一种全氟/多氟烷基磺酰氟化合物的非靶向筛查鉴定方法

1.本发明属于环境分析化学技术领域，具体涉及一种全氟/多氟烷基磺酰氟化合物的非靶向筛查鉴定方法。


背景技术：

2.全氟/多氟烷基磺酰氟是全氟/多氟烷基磺酸及其盐类的主要前体物质，是一类受到广泛关注的新污染物。由于大量的生产与使用，全氟/多氟烷基磺酰氟不可避免地会进入自然环境，近年来国内外开始意识到全氟/多氟烷基磺酰氟的潜在环境危害。
3.由于全氟/多氟烷基磺酰氟的疏水性，大部分会蓄积于土壤/沉积物介质。随着全氟辛基磺酰氟、全氟己基磺酰氟的禁用，越来越多的替代产品得到应用并进入土壤/沉积物介质，因此开发土壤/沉积物样品中全氟/多氟烷基磺酰氟分子结构的筛查鉴定方法对全面认识全氟/多氟烷基磺酰氟的环境分布与生态风险具有重大意义。
4.由于全氟/多氟烷基磺酰氟缺乏可电离官能团和发色基团，难以直接采用质谱和光谱进行检测，故目前其分析方法较少。近年研究发现，化学衍生是帮助实现全氟/多氟烷基磺酰氟离子化的重要途径。
5.题为《liquid chromatography/mass spectrometry method for determination of perfluorooctane sulfonyl fluoride upon derivatization with benzylamine》的论文，提出了一种全氟辛基磺酰氟的定量分析方法，该方法步骤包括采用苄胺进行衍生化反应，采用液相-质谱进行检测。题为《determination of perfluorooctane sulfonyl fluoride and perfluorohexane sulfonyl fluoride in soil by chemical derivatization and liquid chromatography-tandem mass spectrometry》的论文，提出了一种土壤/沉积物中全氟辛基磺酰氟和全氟己基磺酰氟的定量分析方法，该方法步骤包括对土壤/沉积物进行萃取处理、采用苄硫醇和三乙胺进行氧化还原衍生、采用三重四极杆质谱进行检测。上述两种方法操作简便，灵敏度理想，但在仪器检测和数据处理部分均采用靶向分析，仅局限于全氟辛基磺酰氟和全氟己基磺酰氟，对土壤/沉积物中未知的大量全氟/多氟烷基磺酰氟无法进行定性分析，无法实现对全氟/多氟烷基磺酰氟环境分布与生态风险的全面认识。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术仅针对全氟辛基磺酰氟和全氟己基磺酰氟，大部分全氟/多氟烷基磺酰氟化合物尚未得到鉴定分析等现有技术的不足，本发明提供了一种土壤/沉积物中全氟/多氟烷基磺酰氟化合物高通量非靶向筛查鉴定方法，通过化学衍生技术将土壤/沉积物样品提取液中的全氟/多氟烷基磺酰氟化合物转化为可离子化的衍生产物-全氟/多氟烷基亚磺酸，另一部分样品提取液进行等比例稀释，高通量、高灵敏地采集有/无化学衍生样品提取液的一级和二级质谱信息；提取并比较有/无化学衍生样品二级质谱中特征离子的提取离子流图，化学衍生新生成的特征离子对应全氟/多氟烷基磺酰氟衍生产物；再利用
分子离子、碎片离子的准确质量数、同位素丰度比值的分子式匹配结果和有机物的质谱断键规律对全氟/多氟烷基磺酰氟衍生产物的结构进行解析推测。该方法筛查出的全氟/多氟烷基磺酰氟种类多，可以揭示此前未被认识的全氟/多氟烷基磺酰氟。
7.一种全氟/多氟烷基磺酰氟化合物的非靶向筛查鉴定方法，包括以下步骤：
8.(1)取待测环境样品，使用非甲醇的有机溶剂提取待测环境样品中的全氟/多氟烷基磺酰氟化合物，获得上清提取液，取一部分所述上清提取液作为未化学衍生组样品；
9.(2)取步骤(1)所得上清提取液，加入还原剂和催化剂混合发生氧化还原反应，将上清提取液中的全氟/多氟烷基磺酰氟化合物转化为全氟/多氟烷基亚磺酸，获得化学衍生组样品；
10.(3)通过液相色谱-高分辨质谱分别对未化学衍生组样品和化学衍生组样品进行数据采集；
11.(4)将未衍生组样品作为空白对照，利用特征离子提取方法对化学衍生组样品中的全氟/多氟烷基亚磺酸进行分析筛查，获得全氟/多氟烷基亚磺酸的保留时间；
12.(5)根据全氟/多氟烷基亚磺酸的保留时间，获取全氟/多氟烷基亚磺酸的分子离子和其他碎片离子，通过设置元素范围对分子离子和其他碎片离子的准确质量数和同位素丰度比值进行分子式匹配，而后根据有机物的质谱断键规律和重要碎片离子匹配结果，推测该物质可能的结构式。
13.优选的，待检测的环境样品为土壤/沉积物。
14.优选的，步骤(1)中，所述非甲醇的有机溶剂为乙腈；
15.步骤(2)中，所述还原剂为含巯基有机物，所述催化剂为三乙胺。
16.更优选的，步骤(2)中，所述还原剂为硫酚、苄硫醇或烷基硫醇中的至少一种。
17.优选的，步骤(3)中，所述液相色谱-高分辨质谱为液相色谱-四级杆飞行时间质谱或液相色谱-组合式四级杆静电场轨道阱质谱。
18.更优选的，所述液相色谱-高分辨质谱条件为：
19.液相色谱：waters acquity uplc系统；
20.色谱柱：acquityhss t3柱(1.8μm，2.1
×
100mm)；
21.柱温：40℃；
22.流速：0.3ml/min；
23.流动相：5mmol/l乙酸铵水溶液(a相)，乙腈(b相)；
24.洗脱程序可采用梯度洗脱程序；
25.质谱：sciex triple tof 5600+；
26.离子源模式：电喷雾负离子模式；
27.扫描模式：全扫描模式(一级质谱窗口)+swath模式(18个二级质谱窗口)；
28.累积时间：一级质谱窗口150ms，18个二级质谱窗口18
×
50ms＝900ms；
29.扫描质量范围：一级质谱100-1100da，二级质谱30-1100da；
30.碰撞能：rolling energy
±
15ev；
31.离子源温度：550℃。
32.优选的，步骤(4)中，所述特征离子提取方法包括以下步骤：从未化学衍生组样品和化学衍生组样品的二级质谱数据出发，提取特征离子[o2sf]-(m/z 82.961
±
0.005da)的
离子流图；将未衍生组样品的特征离子流图作为空白对照，化学衍生组样品中新出现的特征离子峰(信噪比＞3)对应全氟/多氟烷基磺酰氟衍生产物的检出，并获取其保留时间。
[0033]
更优选的，所述提取特征离子[o2sf]-(m/z 82.961
±
0.005da)离子流图采用数据分析软件peakview软件的exact ions using dialog(xic)插件。
[0034]
优选的，步骤(5)中，分子离子和其他碎片离子获取的参数设置为：
[0035]
分子离子响应值＞1000cps；
[0036]
其他碎片离子响应值＞30cps；
[0037]
信噪比：s/n＞3。
[0038]
更优选的，步骤(5)中，所述分子式匹配的参数设置为：
[0039]
元素范围：o2sf～c
30h62o10
s5n5f
60
；
[0040]
分子离子准确质量数的相对偏差范围：
±
10ppm；
[0041]
同位素丰度比值的相对误差范围：30％；
[0042]
碎片离子准确质量数的相对偏差范围：
±
15ppm。
[0043]
本发明与现有技术相比，所具备的优势在于：
[0044]
(1)本发明采用的全氟/多氟烷基磺酰氟衍生化方法，可以将不具备电离能力的全氟/多氟烷基磺酰氟官能团转化为可电离且会生成特征离子的全氟/多氟烷基亚磺酸，同时该衍生方法不改成全氟/多氟烷基磺酸盐、磺胺等类似物质的化学结构。该衍生方法操作简便，选择性强。
[0045]
(2)本发明采用液相色谱-飞行时间质谱仪的全扫描和swath模式对土壤/沉积物样品进行数据采集，利用化学衍生前后全氟/多氟烷基亚磺酸的特征碎片离子([o2sf]-)的出峰变化对全氟/多氟烷基磺酰氟进行高通量的非靶向筛查，再结合分子离子、碎片离子的准确质量数、同位素丰度比值的分子式匹配结果和有机物的质谱断键规律对筛出的全氟/多氟烷基磺酰氟进行结构解析，分辨率高、简单快捷、准确性好。
附图说明
[0046]
图1为本发明基于化学衍生和特征离子的分析原理图。
[0047]
图2为标准品全氟丁基磺酰氟化学衍生前后的特征离子提取流图。
[0048]
图3为标准品全氟己基磺酰氟化学衍生前后的特征离子提取流图。
[0049]
图4为标准品全氟己基磺酸化学衍生前后的特征离子提取流图。
[0050]
图5为标准品全氟辛基磺胺化学衍生前后的特征离子提取流图。
[0051]
图6为本发明非靶向筛查鉴定的步骤流程图。
[0052]
图7为实施例样品中全氟辛基磺酰氟衍生产物的特征离子提取流图、一级质谱图和二级质谱图。
具体实施方式
[0053]
实施例1
[0054]
为了表征非靶向筛查鉴定方法的选择性，采用类似结构标准品对发明内容的一种土壤/沉积物样品全氟/多氟烷基磺酰氟高通量非靶向筛查鉴定方法进行应用实验。
[0055]
(1)用乙腈溶液配制全氟烷基磺酰氟、全氟烷基磺酸和全氟烷基磺胺标准品溶液，
分别为：100μg/l的全氟丁基磺酰氟、100μg/l的全氟己基磺酰氟、100μg/l的全氟丁基磺酸、100μg/l的全氟己基磺酸、100μg/l的全氟辛基磺胺。
[0056]
(2)取100μl的步骤(1)所得标准品溶液，依次加入150μl的10μmol/l三乙胺溶液、50μl的乙腈和300μl的200μmol/l苄硫醇溶液，涡旋振荡1min，将其置于常温环境进行24h以上的氧化还原反应，将样品提取液中的全氟/多氟烷基磺酰氟充分转化为全氟/多氟烷基亚磺酸，作为化学衍生组样品；转化原理参考图1。
[0057]
另取100μl的标准品溶液，用乙腈稀释至500μl，置于常温待测，作为未化学衍生组样品。
[0058]
(3)将有/无化学衍生的两组样品通过液相色谱-高分辨质谱的检测获得质谱数据，本实施例中液相色谱-高分辨质谱条件为：
[0059]
液相色谱：waters acquity uplc系统；色谱柱：acquityhss t3柱(1.8μm，2.1
×
100mm)；柱温：40℃；流速：0.3ml/min；流动相：5mmol/l乙酸铵水溶液(a相)，乙腈(b相)。
[0060]
梯度洗脱程序如表1所示。
[0061]
表1
[0062][0063][0064]
质谱仪：sciex triple tof 5600+；离子源模式：电喷雾负离子模式；扫描模式：全扫描模式(一级质谱窗口)+swath模式(18个二级质谱窗口)；累积时间：一级质谱窗口150ms，18个二级质谱窗口18
×
50ms＝900ms；扫描质量范围设置：一级质谱100-1100da，二级质谱的四极杆窗口宽度设为55da，18个二级质谱的四极杆窗口累计涵盖全部100-1100da，二级质谱扫描范围30-1100da；碰撞能：rolling energy
±
15ev；离子源温度：550℃。
[0065]
(4)通过设置上述液相色谱-高分辨质谱条件得到含有一级质谱、二级质谱信息的质谱数据后，将未化学衍生组样品作为空白对照，利用数据分析软件peakview软件的exact ions using dialog插件对有/未化学衍生组样品的二级质谱数据进行特征离子提取，提取[o2sf]-(m/z 82.961
±
0.005da)的离子流图。
[0066]
全氟烷基磺酰氟标准品溶液的特征离子[o2sf]-提取结果如图2、图3所示，全氟烷基磺酸和全氟烷基磺胺标准品溶液衍生前后的特征离子[o2sf]-提取结果如图4、图5所示。可以看出，化学衍生能够有效改变全氟烷基磺酰氟的碎片离子[o2sf]-的出峰，但不影响全氟烷基磺酸、全氟烷基磺胺的碎片例子[q2sf]-的出峰。结果表明，基于化学衍生和特征离子
[o2sf]-的非靶向分析方法能够特异性筛查出全氟/多氟烷基磺酰氟化合物。
[0067]
实施例2
[0068]
本实施例利用发明内容的一种土壤/沉积物样品全氟/多氟烷基磺酰氟高通量非靶向筛查鉴定方法，对废弃工厂土壤样品中全氟/多氟烷基磺酰氟进行非靶向筛查鉴定。实施案例需对土壤/沉积物进行前处理操作得到非甲醇的样品提取液，并对部分样品提取液进行化学衍生处理；将有/无化学衍生的两组样品通过液相色谱-高分辨质谱的检测获得质谱数据；将未衍生组样品作为空白对照，利用特征离子提取方法分析筛查化学衍生组样品中新生成的衍生产物-全氟/多氟烷基亚磺酸，依次得到保留时间、分子离子和其他碎片离子，利用元素匹配方法确定其种类，具体到有机物的分子式和结构式。具体操作步骤参考图6，如下：
[0069]
(1)先将采集的废弃工厂土壤样品在-80℃下冷冻，然后在真空冻干机中冷冻干燥。
[0070]
(2)将冻干后的土壤/沉积物样品研磨并通过60目筛网。
[0071]
(3)利用超声萃取方法对土壤/沉积物样品中的全氟/多氟烷基磺酰氟进行提取，得到样品提取液，具体是向步骤(2)处理后的土壤样品中加入乙腈，超声萃取15min，8000rpm高速离心后移取上清提取液至进样瓶，制得非甲醇的样品提取液。
[0072]
(4)取100μl的步骤(3)所得非甲醇样品提取液，依次加入150μl的10μmol/l三乙胺溶液、50μl的乙腈和300μl的200μmol/l苄硫醇溶液，涡旋振荡1min，将其置于常温环境进行24h以上的氧化还原反应，将样品提取液中的全氟/多氟烷基磺酰氟充分转化为全氟/多氟烷基亚磺酸，作为化学衍生组样品。
[0073]
另取100μl的非甲醇样品提取液，用乙腈稀释至500μl，置于常温待测，作为未化学衍生组样品。
[0074]
(5)将有/无化学衍生的两组样品通过液相色谱-高分辨质谱的检测获得质谱数据，本实施例中液相色谱-高分辨质谱条件为：
[0075]
液相色谱：waters acquity uplc系统；色谱柱：acquityhss t3柱(1.8μm，2.1
×
100mm)；柱温：40℃；流速：0.3ml/min；流动相：5mmol/l乙酸铵水溶液(a相)，乙腈(b相)。
[0076]
梯度洗脱程序如表2所示。
[0077]
表2
[0078]
保留时间(min)a(％)b(％)0.09820.59821.580204.0356511.059515.057515.198220.0982
[0079]
质谱仪：sciex triple tof 5600+；离子源模式：电喷雾负离子模式；扫描模式：全
扫描模式(一级质谱窗口)+swath模式(18个二级质谱窗口)；累积时间：一级质谱窗口150ms，18个二级质谱窗口18
×
50ms＝900ms；扫描质量范围：一级质谱100-1100da，二级质谱窗口宽度为6da，二级质谱30-1100da；碰撞能：rolling energy
±
15ev；离子源温度：550℃。
[0080]
液相色谱-高分辨质谱需连续进行10次测试，每次测试改变二级质谱的四极杆窗口。第1次测试的18个二级质谱的四极杆窗口分别为m/z99-105、105-110、110-125、125-130、130-135、135-140、140-145、145-150、150-155、155-160、160-165、165-170、170-175、175-180、180-185、185-190、190-195、195-200，第2～10次以此类推，其他液相和质谱条件均不变，确保二级质谱的四极杆窗口累计能够涵盖全部100-1100da。
[0081]
(6)通过设置上述液相色谱-高分辨质谱条件得到含有一级质谱、二级质谱信息的质谱数据后，利用数据分析软件peakview软件的exact ions using dialog插件对有/未化学衍生组样品的二级质谱数据进行特征离子提取，提取[o2sf]-(m/z 82.961
±
0.005da)的离子流图；比较有/未化学衍生两组样品的[o2sf]-离子流图，提取所有化学衍生组样品新出现的色谱峰(s/n＞3)，获得该色谱峰对应的保留时间、分子离子和其他碎片离子，汇总形成筛查清单。下面列举筛查清单中的一种物质的分析结果，如图4所示。四极杆窗口m/z 477-484的[o2sf]-(m/z 82.961)离子流图中，出现4.55min的色谱峰，其对应的分子离子的准确质量数为m/z 482.935/483.936，其他碎片离子的准确质量数为m/z 118.993、m/z 168.990、m/z 218.987、m/z 268.984和m/z 418.973。
[0082]
(7)在peakview软件中，分别设置匹配元素范围、分子离子准确质量数的相对偏差范围、同位素丰度比值的相对误差范围和碎片离子准确质量数的相对偏差范围，元素范围为o2sf～c
30h62o10
s5n5f
60
，分子离子准确质量数的相对偏差范围为
±
10ppm，同位素丰度比值的相对误差范围为30％，碎片离子准确质量数的相对偏差范围为
±
15ppm，如此可以得到筛查清单中各物质满足匹配要求的分子式，其中保留时间为4.55min的物质分子式被计算为c8f
17
so2h。
[0083]
(8)根据有机物的质谱断键规律和重要碎片离子匹配结果，其中保留时间为4.55min的物质的碎片离子分别被匹配为c2f
5-(-4.3ppm)、c3f
7-(-2.9ppm)、c4f
9-(4.7ppm)、c5f
11-(3.4ppm)和c8f
17-(-0.4ppm)，如图7所示，符合全氟烷基类物质的断键规律，推测筛查清单中的该物质为全氟辛基亚磺酸，故该物质化学衍生前为全氟辛基磺酰氟。
[0084]
通过超声提取、化学衍生和特征离子提取方法对废弃工厂土壤中全氟/多氟烷基磺酰氟进行筛查鉴定，结果如表3所示。
[0085]
表3
[0086][0087]
[0088][0089]
共筛查发现8种物质，包括全氟烷基磺酰氟、多氟烷基磺酰氟、全氟不饱和磺酰氟三类。通过标准品保留时间、一级质谱图和二级质谱图的验证，全氟辛基磺酰氟、全氟己基磺酰氟和全氟丁基磺酰氟得到确认，充分说明了非靶向筛查鉴定方法的可靠性。

技术特征：
1.一种全氟/多氟烷基磺酰氟化合物的非靶向筛查鉴定方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)取待测环境样品，使用非甲醇的有机溶剂提取待测环境样品中的全氟/多氟烷基磺酰氟化合物，获得上清提取液，取一部分所述上清提取液作为未化学衍生组样品；(2)取步骤(1)所得上清提取液，加入还原剂和催化剂混合发生氧化还原反应，将上清提取液中的全氟/多氟烷基磺酰氟化合物转化为全氟/多氟烷基亚磺酸，获得化学衍生组样品；(3)通过液相色谱-高分辨质谱分别对未化学衍生组样品和化学衍生组样品进行数据采集；(4)将未衍生组样品作为空白对照，利用特征离子提取方法对化学衍生组样品中的全氟/多氟烷基亚磺酸进行分析筛查，获得全氟/多氟烷基亚磺酸的保留时间；(5)根据全氟/多氟烷基亚磺酸的保留时间，获取全氟/多氟烷基亚磺酸的分子离子和其他碎片离子，通过设置元素范围对分子离子和其他碎片离子的准确质量数和同位素丰度比值进行分子式匹配，进而获得可能的结构式。2.根据权利要求1所述全氟/多氟烷基磺酰氟化合物的非靶向筛查鉴定方法，其特征在于，待测环境样品为土壤/沉积物。3.根据权利要求1所述全氟/多氟烷基磺酰氟化合物的非靶向筛查鉴定方法，其特征在于，步骤(1)中，所述非甲醇的有机溶剂为乙腈；步骤(2)中，所述还原剂为含巯基有机物，所述催化剂为三乙胺，所述非甲醇反应溶剂为乙腈。4.根据权利要求3所述全氟/多氟烷基磺酰氟化合物的非靶向筛查鉴定方法，其特征在于，步骤(2)中，所述还原剂为硫酚、苄硫醇或烷基硫醇中的至少一种。5.根据权利要求1所述全氟/多氟烷基磺酰氟化合物的非靶向筛查鉴定方法，其特征在于，步骤(3)中，所述液相色谱-高分辨质谱为液相色谱-四级杆飞行时间质谱或液相色谱-组合式四级杆静电场轨道阱质谱。6.根据权利要求5所述全氟/多氟烷基磺酰氟化合物的非靶向筛查鉴定方法，其特征在于，所述液相色谱-高分辨质谱条件为：液相色谱：waters acquity uplc系统；色谱柱：acquity hss t3柱；柱温：40℃；流速：0.3ml/min；流动相：5mmol/l乙酸铵水溶液作为a相，乙腈作为b相；洗脱采用梯度洗脱程序；质谱：sciex triple tof 5600+；离子源模式：电喷雾负离子模式；扫描模式：一级质谱窗口使用全扫描模式+18个二级质谱窗口使用swath模式；累积时间：一级质谱窗口150ms，18个二级质谱窗口18
×
50 ms＝900ms；扫描质量范围：一级质谱100-1100da，二级质谱30-1100da；碰撞能：rolling energy
±
15ev；
离子源温度：550℃。7.根据权利要求1所述全氟/多氟烷基磺酰氟化合物的非靶向筛查鉴定方法，其特征在于，步骤(4)中，所述特征离子提取方法包括以下步骤：从未化学衍生组样品和化学衍生组样品的二级质谱数据出发，提取特征离子[o2sf]-的离子流图；将未衍生组样品的特征离子流图作为空白对照，化学衍生组样品中新出现的特征离子峰对应全氟/多氟烷基磺酰氟衍生产物的检出，并获取其保留时间。8.根据权利要求1所述全氟/多氟烷基磺酰氟化合物的非靶向筛查鉴定方法，其特征在于，步骤(5)中，分子离子和其他碎片离子获取的参数设置为：分子离子响应值＞1000cps；其他碎片离子响应值＞30cps；信噪比：s/n＞3。9.根据权利要求8所述全氟/多氟烷基磺酰氟化合物的非靶向筛查鉴定方法，其特征在于，步骤(5)中，所述分子式匹配的参数设置为：元素范围：o2sf～c
30
h
62
o
10
s5n5f
60
；分子离子准确质量数的相对偏差范围：
±
10ppm；同位素丰度比值的相对误差范围：30％；碎片离子准确质量数的相对偏差范围：
±
15ppm。

技术总结
本发明公开了一种全氟/多氟烷基磺酰氟化合物的非靶向筛查鉴定方法。本发明通过比较化学衍生前后特征碎片离子的出峰变化，可以高通量识别出全氟/多氟烷基磺酰氟衍生生成的全氟/多氟烷基亚磺酸，同时不受全氟/多氟烷基磺酸、磺胺等类似物的干扰。该方法操作简便，选择性强。性强。性强。


技术研发人员：陈宝梁 王昆 朱相宇 杨坤
受保护的技术使用者：浙江大学杭州国际科创中心
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/6