Characterization and Identification of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) in the Environment and Consumer Products via High-Resolution Mass Spectrometry and Oxidative Conversion

Abstract

Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS) bilden eine große Klasse von anthropogenen organischen Chemikalien und sind durch ihre Kohlenstoff-Fluor Bindungen gekennzeichnet. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie beispielsweise hoher chemischer Stabilität und die Fähigkeit Öl und Wasser abzuweisen werden sie in zahllosen Konsumprodukten sowie in industriellen Prozessen verwendet. Während in einer perfluorierten Verbindung alle C-H Bindungen durch C-F Bindungen ersetzt sind, sind polyfluorierte Substanzen nur teilweise fluoriert und weisen noch ein Kohlenwasserstoffanteil auf. Die perfluorierten Gruppen von PFAS, in der Regel Perfluoralkyl- oder Perfluoretherketten, sind in der Umwelt extrem persistent. Infolge dieser Persistenz in Kombination mit der umfangreichen Anwendung können PFAS überall in der Umwelt und auch im Menschen nachgewiesen werden. Während einige polyfluorierte Verbindungen in der Umwelt teilweise transformiert werden, bilden diese letztendlich persistente Endprodukte wie Perfluoralkylsäuren (PFAA). Daher werden diese Verbindungen auch Vorläufer oder Präkursoren genannt. Die schiere Anzahl an PFAS Einzelverbindungen macht ihren analytischen Nachweis zu einer großen Herausforderung. Da es sich bei PFAS um Industriechemikalien handelt ist die Verfügbarkeit von analytischen Referenzstandards nur sehr begrenzt. Deshalb ist für eine umfassendere Charakterisierung von PFAS in der Umwelt die Kopplung von chromatographische Techniken mit hochauflösender Massenspektrometrie (HRMS) erforderlich. Im ersten Teil dieser Dissertation wurden Methoden für eine Priorisierung und anschließende Identifizierung von PFAS in Umwelt- und Konsumproduktproben entwickelt und in ausgewählten Fallstudien validiert und angewandt. Da während des Non-Target-Screenings (NTS) große Datensätze generiert werden, ist eine effiziente Priorisierung notwendig um die zu untersuchenden Analyten von Hintergrundsignalen und anderen Substanzen zu isolieren. Im Falle von PFAS wurden deren intrinsische Eigenschaften genutzt, um sie von anderen Verbindungen in den HRMS-Datensätzen zu trennen. Der neuartige MD/C-m/C-Ansatz, der den chemischen Massendefekt (MD) und die Masse (m) auf die Kohlenstoffzahl (C) normiert, wurde mit ~490.000 chemischen Formeln aus einer Online-Datenbank evaluiert, um zu zeigen, dass eine breite Palette von PFAS in Gegenwart anderer Substanzen effizient von Nicht-PFAS getrennt werden kann. PFAS mit mindestens 55 Massenprozent Fluor, einem F/C-Verhältnis > 0,8 oder einem H/F-Verhältnis < 0,8 waren von anderen Verbindungsklassen trennbar, was das große Potenzial zur Entfernung ungewollter Verbindungen aus HRMS-Datensätzen zeigt. Um auch PFAS-Fragmentierungsspektren priorisieren zu können, wurden wichtige Fragmentmassendifferenzen (oder Neutralverluste) von häufigen PFAS bestimmt und zur Erkennung von MS/MS-Spektren und der finalen Identifizierung von PFAS in Extrakten von beschichteten Papieren und Böden verwendet. Dieser Ansatz wurde in Kombination mit anderen NTS-Techniken zur Identifizierung und Semi-Quantifizierung mehrerer neuartiger PFAS in einem hochgradig kontaminierten Boden aus Nordrhein-Westfalen verwendet, in dem über 70 PFAS nachgewiesen wurden, die zuvor auf diesem speziellen landwirtschaftlichen Standort unbekannt waren. Die Gesamtkonzentration der identifizierten PFAS wurde auf > 30 mg/kg geschätzt. Die Kontamination war fast vollständig von perfluorierten Verbindungen einschließlich von SF5-Perfluoralkylsulfonsäuren dominiert, was auf eine spezielle Kontaminationsquelle hindeutet. Abschließend wurden mehrere bestehende und hier entwickelte NTS-Techniken in einem Open-Source-Python-basierten NTS-Tool (PF∆Screen) kombiniert um eine herstellerunabhängige Priorisierung und tentative Identifizierung von PFAS in HRMS-Rohdaten zu ermöglichen. Die Funktionalität von PF∆Screen wurde mittels der Anwendung auf vier kontaminierte Böden aus Südwestdeutschland demonstriert, in denen über 80 PFAS einschließlich neuartiger Transformationsprodukte identifiziert wurden. Im zweiten Teil wurde eine photokatalytische Oxidationsmethode (PhotoTOP) entwickelt, die eine quantitative Umwandlung unbekannter Vorläufer zu ihren Endprodukten Perfluoralkylcarbonsäuren (PFCA) ermöglicht. Der PhotoTOP nutzt die Erzeugung von Hydroxylradikalen durch Bestrahlung von TiO2 (UV/TiO2) für die Umwandlung von Vorläufern in verschiedenen Proben und ist komplementär zum TOP-Assay (Total Oxidizable Precursors). Bekannte Vorläufer konnten quantitativ zu PFCA oxidiert werden und es war möglich die Perfluoralkylkettenlängen der oxidierten Vorläufer fast vollständig zu erhalten. Dies ermöglicht die Vorhersage der Kettenlängen unbekannter Vorläufer und wurde mittels Oxidation bereits charakterisierter PFAS-beschichteter Papierproben demonstriert. Ein zweiter vielversprechender Vorteil des PhotoTOP ist die Abwesenheit jeglichen Salzgehalts, was die anschließende Probenvorbereitung vereinfacht und insbesondere die Direktinjektion mit Elektrosprayionisation ermöglicht. Abschließend wurde der PhotoTOP mit komplementären Methoden wie dem direkten TOP-Assay, der Hydrolyse (Total Hydrolysable Precursors) sowie Fluorsummenparametern (Extrahierbares organisches Fluor und Gesamtfluor; gemessen von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)) verglichen, um nicht extrahierbare fluorierte Seitenkettenpolymere (SFPs) in funktionellen Textilien zu charakterisieren. Es konnte gezeigt werden, dass mehrere Textilien hohe Konzentrationen an kurz- und langkettigen Perfluoralkyl-Seitenketten enthielten, die nicht extrahierbar waren und daher ohne vorherige chemische Umwandlung nicht direkt über Massenspektrometrie zugänglich sind.

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are a large group of anthropogenic organic chemicals that are characterized by their carbon fluorine bonds. Due to their unique characteristics that include high stability, oil- and water-repellent properties and more, they are used in countless consumer products and industrial processes. While in perfluorinated compounds every C-H bond is substituted by a C-F bond, polyfluorinated compounds are only partially fluorinated and consist also of a hydrocarbon part. The fully fluorinated moieties of PFAS, usually perfluoroalkyl or perfluoroether chains, are extremely persistent in the environment. As a result of this persistence combined with the extensive use, PFAS can be detected everywhere in the environment as well as in humans. While some polyfluorinated compounds are partially transformed in the environment, they eventually form persistent end products such as perfluoroalkyl acids (PFAAs) which is why they are also referred to as precursors. The sheer number of individual PFAS makes their analytical detection very challenging. Since PFAS are industrial chemicals, the availability of reference standards is limited. Therefore, chromatographic techniques coupled to high-resolution mass spectrometry (HRMS) are necessary for a more comprehensive characterization of the PFAS in the environment. In the first part of this dissertation, methods for a prioritization and subsequent identification of PFAS in both environmental and consumer product samples were developed and validated in selected case studies. Since during so-called non-target screening (NTS), large datasets are acquired, an efficient prioritization is crucial to isolate the analytes of interest from background signals and other detected compounds. In case of PFAS, their intrinsic properties were used to separate them from other organic compounds in the HRMS datasets. The novel MD/C-m/C approach that uses the chemical mass defect (MD) and the mass (m) normalized to the carbon number (C) was theoretically evaluated with ~490,000 chemical formulas from online database to show that a wide range of PFAS can efficiently be separated from non-PFAS in the presence of other substances. PFAS with at least 55 mass percent of fluorine, a F/C ratio > 0.8, or a H/F ratio < 0.8 were separable from other compound classes showing the great potential to remove unwanted compounds from HRMS datasets. To also prioritize PFAS fragmentation spectra, important fragment mass difference (or neutral losses) of common PFAS were determined, evaluated, and used to detect MS/MS spectra and identify PFAS in both extracts of coated papers and soils. This approach, combined with other NTS techniques was used to identify and semi-quantify several novel PFAS in a highly contaminated agricultural soil from north-western Germany where over 70 PFAS were detected that were previously unknown on this site. The total concentration was estimated to be > 30 mg/kg total identified PFAS. Furthermore, the contamination was almost entirely dominated by perfluorinated compounds including SF5-perfluoroalkyl sulfonic acids which indicated a unique source of contamination. Eventually, several existing and here developed NTS techniques were combined into PF∆Screen, an open-source Python-based NTS tool for a vendor-independent prioritization and partial annotation of PFAS in HRMS raw data. The functionality of PF∆Screen was demonstrated by its application to four contaminated soils from south-western Germany where over 80 PFAS were identified including novel transformation products. In the second part, a photocatalytic oxidation method (PhotoTOP) was developed that allows the quantitative conversion of unknown precursors to their terminal end products perfluoroalkyl carboxylic acids (PFCAs). The PhotoTOP uses the production of hydroxyl radicals from irradiation of TiO2 (UV/TiO2) for the conversion of precursors in different samples and is complementary to the total oxidizable precursor (TOP) assay. Known precursors could be quantitatively oxidized to PFCAs and the PhotoTOP was shown to be able to almost completely conserve the perfluoroalkyl chain lengths of the oxidized precursors. This allows the prediction of chain-lengths of unknown precursors and was demonstrated by oxidation of pre-characterized PFAS-coated paper samples. A second promising advantage of the PhotoTOP is the absence of salts which simplified subsequent sample preparation and makes further direct injection with electrospray ionization MS possible. To this end, the PhotoTOP was compared with the performance of complementary methods such as the direct TOP assay, hydrolysis (total hydrolysable precursors) and fluorine sum parameters (extractable organic fluorine and total fluorine; measured by the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM)) to characterize non-extractable side-chain fluorinated polymers (SFPs) in functional textiles. It was shown that several textiles contained high concentrations of short and long-chain perfluoroalkyl side chains that are not extractable and therefore not amenable to mass spectrometry without prior chemical conversion.