250 μL。

3.1.3溶剂对衍生效果的影响2，4DFA和DCC的用量分别选择1000和250 μL， 其它衍生条件同上， 分别考察了甲醇、丙酮、乙腈、乙酸乙酯、甲苯、二氯甲烷、正己烷等7种溶剂对PFCAs酰胺衍生产

图2DCC用量对衍生效果的影响

Fig.2Effect of N，N′dicyclohexylcarbodiimide （DCC） dosage on derivatization results物衍生效果的影响。如图3所示， 反应溶剂对PFCAs酰胺化衍生效果影响显著， 其中甲醇、丙酮和乙腈3种溶剂的衍生化效率最低， 尤其是PFNA、PFDA、PFUnA和PFDoA等长链的全氟羧酸未检测到有效的衍生物的色谱峰或色谱峰面积极小；选择乙酸乙酯为溶剂时， 衍生化效率稍高， Goebiowski等的研究也显示在乙酸乙酯反应介质中能成功地对 PFOA进行衍生化[23]， 但本研究发现其衍生效率低于二氯甲烷、甲苯和正己烷3种溶剂；其中以正己烷为溶剂时， 除PFPA和PFxA外， 其它PFCAs的衍生产物峰面积均为最大。分析认为7种溶剂中丙酮、乙腈、甲醇的极性较大， 甲苯、乙酸乙酯、二氯甲烷极性较小， 正己烷极性最小， 而PFCAs与2，4DFA衍生生成的酰胺类化合物， 其极性较低， 尤其是长链全氟羧酸， 极性更低。根据相似相容的原理， 衍生化产物的极性与溶剂极性相似时， 色谱峰面积最大。因此， 本实验以正己烷为溶剂进行衍生化合成。

3.1.4反应温度对衍生效果的影响取10 μL PFCAs标准使用液， 以正己烷为溶剂， 在最佳衍生巴阉剂用量条件下， 于不同反应温度反应24 h， 进行衍生反应温度优化实验， 结果如图4所示， 在0～10℃， 随着反应温度升高， PFCAs衍生产物的峰面积增加；温度继续升高至20℃， 峰面积略有下降， 当温度升高至30℃后， 色谱峰面积下降显著， 这可能是由于温度过高导致衍生产物分解或产生副产物所致。因此， 选择10℃为最佳衍生化反应温度。

3.1.5衍生反时间对衍生效果的影响在10℃下， 取10 μL的PFCAs标准使用液， 分别加入1000 μL和250 μL的2，4DFA和DCC溶液， 以正己烷定容于5 mL， 衍生反应0.5， 1， 2， 4， 6， 8， 10和24 h 后进样检测， 研究衍生反应时间对衍生效果的影响。结果表明， 随着反应时间延长， PFCAs衍生物的峰面积逐渐增大， 当反应时间达到8 h后， 衍生产物的峰面积随反应时间的延长而增加的趋势放缓， 在24 h内， 衍生产物都非常稳定。进一步的实验证明， 衍生反应48 h后， 衍生物的峰面积大小与24 h基本一致， 因此， 衍生反应时间可以选择为8～48 h， 本实验选择的衍生反应时间为24 h。

3.1.6振荡对衍生效果的影响取10 μL PFCAs标准使用液， 以正己烷为溶剂， 加入最佳量的2，4DFA和DCC溶液， 涡旋混匀后， 分别于10℃在静置和振荡条件下衍生反应24 h， 研究振荡对衍生效果的影响， 每组平行实验3次。结果表明， 振荡和静置对衍生化效果影响不大， 相对而言， 静置反应的峰面积稍大， 这可能是由于振荡更易发生副反应。

3.2线性方程及方法检出限

配制PFCAs标准系列工作溶液， 在选定的最佳衍生条件下反应24 h后， 用气相色谱法对酰胺化衍生物进行了分离测定， 色谱流出曲线见图5。以待测物的浓度为横坐标（x， μg/L）， 峰面积（y， Peak area）为纵坐标， 绘制标准曲线， 线性回归方程及相关系数见表1。 9种PFCAs衍生产物在11～36 min之间出峰， 分离情况良好， PFBA， PFPeA， PFxA， PFpA， PFOA， PFNA， PFDA， PFUnA和PFDoA的保留时间分别为11.29， 13.89， 16.75， 19.82， 22.98， 26.10， 29.22， 32.26和35.23 min。将线性范围中下限浓度的各PFCAs溶液平行衍生7次， 用所测得的峰面积计算方法的精密度， 各目标物的RSD为1.3%～7.5%；以3倍信噪比计算方法的检出限， PFCAs的检出限在0.62～1.38 μg/L之间。

4结 论

以DCC为脱水剂， 2，4DFA为衍生剂， 合成了全氟羧酸的酰胺化衍生物， 并通过GCECD法对PFCAs的衍生化产物进行了分离测定， 对全氟羧酸衍生化过程中2，4DFA和DCC用量、衍生反应溶剂、反应温度、反应时间等条件进行了优化， 并用于实际样品的分析。结果表明， 污水处理厂废水中存在以PFPeA， PFpA和PFOA为主的痕量PFCAs化合物， 样品的加标回收率在84.4%～120.9%之间。

AbstractA method for the simultaneous determination of nine perfluorocarboxylic acids （PFCAs） in water by precolumn derivatizationgas chromatographyelectron capture detector （GCECD） was established. PFCAs were firstly converted to amide derivative products using 2，4difluoroaniline （2，4DFA） as derivatizing agent and N，N′dicyclohexylcarbodiimide （DCC） as dehydrating agent. hen the amide derivative products were determined by ECD after separation with R5 capillarycolumn chromatography. he experimental conditions in derivatization of PFCAs were optimized， including the dosage of 2，4DFA and DCC， reaction solvent， reaction temperature and reaction time. he optimal derivatization parameters were obtained. he results showed that the linear correlation coefficients of nine derivative products of PFCAs were higher than 0.99 under the optimized experimental conditions. he limits of detection were 0.62-1.38 μg/L， while the relative standard derivations RSDs were 1.3%-7.5%. he proposed method was applied to the analysis of PFCAs in municipal sewage. It was found that the municipal sewage contained trace PFCAs which mainly existed in the form of perfluoropentanoic acid （PFPeA）， perfloroheptanoic acid （PFpA） and pentadecafluorooctanoic acid （PFOA）. he recoveries of actual samples were between 84.4% and 120.9%. he method was stable and reliable with low cost， and it could meet the simultaneous determination of several PFCAs in water samples. his study provided technical support for the pollution assessment of perfluorinated compounds in water.

KeywordsPerfluorinated carboxylic acids； Derivative reaction； Gas chromatographyelectron capture detector； Water