全氟辛酸(perfluorooctanoic acid,PFOA)是一种人工合成的含氟有机化合物,其分子式为CF3(CF2)6COOH[1]。PFOA具有优良的理化稳定性和表面活性,被广泛应用于聚合物添加剂、润滑剂、表面活性剂、食品包装材料等诸多工农业生产和生活用品中[2]。高键能的C-F键使得自产品释放进入环境中的PFOA难以降解而长期稳定存在,从而成为环境中无处不在的污染物。PFOA还是多种全氟化合物前体如全氟调聚醇在环境中的最终转化产物[3]。因此,PFOA对环境的污染及其生物累积性、潜在的生物毒性已经引起环境科学家和政府部门的普遍关注[4, 5]。
由于分子结构上没有紫外吸收基团,所以在环境调查或科学研究中PFOA的测定不能直接使用带有紫外检测器的高效液相色谱(HPLC)仪。PFOA在水中有一定的溶解度,pKa较低,容易解离为羧酸根负离子,因此当前普遍采用液相色谱-质谱联用技术(LC/MS)定量分析样品中的PFOA[6, 7]。但是,LC/MS仪器较为昂贵,相关的分析方法尚不能大规模普及。另外,LC仪器系统中含有全氟调聚醇的零部件,易污染流路,造成背景干扰,而且对于复杂的环境样品,有时LC/MS受基质效应影响,分析结果会出现异常[7]。
与尚难以普及的LC/MS仪器相比,许多实验室都配备HPLC仪器。因此,若能开发HPLC/UV方法取代LC/MS法用于样品的检测,分析成本将大大降低。PFOA分子中有羧基官能团,通过化学衍生化使其偶联具有紫外吸收的基团,再利用HPLC/UV测定,理论上有可行性。目前国内外已有柱前衍生-HPLC/UV法用于PFOA测定的报道。程小艳等[8]和Qiu等[9]用HPLC/UV检测废水中的PFOA,采用苯乙酮类试剂将PFOA衍生成其酯类衍生物。黄可等[10]建立了苄胺与PFOA反应合成N-苄基十五氟辛酰胺衍生物的柱前衍生-HPLC/UV方法。但已报道的衍生化试剂种类还很有限。
因此仍有必要尝试选择新的衍生化试剂进行PFOA柱前衍生-HPLC/UV的方法学研究。本研究参照Scott等[11]发展的用于气相色谱-质谱联用法测定全氟羧酸的2,4-二氟苯胺(DCA)衍生方法,利用苯胺类衍生化试剂具有特征紫外吸收的特点选择廉价易得的3,4-二氯苯胺为衍生化试剂,建立了可用于PFOA样品检测的HPLC/UV方法,具有过程较为简单、反应条件温和的特点。
PFOA购于美国Sigma-Aldrich公司,二环己基碳二亚胺(DCC)、3,4-二氯苯胺、色谱纯甲醇购于百灵威科技有限公司。其余试剂均为国产分析纯。薄层色谱(TLC)硅胶板购于青岛海洋化工厂。
Agilent 1200高效液相色谱仪,配有紫外-可见光吸收检测器(Agilent,美国);高效液相色谱-四极杆飞行时间串联质谱仪(HPLC/Q-TOF MS): Alliance 2695高效液相色谱仪,配备二极管阵列检测器(DAD)(Waters,美国),Q-TOF MS仪器(Waters Micromass,英国); Agilent 1200制备型高效液相色谱仪(Agilent,美国),配有10 mL手动进样环、紫外-可见光吸收检测器和制备型高效液相色谱柱(Agilent Prep-C18,15 cm×21.2 mm,5 μ m); XPA系列光化学反应仪(南京胥江机电厂)。
PFOA-DCA衍生物的合成如图1所示。衍生化反应条件在文献[12]的基础上做了适当的修改:称取41.4 mg PFOA、46 mg DCA、25 mg DCC,分别溶于1 mL四氢呋喃中混匀,室温下磁力搅拌过夜;过滤沉淀,收集滤液。滤液采用TLC纯化,展开剂为石油醚-正己烷-乙酸乙酯(4 ∶ 2 ∶ 0.5,v/v/v);将含有目标产物的硅胶刮下并收集,用乙酸乙酯萃取,过滤,旋蒸,干燥,得到PFOA-DCA衍生物(产率为97% )。
采用HPLC/Q-TOF MS对PFOA-DCA衍生物进行分离鉴定。分析柱为Supelcosil LC-18柱(25 cm×4.6 mm,5 μ m,Sigma,美国);流动相为水与甲醇(20 ∶ 80,v/v);流速为1.0 mL/min。将PFOA-DCA衍生物溶于甲醇,上样进行HPLC分离,洗脱液经分流阀进入质谱。DAD检测波长范围为200～600 nm。电喷雾离子源负离子电离模式,毛细管电压2.5 kV,样品锥电压25 V,离子源温度120 ℃,质荷比范围为50～500。其余MS参数见文献[13]。
用作标准品的PFOA-DCA衍生物经制备型HPLC分离纯化制得。取PFOA-DCA衍生物适量,溶解于甲醇,手动注射到制备型HPLC的进样环中。流动相和检测波长同上;流速为10 mL/min;进样量为5 mL;手动收集目标峰对应的洗脱液,旋蒸收集液中的甲醇后加入二氯甲烷萃取;将有机萃取相旋蒸干燥,得白色固体,密闭、避光贮存，备用。
取1.0 mL PFOA四氢呋喃溶液(1.0 mg/L),加入5 μ L浓盐酸、0.5 mL DCC四氢呋喃溶液(0.1 mol/L)和0.5 mL DCA四氢呋喃溶液(0.1 mol/L),混匀,室温下反应1 h。然后采用TLC纯化,收集含有目标产物的硅胶部分,用5.0 mL乙酸乙酯萃取3次,合并萃取液,N2吹干。加入1.0 mL甲醇溶解,然后经0.45 μ m滤膜过滤,供HPLC/UV测定。分析柱为Supelcosil LC-18柱(25 cm×4.6 mm,5 μ m);进样量为20 μ L;流动相为水与甲醇(20 ∶ 80,v/v);流速为1.0 mL/min;检测波长为255 nm。
在文献[11]基础上进行适当调整:取1.0 mL PFOA水溶液(1.0 mg/L),用浓盐酸调pH至1.0,加入20 mg NaCl和0.4 mL乙酸乙酯。然后依次加入200 μ L DCC和DCA(均为0.1 mol/L 的乙酸乙酯溶液),搅拌1 h。收集有机相,水相经乙酸乙酯萃取3次,合并至有机相中。浓缩后经TLC纯化,纯化及后续步骤同1.3.1节。
以HPLC制备的PFOA-DCA衍生物(0.5～50 mg/L)为标准品,建立标准曲线,外标法定量。分别取1.0、0.5、0.1、0.05、0.01 mg/L PFOA标准溶液,按照优化后的有机相或水相衍生化条件进行衍生,TLC纯化,HPLC测定;以信噪比不低于10的最低质量浓度为上机测定的定量限。通过1 mg/L PFOA的加标回收率试验(平行6次),确定方法的准确度。
二氧化钛-多壁碳纳米管复合光催化剂(TiO2-MWCNT)催化降解PFOA的实验步骤同Song等[14]报道:光反应在反应仪中进行;首先于25 mL PFOA水溶液(初始浓度为30 mg/L)中按质量比为5 ∶ 1加入TiO2-MWCNT复合光催化剂(合成方法详见文献[14],添加量为1.6 mg/L),黑暗下磁力搅拌0.5 h。然后开启300 W中压汞灯,于灯开启后0、2、4、6、8 h的时间点各取反应液1.5 mL,经0.45 μ m滤膜过滤。同时进行不添加复合光催化剂的空白对照实验。光催化降解实验重复3次。滤液样品接1.3.2节水相介质衍生化条件进行处理,然后采用HPLC/UV法测定。以PFOA的t时刻浓度与初始浓度的比值(ct/c0)为纵坐标,时间为横坐标,绘制降解动力学曲线。
在筛选衍生化试剂时,曾尝试溴代羟基苯乙酮。但发现在室温下苯乙酮类试剂的衍生化产率较低,而且其酯类衍生物的性质不稳定,很容易分解。与苯乙酮类衍生化试剂相比,3,4-二氯苯胺是农药、染料和医药的中间体[15],廉价易得,而且与羧基官能团形成的以酰胺键结合的衍生产物性质比较稳定。PFOA-DCA衍生物的甲醇溶液(1 mg/L)在室温下放置24和48 h后再测定,其峰面积变化差异不显著(38.4±0.6,p＜0.05),说明该衍生物的稳定性满足柱前衍生化的要求。另外,研究[16, 17]显示碳二亚胺法可以在水相中进行,反应条件温和,而且合成酰胺类衍生物的产率较高。因此,最终确定DCA为引入紫外吸收基团的衍生化试剂,并采用DCC法进行合成。
合成PFOA-DCA衍生物时,发现反应介质对产率影响很大。Hoffman等[12]采用三氯甲烷为反应介质,成功地对脂肪酸进行了衍生化。可是本研究中发现三氯甲烷不适合PFOA的衍生,其衍生化产率很低。而用其他的溶剂,如乙酸乙酯、四氢呋喃作反应介质,产率提高很多:在乙酸乙酯中的产率大于85% ,在四氢呋喃中的产率为97% 。因此,采用四氢呋喃为反应介质进行衍生化合成。
经过优化甲醇/水的流动相能很好地分离PFOA-DCA衍生物,当其体积比为80 ∶ 20时,PFOA-DCA衍生物的出峰时间为10.1 min(见图2a),其最大紫外吸收波长为255 nm(见图2b)。图2c为PFOA-DCA衍生物的质谱图。MS数据与PFOA-DCA衍生物的化学式C14F15O2NH4(相对分子质量557)吻合:准分子离子峰[M-H]-(m/z 556),为含两个氯的同位素峰簇;特征碎片离子峰[C7F15]-(m/z 369),说明衍生化反应合成了PFOA-DCA衍生物。
环境样品经过不同的前处理过程后,最终可能存在于有机溶剂或水相溶液介质中。分别在有机溶剂四氢呋喃和水相两种介质中确定了较低水平(mg/L)PFOA的衍生反应条件。
对于有机相介质中的衍生反应,发现直接沿用1.2节中的PFOA-DCA衍生物制备条件进行mg/L水平的PFOA衍生化,产物的产率非常低,仅有10% ,这可能与低浓度的PFOA发生电离有关。Ozawa等[17]采用DCC法衍生三氟乙酸时发现,酸性条件有利于提高产率,而且盐酸的效果好于其他酸。本研究考察了浓盐酸加入量对低浓度PFOA衍生化反应产率的影响。固定其他反应条件,加入2、5、10、20 μ L浓盐酸。结果如图3a所示,加入浓盐酸大大提高了反应产率,当加入5 μ L浓盐酸时反应产率最高;之后随着酸量的增加,反应产率反而呈现下降趋势。因此确定浓盐酸加入量为5 μ L。在此基础上考察了反应时间、DCA用量对衍生化反应产率的影响。如图3b所示,随着DCA的浓度从5 mmol/L升至100 mmol/L,反应产率逐渐提高;但当浓度达到100 mmol/L 以上时,反应产率就不再增加,更高浓度的DCA还会增大后续净化步骤的难度,因此最终确定DCA浓度为100 mmol/L。反应时间的影响如图3c所示,在0.5～4 h范围内随反应时间的增长反应产率略有增加。考虑到衍生化反应时间过长会延长整个分析过程,故选取反应时间为1 h。水相中的衍生方法,基本参照Scott等[11]报道的2,4-二氟苯胺衍生方法。实验结果显示,水相中衍生的加标回收率较低(40.1% ～53.7% ),这可能与3,4位卤代苯胺的水相反应活性差异有关。
程小艳等[8]和Qiu等[9]采用苯乙酮类衍生化试剂处理PFOA,生成酯类衍生产物。该类衍生化反应要求在无水、加热(80 ℃)条件下进行,且产物对温度较为敏感,易分解。黄可等[10]发展了苄胺与PFOA反应合成N-苄基十五氟辛酰胺的衍生方法,尽管衍生产物较为稳定,但反应要在二甲苯中于140 ℃进行10 h,操作难度较大。与以上方法相比,DCA衍生化反应具有如下特点:反应条件较为温和,室温下即可进行;衍生化产物稳定,不易分解,经纯化后可作为标准对照品使用,使得标准曲线的建立更容易。而文献[8, 9, 10]报道的方法中,每次样品检测时均需要配制PFOA标准溶液经衍生处理后确定标准曲线。
以HPLC纯化的PFOA-DCA衍生物为标准品,建立的标准曲线方程为y=31.7x+9.6,y和x分别为色谱峰面积和PFOA-DCA衍生物的质量浓度(mg/L),相关系数R=0.991。四氢呋喃中1.0 mg/L PFOA的加标回收率为91.8% ～108.7% ,相对标准偏差为6.1% ;水相中1.0 mg/L PFOA的加标回收率为40.1% ～53.7% ,相对标准偏差为7.5% 。与水相衍生法相比,有机相衍生法具有衍生产率高、回收率高的特点。除此之外,有机相衍生法不需要TLC纯化前的萃取浓缩步骤,因此实际应用中更有优势。
比较有机相或水相介质中1.0、0.5、0.1、0.05、0.01 mg/L PFOA标准溶液衍生处理后的HPLC色谱图(图略),发现0.5 mg/L PFOA的峰面积恰高于10倍信噪比。因此,确定两种介质中的柱前衍生-HPLC/UV方法的定量限为0.5 mg/L。本研究的定量限指的是PFOA上机测定的最低检出质量浓度,而非方法检出限。程小艳等[8]报道的柱前衍生-LC/UV方法,水中PFOA的方法检出限是7 μ g/L,如考虑其前处理的预浓缩步骤产生的50倍浓缩,对应的上机测定的PFOA最低检出质量浓度为0.35 mg/L。Qiu等[9]建立的LC/UV/MS法测定水中的PFOA,采用SPE预浓缩 1000 倍,方法检测限达到5 μ g/L,对应的上机测定的PFOA最低检出质量浓度为5 mg/L。因此,本方法的灵敏度与上述报道一致或更高。
此前,本课题组在研究PFOA的光催化降解过程中,采用LC/MS检测PFOA的浓度变化[14]。本研究选用水相衍生法-HPLC/UV法代替LC/MS,用于较高浓度PFOA的光催化降解实验。初始浓度为30 mg/L,与Song等[14]的一致。图4为HPLC/UV测得的降解动力学曲线,与Song等[14]的数据一致,并且3次重复实验测定值的相对标准偏差小于8% ,说明本方法具有较好的可靠性和重现性。
结合适当的预浓缩技术可以使方法检出限降低若干数量级[18, 19, 20, 21]。当前SPE预浓缩技术已非常成熟,浓缩后的样品经过溶剂转换,很容易与有机相介质的衍生化方法衔接。因此,本研究建立的柱前衍生-HPLC/UV方法有望结合SPE等先进的预浓缩技术,用于环境样品中一定质量浓度(如 μ g/L水平)的PFOA测定。
本研究采用碳二亚胺法合成了全氟辛酸与3,4-二氯苯胺偶联的酰胺衍生物,确定了有机相和水相两种介质中PFOA的衍生方法,建立了反应条件比较温和、衍生产物稳定、分析成本较低的柱前衍生-高效液相色谱-紫外吸收检测方法。该方法成功应用于光催化降解研究中PFOA的降解动力学实验。本方法有望结合适当前处理浓缩步骤用于PFOA的环境样品检测。但由于环境样品中的PFOA浓度差异较大,且干扰物较为复杂,如存在其他有机酸等,需要针对具体样品对衍生化步骤前的相关前处理工作进行探索。
2014, Vol. 32 Issue (9): 942-947
PDF (978 KB)
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