德国PFAS污染土壤场地：直接TOP测定法氧化前后基于Kendrick质量缺陷和FindPFΔS的非靶向筛查

全氟和多氟烷基化合物 (PFAS) 造成的土壤污染因其持久性而备受关注，会对地下水造成长期、持续的污染。采用非靶向筛查 （Nontarget Screening, NTS）（基于Kendrick质量缺陷（KMD） 和基于FindPFΔS 的MS²碎片质量差异）深入研究了来自德国西北部（Brilon-Scharfenberg, North Rhine-Westphalia, BS-NRW）受污染农业土壤样品。之前的研究通过对附近地表水和饮用水的检测，在该地点鉴定出了多种全氟烷基羧酸 （PFCAs）和全氟烷基磺酸（PFSAs）。我们进一步在土壤中鉴定出了未知的10类PFAS和7种基于C₈的PFAS（73种PFAS），其中包括一些新型PFAS。除一个类别外，所有PFAS类别均包含磺酸基团，并使用PFSA标品进行半定量，其中约97%为全氟物质且预计不可降解。新鉴定结果占先前已知PFAS浓度的75%以上，估计超过30 μg/g。五氟硫基 (−SF₅) PFSA是主要类别（∼40%）。最后，通过直接总可氧化前体 （dTOP）测定法对土壤进行氧化，揭示了全氟烷基酸 （PFAAs）前体物质大部分都是已识别的氢取代的PFAS，并且在dTOP后检测到了额外的TOP产物（全氟烷基双酸）。然而，在该土壤中利用dTOP加靶向分析仅揭示了<23%的PFAS，突显了非靶向筛查对于全面表征PFAS污染的重要性。

全氟和多氟烷基化合物（PFAS）是一类人工合成的物质。根据OECD的定义，所有带有全氟甲基（-CF₃）或全氟亚甲基（-CF₂-）的物质均被视为 PFAS。在线数据库PubChem包含超过600万种符合此定义的化合物。如此大量的物质源于PFAS的独特性质及其广泛应用：例如，它们被用作纺织品和食品接触材料中的防水剂和水成膜泡沫（AFFF）以及电子和半导体行业中的表面活性剂。虽然PFAS的稳定性有利于工业生产，但这一特性对其环境行为具有不利影响。由于其广泛的应用和持久性，越来越多的PFAS污染场地被发现，PFAS污染已成为主要的环境问题。与PubChem数据库中的600万个PFAS相比，通常只有少数PFAS能够通过靶向分析被检测和定量，因此在这些污染场地中，仅部分PFAS是已知的，这是一个非常严重的问题。

为了解决这个问题，应用总可氧化前体（TOP）测定法、改性（通过 UV/TiO₂ 转化）以及水解法来估计PFAA前体的量（即可以氧化为PFAA或水解成氟调聚醇等物质的化合物），这是传统靶向分析无法捕获的。简而言之，TOP测定通过羟基自由基将PFAS前体氧化为PFAAs。TOP测定后PFAA浓度的增加可归因于未知的前体，因此这是估计PFAS前体含量的一种方法。尽管TOP测定是一种有价值的工具，只需要三重四极杆（QqQ）即可估算污染场地的PFAS污染，但只能检测到那些能够以氧化或水解产物形式形成PFCA和PFSA的前体。例如，属于全氟醚羧酸类（PFECA）的GenX、ADONA或C₆O₄等新型替代化合物在TOP测定中就无法转化为PFCAs。

2006年，在德国发现了一个小规模的PFAS污染场地（BS-NRW）。据推测，农业区使用无机和有机废料导致土壤和河流受到PFAS污染。目标物PFCAs和PFSAs在Steinbecke河中测得的最高浓度为33,900 ng/L（全氟辛酸（PFOA））。最近，Röhler等人对该地区受污染的农业土壤应用dTOP法进行测定，发现 PFAA产生量很高，这表明存在迄今为止未检测到的前体。前体污染物可以持续转化为PFAAs，从而长期污染受纳河流和地下水体，因此，污染场地PFAS的全面调查对于深入评估其环境影响至关重要。

1. 共鉴定出先前在土壤中未知的10类PFAS和7种基于C₈的PFAS，并测定了应用dTOP法前后的PFAS浓度

除先前检测到的PFAAs之外，应用KMD分析（MS¹）和FindPFΔS（MS²片段质量差异法）在BS-NRW土壤提取物中还识别出了10种具有多个同系物的PFAS类别和7种基于C₈的PFAS，这些PFAS均由磺酸基团组成（仅一类PFAS除外）。另外，根据dTOP结果，发现作为前体的多氟化合物（六类含氢的PFAS）仅占土壤中已识别PFAS的3%。因此，结合非靶向与靶向筛查可揭示之前未知的超过77%的PFAS污染。无论是靶向筛查还是TOP测定或两者的结合都无法揭示这些PFAS的种类或数量，突出了应用非靶向筛查方法的重要性。表1展示了已鉴定的PFAS结构、浓度和dTOP结果。

表1 土壤样品中所有已识别的PFAS

及其在dTOP分析中的行为

^a化合物根据浓度递减排序。碳链长度以n+m+o+p之和给出。由于所有化合物均为复杂的异构体混合物 (通过色谱和MS/MS证明)，因此无法确定双键、醚键或进一步支链化异构体的位置，故作为变量给出。注意，变量也可以为0，并且在特殊情况下它们的位置是可以互换的。标有^a的化合物是之前研究中已在BS-NRW土壤中鉴定出的类别，未标记的化合物则是该土壤中未知的类别。据我们所知，标有^N的化合物尚未有文献报导。

2. 在非靶向筛查中应用了基于FindPFΔS的MS²碎片质量差异法

本文采用了基于FindPFΔS的MS²碎片质量差异法进行非靶向筛查，这与常规的直接搜索诊断碎片离子的方法不同，显示出更强大的筛查能力。以本文首次发现的U-ether-SF₅-PFSA为例，从图2可以看出ΔCF₂检测出了大部分的碎片峰，而常规的诊断离子法则有遗漏。另外本文将质量差异筛选方法（FindPFΔS）与同系物检测和诊断离子筛查法结合，并在碎片的检测数量和前体PFAS的鉴定数量两个方面进行了比较。发现与单独使用一种方法相比，两种筛查方法相结合效率最高，可以解释更多的碎片（图3）。

图2 U-ether-SF₅-PFSA的MS/MS光谱示例。通过碎片差异（CF₂，红色；O，紫色）检测，并与诊断碎片列表（蓝色）对比，清晰地显示了ΔCF₂等碎片质量差异（FindPFΔS）的强大功能，几乎可以检测所有碎片。

图3 两种检测BS-NRW土壤提取物ddMS²数据中PFAS碎片方法的示例性比较：基于碎片质量差异或诊断碎片（DF）列表。(a) 基于14个特征质量差异（紫色）或872个含氟DF（青色）检测到的碎片数量。(b) 两种方法检测到的独特碎片的比较：单独通过质量差异检测到203个独特碎片，两种方法均发现了148个独特碎片，单独通过DF列表发现了73个独特片段。(c) 单独通过碎片质量差、DF或两种方法结合发现的前体数量。由于碎片质量差异始终由两个碎片组成，因此通过诊断碎片对前体MS/MS谱进行阳性匹配的标准也设置为两个碎片。为了使假阳性片段或质量差异尽可能小，质量容差为1mDa，片段的强度阈值至少为3000。