DESI MSI成像技术 — 混凝土中PFAS污染分析的全新解决方案

2023-05-17 14:06:26, 沃特世沃特世科技（上海）有限公司

全氟烷基物质和多氟烷基物质（PFAS）是B类水性成膜泡沫（AFFF）的主要成分，用于消防响应和培训活动。但在某些情况下，它们可能导致消防训练场（FTG）混凝土板中的PFAS受到污染。其中全氟辛烷磺酸（PFOS）和全氟己烷磺酸（PFHxS）是两种传统AFFF的成分。因此，受AFFF影响的FTG混凝土可能成为PFAS释放的次要来源。了解受AFFF影响的混凝土中PFAS的异质性和垂直分布对于风险管理和潜在修复非常重要。

有些研究使用不同方法来定量，以可视化混凝土芯片中不同深度处PFAS的分布情况，如钻样品、提取和色质谱（LC-MS/MS）分析等方法。目前认为，PFAS受AFFF的影响程度，可能与其使用频率、类型以及环境条件等因素有关。因此，了解PFAS在混凝土中的分布与代谢就需要先评估材料中的PFAS特异性和垂直分布。然而，由于混凝土基质的特殊性，使用之前描述的方法检测混凝土内部PFAS，检测分辨率会受到阻碍，进而影响检测结果。DESI MSI是一种成像技术，可以高分辨率表面成像化学物质。与真空基质辅助激光解吸电离（MALDI）仪器相比，DESI可以人工干预，以检查异常形状的样品，而MALDI则需非常平整的样本，这样它们才可以安全地加载，而不会在样品导入过程中损坏源的组件。虽然DESI MSI已经应用于各种化学物质、材料表面和生物样品中，但尚未在多孔介质（如混凝土）中得到广泛应用。因此，本研究评估了DESI在分析混凝土中PFAS方面的潜力。

图1. (A) 由 DESI MSI 测定的 PFOS（m/z 498.9306 ± 9.6 ppm）的光学成像。(B和C)分别由LC-MS/MS和对照样品测定的PFOS浓度。(D)照片显示混凝土样品（核心D₂和D）。全氟辛烷磺酸根据其离子强度可视化，并通过RMS归一化。色标的增加表示PFOS的离子强度从0%增加到100%。

图2. (A)由DESI MSI测定的全氟己烷磺酸（m/z 398.9387 ± 9.6 ppm）的光学图像。（B和C）分别通过LC-MS/MS和对照样品测定的PFHxS浓度。(D)混凝土样品（核心D₂和D）。全氟己烷磺酸根据其离子强度可视化，并通过RMS归一化。色标的增加表示PFOS的离子强度从0%增加到100%。

作者使用DESI MSI技术分析AFFF污染混凝土中PFOS和PFHxS化合物的实验结果。实验发现，分子离子[M-H]⁻的m/z值分别在498.9291和398.9355处实现，并且质量分辨率在145 K和158 K之间。PFOS和PFHxS的垂直分布轮廓显示出不同的状态（图1A和图2A），其中PFOS在混凝土切片顶部分布的强度最高，而PFHxS则在切片中部呈最高强度。DESI MSI数据显示PFHxS和PFOS的分布轮廓存在一些差异，比核心侧壁钻取LC-MS/MS数据具有更高的分辨率（图1B和图2B）。两种化合物的垂直分布与使用LC-MS/MS分析提取物的各自浓度分布完全一致（图1C和2C）。PFHxS的强度在核心D的1-4 cm深度和核心D2的2-6 cm深度处最大，而PFOS的峰值强度在两个核心的0-4 cm深度处最大。强度梯度从上到下递减。白色、粉色和红色区域代表所选PFAS的最高强度（图1和2）。虽然样品提取物的LC-MS/MS分析可能更灵敏，更适合绝对定量，但DESI MSI允许通过在表面区域生成像素大小为30-200 μm的分布图像进行更全面的分析。

本研究使用了DEPI MSI技术评估混凝土材料中PFAS的分布情况，并发现该技术具有潜力成为一种前景广阔且可靠的工具。相较于岩心钻探样品的LC-MS/MS分析，使用DESI MSI技术可以获得更高的空间分辨率（20 μm像素大小），从而更全面地了解PFAS在多孔介质中的分布情况。此外，通过结合LC-MS/MS绝对量化和DESI MSI高分辨率空间分布图数据，可以更深入地了解PFAS在混凝土中的垂直分布和相对丰度，揭示出AFFF影响混凝土芯中PFAS和其他相关化合物的分布情况。本研究认为，进一步的研究可能使DESI MSI能够独立使用，成为评估和表征AFFF影响混凝土或其他基质的有用技术。

这项研究强调了PFAS的DESI MSI将给具体管理和修复带来的好处。特别是DESI MSI揭示了混凝土的顶层是受污染最严重的，这可能会指导决定可能需要移除多少混凝土来修复受污染的场地。一旦被污染的层被移除，下层可以使用防水密封剂密封，以防止任何剩余的PFAS浸出。在检查配方中可能使用了受PFAS污染的混凝土的改良材料时，DESI MSI也体现出了它的应用潜力。除此以外，DESI MSI对混凝土的分析还很可能可以扩展到其他的有机化学物质，例如混凝土外加剂（例如超塑化剂和加气剂），如果它们添加的剂量不当，可能会在建筑施工期间和之后引起问题。

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