综述：环境样品中超短链与短链全氟和多氟烷基物质的分析

《Talanta》：Analysis of Ultra-Short-Chain and Short-Chain PFAS in Environmental Samples: A Review

　　

超短链（ultra-short-chain, USC）与短链（short-chain, SC）全氟和多氟烷基物质（per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS）在环境样品中的检出报道日益增多，但其定量分析仍面临显著挑战。测量过程常受到色谱保留不足、背景污染升高以及基质干扰的影响。针对USC PFAS的环境监测亦长期局限于少数几类全氟烷基酸，如三氟乙酸（trifluoroacetic acid, TFA）、全氟丙酸（perfluoropropanoic acid, PFPrA）以及C1-C3全氟烷烃磺酸盐，而源自水成膜泡沫（aqueous film-forming foams, AFFFs）、含氟离子液体（例如双三氟甲磺酰亚胺，bistriflimide）及其他用途的大量USC前体物却常被忽视。本研究综述了约200篇报道USC与SC PFAS的文献，重点关注分析方法及其挑战。文献表明，实现USC与SC PFAS有效定量的关键样品制备步骤包括但不限于：采用无PFAS实验器材、适当样品储存、同位素稀释（isotope dilution）、固相萃取（solid-phase extraction, SPE）前进行温和酸化（离线或在线SPE），以及采用特定净化程序以消除基质干扰。约三分之一的研究使用反相液相色谱（reversed-phase liquid chromatography, RPLC），但该模式常导致灵敏度较差且对TFA保留不足。对于USC PFAS，更优选的色谱模式为亲水相互作用液相色谱（hydrophilic interaction liquid chromatography, HILIC）和混合模式阴离子交换液相色谱（anion exchange liquid chromatography, AEX）。本文还对分析性能指标进行了批判性讨论，包括污染与过滤伪影、萃取效率及检出限，并提供了一份与环境筛查相关的超短链PFAS清单。

1. Introduction

论文首先界定了超短链与短链全氟和多氟烷基物质（PFAS）的研究范围，指出长链全氟烷基酸因环境持久性、生物累积性及毒性而受到严格监管，促使工业应用逐步转向C4基及其他新兴有机氟化合物。文中将USC PFAS定义为氟代烷基链含1-3个碳原子的化合物，将SC PFAS定义为含4-6个碳原子的化合物，并指出这两类物质已广泛用于水成膜泡沫（AFFFs）、氟聚合物工业、材料浸渍、金属电镀、石油生产及锂离子电池等领域。除工业直接使用外，USC与SC PFAS亦可由前体物、含氟制冷剂、药物和农药转化产生。由于其较长链同系物具有更高水溶性、更低土壤/沉积物吸附性和更强迁移性，这些化合物在水环境中广泛分布，且部分化合物如三氟乙酸（TFA）符合“高持久-高迁移性”（vPvM）化学品特征。文章同时指出，现有标准化分析方法主要面向传统PFAS，对USC PFAS及部分SC PFAS覆盖不足，易导致总PFAS负荷显著低估，因此有必要针对其样品前处理、色谱保留、背景污染和基质效应开展专门综述。

2. Review Methodology

在方法学部分，研究人员说明了综述文献的检索与筛选策略。文献来源包括Google Scholar、PubMed、Web of Science与SciFinder，并使用针对性的关键词组合开展系统搜索。综述重点纳入近15年的研究成果，同时为补充基础知识和早期分析技术，也选择性纳入少量2000年前发表的文献。纳入标准包括：研究对象涉及USC或SC PFAS、讨论分析方法、且样品为环境样品；剔除标准则包括缺乏实验数据、仅聚焦长链PFAS或仅涉及PFAS修复的研究。该方法学设计确保了综述在时效性、方法覆盖度和环境相关性方面具有较强代表性。

3. Results and Discussion

3.1. Chemical Diversity, Synthesis, and Industrial Uses

本节系统梳理了USC与SC PFAS的化学多样性、合成路径及工业来源。文章指出，当前最常监测的USC全氟烷基酸（perfluoroalkyl acids, PFAAs）主要包括三氟甲磺酸（trifluoromethanesulfonic acid, TFMS）、三氟乙酸（TFA）、全氟乙烷磺酸（perfluoroethanesulfonic acid, PFEtS）、全氟丙酸（PFPrA）和全氟丙烷磺酸（perfluoropropanesulfonic acid, PFPrS）。其中，TFA和PFPrA可通过Simons电化学氟化（electrochemical fluorination, ECF）工艺制备，TFMS则可经甲磺酸氟化或相关中间体氧化制备。文章进一步强调，USC PFAS并不局限于上述5种传统目标物，还包括USC氟代醚、ECF型前体及氟调聚物前体等。双三氟甲磺酰亚胺（bistriflimide, NTf₂）被列为代表性新兴USC PFAS，可作为离子液体配方中的对离子用于电子设备和锂离子电池。对于SC PFAS，文章列举了C4-C7全氟羧酸和C4-C6全氟磺酸及其前体，如6:2氟调聚磺酸盐（6:2 fluorotelomer sulfonate, 6:2 FTS）、全氟丁烷磺酰胺（perfluorobutane sulfonamide, FBSA）和全氟己烷磺酰胺（perfluorohexane sulfonamide, FHxSA），并指出这些物质常被用作长链PFAS替代品。此外，AFFFs中还存在C2-C3及C4-C6链长、带大体积非氟化基团的阴离子、阳离子和两性离子前体，这些化合物虽不完全符合传统USC定义，但可能降解为USC或SC PFAS，是环境中重要的潜在来源。

3.2. Sources and Occurrence in the Environment

本节概述USC与SC PFAS的来源与环境赋存。文章指出，其主要来源包括相关工业生产与使用过程的排放、含此类物质产品的释放，以及众多前体物的环境转化。TFA可直接来自USC化合物工业平台，也可来自合成含CF₃结构药物和农药的企业废水；此外，臭氧处理等水处理过程亦可能促使某些含氟农药和药物转化为TFA。另一关键来源为制冷剂的光化学降解，因此大气沉降和降雨是TFA进入环境的重要途径。综述显示，USC与SC PFAS已在饮用水、地表水、地下水、废水、雨水、空气、土壤和植物中被广泛检出。TFA通常是浓度最高的USC PFAS，在一般水体中多为10-10,000 ng/L，而工业污染区可显著升高。其他USC和SC PFAS在多数地表水和地下水中的典型浓度约为1-100 ng/L，但在AFFF影响区域，PFPrS等可达更高水平。文章还指出，USC与SC PFAS在土壤中的浓度通常低于长链PFAS，但由于有机碳分配系数（K_oc）低、分子量小且孔隙水溶解度高，更易在植物中累积。虽然其在动物体内通常被认为生物累积性较弱，但在人类样品中仍可检出，有时浓度接近长链PFAS。作者进一步指出，现行饮用水法规多数仍集中于传统PFAS，USC PFAS在美国、加拿大和欧盟现行目标物列表中普遍缺位或覆盖不足。

3.3. Availability of Standardized Methods and Certified Standards

文章评述了USC与SC PFAS标准化分析方法及标准品现状。当前已发布多项PFAS标准方法，包括美国环境保护署（EPA）方法533、537.1、1633A，国际标准化组织（ISO）方法及美国材料与试验协会（ASTM）方法等。这些方法在目标物数量上由早期的2种扩展至49种，但所有已验证标准方法均未纳入C4以下PFAS，即USC PFAS仍处于标准化空白状态。在标准品方面，SC PFAAs及其同位素标记内标供应较为成熟，而USC PFAS长期受限于商业标准品缺乏。近年来，TFMS、PFEtS、TFA、PFPrA及部分离子液体相关化合物的认证标准品已陆续上市，同时¹³C₂-TFA、¹³C₃-PFPrA、¹³C₃-PFPrS等同位素标记标准也开始可得。文章指出，早期研究常以链长相近但非同系的同位素内标进行校正，这在定量准确性上存在局限。

3.4. Sample Collection and Storage

本节讨论采样材料、储存条件及自动进样瓶中的吸附损失。文章指出，PFAS采样宜使用高密度聚乙烯（high-density polyethylene, HDPE）和聚丙烯（polypropylene, PP）等材料，避免聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene, PTFE）、氟化乙烯丙烯（fluorinated ethylene propylene, FEP）和聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride, PVDF）等含氟材料，以减少PFAS单体浸出及吸附损失。对于USC/SC PFAAs，由于疏水性较低，HDPE和玻璃通常均可接受，但对于其他前体类化合物数据仍有限。样品储存方面，标准方法通常建议在6 ℃保存14-28 d，而EPA 1633A建议≤ -20 ℃保存最长90 d，以提高前体稳定性。文献证据表明，USC与SC PFAAs在HDPE中于4 ℃可稳定保存数十日至约120 d，长期保存至240-360 d时可能出现20%-30%的浓度下降。自动进样瓶中的吸附对于USC/SC PFAAs通常可以忽略，但带卡扣瓶盖的小瓶可能引起溶剂蒸发，从而导致响应假性升高。

3.5. Sample preparation

该部分是全文分析方法讨论的核心。作者首先总结了水样过滤、酸化及复杂基质预处理的重要性。过滤虽可防止SPE堵塞，但不同滤膜材质可能导致PFAS损失；总体而言，纤维素乙酸酯（cellulose acetate, CA）对SC PFAS吸附最小，尼龙滤膜则可能产生较差回收。样品酸化通常将pH调至4.0-5.5，有助于增强弱阴离子交换（weak anion exchange, WAX）吸附剂的保留能力，尤其对TFA和PFPrA回收率影响显著。对于海水等高盐样品，适度稀释可明显改善USC/SC PFAS回收；对于血液、尿液和乳汁等生物液体，则常需蛋白沉淀、酶解或酸化等预处理。固体样品预处理通常包括冷冻干燥、均质和过筛，研究显示冷冻干燥对若干USC/SC PFAS回收影响较小，但对天然吸附态PFAS的可提取性仍需进一步验证。

在水样提取方面，固相萃取（SPE）仍是最常用技术，尤其是Strata X-AW、Agilent WAX和Oasis WAX等弱阴离子交换柱。USC与SC PFAS提取对样品pH高度敏感，特别是TFA和PFPrA，在pH升高时回收率会大幅下降。文章指出，适度酸化可增强吸附剂质子化程度并减少碳酸氢根等阴离子竞争。高离子强度和大体积上样会降低回收率，因此对环境水样宜控制上样体积。洗脱通常采用0.1%-1%氨水甲醇。除手动离线SPE外，自动离线SPE和在线SPE亦被用于提高通量和降低污染风险，但在线SPE对TFA等最极性化合物仍常只能获得部分回收。直接进样法可减少前处理时间，适用于较清洁水样或高倍稀释样品，但其回收和基质效应高度依赖样品类型。

在固体样品提取方面，文章指出超声辅助提取和QuEChERS（Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, Safe）是最主要的方法。针对USC/SC PFAS，碱性甲醇、酸化甲醇、纯甲醇及酸化乙腈均有应用，其中甲醇体系整体表现较稳定，乙腈在某些冻干生物组织中的萃取效率可能较低。对植物、土壤、沉积物、生物组织和食品样品而言，萃取溶剂与基质类型高度相关。净化步骤则多采用石墨化炭黑（graphitized carbon black, GCB；商品名Envi-Carb）或QuEChERS中的伯仲胺（primary-secondary amine, PSA），以去除色素、脂质和其他共提取物。对于生物样品，还可采用去脂材料如增强型基质去除脂质（enhanced matrix removal-lipid, EMR-Lipid）或磷脂去除柱。文章强调，净化虽可降低基质效应，但也可能引起目标物损失，因此必须平衡净化程度与回收率。

作者还专门讨论了总可氧化前体测定法（total oxidizable precursor assay, TOP assay）。在该方法中，前体PFAS在过硫酸盐/碱性/加热或紫外条件下被氧化为可测PFCAs，其中USC与SC PFCAs常占重要比例。若分析流程忽略TFA和PFPrA，可能低估前体总量。由于TOP消解液中含高浓度SO₄^2-和Cl^-，USC/SC PFAS回收极具挑战。文献显示，简单WAX SPE常导致TFA与PFPrA显著损失，而借助固液萃取（solid-liquid extraction, SLE）或IC-Ba/Ag/H净化去除无机阴离子，可显著提高回收。

3.6. Instrumental analysis

本节从仪器角度分析USC与SC PFAS测定策略。主流平台仍为高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）或超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS），辅以高分辨质谱（high-resolution mass spectrometry, HRMS）、超临界流体色谱（supercritical fluid chromatography, SFC）及少量气相色谱（GC）方法。文章强调，反相液相色谱（RPLC）对SC PFAS generally适用，但对USC PFAS尤其是TFA保留不足，常在死体积附近洗脱，造成灵敏度差和定性不可靠。因此，离子色谱（ion chromatography, IC）、亲水相互作用液相色谱（HILIC）、HILIC-阴离子交换混合模式和其他多模式固定相成为更优选择。这些模式通过亲水分配、氢键、阴离子交换及部分反相作用协同提高USC PFAS保留。流动相中常使用乙腈富集体系及乙酸铵、甲酸铵缓冲液，弱酸如甲酸或乙酸可进一步改善峰形。文章同时评述了SFC-MS/MS在C2-C14 PFAS分离中的潜力，指出其可实现USC PFAS分离，但灵敏度一般低于LC-MS/MS。GC法需衍生化，且对TFA等存在盐干扰、污染和色谱问题，因此应用受限。

在检测层面，电喷雾电离（electrospray ionization, ESI）是最常用离子化方式。USC和SC全氟羧酸在LC-MS/MS中往往仅产生一个高响应碎片离子转itions，例如TFA的113→69，这意味着复杂基质中更易发生假阳性。文章以生物样品和空调冷凝水中的饱和氧代脂肪酸干扰PFBA为例，说明低分辨三重四极杆在同量异位或近同量干扰面前存在局限。高分辨质谱（HRMS）可凭借ppm级质量准确度降低假阳性风险，并支持可疑筛查和非靶向分析。文中还指出，分析条件若对USC PFAAs优化得当，往往也能捕获大量USC前体物，因而为环境中新兴PFAS发现提供了方法学基础。

3.7. Method validation and QA/QC

最后，文章总结了USC与SC PFAS分析中的方法验证及质量保证/质量控制（quality assurance/quality control, QA/QC）关键点。程序空白中常出现C2-C5全氟羧酸背景，TFA、PFPrA、PFBA与PFPeA尤为常见，且来源可能包括实验耗材、溶剂和仪器管路。通过使用无PFAS耗材、甲醇超声清洗材料、替换液相系统中含氟聚合物部件及设置延迟柱等措施，可在一定程度上降低背景。基质效应方面，不同基质可导致离子增强或抑制，因此同位素稀释校正尤为重要；对于复杂样品，基质匹配校准也具有价值，但无背景空白基质往往难以获得。关于检出限，文中比较了不同色谱模式的性能，指出IC（AX）和HILIC+AX通常较RPLC获得更低检出限，尤其适用于TFA等USC PFCAs。方法整体准确度则应通过基质加标回收进行验证，并与既定性能目标比较。综上，作者认为USC/SC PFAS常规监测仍受限于标准方法缺失、标记内标不足、背景污染和低保留等问题，但通过优化采样、前处理、色谱与QA/QC体系，可以显著提升其定量可靠性。

4. Conclusions

结论部分指出，USC与SC PFAAs因高迁移性已广泛分布于多类环境介质，尤其是水体与植物样品中。针对TFA等USC PFAAs的分析并不简单，主要障碍在于色谱保留不足、背景污染偏高和基质干扰明显。通过选用无PFAS材料、优化样品前处理及采用混合离子/亲水相互作用液相色谱等策略，可实现较可靠分析。文章进一步强调，USC PFAS不仅包括TFA、TFMS及其同系物，还包括源自离子液体、AFFFs及其他应用的大量前体物。当前关键分析缺口包括：C4以下PFAS缺乏标准化方法、同位素标记标准有限，以及新兴USC/SC前体物在常规监测中的缺失。相较传统反相液相色谱，离子交换、HILIC和混合模式方法对高极性USC PFAS更具稳健性；在缺少同位素同系内标时，应借助最接近的替代内标并辅以严格QA/QC和相对保留时间监测，以避免假阴性。总体而言，本文倡议PFAS研究界进一步拓展分析方法，将USC与SC前体物纳入系统监测框架。