方 程， 張紅平， 羅云龍

(1.Global Centre for Environmental Remediation (GCER),紐卡斯爾大學,澳大利亞新南威爾士州 2308；2.西南科技大學材料科學與工程學院，四川綿陽 621010)

1 前言

全氟和多氟烷基化合物(Perfluorinated and Polyfluoroalkyl Substances，PFAS)是一大家族由人類合成的有機化合物，此前它們被稱為全氟化合物(Perfluorinated Compound，PFC)，但后來發(fā)現(xiàn)該命名不夠準確，這是因為：(1)有些H并沒有被F全部取代[1 - 4]；(2)其中的活性基團，不管是羧酸還是磺酸都可以被衍生(為前體)，如圖1所示。基于商業(yè)秘密，對許多這些衍生基團，迄今我們知之甚少。因而近年來 PFAS這一名稱逐漸被大家普遍接受。簡單地說，只要在分子骨架中有一個-CF2-基團，都可以被稱之PFAS[5]。但-CF2-基團越少，毒性應該越低，例如有可能治療新冠肺炎的苯酚喹(Tafenoquine)就包含一個CF3端基。

圖1 典型PFAS的分子結構，包括全氟辛磺酸(PFOS)、全氟辛烷酸(PFOA)、全氟己磺酸(PFHxS)、全氟丁烷酸(PFBA)、6∶2氟調聚辛磺酸(6∶2FTS)、2-(七氟丙氧基)-四氟-丙酸(Gen X或者HFPO-DA)、6∶2氟調聚辛硫醚胺磺酸(6∶2FTSAS)[6,7]和氯氟多醚烷酸(ClPFPECA)[8]。Fig.1 Typical PFAS molecular structures,including perfluorooctanesulfonic acid (PFOS),perfluorooctanoic acid (PFOA),perfluorohexanesulfonic acid (PFHxS),perfluorobutanoic Acid (PFBA),6∶2 fluorotelomer sulfonate (6∶2FTS),2,3,3,3-tetrafluoro-2-(heptafluoropropoxy) propanoic acid (Gen X or HFPO-DA),6∶2 fluorotelomer sulfonamide (6∶2FTSAS)[6,7] and chloroperfluoropolyether carboxylate (ClPFPECA)[8].

傳統(tǒng)意義上的有機物一般是基于C-H骨架，而PFAS中很多H被F取代，這不僅增加了PFAS的化學穩(wěn)定性，還產生了許多新的物理化學性質，如既憎水又憎油、表面張力低等。這些性質是PFAS所獨有的[4,9]，所以PFAS的用途廣泛。例如，作為PFAS的Teflon就被用來制造不粘鍋的不粘涂層，其它PFAS也被廣泛應用于諸如服裝、室內裝潢、地毯、油漆表面、食品容器、炊具、消防泡沫等與我們日常生產生活關系密切的產品中[10]。PFAS的另一個重要應用是用作表面活性劑，比如配制水相膜泡沫滅火劑(Aqueous Film-Forming Foam，AFFF)用于撲滅燃油大火，特別是在飛機場附近的訓練和真實滅火中[11 - 13]。這主要是因為PFAS這類表面活性劑，如PFOS不僅可以耐燃油大火的高溫，還可以有效地降低表面張力，迅速在燃油表面形成一層泡沫，從而隔絕開空氣，達到滅火的目的。雖然近年來這類含長鏈PFAS的AFFF被逐漸淘汰，但短鏈的PFAS，尤其是帶有衍生基團的短鏈PFAS仍在使用。

然而，C-F鍵是最穩(wěn)定的共價化合鍵之一，所以PFAS在自然環(huán)境中“堅不可摧”，被稱作“永遠的化學試劑”，甚至“比一些巖石更穩(wěn)定”，幾乎不能自然降解。如此一來，一旦PFAS被生產出來，最終都會釋放到環(huán)境中，并作為持久性有機污染物(Persistent Organic Pollutants，POPs)長期存在。近20年來，PFAS所導致的環(huán)境污染引起了研究者的高度注意，因為幾乎在地球的每個角落，都可以檢測到PFAS。比如說，PFAS在家用吸塵器的粉塵、垃圾填埋場和霧霾中都能被檢測到[14 - 15]。更為可怕的是，PFAS也可以在我們的食物中檢測到。近年來，越來越多的研究表明，它們中的大多數(shù)極有可能對人類的健康產生不利影響[16,17]。由于我們對其知之甚少，PFAS也被歸入新型污染物(Emerging Contaminant)?；诖?，USEPA在2016年將飲用水中的PFAS(主要是PFOS和PFOA)的安全標準從0.7 ppb(十億分之一)下調到70 ppt (萬億分之一)[11，17，18]，2018年美國政府甚至建議將12 ppt作為安全標準[19]。為了有效地監(jiān)測和控制PFAS的污染，國外不同部門制定了PFAS安全指導濃度標準，包括飲用水、土壤、地表水和地下水等等，如表1所示。國內這方面也有長足進展。

表1 PFAS 安全指導濃度標準[11]Table 1 PFAS guidelines [11]

HC,Heath Canada;DoH,Department of Health (Australia);USEPA,United States Environmental Protection Agency;ECCC,Environment and Climate Change Canada.

就PFAS檢測而言，目前我們所面臨的困難[5]包括：(1)低濃度的檢測需要高靈敏度的儀器，如高效液相色譜-質譜(HPLC-MS)；(2)短鏈的PFAS應該用氣相色譜-質譜(GC-MS)來檢測；(3)目前市場估計有超過5 000個PFAS，而我們只能有效定量地監(jiān)測它們中的大約30～80個，其余PFAS被稱為PFAS前體(Precursor)，而這些前體目前只能被定性或是半定量地檢測到[20]；(4)這些前體的衍生基團，一般都是基于C-H骨架的，它們遠遠沒有C-F骨架穩(wěn)定。所以，當這些不能被有效檢測的“PFAS前體”進入環(huán)境中，其中的非C-F 骨架一旦被降解，較純的C-F骨架就會“出現(xiàn)”，如PFOA、PFBA等等，而這些PFOA和PFBA是能被檢測到的[21]。也就是說，PFAS檢測是一個動態(tài)過程，可檢測到的PFAS可能會隨時間延長而濃度增大[22,23]。

雖說有些PFAS已經被禁止使用，如PFOS在歐美國家已經被禁止生產，但它們的高穩(wěn)定性和持久性，使得它們對環(huán)境的污染還會持續(xù)相當長的一段時間。目前的治理更多的是用吸附方式，把PFAS從環(huán)境中清理移除。PFAS的降解和礦化，雖說在實驗室取得成功，但還沒有大規(guī)模使用[24，25]。所以對其進行有效地檢測和治理，依然是PFAS研究的一個熱點[20]。雖然HPLC-MS是最常用的檢測手段[26]，但HPLC-MS費時又較昂貴(通常>100美元/樣品)[20，21，27]。在定量測量之前，如果能夠使用預篩選工具，在一般實驗室、甚至在現(xiàn)場，及時檢測它們的大概濃度，哪怕只是半定量的結果，都能有效增加PFAS的監(jiān)測效率，因此這將是一個非常值得研究的課題。最近，市場上陸續(xù)出現(xiàn)了幾種PFAS檢測試劑盒或傳感器，如亞甲基藍活性物(MBAS)的改進版本[21]、基于分子印跡的離子選擇電極(ISE)[28]、表面增強拉曼光譜(SERS)[29]等。本文將在這些方面，評述PFAS的檢測方法的最新進展，包括電化學檢測、光學檢測，以及基于智能手機應用程序的檢測。

2 電化學檢測

2.1 基于分子印跡的離子選擇電極(Ion-Selective Electrode,ISE)

我們使用鉛筆芯作為電極，在表面上通過分子印跡聚合物(MIPs)來形成響應膜，在除掉模板分子(PFOA、PFOS或是6∶2 FTS)之后，制成ISE。如此一來，我們就可以通過電位測量來檢測PFAS，如圖2所示，檢測限可以低至～100 nmol/L(對PFOA而言，～41 ppb)?？傮w效果極佳[28]。這種檢測的缺點是選擇性不夠好，靈敏度也不夠高。選擇性可以通過優(yōu)化摻雜PFOA到MIPs內的濃度得到提高，如圖2(b)所示，但靈敏度很難進一步改善，這是ISE檢測的本身缺限。譬如MIPs中的PFAS模板，有可能滲透逸漏到待測溶液中而產生背景干擾。除非進行預富集，否則其實用性將會大打折扣。如果考慮到環(huán)境樣品本身的復雜性和PFAS的痕量分析，如1 ppt PFOA大概是在20 pmol/L左右，該技術的推廣使用將會較為困難。

圖2 PFAS的電位檢測示意圖(a)和電極的響應曲線(b)[28]Fig.2 Schematic drawing on the PFAS -ISE (a) and the calibration curves depending on the PFOA concentration in the doping solution(b)[28]

2.2 自組裝膜(Self-Assembled Monolayer,SAM)

近年來PFOS的生產和使用被逐漸禁止，取而代之的是新型的PFAS，或稱之為前體?；谏虡I(yè)原因，我們對新型的PFAS的具體分子結構知之甚少。但是從目前能掌握的資料來看，有一大類是基于硫醚結構的。我們還知道的是基于硫醚的有機化合物，不管其兩端的基團如何，都可以在Au表面上通過S-Au 鍵形成一層SAM，這層SAM會有效阻斷溶液中的氧化還原探針的電子傳遞?；诖?，我們發(fā)展了基于檢測硫醚的新型PFAS的傳感器，如圖3所示。

簡言之，通過在Au電極表面上形成SAM，我們使用循環(huán)伏安法和交流阻抗開發(fā)一種檢測水性消防泡沫(AFFF)中新型PFAS的簡單方法，特別是基于硫醚的含氟表面活性劑成分。我們不必知道PFAS及其前體的具體分子結構，只要有硫醚，就能用這種方法檢測，簡便有效。我們還采用固相萃取和納米級多孔Au電極來提高靈敏度，如圖3(b -d)所示。

圖3 電化學PFAS檢測示意圖(a)、普通金(平整)電極表面(b)和多孔納米金電極表面(c、d)的掃描電鏡圖[7]Fig.3 Schematic of the electrochemical detection(a),SEM images of flat gold electrode surface(b) and nano-gold electrode surface(c,d)

3 光學檢測

3.1 表面增強拉曼譜(Surface -Enhanced Raman Scattering,SERS)

SERS由于其高靈敏度(低至單分子檢測)和具有分子識別的能力而備受關注。拉曼信號的增強，主要是歸功于基底表面的納米結構[30 - 33]。然而，大多數(shù)時侯基底物本身都表現(xiàn)出親水性，當用來分析PFAS時，由于PFAS通常既憎水又憎油，所以PFAS的加載親和力就是一個問題。也就是說，PFAS很難被吸附加載到基底的表面上，所以我們要對基底表面進行改性。

自從2004年單分子層的石墨烯(Graphene)被成功分離以來，人們對這種新型碳材料的研究興趣驟增。有趣的是，石墨烯或氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)已經成功地被證實可以用作SERS基底，有效增強拉曼信號。與傳統(tǒng)的SERS基底金屬表面(例如Ag、Au和Cu)相比，GO是一種具有疏水性的有機材料。如此，極有可能會提高PFAS在其表面上的加載親和力。因此，通過在GO膜上引入銀納米顆粒(AgNPs)以形成雙基底物，我們可以將AgNPs陣列的拉曼強增屬性與GO的高加載親和力結合起來，如圖4a～4d所示，以達到對PFAS進行有效檢測的目的[29]。同時，由于PFAS的拉曼活性一般都較低，我們有意地引入染料(Dye)來增強檢測信號。另一方面染料的選擇，也應該考慮到能夠增強PFAS的加載親和力，如圖4(e)所示。使用該方式，我們成功檢測了PFAS，包括PFOA、PFOS、6∶2 FTS，檢測限約為50 ppb(～120 nmol/L，相對PFOA而言)(圖4)，這是令人鼓舞的，并值得進一步研究。

圖4 SERS基底的掃描電鏡圖(a～d)和SERS檢測PFAS的示意圖(e)[29]。(a)通過納米球光刻技術制備的銀納米結構；(b)GO膜以及(c)它的剖面圖；(d)沉積于GO上的AgNPs。Fig.4 SEM images of the SERS substrates (a -d) and schematic drawing on the SERS detection of PFAS(e)[29].(a) silver nanostructure fabricated via nanosphere lithography；(b) GO film and (c) its cross-section view；(d) silver nanoparticle (AgNPs) deposited on GO film.

3.2 聚集誘導發(fā)光(Aggregation Induced Emission，AIE)

AIE是近年來由唐本忠院士提出并發(fā)展的一個全新研究領域。我們試圖將AIE應用到環(huán)境檢測中來，比如用來檢測PFAS，包括PFOA、PFOS和6∶2 FTS等表面活性劑，如圖5所示[34]。我們首先配制含有AIE分子和PFAS的丙酮水溶液。從該溶液中取一小滴液滴(1～2 μL)，并將其滴加到由載玻片制成的芯片中的小孔中，孔的體積和大小是固定的，如圖5a～5c所示。當該小液滴暴露在空氣中時，水和丙酮都會蒸發(fā)。但丙酮由于其高蒸氣壓，從而比水能更快地蒸發(fā)。因此，隨著溶劑體積的減小，AIE分子和PFAS的濃度在小液滴中逐漸增加，而水的百分比也隨之增加[34]。在到達某個階段時，PFAS表面活性劑的濃度高到一定程度，膠束就開始形成。該膠束提供了導致AIE分子聚集的疏水核，發(fā)光強度將顯著增強，如圖5a所示。

由于熒光強度是由AIE分子的濃度控制，而膠束的數(shù)量則是由PFAS的濃度控制的。因此，我們可以對干燥后的熒光點的密度進行計數(shù)，并將其與PFOA濃度聯(lián)系起來。也就是說，小液滴在芯片孔底部完全蒸發(fā)和干燥后(圖5d)，聚集的AIE分子具有熒光，其密度可以有效地與PFAS的濃度相關聯(lián)。因此，我們使用極其少量的PFAS樣品，在1 min內就能得到結果，從而開發(fā)出了一種簡單的芯片傳感器，用于PFAS檢測，檢測范圍為0.1～100 μmol/L(PFOA為41 ppm～41 ppb)。

圖5 AIE檢測PFAS示意圖(a～c)以及檢測結果(d)[34]Fig.5 Schematic of the AIE detection of PFAS(a -c) and the detection results(d)[34]

4 智能手機應用檢測(Smartphone -App)

科技發(fā)展到現(xiàn)在，很多檢測不必再局限于實驗室內進行，現(xiàn)場檢測不僅可行，而且變得越來越重要。最簡單的檢測，應該是類似于pH試紙，可以用肉眼來觀測顏色的變化，從而迅速獲取結果。這方面我們做了一些探索，用來檢測PFAS，例如astkCARETM的應用[21]。

理論上，包括PFOA/PFOS的PFAS都是陰離子表面活性劑。它們可以與大的陽離子染料(如亞甲藍或乙基紫)，相互作用形成“染料-PFAS”離子對。這種離子對一般疏水，因為它們的親水端，由于靜電相互作用而相互屏蔽，只有疏水端露在外圍。因此，這種離子對在水相中是不易溶的，這意味著它可以被有效地萃取到非水相中。由于染料的使用，被萃取后非水相的顏色也因此發(fā)生改變，圖6c中的分層后的上層溶液，從這層溶液顏色的深淺，可以得到PFAS的濃度信息。

我們試著使用智能手機攝像頭，通過自已編寫的astkCARETMApp[35]，檢測“染料-PFAS”離子對在非水相中的顏色變化，如圖6a所示。同時，我們用二次萃取來消除高濃度的無機離子背景的影響，如圖6(b～c)所示，不管樣品是來自自來水或是地下水。也就是說，在第一次的萃取中，有機相(在與水樣平衡之后，也就是圖6b中內插圖(左)的上層藍色溶液)將被轉移，“染料-PFAS”離子對隨之被轉移，而水相中的無機離子仍在水樣中，沒有被轉移。只有“染料-PFAS”離子對在有機相中被轉移，并被第二次萃取(與Milli-Q水平衡，dual-LPE)，以進一步把可能殘存的無機干攏離子“反萃”到Milli-Q水相中，即圖6b中內插圖(右)的下層藍色溶液。如此一來，第一次萃取的水樣中的無機干擾離子，仍然留在第一次萃取的水相中；接下來的非水相的轉移和二次萃取平衡，可以有效地消除任何潛在的背景干擾。我們的檢測將集中在二次萃取后的上層溶液，從而達到對PFAS進行現(xiàn)場檢測的目的，如圖6所示。我們的智能手機應用程序可以在10 ppb(～12 nmol/L，二次萃取約5 min)的檢測限下，檢測自來水/地下水中的PFAS，它有可能成為現(xiàn)場應用和普通實驗室測試的預篩選工具[35]。

圖6 PFAS檢測示意圖(a)、二次萃取(Dual -LPE)的App檢測結果(b)和效果圖(c)[35]Fig.6 Schematic drawing on the App detection of PFAS(a),(b)calibration cures and before and after image of Dual -LPE(e)[35]

上述測量事實上是針對陰離子表面活性劑，所以水樣中的其它陰離子表面活性劑會對PFAS的測量產生干擾，如日常生活中廣泛使用的洗滌劑(Detergent)；為了避免數(shù)據(jù)的假陽性問題，我們需要通過樣品預處理來去除這些干擾物質。近年來所發(fā)展起來的氟固相萃取(Fluoro -SPE)，可以在對目標物經過氟標記后，進行選擇性地萃取[37,38]。基于此技術，我們把用于預濃縮的固相萃取(SPE)和用于預選的氟固相萃取結合起來，成功實現(xiàn)了PFAS的選擇性檢測，如圖7所示[36]。

圖7 用氟固相萃取來提高選擇性[36]Fig.7 Fluoro -SEP towards selective enhancement of a smartphone App[36]

5 結論和展望

可以預見，國內外對PFAS的研究還將持續(xù)一段時間，雖說最終目的是治理和修復，但有效地檢測手段，將會對其提供評估和保障。而近年來所發(fā)展出的現(xiàn)場測量方法包括傳感器，將會是對傳統(tǒng)的實驗室HPLC-MS測量的一個有效補充。

我們也可以預見，在不久的將來，將會有更多的報道和更好的檢測方法，包括：(1)對PFAS的前體的有效檢測；(2)對短鏈PFAS的定量檢測；(3)對降解中間產物的檢測；(4)更簡潔有效地采樣和樣品制備，包括環(huán)境樣品、生物樣品、實驗室樣品等等；(5)全有機氟(TOF)的檢測和全PFAS家族的檢測；(6)對PFAS這一新型污染物的化學、物理性質及毒性的更為細致深入報道；(7)更有效的降解方法和對降解過程的監(jiān)控；(8)更大范圍內的PFAS的檢測和掃描。