使用Xevo™ G3 QTof质谱仪优化不稳定和稳定的全氟烷基或多氟烷基化合物(PFAS)混合物的离子源和传输参数

不稳定的化合物容易发生碎裂，因此难以通过质谱法进行分析。碎裂可能会在电离过程或离子传输期间发生，这种非期望的碎裂会影响分析结果，使数据解析变得更加复杂¹。

本研究考察了不同仪器参数对9种全氟烷基或多氟烷基化合物(PFAS)的母离子和碎片离子（如果存在）的离子强度的影响。标准品混合物包括具有不同物理性质的不同PFAS亚类，涵盖全氟烷基羧酸(PFCA)等不稳定物质和全氟烷基磺酸(PFSA)等更稳定的长碳链化合物。

本文首先研究了电喷雾电离(ESI)离子源参数的影响，接下来探讨了不同StepWave™ XS离子导入装置设置和低碰撞能量对每种研究化合物的影响。最后，保留离子计数最高且碎片离子/母离子比（%比率）最低的参数，并在碳链长度为4~18 (C4–C18)的多种PFCA上进行测试。

进行质谱分析时，对所有类型的质谱仪进行的方法优化都能够提高仪器的灵敏度。在本研究中，优化后的参数明显改善了离子传输并减少了PFCA的脱羧反应。改善的程度因PFCA的链长而异，PFBA (C4)和PFPeA (C5)等短链PFCA的离子强度增加至两倍，而对于PFOA (C8)等更长链的PFCA，离子强度提高了1.2倍。

优势

• 不同离子源参数对PFAS电离和源内碎裂(ISF)的作用
• 减少源内碎裂(ISF)，改善不稳定化合物的离子传输
• 提高不同类别PFAS的传输率，并改善完整分析物与碎片离子的比率
• 分析途径和方法适用于不稳定/易碎类别的化合物

液相色谱联用高分辨率质谱(LC-HRMS)是一种强大的技术，可用于分析小分子和大分子，提供有关分析物的定性和定量信息。电喷雾电离(ESI)可将在大气压力下从液相色谱中洗脱的带电分子转化为气态的离子。然后，这些分子离子会经历压力梯度和电位梯度，最终被导向质量分析器。因此，离子源的几何形状和参数至关重要，它们可以控制半挥发性溶剂的蒸发。此外，施加到离子光学元件的电位梯度对于离子在系统中的加速和传输至关重要。

使用LC-MS分析不稳定化合物会比较困难，因为它们容易在离子源中发生碎裂，导致源内碎裂(ISF)或在离子传输过程中碎裂。这些化合物容易发生碎裂与分子键的不稳定有关，在高温或苛刻的离子加速条件下分析时，不稳定的分子键很容易解离，使其检测和鉴定更具挑战性。这种非期望的碎片离子会影响分析质量并降低方法的灵敏度限值。此外，在发现工作流程中，这些非期望的碎片会增加未知峰的数量，从而增加发现工作流程的困难度¹。

PFAS是一类人造化合物，其特征在于含有多个连接到碳骨架的氟原子。目前，有超过15000种化合物被归类为PFAS²。 此类化合物中包括多个PFAS子类，例如全氟烷基羧酸(PFCA)、全氟烷基磺酸(PFSA)、氟调聚羧酸(FTCA)、全氟醚羧酸(PFECA)等³。 PFAS的全氟烷基部分改善了它们的物理性质，赋予它们许多理想的特性。因此，PFAS在许多方面均有应用，例如防污纺织品、食品处理材料、消防泡沫、医疗器械、油漆、建筑材料、个人护理产品、化妆品等等⁴。

本研究考察了Xevo G3 QTof的电离源和离子传输参数在全氟烷基或多氟烷基化合物(PFAS)分析中的作用，并强调了质谱仪的优化对于此类棘手化合物分析的重要性。图1为Xevo G3 QTof的结构示意图。突出显示的四个区域表示研究参数的区域。本研究使用一组共九种PFAS标准品进行优化，涵盖来自不同PFAS子类的不稳定和稳定化合物。最后，我们使用多种PFCA测试了优化后的参数。

样品前处理

所有PFAS标准品均购自Wellington laboratories，本实验首先针对9种标准品优化了采集方法（表1）。将各单标用甲醇制备成浓度为500 ng/mL的储备液，再使用甲醇:水(1:1) + 0.1%甲酸制备成10 ng/L的工作溶液。

然后使用甲醇:水(1:1) + 0.1%甲酸制得浓度为0.5 ng/L的PFCA溶液，扩大该方法的分析物范围（C4至C18），以此验证该方法。

软件工具

使用waters_connect™采集数据，并在UNIFI™应用程序（3.0.015版）中进行数据分析。

在LC-MS实验期间，分析物结构、电离源的几何结构和参数，以及MS离子光学元件的电压梯度对于改善分析物响应都非常重要。对于具有不同化学特性化合物的复杂混合物，理想的仪器参数（离子源参数和传输参数）应适用于分析稳定和不稳定的化合物。

在PFAS的不同子类中³，PFCA是在LC-MS分析期间很容易丢失一个二氧化碳分子的子类⁵。为了不影响更稳定的PFAS类化合物的传输，我们研究了离子源和传输参数对九种PFAS的混合物的影响，这九种PFAS代表了不稳定和稳定的类别。研究中考察了离子源参数和StepWave XS参数对两种PFCA（PFHxDA和PFODA）和一种PFECA (HFPO-TA)脱羧作用的影响。由于长链PFSA在电离和传输过程中具有的稳定性，因此本研究采用了长链PFSA。实验将Xevo G3 QTof分为四个区域（图1），测试了离子源和传输参数对离子强度和碎片（如果有）的影响。碎片离子/母离子比（%比率）按照公式1计算：

以下各段详细描述了每个测试参数对研究化合物的作用。

1. 离子源参数对不稳定PFAS的源内碎裂(ISF)的作用

ESI是一种软电离方法，但易碎裂的化合物仍有可能在此过程中发生源内碎裂(ISF)。苛刻的电离参数（例如高电压和高温）会导致不稳定化合物的ISF。例如，某些化合物在电离期间通常会失去一个水分子(-H₂O)。为改善不稳定PFAS的信号，我们使用包含不稳定和稳定PFAS标准品的混合物考察了不同离子源参数对ISF的作用，具体通过监测标准品和碎片离子的离子强度变化来完成。图2A展示了不同标准品的离子响应随离子源参数的变化。图2B为不稳定PFAS（HPFO-TA、PFHxDA和PFODA）的碎片离子/母离子比（%比率）。

降低毛细管电压会增加所有九种研究标准品的离子强度，同时使不稳定化合物的碎片离子/母离子比（%比率）保持恒定水平。锥孔电压和脱溶剂气流速对离子强度没有影响。但是，增加脱溶剂气流速后，PFODA与PFHxDA的%比率显著增加（图2B）。脱溶剂气流速对HFPO-TA的%比率影响较小，可归因于HFPO-TA是不同类别的化合物（图2B）。

锥孔气流速从50 L/h逐渐增加到300 L/h，发现所有九种被测化合物的离子强度在测量期间都发生了变化。当锥孔气流速为100 L/h时，强度最高。随着锥孔气流速从50 L/h增加到300 L/h，%比率增加。实验中观察到了不同的行为模式。对于长链PFODA，200 L/h流速下的%比率与300 L/h流速下的%比率相当，而PFODA的总体离子强度下降（分别为图2B和A）。PFHxDA与HFPO-TA的%比率与锥孔气流速增加直接相关（图2B）。增大锥孔气流速会增加PFHxDA和HFPO-TA的ISF，从而降低其总体离子强度。这表明，对于分子量较低的不稳定化合物，锥孔气流速是影响ISF的重要参数（图2A和B）。 

影响ISF的另一个关键参数是离子源温度。本研究测试了四种不同的离子源温度：85 °C、100 °C、120 °C和150 °C。将离子源温度从85 ℃升高至100 ℃后，大多数化合物的离子强度有所增加或保持在相当的值（图2A）。但是，离子源温度超过100 °C会导致离子强度下降，%比率呈现出类似的趋势。将离子源温度从85 ℃改变为100 ℃后，HFPO-TA、PFHxDA和PFODA的%比率显著提高，其中HFPO-TA的增加更为明显（图2A和B）。100 °C的最低离子源温度可确保高效脱溶剂化，同时尽量减少组分中不稳定部分的碎裂。

脱溶剂气温度可促进溶剂高效蒸发。通常情况下，LC流速越高，脱溶剂温度要求越高。本研究针对200~250 ℃之间的脱溶剂气温度进行了评估。对于所有被测化合物，将脱溶剂气温度从200 ℃提高至250 ℃后，离子强度显著增加（图2A）。虽然提高脱溶剂气温度对HFPO-TA的%比率几乎没有影响，但PFODA和PFHxDA（稳定的长链PFAS）的%比率有所增加（图2B）。

为了提高PFAS的离子强度，研究中对离子源参数进行了系统优化，结果表明，将毛细管电压从0.8 V降至0.5 V，并将脱溶剂气流速从600 L/h降至400 L/h可获得理想的脱溶剂效果，同时尽可能减少ISF。此外，根据目标化合物的不同，离子源温度在85 °C~100 °C之间可减少ISF。如果研究重点是短链PFCA的专属性化合物类型，建议离子源温度为85 °C，而对于长链PFAS，理想离子源温度为100 °C。锥孔电压、锥孔气流速和脱溶剂气温度均保留了初始设置（分别为10 V、100 L/h和250 °C）。 

2. StepWave XS参数优化

一系列离子光学元件有助于离子在系统中的传输。本节测试了三个不同参数对不稳定PFAS的离子强度和碎片离子的作用，包括离子源补偿、StepWave XS梯度主体和StepWave RF电压（分别为图1B和C）。

为研究源补偿对离子传输和所得响应的作用，实验针对源补偿电压以10 V增量从0 V增至40 V进行了考察。Xevo G3 QTof仪器的缺省离子源补偿值为30 V。StepWave XS测试的两个主要参数是梯度主体电压和StepWave RF电压。本研究评估了将梯度主体电压从缺省值10 V降低至5 V的影响。StepWave RF的缺省值为150 V，实验中评估了其他两个电压：50 V和100 V。这些参数对离子强度和%比率的作用分别如图3A和B所示。

将离子源补偿值从0 V更改为10 V后，所有测试标准品的离子强度均显著增加。离子源补偿值高于10 V时，离子强度略有下降（图3A）。离子源补偿对不稳定PFAS标准品碎裂的影响呈现相同的趋势（图3B）。将离子源补偿电压从0 V增加到10 V，不稳定化合物的离子强度和碎片离子强度均增加。10 V的离子源补偿值产生了最高的%比率。随着离子源补偿值的进一步增加，观察到的%比率略有下降（图3B）。相较于离子强度的下降，碎片离子的下降更为重要。本研究采用的离子源补偿值为20 V或30 V，这是实现出色离子传输与尽可能减少源内碎裂的可接受的折衷方案。

对于与StepWave XS相关的两个参数，将梯度主体电压从10 V降低至5 V对离子强度具有积极的影响。当梯度主体电压设置为5 V时，所有九种测试化合物的强度均增加。但是，%比率取决于化合物。HFPO-TA的%比率在5 V和10 V的梯度主体电压下保持相当（分别为10.7%和10.5%），表明改变梯度主体电压对HFPO-TA的碎裂几乎没有影响。然而，PFHxDA和PFODA的%比率则遵循不同的模式。将梯度主体电压从10 V降低至5 V后，PFHxDA的离子强度增加了约30%（图3A），PFHxDA %比率从6.5%增加至大约10%。这意味着较低的梯度主体电压可改善PFHxDA离子的传输效率，但对碎片离子无改善效果（图3）。相反，当梯度主体降低至5 V时，PFODA的传输增加了35%，而%比率从5.0%降至4.2%（图3B）。这意味着PFODA的离子传输率有所改善，其中对碎片离子有微小改善。两种PFCA之间%比率的差异可归因于碳链长度，PFHxDA由16个碳原子组成，而PFODA则由18个碳原子组成。PFHxDA和PFODA之间的行为差异提示了梯度主体电压对不同碳链长度的PFAS（特别是PFCA）的重要性。在本研究中，5 V的梯度主体电压足以使所有测试PFAS类别实现理想的离子传输。此外，降低梯度主体电压可产生足够大的离子加速度，使离子飞向分析仪，从而对碎片离子产生取决于化合物的影响。本研究测试了降低梯度主体电压对短链PFCA %比率的影响（第4段）。

在优化StepWave RF电压时，高RF电压等因素可能会引起离子加热，从而触发不稳定的离子碎裂。StepWave RF (SW RF)的缺省值为150 V，测试时采用了更低的 SW RF 电压。在所研究的9种化合物中，当SW RF值从50 V变为100 V时，有8种化合物的离子强度均略有增加，然后在150 V达到稳定水平（3:3 FTA除外）。3:3 FTA是混合物中最小的化合物，分子量(MW)为242.02 Da（图3A）。

对于不稳定化合物，PFHxDA和PFODA (PFCA)的%比率遵循相同的模式：碎裂随SW RF值的增加而增加。实际上，高SW RF值可能会提高离子加速度，从而诱导产生更多的碎片。令人惊讶的是，对于HFPO-TA，将SW RF从50 V增加至150 V时，该%比率从11%略下降至10.7%（图3B）。

综上所述，建议在PFAS分析中采用20-30 V的离子源补偿电压、5 V的梯度主体和100 V的SW RF。这些值可确保不稳定和稳定化合物（长链和短链PFAS之间）实现理想传输。

3. 低传输能量

碰撞室位于四极杆和传输透镜之间（图1D）。软件内缺省的低碰撞能量值为6 V，作为优化的一部分，我们评估了2~8 V范围内的电压（图4）。

将低CE电压从2 V增加到4 V时，所有被测的9种PFAS标准品的离子强度也增加。但是，当该电压从4 V增加到6 V，再增加到8 V时，可以观察到不同的强度曲线。当低CE值从2 V增加至8 V时，长链PFAS的离子强度增加。包括PFDoDS (C12)、PFTrDS (C13)、PFHxDA (C16)和PFODA (C18)。对于5:3 FTA (C8)、7:3 FTA (C10)、HFPO-TA (C9)和PFUnDS (C11)，母离子强度在6 V时更佳，然后在8 V时下降（图4A）。实验中观察到低MW化合物（包括5:3 FTA）的强度降低了25%（图4A）。对于混合物中MW最低的化合物3:3 FTA (C6)，离子强度在4 V下最大，然后在6 V时下降12%（图4A）。

在考察低CE对不稳定PFAS的影响时，HFPO-TA、PFHxDA和PFODA的%比率随低CE的增加而呈指数增加，其中PFHxDA的曲线更陡峭（图4B）。这意味着低CE对短链PFCA的碎裂具有重要影响。（图4B）。在此实验中，将低CE值从6 V更改为4 V减少了碎片离子，但没有影响长链和稳定PFAS类化合物的传输。

4. PFCA分析的初始方法与不稳定方法的比较

为证实上述发现，我们对更大的一组具有不同碳骨架链长度（4~18）的PFCA进行了研究。在实验期间，我们将初始方法设置（见方法段落）与不稳定方法进行了比较。后者由不稳定的采集设置组成，其中所有离子源和传输参数均根据上述结果进行了修改（第1至3段）。测试的参数汇总见表2，其中粗体所示为优化设置。

图5展示了六种PFAS标准品的离子强度。图5的A、B和C分别对应于HFPO-TA、PFHxDA和PFODA，这三种化合物在上一段介绍的优化测试中使用。图5中D、E和F对应的是短链PFCA；实验分别选择PFBA (C4)、PFPeA (C5)和PFOA (C8)确认对短链PFCA的离子响应改善。蓝色柱表示母离子强度，灰色柱表示相应的脱羧离子强度。蓝线（第二个y轴）表示%比率。图中所示值为三次连续测定的平均值，误差棒表示标准差。

本研究探讨了离子源和传输参数对多种线性PFCA标准品（C4至C18）的影响。图5选择性地展示了本研究测试的六种标准品，其中三种存在于优化混合物中（HFPO-TA、PFHxDA和PFODA），另外三种是短链PFCA PFBA (C4)、PFPeA (C5)和PFOA (C8)。使用不稳定方法和中间方法分析具有不同碳链长度的PFCA混合物时，所有PFCA标准品的离子传输都获得改善，脱羧反应减少。

通过修改离子源和调谐参数（不稳定方法详见表2），与初始参数相比，HFPO-TA、PFHxDA和PFODA的离子强度及%比率均有所提高（分别为图5A、B和C）。这种离子传输效率的改善（表现为碎片离子/母离子比降低），对于研究的所有PFCA均适用。不稳定方法所用的采集参数和调谐方法显著提高了所有测试PFCA（C4~C8）的强度，同时降低了%比率。短链PFCA（例如PFBA (C4)和PFPeA (C5)）的信号改善更为明显，两种化合物的离子强度均变为原来的2倍，%比率分别从142%和79%降至44%和20%（图5D和E）。重要的是，采用初始方法设置时，脱羧PFBA的丰度高于去质子化分子离子的丰度，采用经过优化的不稳定方法后，这一趋势得以逆转（图5D）。

去质子化PFOA (C8)的强度提高了20%，碎片离子/母离子比从41%降至4%，展示了优化离子源和传输参数对碎裂的重要性（图5）。

全氟烷基羧酸(PFCA)是一类难以通过质谱法分析的化合物，某些PFAS类别很容易发生碎裂。这种碎裂可能发生在电离过程（源内碎裂）或离子传输期间。因此，严密控制离子源和传输参数可减少非期望的脱羧反应并提高母离子的响应。本研究强调了优化离子源和传输参数对于减少不良碎裂的重要性。母离子强度的改善取决于化合物类别，PFCA的脱羧反应随不稳定方法设置的变化而降低。通过不稳定方法的调谐观察到短链PFCA（例如PFBA (C4)、PFPeA (C5)和PFHpA (C6)）的改善尤为明显。本研究中展示的方法可应用于其他类别的易碎裂化合物。

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