PFAS 在水樣分析中的檢測與去除策略
樣品處理及零污染工作流程的關鍵
全氟/多氟烷基物質 (PFAS) 作為自 1950 年代以來被廣泛使用的「永久化學物質」，其在環境中的廣泛分佈和潛在毒性，使其成為近二十年來全球環境與健康監管的焦點。由於監管要求檢測的濃度已達 ng/L (ppt) 的超痕量等級，對實驗室而言，精確的檢測與定量 (LC-MS/MS) 成為確保水質安全的首要挑戰。
本文旨在探討水樣中 PFAS 的規範及檢測，包括飲用水、地表水、廢水，並探討如何優化實驗流程並確保法規符合性。
內容大綱
PFAS 是什麼？
PFAS (Per- and polyfluoroalkyl substances) 是一大類人工合成的氟化脂肪族化合物，由於其具有高度穩定性，被廣泛用於消費品和工業領域。PFAS 涵蓋超過10,000種化合物，常見且受到嚴格監管的代表性化合物包括：全氟辛酸 (PFOA)、全氟辛烷磺酸 (PFOS)、全氟壬酸 (PFNA)、全氟己烷磺酸 (PFHxS) 等。
PFAS 因具有極高的熱穩定性和化學穩定性，能夠抵抗水、脂質、高溫、光照和微生物降解 (degradation)，因此自 1950 年起就被廣泛應用於消費品與工業領域。然而，這種極端的持久性 (persistence) 使PFAS在環境中難以分解，並易於累積於生物體內 (bioaccumulation)。因此，PFAS被稱為「永久化學物質 (forever chemicals)」，且屬於受國際管制的持久性有機污染物質 (Persistent Organic Pollutants, POPs) 的一員。
PFAS 的應用、來源
PFAS 因其疏水性、疏油性和表面活性劑 (surface-active agents) 特性，被廣泛應用於多種產品中：
- 工業用途：消防泡沫 (firefighting foams)、半導體製程、特用化學材料等。
- 消費性產品：防污地毯 (stain repellents)、防水衣料、食品包材、不沾鍋具、化妝品、油漆等。
這些含 PFAS 的消費性產品、製造場所、廢棄物 (如垃圾掩埋場) 以及使用過程的釋放，都是 PFAS 進入環境 (水、土壤、底泥) 及汙染的可能來源。
PFAS 的健康與致癌風險
PFAS 的持久性也導致它在環境中廣泛分佈，更可透過環境污染進入食物鏈 (food supply) 進而出現於人類和生物體中。人體主要的暴露來源是食物攝入，過量的 PFAS 可能導致一系列健康問題及致癌風險，包括：
- 代謝與器官：膽固醇升高、肝酵素升高、甲狀腺疾病等。
- 免疫與生殖： 免疫系統抑制、降低生育能力、新生兒神經發育及生殖功能障礙等。
- 致癌風險： 國際癌症研究署 (IARC) 已將 PFOA 列為 Group 1「人類致癌物」，將 PFOS 列為 Group 2B「人類可能致癌物」。
為減少持久性有機污染物質 (POPs) 的危害，國際間自 2009 年起簽署《斯德哥爾摩公約》，逐步將 PFAS 與相關化合物列入管制範圍，目的在於管制並消除 POPs 造成的環境汙染。
延伸閱讀：固食品中PFAS的檢測：QuEChERS最佳前處理
為什麼世界各國開始關注 PFAS？新興的環境挑戰
雖然 PFAS 這類物質已被廣泛應用數十年，但在過去的二十年中，人類對於這些化合物在環境的行為及毒理學效應有更深入的了解。
PFAS 的某些亞類 (subgroups of PFAS) 表現出的關鍵特性使其成為全球監管的焦點：
- 可能在生物體內累積 (bioaccumulation)：存於食物鏈而出現在人類和動物的血液、組織中。
- 在水、土壤和空氣中具有高流動性 (high mobility)：導致 PFAS 在全球範圍內廣泛分佈。
- 長距離輸送潛力 (long-range transport potential)：在偏遠的極地地區也發現 PFAS 的蹤跡。
- 對人類和環境產生影響的毒理學效應 (eco-, toxicological effects)：許多研究已證實 PFAS 對環境及健康的影響，且多地的監測濃度已超過潛在風險值。
- PFAS 飲用水相關法規及標準
針對 PFAS，全球監管趨勢日益嚴格，各國對地表水及地下水的 PFAS 也制訂相關限值。
而針對飲用水，美國、歐盟和台灣等地區均已制定或正在制定飲用水及環境水質的 PFAS 標準，如下表所示：
| 機構 | 法規/標準 | 法規最大限值 (MCL) / 健康建議或指引值 |
| 臺灣環境部 | 飲用水水質標準 | PFOA + PFOS ≤ 50 ng/L |
| PFOS + PFHxS ≤ 70 ng/L | ||
| 美國環保署 (US EPA) | National Primary Drinking Water Regulations (NPDWR) | PFOA ≤ 4 ppt (ng/L) |
| PFOS ≤ 4 ppt | ||
| PFHxS ≤ 10 ppt | ||
| PFNA ≤ 10 ppt | ||
| HFPO-DA ≤ 10 ppt | ||
| 2種以上混合物*：Hazard Index ≤ 1 | ||
| 歐洲環境署 (EEA) | Drinking Water Directive (DWD) | PFAS總量 ≤ 0.5 µg/L (500 ng/L) |
| 20種PFAS總合 ≤ 0.1µg/L (100 ng/L) | ||
| 世界衛生組織 (WHO) | WHO draft (草案) | PFOA ≤ 100 ppt (ng/L) |
| PFOS ≤ 100 ppt |
* US EPA 混合物定義：針對含有兩種或兩種以上的 PFHxS, PFNA, HFPO-DA 和 PFBS 混合物，需使用危害指數 (Hazard Index, HI)。
▲飲用水 PFAS 各國基準值 圖片來源：環境部全球資訊網
PFAS 水樣檢測步驟
由於 PFAS 的毒性風險及極低濃度檢測需求 (ppt級別) ，檢測方法通常以液相層析串聯質譜法 (LC-MS/MS) 為核心。為了達到低檢測極限 (LOQ) 和高準確性，且通常需要先進行固相萃取 (SPE) 以濃縮樣品並去除基質干擾。
PFAS 水樣分析通常遵循如 US EPA Method 1633 或 EPA Method 533/537.1等國際方法。下以「水中全氟與多氟烷基物質檢測方法－液相層析串聯式質譜儀法」(NIEA W542.52B) 為例，通常水樣 PFAS 檢測主要分為4大步驟：
1. 樣品採集及準備 (Sample Collection and Preparation)
使用聚丙烯 (PP) 或聚乙烯 (PE) 材質的樣品瓶進行採集，應避免使用玻璃材質樣品瓶進行採集，以免 PFAS 吸附玻璃表面。NIEA W542.52B指出在樣品前處理前，應添加中間內標準品溶液。
2. 樣品萃取與濃縮 (Extraction and Concentration)
• 直接注入法：對於乾淨基質，可採直接注入法，或搭配離心及過濾進行處理。
• 固相萃取法：對於複雜基質或當目標物濃度過低時，可透過固相萃取 (SPE) 將大體積水樣中的 PFAS 濃縮，以達到低檢測極限。最後沖堤液 (eluate) 以氮氣吹乾裝置 (nitrogen evaporator) 濃縮至乾或近乾，以甲醇回溶並定量。
| CNW 固相萃取裝置 - 一次處理 12 / 24 個樣品，高效率前處理 - 全套真空控制，確保穩定流速 - 獨立流量閥，提升萃取一致性 - 高耐化性材質，適用多種溶劑 - 可調式試管架，彈性支援多容器 CNW 固相萃取裝置 (12孔) CNW 固相萃取裝置 (24孔) | |
| CNW 固相萃取裝置 |
* SPE 管匣：建議使用 Waters Oasis WAX 150 mg、Waters Oasis WAX Plus 225 mg 或同級品。
3. 樣品淨化 (Clean-up) – 選擇執行
如果樣品中存在干擾物質，必須使用適當的前處理程序去除干擾，如淨化步驟。如 US EPA Method 1633 在萃取後添加 Supelclean™ ENVI-Carb™ 塊狀吸附劑進行分散淨化，隨後離心過濾以降低對 LC-MS/MS 分析的影響
4. 分析與定量 (Analysis and Quantification)
選擇 PFAS 分析適用管柱 (column) 以確保分離效率和解析度，並使用高效液相層析儀耦合串聯質譜儀 (LC-MS/MS) 進行分析。定量通常透過比較待測物與內標準品校正過程損失及基質效應，從而提高準確性。
* 層析管柱：建議使用 ACQUITY UPLC HSS T3 管柱，1.8 μm（粒徑），2.1 mm（內徑）× 100 mm（長度）或同級品。
PFAS 檢測注意事項：污染預防至關重要
PFAS 的極端持久性 (persistence) 和無處不在的特性，意味著實驗室必須實施零污染工作流程，以避免交叉污染或背景污染，這在痕量分析中尤為重要。
1. 容器及設備：
• 應使用聚丙烯 (Polypropylene, PP)、高密度聚乙烯 (HDPE) 材質容器，使用前以甲醇潤洗並風乾。
• 應避免使用玻璃材質容器及移液管，避免 PFAS 吸附到玻璃表面影響結果。
• 上機分析時，應使用 PP 或 PE 材質的 vial 瓶。
2. 溶劑與水質：
• 必須使用經過 PFAS 測試的高純度 LC-MS 級溶劑。
• 實驗用水必須使用超純水 (如Milli-Q® 水純化系統)，確保水中無可檢測的 PFAS。
3. 避免使用含氟材料：
• 檢測過程中應嚴格避免使用含氟聚合物的耗材及設備，如 PTFE、FEP 等。
4. 控制儀器系統污染：
• 由於 LC 系統的幫浦、管線本身可能釋放 PFAS 背景污染，必要時建議安裝 PFAS 遲滯管柱 (delay column) 來延緩儀器背景中的 PFAS，降低干擾。
相關產品：
Rocker 400C PTFE 鍍膜耐腐蝕真空幫浦
Chemker 300 耐腐蝕真空幫浦
CNW 固相萃取裝置 (12孔)
CNW 固相萃取裝置 (24孔)
參考文獻
- USEPA: Final PFAS National Primary Drinking Water Regulation
- EEA: PFAS pollution in European waters
- PFOS and PFOA in Drinking-water: Background document for development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality
- 水質保護網：從生活到飲水，你需要認識的PFAS
- Method 1633A, Analysis of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) in Aqueous, Solid, Biosolids, and Tissue Samples by LC-MS/MS
- 水中全氟與多氟烷基物質檢測方法－液相層析串聯式質譜儀法」(NIEA W542.52B)
常見問題 (FAQ)
Q1: 生活環境中會有全氟烷基化合物 (PFAS) 嗎？
A1: 多國調查報告皆指出，環境中確實有 PFAS 的存在。PFAS 被廣泛使用於防水、防油、防沾的民生用品、食品包裝及特用化學領域，並經由相關製程、使用過程、廢棄物釋放至生活環境中，因此它廣泛散布在河水、海水、底泥、土壤、空氣、灰塵及食物中。
Q2: PFAS分析只適用於飲用水嗎？
A2: 否。 PFAS 已在多種基質中被檢出，包括：環境水樣 (地下水、地表水、廢水)、固體基質 (土壤、污泥、生物組織)、食品及飲料 (瓶裝水、海鮮、牛奶、禽畜肉類和農產品) 等。 但本文僅針對水樣中的 PFAS 檢測流程進行說明，後續文章將深入探討食品中 PFAS 的檢測。
Q3: 可以透過煮沸去除水中的 PFAS 嗎？
A3: 不能，這些化學物質無法透過加熱或煮沸去除。
Q4: 幫浦及固相萃取裝置是否會造成樣品汙染？
A4: 是的，國際及國內 PFAS 檢測法規中均明確指出汙染風險：「汙染可能來自溶劑、試劑、玻璃器皿、樣品處理過程中所使用的硬體設備、LC 系統組件」，並指出請避免使用含氟聚合材料。為了確保低至 ppt 級別的檢測準確性，必須從源頭隔絕污染。因此在固相萃取 (SPE) 時，應使用不含 PTFE (PTFE-free) 的固相萃取裝置 (SPE Vacuum Manifold)，並搭配遲滯管柱來淨化 LC 系統的背景 PFAS，以建立可信賴的零污染工作流程。