PFAS的质谱分析与人群暴露模式综述
1. 研究背景
PFAS是普遍存在的持久性环境污染物，因其潜在健康风险备受关注，人体生物监测对评估其健康影响至关重要，质谱分析技术在其中发挥关键作用，但面临诸多挑战。本研究旨在全面综述PFAS的质谱分析方法及其在全球人群中的暴露模式，为相关研究和监管提供参考。
2. PFAS分析方法
2.1分析方法进展
EPA开发的方法为PFAS分析奠定基础，如EPA1633用于多种环境基质，但PFAS生物分析尚无国际公认标准。目前，多种基于质谱的方法用于生物基质分析，且不同方法不断更新优化（表1、表2）。
2.2样品采集
- 存储条件优化：生物样品采集需遵循一定原则，存储条件应根据样品类型优化，一般短期存储（28天内）温度为0 - 6°C，长期存储宜低于 - 20°C且避光，避免使用含氟材料。
- 合适基质选择：选择合适的人体基质对准确评估PFAS暴露至关重要。血清和血浆常用于大规模生物监测，因其实际操作优势；非侵入性基质（如尿液、头发、母乳）虽便于收集，但各有局限性。例如，尿液适用于监测短链PFAS，但对长链PFAS评估能力有限；头发易受外部污染且难以检测高挥发性PFAS；母乳中PFAS水平不能准确反映孕前母体暴露情况。
2.3样品制备
- 蛋白沉淀（PPT）：PPT是常用预处理方法，通过有机溶剂或酸改变蛋白与基质的相互作用，使其变性沉淀，再离心或过滤取上清液分析。乙腈是常用PPT溶剂，常添加甲酸助溶，此方法简单快速，但单独使用可能降低分析灵敏度，常与其他技术联用并需优化。
- 液液萃取（LLE）：LLE基于两种互不相溶溶剂分离分析物，常用于生物样品制备，具有快速、简单、通用性强的特点。甲基叔丁基醚（MTBE）是PFAS分析中最常用的LLE溶剂，常与其他预处理方法结合提高效率。然而，该方法需大量有机溶剂，对环境不友好，且新的离子对液液萃取（IP - LLE）技术在提高萃取效率方面有进展。
- 固相萃取（SPE）：SPE因溶剂用量低、选择性好，在PFAS生物基质分析中广泛应用。其通过固相吸附剂选择性保留目标分析物，实现分离和浓缩，提高分析灵敏度和选择性。弱阴离子交换（WAX）和亲水亲脂平衡（HLB）SPE柱常用于PFAS提取，不同柱子对不同链长PFAS性能有差异。在线SPE可提高重现性，但系统设计复杂，存在色谱问题，且SPE柱污染可能影响结果，部分研究成功将PPT与在线SPE联用改进分析过程。
2.4仪器分析技术
- 液相色谱串联质谱（LC - MS/MS）：LC - MS/MS是PFAS靶向分析的常用方法，在国际分析标准中广泛应用。它可有效分离中性和离子PFAS，提高灵敏度，三重四极杆系统在复杂生物基质中靶向分析效果好，ESI负模式常用于PFAS分析，离子阱质谱仪可用于结构解析。但该方法受基质效应影响，可通过同位素标记内标和基质匹配校准策略应对。
- 高分辨质谱（HRMS）：HRMS在PFAS非靶向分析中愈发重要，可检测已知、未知和新兴PFAS，提供更全面的污染和风险评估。QTOF和Orbitrap等HRMS仪器广泛用于人类样品的非靶向PFAS分析，能鉴定出多种新型PFAS，有助于探索其潜在健康风险。
- 气相色谱质谱（GC - MS）：GC - MS适用于挥发性PFAS分析，如氟调聚物醇（FTOHs）等，但对低挥发性和高极性PFAS（如PFOA和PFOS）需衍生化或采用其他技术。尽管其适用性有限，但在特定PFAS分析中仍有成功应用，可作为LC - MS/MS的补充方法。
Fig. 1. Major challenges in PFAS analysis in human matrices based on mass spectrometry and approaches to overcome these challenges.
2.5分析考量因素
- 空白基质获取挑战：PFAS广泛存在，人体样本中难以获取真正零空白信号的未暴露标本，这给定量分析带来困难。动物基质（如牛血清、血浆）或人工血浆常被用作替代空白基质，但这些替代基质可能存在低水平PFAS污染，使用时需评估潜在问题，如特定PFAS的存在和实验室污染，以提高定量准确性。
- 仪器PFAS浸出问题：PFAS在实验室环境中普遍存在，为减少其对生物样品分析的干扰，美国EPA强调在实验室中更换聚四氟乙烯（PTFE）溶剂管线为聚醚醚酮（PEEK）替代品。在使用液相色谱（LC）仪器分析PFAS时，安装延迟柱可有效减轻仪器组件中PFAS的浸出。此外，仪器和实验室器具制造商提供的低PFAS空白水平产品（如Waters公司的ACQUITY UPLC I - Class PLUS系统和Thermo Scientific™ Vanquish™ UHPLC系统）以及无PFAS溶剂、样品瓶和仪器组件的使用，有助于提高PFAS定量的准确性。
3. PFAS暴露趋势评估（全球队列研究）
3.1研究重要性
长期生物监测研究对于深入理解PFAS在人类群体中的暴露趋势、污染动态变化、监管措施的实际成效以及潜在健康影响具有不可替代的关键意义。通过持续追踪和分析PFAS在不同人群中的暴露情况，能够为制定科学合理的环境政策、采取有效的干预措施以及保障公众健康提供坚实的科学依据。
Fig. 2. Global monitoring of PFOS, PFOA, and PFHxS concentrations in human serum by LC-MS/MS: A 15-year sampling period (2009 – 2024)
3.2研究发现
- 分析方法和检测物质：在对2019 - 2024年期间全球范围内开展的77项相关研究进行全面综述后发现，液相色谱串联质谱（LC - MS/MS）技术在PFAS分析中占据主导地位，高达90.9%（70项）的研究采用了该方法。其中，全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）成为所有研究中的重点关注对象，无一例外均对其进行了深入调查分析。此外，全氟己烷磺酸（PFHxS）也在大部分研究（69项，89.6%）中被频繁研究。这些物质之所以备受关注，是因为它们在PFAS家族中具有典型性和代表性，且已被证实与多种不良健康效应存在关联。
- 研究人群和地区：研究人群分布显示，特定脆弱人群成为研究重点，其中孕妇、母亲、婴儿和儿童等群体受到了较多关注，占研究总数的44.2%（34项）。这主要是由于这些人群对PFAS的敏感性较高，暴露可能对其生长发育和健康产生更为严重的影响。从研究的地理分布来看，呈现出明显的不均衡性，主要集中在中国（26项，33.8%）和美国（12项，15.6%），而其他地区的研究相对较少。这种地理偏差可能导致对全球PFAS暴露情况的认识不够全面，无法准确反映不同地区人群的真实暴露水平和健康风险。
- 区域差异
- PFAS分布模式：对美洲、亚太和欧洲地区的研究数据进行深入分析后发现，PFOS、PFOA和PFHxS在不同地区的分布模式存在显著差异。在美洲地区，多项研究表明PFOS的浓度最高，其在环境中的持久性、生物蓄积性以及历史上的广泛应用可能是导致这一现象的主要原因。尽管当前已有相关法规对其进行限制，但高浓度的PFOS仍然持续存在，这可能暗示着过去的大量使用对环境造成了长期而深远的影响，且可能与历史上航空航天和电子制造等行业的广泛应用密切相关。亚太地区的研究数据显示，PFOA浓度相对较高，这可能与该地区快速的工业化进程、法规实施的相对滞后以及大规模制造业设施带来的潜在环境污染有关。此外，亚太地区独特的气候条件（如热带气候）以及海洋污染和PFAS通过海洋途径的生物蓄积作用，也可能对PFAS的分布产生影响。欧洲地区的研究结果则显示，PFAS浓度整体相对较低，这可能得益于该地区多个国家实施的更为严格的监管政策，有效限制了PFAS的生产和使用，从而降低了其在环境和人体中的暴露水平。
- 暴露模式差异：进一步分析各地区内主要PFAS的浓度差异发现，在美洲地区，PFOS浓度显著高于PFOA和PFHxS，且PFOA和PFHxS浓度较为接近，这表明PFHxS在环境监测和健康评估中应受到与PFOA同等程度的重视。同时，对美国人群PFAS暴露水平的长期监测数据显示，PFOA、PFOS和PFHxS的浓度呈现出明显的下降趋势，这可能与行业自律（如3M公司自2000年开始限制PFOS及相关化合物的生产）和政府监管措施（如美国EPA的2010/2015 PFOA管理计划）的共同作用密切相关。在亚太地区，PFOS同样是主要的PFAS污染物，其浓度显著高于PFOA和PFHxS，但PFOA的浓度也不容忽视。该地区PFHxS浓度相对较低，可能是由于其作为PFOS和PFOA替代品的使用时间相对较短，在环境和人体中的积累水平尚未达到较高程度。在欧洲地区，PFOS浓度明显高于PFOA和PFHxS，与美洲和亚太地区的趋势相似，进一步证实了PFOS在全球范围内的重要污染地位。
综上所述，全球队列研究在PFAS分析方法、研究人群和地区分布以及区域暴露差异等方面取得了重要发现，但研究的不均衡性和局限性也亟待解决，未来需要开展更广泛、更深入的研究，以全面揭示PFAS在全球范围内的暴露趋势和健康影响。
4. 结论与展望
4.1分析方法价值与挑战
质谱分析方法在PFAS生物监测中广泛应用，有助于评估PFAS与健康风险的关联，但PFAS的广泛暴露和实验室背景污染给准确量化带来挑战，建议使用替代空白基质并监测背景PFAS水平。
4.2暴露评估现状与不足
PFAS暴露模式在不同人群和地区存在差异，当前研究存在地理偏差（主要集中于中国和美国）和缺乏标准化分析协议（如无EPA指南）等问题，未来需开展更多大规模、长期队列研究。
5. 研究局限
- 未进行系统综述，可能未涵盖所有相关研究。
- 主要关注非挥发性PFAS，GC - MS分析挥发性PFAS方法未全面涉及。
- 生物监测数据集中于近五年，可能忽略早期重要研究。
- 区域比较研究数量有限（仅基于28项研究），可能无法完全代表全球PFAS暴露模式。
Kee, K. H., Seo, J. I., Kim, S. M., Shiea, J., & Yoo, H. H. (2024). Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS): Trends in mass spectrometric analysis for human biomonitoring and exposure patterns from recent global cohort studies. Environment International, 194, 109117.
