常壓直接離子化-離子遷移譜法快速篩查玩具中4種初級芳香胺

陳 萌， 郭項雨， 操 衛(wèi)， 李 燾， 白 樺,王鵬龍， 雷海民*， 馬 強*

(1.中國檢驗檢疫科學(xué)研究院，北京 100176；科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會2.北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院，北京 100029)

近年來，隨著玩具產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和玩具需求的不斷增大，玩具的安全性逐漸成為消費者和社會輿論關(guān)注的熱點問題，玩具產(chǎn)品也是各國法律法規(guī)要求最為嚴格的產(chǎn)品之一。初級芳香胺(Primary Aromatic Amines,PAA)是一類毒性較強的致癌物質(zhì)，可通過皮膚、胃腸道和呼吸道進入人體，進而引發(fā)人體輸尿管癌、腎癌、膀胱癌等惡性疾病[1]。因此，歐洲議會和歐洲聯(lián)盟委員會在2002/61/EC與2003/3/EC指令中，規(guī)定了多種芳香胺為受限制的危險物質(zhì)，并且禁止銷售能產(chǎn)生禁用芳香胺的商品。我國也對染料產(chǎn)品[2]、化妝品[3]、卷煙[4]等商品中有害芳香胺的限量或遷移量制定了相應(yīng)的檢測標準。由于在玩具的原料加工以及生產(chǎn)控制等方面的原因，可能導(dǎo)致初級芳香胺在玩具中有一定的殘留，而這些有毒有害物質(zhì)可通過吞咽、舔食、皮膚接觸、眼睛接觸、吸入等方式進入兒童體內(nèi)，嚴重威脅兒童健康。歐盟EN-71玩具安全標準中規(guī)定，手指畫顏料等玩具中不得檢出2-萘胺、聯(lián)苯胺等初級芳香胺[5]。

目前，測定初級芳香胺的方法主要有高效液相色譜法(HPLC)[6]、高效液相色譜-質(zhì)譜法(HPLC-MS)[7]、氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)[8]等。這些方法各有優(yōu)點，例如能夠?qū)崿F(xiàn)多殘留的痕量分析、確證性好、抗干擾能力強等，但大都儀器笨重、操作繁瑣，需要復(fù)雜的前處理過程，無法滿足現(xiàn)場快速篩查和分析通量的需要。離子遷移譜(Ion Mobility Spectrometry,IMS)的技術(shù)原理是氣相分子-離子的反應(yīng)和根據(jù)電場中遷移率的差異進行離子的分離和測定。除了傳統(tǒng)的離子遷移譜(時間分離譜)以外，還先后出現(xiàn)了開放氣路式離子遷移譜(空間分離譜)和場離子譜等多種技術(shù)。離子遷移譜也可稱為“常壓質(zhì)譜”。但與質(zhì)譜相比，離子遷移譜技術(shù)的原理和方法相對簡單，適合于現(xiàn)場快速檢測分析，其儀器可以制成便攜式并具有可靠性高、成本低廉等優(yōu)勢，已發(fā)展成為一種現(xiàn)場快速檢測技術(shù)。離子遷移譜目前已廣泛應(yīng)用于車站、機場、海關(guān)等場所的毒品檢測[9]，爆炸物檢測[10]、食品安全[11]等領(lǐng)域。萃取納升噴霧[12]、紙噴霧[13]等常壓直接離子化技術(shù)可在敞開式環(huán)境和無需樣品預(yù)處理的條件下，對樣品基體的待測物直接離子化，具有成本低廉、操作簡便等優(yōu)點，現(xiàn)已應(yīng)用于化妝品[14]、血樣[15]、生物樣品[16 - 17]等的分析。本研究建立了常壓直接離子化結(jié)合離子遷移譜快速篩查不同種類玩具中2-萘胺、4-氯-2-甲基苯胺、4-氨基聯(lián)苯和聯(lián)苯胺4種初級芳香胺的方法，對于玩具產(chǎn)品質(zhì)量安全現(xiàn)場快速檢測具有較好的應(yīng)用前景。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

P-1000型微電極拉制儀、硼硅酸鹽玻璃毛細管(外徑1.5 mm，內(nèi)徑0.86 mm，長5 cm)(美國，Sutter公司)；ACQUITY超高效液相色譜儀、XEVO TQ三重四極桿質(zhì)譜儀、MassLynx數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(美國，Waters公司)；ESW-M15P型金屬微電極(美國，Warner Instruments公司)；GA2100型便攜式離子遷移譜(美國，Excellims公司)，配有離子?xùn)砰T控制器、空氣過濾裝置(含CaSO4和分子篩)、高分辨率離子遷移分析器、VisIon儀器控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；Milli-Q超純水器(美國，Millipore公司)；實驗所用移液器吸頭購自美國Bio-Rad公司。

2-萘胺、4-氯-2-甲基苯胺、4-氨基聯(lián)苯和聯(lián)苯胺4種初級芳香胺均為市售最高純度標準品，各種初級芳香胺標準品用甲醇配制成1 000 mg/L標準儲備液，使用時根據(jù)需要用甲醇稀釋成混合標準工作液；實驗用水均為經(jīng)Milli-Q超純水器凈化過濾后的去離子水；3MM型色譜紙(厚度0.18 mm)購自美國Whatman公司。

1.2 樣品處理及測定

1.2.1蠟筆樣品把3MM型色譜紙剪成三角形紙片(底部寬0.5 cm、高0.7 cm、頂角30°)，將待測蠟筆樣品在紙片上輕輕涂抹，即可將樣品加載至紙片上。將紙片通過金屬夾連接至離子遷移譜儀的高壓電源并施加2.8 kV電壓，在紙片上滴加20 μL體積比為70∶30∶0.3的二氯甲烷∶甲醇∶甲酸萃取溶劑，實現(xiàn)對蠟筆樣品中待測組分的萃取、遷移和噴霧，并采用離子遷移譜進行實時檢測。

1.2.2紋身貼紙樣品把3MM型色譜紙剪成三角形紙片(底部寬0.5 cm、高0.7 cm、頂角30°)，將待測水貼紙樣品拓印至紙片上。將紙片通過金屬夾連接至離子遷移譜儀的高壓電源并施加2.8 kV電壓，在紙片上滴加20 μL體積比為55∶45∶0.5的甲醇∶乙腈∶甲酸萃取溶劑，實現(xiàn)對水紋身貼紙樣品中待測組分的萃取、遷移和噴霧，并采用離子遷移譜進行實時檢測。

1.2.3液體玩具樣品把3MM型色譜紙剪成三角形紙片(底部寬0.5 cm、高0.7 cm、頂角30°)，將待測樣品直接滴加在紙片上，將紙片通過金屬夾連接至離子遷移譜儀的高壓電源并施加2.8 kV電壓，在紙片上滴加20 μL體積比為90∶10∶0.5的無水乙醇∶水∶乙酸萃取溶劑，實現(xiàn)對液體玩具樣品中待測組分的萃取、遷移和噴霧，并采用離子遷移譜進行實時檢測。

1.2.4手指畫顏料樣品手指畫顏料樣品直接用金屬微電極蘸取，插入到預(yù)先充入20 μL體積比為100∶0.5的無水乙醇∶乙酸萃取溶劑的硼硅酸鹽玻璃毛細管中，施加2.8 kV高壓，實現(xiàn)對手指畫顏料樣品中待測組分的萃取、遷移和噴霧，并采用離子遷移譜進行實時檢測。

1.2.5橡皮泥樣品橡皮泥樣品首先放入一次性注射器腔體中，從注射器前端針頭擠出長1 cm、直徑0.5 mm的細條并在空氣中靜置1 min，然后用鑷子夾取放入已拉制好并注入20 μL體積比為85∶15∶0.5的無水乙醇∶乙酸乙酯∶乙酸萃取溶劑的硼硅酸鹽玻璃毛細管，插入金屬微電極，施加2.8 kV高壓，實現(xiàn)對橡皮泥樣品中待測組分的萃取、遷移和噴霧，并采用離子遷移譜進行實時檢測。

1.3 離子遷移譜條件

電噴霧電壓：正離子模式，2.1 kV；遷移管電壓：7.7 kV；遷移管溫度：175 ℃；進樣口溫度：175 ℃；漂移氣流速：1.85 L/min；遷移譜寬：40 ms；數(shù)據(jù)采集速率：200 000 s-1；Bradbury-Nielsen離子門脈沖寬度：70 μs；Bradbury-Nielsen離子門電壓：32 V；排氣泵抽速：0.55 L/min。

1.4 高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜確證條件

色譜柱：Waters XBridge C18柱(150×2.1 mm，3.5 μm)；流動相：甲醇∶水=70∶30(V/V)；流速：0.3 mL/min；柱溫：30 ℃；樣品室溫度：15 ℃；進樣量：5 μL。

離子源：電噴霧電離源(ESI)，正離子模式；毛細管電壓：2.5 kV；取樣錐孔電壓：5.0 V；離子源溫度：150 ℃；脫溶劑氣溫度：400 ℃；脫溶劑氣流量：800 L/h；錐孔氣流量：50 L/h；碰撞氣體：氬氣；碰撞氣流速：0.13 mL/min。4種初級芳香胺類化合物的質(zhì)譜分析參數(shù)見表1。

表1 4種初級芳香胺的質(zhì)譜分析參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取溶劑、噴霧電壓及紙基的優(yōu)化

萃取溶劑的極性、揮發(fā)性對萃取及噴霧過程有著重要影響，噴霧電壓對樣品離子化效率具有重要影響。兼顧萃取效果和質(zhì)子化能力，本研究分別測試了一系列溶劑對4種目標初級芳香胺的離子化效果，并針對不同樣品分別選定了適宜的萃取溶劑。同時經(jīng)考察，4種目標初級芳香胺的最優(yōu)噴霧電壓略有差異，噴霧電壓過高或者過低都會抑制不同初級芳香胺的響應(yīng)值(圖1)。綜合考慮4種目標物的各自的噴霧電壓及響應(yīng)值，確定2.1 kV為本研究最佳噴霧電壓。

在此基礎(chǔ)上，本研究考察了1級色譜紙、17級色譜紙、3MM型色譜紙和31ET型色譜紙對玩具中初級芳香胺萃取效率的影響。由于紙基表面暴露大量的羥基，4種目標物化學(xué)性質(zhì)各異，不同紙基與初級芳香胺結(jié)合程度各不相同，從而導(dǎo)致分離及離子化效果不同。研究表明，采用3MM型色譜紙對4種目標初級芳香胺響應(yīng)值最高。

2.2 進樣口溫度和遷移管溫度的優(yōu)化

離子遷移譜儀的核心部件離子遷移管中含有多個加熱部件，檢測分析時需要將遷移管中各個加熱部件維持在不同的溫度(100～200 ℃之間)，同時還需要保持恒定的氣體循環(huán)流量。這些加熱部件中有的需開機后盡快加熱到設(shè)定溫度，有的則只是在檢測時才從常溫加熱到設(shè)定溫度，檢測分析完成后停止加熱。由于儀器分析時間短，因此要求加熱部件升溫快，并且迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)。離子遷移譜分析檢測中，儀器參數(shù)對待測物的響應(yīng)靈敏度有顯著影響，在多種組分同時進樣分析時，通過儀器參數(shù)的設(shè)置可以提高各組分之間的分離度。除去電離電壓之外，進樣口溫度和遷移管溫度是重要的儀器參數(shù)，為了避免熱交換或其它因素而導(dǎo)致的離子遷移時間重現(xiàn)性差的問題，遷移管溫度和進樣口溫度的設(shè)置應(yīng)盡量保持一致，因此本實驗在優(yōu)化這兩項參數(shù)時將其設(shè)為相同數(shù)值來考察，設(shè)定了一系列溫度(160～200 ℃)，比較各組分在不同溫度時的響應(yīng)強度。實驗結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)提高遷移管和進樣口溫度能減小離子峰的半峰寬和位置漂移，分析原因為隨著其溫度升高，可以降低空氣濕度和環(huán)境溫度對離子信號的干擾。但溫度太高會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，因而引發(fā)的離子擴散及碰撞損失也更嚴重，導(dǎo)致離子信號反而減弱。經(jīng)考察，4種目標初級芳香胺在175 ℃時信號最強(圖2)。因此，本方法最終確定遷移管和進樣口溫度同時設(shè)定為175 ℃。

2.3 漂移氣流速的優(yōu)化

漂移氣是從漂移管檢測器一端進入漂移區(qū)的，而載氣是從漂移管的前端進入反應(yīng)區(qū)的。在設(shè)計原理上，兩股相向?qū)α鞯臍饬魇菑臇艠O門前面附近的一個出氣口被排出去的。載氣的作用是將樣品氣體帶進電離源或反應(yīng)區(qū)，并在此進行分子-離子反應(yīng)。為避免進入漂移區(qū)的離子仍繼續(xù)進行反應(yīng)而使測得的離子遷移譜圖很難被解析，要求漂移氣中不能含有任何能與漂移區(qū)中的離子進行絡(luò)合或反應(yīng)的中性樣品分子，因此要強調(diào)載氣和漂移氣都必須是純凈的氣體。漂移氣種類和流速會影響離子峰的分辨率和響應(yīng)強度，研究工作表明，采用空氣作為漂移氣能較好地分離各組分并且響應(yīng)強度高、價格低廉。本實驗設(shè)定一系列漂移氣流速(0.50～2.00 L/min)，觀察4種目標初級芳香胺的分離效果和響應(yīng)強度，經(jīng)實驗考察，1.85 L/min流速最佳。

在上述得到的最優(yōu)條件下，4種目標物的多反應(yīng)監(jiān)測色譜圖見圖3，離子遷移譜圖見圖4。

圖1 噴霧電壓對4種初級芳香胺信號強度的影響(n=3)Fig.1 Investigation of source voltage on signal intensity of the primary aromatic amines(n=3)

圖2 進樣口和遷移管溫度對4種初級芳香胺信號強度的影響(n=3)Fig.2 Investigation of inlet and drift tube temperature on signal intensity of the primary aromatic amines(n=3)

圖3 4種初級芳香胺的多反應(yīng)監(jiān)測色譜圖Fig.3 Multiple reaction monitoring chromatograms of the primary aromatic amines1.2-naphthylamine;2.benzidine;3.4-chloro-2-methylaniline;4.4-aminobiphenyl.

圖4 4種初級芳香胺的離子遷移譜圖Fig.4 Ion mobility spectra of the primary aromatic amines1.2-naphthylamine;2.4-chloro-2-methylaniline;3.4-aminobiphenyl;4.benzidine.

2.4 方法檢出限

以經(jīng)測定不含有4種初級芳香胺的玩具樣品作為空白樣品，添加一定濃度的待測初級芳香胺混合標準溶液，然后按照前文所述方法進行分析測定，以3倍信噪比估算方法檢出限，4種初級芳香胺(2-萘胺、4-氯-2-甲基苯胺、4-氨基聯(lián)苯和聯(lián)苯胺)的方法檢出限分別為0.5、2.0、1.0和1.0 mg/kg。

2.5 實際樣品篩查

應(yīng)用本實驗建立的篩查方法，對30件購自超市及電商平臺的不同種類的玩具樣品進行分析檢測，結(jié)果表明，所測樣品均未檢出上述4種初級芳香胺。

3 結(jié)論

本研究建立了紙噴霧及納升萃取噴霧電離技術(shù)結(jié)合離子遷移譜快速篩查不同種類玩具中4種初級芳香胺的檢測方法，玩具樣品無需繁瑣前處理，離子遷移譜分析測試在12 ms內(nèi)完成，可為玩具產(chǎn)品質(zhì)量安全現(xiàn)場快速檢測提供實用有效的技術(shù)參考。