常壓敞開式離子化-離子遷移譜法快速篩查玩具中14種致癌致敏染料

呂悅廣，郭項雨，馬 強*，白 樺，孟憲雙，胡明珠，馬龍華，吳 青，何裕建，楊鏡奎*

(1.中國檢驗檢疫科學研究院，北京 100176；2.中國科學院大學 化學與化工學院，北京 101407；3.Excellims Corporation,Acton,MA 01720,USA)

研究報告

常壓敞開式離子化-離子遷移譜法快速篩查玩具中14種致癌致敏染料

呂悅廣1,2，郭項雨1，馬 強1*，白 樺1，孟憲雙1，胡明珠1，馬龍華3，吳 青3，何裕建2，楊鏡奎2*

(1.中國檢驗檢疫科學研究院，北京 100176；2.中國科學院大學 化學與化工學院，北京 101407；3.Excellims Corporation,Acton,MA 01720,USA)

采用常壓敞開式離子化結合離子遷移譜技術，研究建立了蠟筆、水貼紙、橡皮泥等玩具樣品中14種致癌致敏染料的快速篩查方法。無需繁瑣的樣品前處理過程，玩具樣品經紙噴霧或萃取納升噴霧，將上樣、萃取、電離等步驟集成為一步實現，并在16 ms內完成了離子遷移譜分析檢測。同時還對疑似陽性樣品建立了超高效液相色譜-串聯質譜的確證方法。14種致癌致敏染料的檢出限為0.5～2 mg/kg。該方法流程便捷、快速高效，適用于玩具樣品的現場快速篩查。

紙噴霧；萃取納升噴霧；離子遷移譜；玩具；致癌致敏染料

玩具是指設計或預定供14歲以下兒童玩耍時使用的所有產品和材料，我國是全球最大的玩具生產國和出口國[1]。玩具豐富了廣大兒童的生活，但由于兒童皮膚敏感且防范意識缺乏，在正常使用玩具或可預見的合理濫用下，玩具產品中可能存在的有毒有害物質可通過吞咽、舔食、皮膚接觸、眼睛接觸、吸入等方式進入兒童體內，進而對兒童健康造成危害。例如，在部分玩具染色過程中，染料分子通過吸附、擴散等多種化學或物理處理，從染液轉移到被染物上使之染色[2]。目前已證實存在多種可誘發人體癌變或引起人體皮膚、黏膜或呼吸道過敏的致癌和致敏染料。鑒于致癌致敏染料的嚴重危害，許多國家和世界權威組織相繼頒布了嚴格的法律法規進行限制。如歐洲標準化委員會制訂的EN 71玩具安全標準規定，分散藍1等致癌致敏染料在玩具產品中不得檢出[3]。

目前，致癌致敏染料的檢測方法主要有離子對色譜法[4]、高效液相色譜法[5]、液相色譜-質譜法[6-7]、氣相色譜-質譜法[8]以及超高效液相色譜-質譜法[9]。上述方法各有優點，但無法同時滿足靈敏度、選擇性和分析通量的要求，且儀器體積大、質量重、操作繁瑣，無法滿足現場快速篩查的需求。近年來，離子遷移譜由于運行成本低、操作簡單、分析時間短、靈敏度高等優點，已發展成為一種現場快速檢測技術，并廣泛應用于車站、機場、海關等地區的毒品檢測[10]、爆炸物檢測[11]、食品安全[12]等領域。萃取納升噴霧[13]、紙噴霧[14]等常壓敞開式離子化技術因具有無需預處理、分析速度快、成本低、操作簡單等特點，現已應用于化妝品[14]、血樣[16]、生物樣品[17-18]等的分析。本文建立了一種萃取納升噴霧及紙噴霧電離技術結合離子遷移譜快速篩查不同種類玩具中14種致癌和致敏染料的現場快篩技術，為我國玩具產品質量安全檢測提供了一種簡單、快速的新方法。

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、內徑0.86 mm、長10 cm，美國Sutter公司)；ESW-M15P型電極夾持器(美國Warner Instruments公司)；GA2100型便攜式離子遷移譜(美國Excellims公司)：配有離子柵門控制器、空氣過濾裝置(含硫酸鈣和分子篩)、高分辨率離子遷移分析器、VisIon儀器控制與數據處理系統，使用前用色氨酸和檸檬酸分別在正、負離子模式下對儀器進行校正；Acquity超高效液相色譜儀、Quattro micro API三重四極桿質譜儀、MassLynx數據處理系統(美國Waters公司)；Milli-Q超純水器(美國Millipore公司)。

分散橙3(純度95%)、溶劑黃3(純度99%)購自美國Acros公司；酸性紅26(純度84%)、堿性紅9(純度95%)、分散藍3(純度20%)、堿性紫3(純度80%)、分散藍124(純度70%)、溶劑黃2(純度95%)購自德國Dr.Ehrenstorfer公司；分散藍1(純度30%)、溶劑黃1(純度99%)、分散藍106(純度95%)、分散黃3(純度30%)、分散紅1(純度95%)、分散橙37(純度95%)購自美國Sigma公司，14種染料的標準品均為市售最高純度，各種染料標準品用甲醇配制成1 000 mg/L標準儲備液，使用時根據需要以甲醇稀釋成混合標準工作液。二氯甲烷、甲醇、異丙醇、乙腈、甲酸(色譜純)購自美國Fisher公司；Grade 3MM型色譜紙(厚度0.34 mm)購自美國Whatman公司。

1.2 實驗步驟

1.2.1 蠟筆樣品 將Grade 3MM型色譜紙剪成三角形紙片(底部寬0.5 cm、高0.75 cm、頂角30°)，將待測蠟筆樣品在紙片上輕輕涂抹，即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3.5 kV電壓，在紙片上滴加20 μL體積比為80∶20∶1的二氯甲烷-甲醇-甲酸萃取溶劑，實現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 水貼紙樣品 將Grade 3MM型色譜紙剪成三角形紙片(底部寬0.5 cm、高0.75 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3.5 kV電壓，在紙片上滴加20 μL體積比為60∶40∶0.5的異丙醇-乙腈-甲酸萃取溶劑，實現對水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 橡皮泥樣品 將橡皮泥樣品放入一次性注射器中，從其前端擠出長1 cm、直徑約0.5 mm的細條并在空氣中靜置1 min，然后用鑷子夾取放入硼硅酸鹽玻璃毛細管(長5 cm、外徑1.5 mm、內徑0.86 mm、尖端10 μm)，毛細管中預先注入10 μL體積比為100∶0.3的甲醇-甲酸萃取溶劑，插入金屬微電極，連接至離子遷移譜儀的高壓電源并施加3.0 kV高壓，實現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。玩具中致癌致敏染料快速篩查的實驗過程如圖1所示。

圖1 常壓敞開式離子化-離子遷移譜法快速篩查玩具中14種致癌致敏染料的實驗流程

1.3 離子遷移譜條件

遷移管電壓：8 000 V；遷移管溫度：180 ℃；進樣口溫度：180 ℃；漂移氣流速：1.50 L/min；遷移譜寬：40 ms；數據采集速率：200 000 s-1；Bradbury-Nielsen離子門脈沖寬度：75 μs；Bradbury-Nielsen離子門電壓：30 V；排氣泵抽速：0.60 L/min。14種致癌致敏染料的分子式、分子量、離子化方式、遷移時間及檢出限見表1。

表1 14種致癌致敏染料的分子式、分子量、離子化方式、遷移時間及檢出限

1.4 超高效液相色譜-串聯質譜確證條件

Waters Acquity UPLC BEH C18色譜柱(1.7 μm,2.1 mm×50 mm)；流動相：乙腈(A)和5 mmol/L乙酸銨溶液(pH 5.0，B)；梯度洗脫程序：0～2 min，28%～40% A；2～6 min，40% A；6～9 min，40%～95% A；9～9.5 min，95% A；9.5～10 min，95%～28% A；流速：0.3 mL/min；柱溫：30 ℃；樣品室溫度：20 ℃；進樣量：5 μL。

電噴霧離子源；毛細管電壓：3.5 kV；射頻透鏡電壓：0.1 V；離子源溫度：120 ℃；去溶劑氣溫度：350 ℃；去溶劑氣流量：600 L/h；錐孔氣流量：50 L/h；光電倍增器電壓：650 V；碰撞氣體為氬氣，碰撞氣壓3.2×10-3mbar；多反應監測模式檢測，14種致癌致敏染料的質譜分析參數見表2。

表2 14種致癌致敏染料的質譜分析參數

2 結果與討論

2.1 萃取溶劑、噴霧電壓及紙基的優化

萃取溶劑的性質對萃取及電噴霧過程有重要影響，萃取溶劑的選擇應兼顧萃取效果和離子化能力。本實驗分別對水、甲醇、無水乙醇、異丙醇、丙酮、四氫呋喃、二氯甲烷、乙腈等溶劑進行了考察，確定了紙噴霧和萃取納升噴霧兩種常壓敞開式離子化方法中的最佳萃取溶劑。對于紙噴霧電離分析的蠟筆樣品，采用體積比為80∶20∶1的二氯甲烷-甲醇-甲酸溶液作為萃取溶劑；對于紙噴霧電離分析的水貼紙樣品，采用體積比為60∶40∶0.5的異丙醇-乙腈-甲酸溶液作為萃取溶劑；對于納升萃取噴霧電離分析的橡皮泥樣品，采用體積比為100∶0.3的甲醇-甲酸溶液作為萃取溶劑。經考察，噴霧電壓對樣品離子化程度也具有顯著影響，噴霧電壓過高或過低均會抑制待測物的響應值，14種染料在紙噴霧和納升萃取噴霧電離方式下的最優噴霧電壓略有差異，綜合考慮14種染料的電離方式、噴霧電壓及響應值，對紙噴霧采用3.5 kV、納升萃取噴霧采用3.0 kV作為本方法的噴霧電壓。

圖2 14種致癌致敏染料的離子遷移譜圖Fig.2 Ion mobility spectra of the 14 carcinogenic and sensitizing colorants the peak numbers denoted were the same as those in Table 1

在此基礎上，考察了Grade 1、Grade 3MM、Grade 17和 Grade 31ET 4種色譜紙對玩具樣品中各種染料萃取和遷移效率的影響。由于紙基的主要組成為纖維素，其表面有大量羥基，14種染料的化學性質各異，不同紙基與各種染料的結合程度不同，從而導致分離及離子化效率有差異。研究表明，Grade 3MM色譜紙對14種致癌致敏染料的總體響應值最高。14種染料的離子遷移譜圖見圖2。

2.2 進樣口與遷移管溫度的優化

離子遷移譜分析檢測中，儀器參數對待測物的響應靈敏度有顯著影響，在多種組分同時進樣分析時，通過儀器參數的設置可以提高各組分之間的分離度。除了噴霧電壓之外，進樣口溫度和遷移管溫度也是重要的儀器參數。為了避免熱交換或其它因素導致的離子遷移時間重現性差的問題，遷移管溫度和進樣口溫度的設置應盡量保持一致，因此本實驗將這兩項參數設為相同數值，比較了各組分在不同溫度(160～200 ℃)時的響應強度。結果表明，在一定范圍內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:溫度升高可以降低空氣濕度和環境溫度對離子信號的干擾。但溫度太高會造成系統不穩定，引發的離子擴散及碰撞損失也更嚴重，反而導致離子信號減弱。經考察，絕大多數染料在180 ℃時信號最強，因此，本方法最終確定遷移管和進樣口溫度均為180 ℃。

2.3 漂移氣流速的優化

漂移氣種類和流速會影響離子峰的分辨率和響應強度。課題組前期研究工作[19]表明，采用空氣作為漂移氣能較好地分離各組分，且響應強度高、價格低。本實驗考察了漂移氣流速(0.50～2.00 L/min)對14種致癌致敏染料分離效果和響應強度的影響，確定最佳流速為1.50 L/min。

2.4 方法檢出限

在經測定不含有14種致癌致敏染料的玩具樣品中添加一定濃度的待測染料組分，按照本方法進行分析測定，每種常壓敞開式離子化方式平行試驗6次，以S/N=3估算方法的檢出限(LOD)，14種致癌致敏染料的LOD為0.5～2 mg/kg(表1)。

2.5 超高效液相色譜-串聯質譜確證

建立了超高效液相色譜-串聯質譜確證方法對疑似陽性樣品進行確證。14種染料的前體離子和產物離子及質譜分析參數見表2。若樣品中目標化合物的離子相對豐度與濃度相當的標準溶液的相對豐度一致，且相對豐度偏差不超過表2中對應的允許偏差，則判定樣品中含有相應的染料組分。

2.6 實際樣品的篩查

應用本實驗建立的篩查方法，對40件購自本地超市及電商平臺的蠟筆、水貼紙、橡皮泥樣品進行篩查檢測，結果表明，所測樣品均未檢出上述14種致癌致敏染料。

3 結 論

本研究采用紙噴霧和納升萃取噴霧兩種常壓敞開式離子化方式結合離子遷移譜技術，建立了玩具中14種致癌致敏染料的快速篩查方法。樣品無需前處理，且可在16 ms內完成分析。方法準確、簡便、快速，適用于玩具產品的現場快速篩查檢測。對疑似陽性樣品可采用超高效液相色譜-串聯質譜法進行確證。篩查方法與確證方法相互輔助，在確保檢測結果準確性的同時可極大提高工作效率。

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Rapid Screening of 14 Carcinogenic and Sensitizing Colorants in Toys Using Ambient Ionization and Ion Mobility Spectrometry

Lü Yue-guang1,2,GUO Xiang-yu1,MA Qiang1*,BAI Hua1,MENG Xian-shuang1,HU Ming-zhu1,MA Long-hua3,WU Qing3,HE Yu-jian2,YANG Jing-kui2*

(1.Chinese Academy of Inspection and Quarantine,Beijing 100176,China;2.School of Chemistry and Chemical Engineering,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 101407,China;3.Excellims Corporation, Acton,MA 01720,USA)

A rapid analytical method was developed for the screening of 14 carcinogenic and sensitizing colorants in toys(e.g.crayon,temporary tattoo sticker and modeling clay) using ionization coupled with ion mobility spectrometry.Without any tedious pretreatment,sampling,extraction and ionization were integrated by paper spray or extraction nano-electrospray.The instrumental analysis time for a single ion mobility spectrometry run was less than 16 ms.The suspicious positive samples were subjected to further verification by ultra-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry(UPLC-MS/MS).The limits of detection(LODs) for the 14 carcinogenic and sensitizing colorants in toys ranged from 0.5 mg/kg to 2 mg/kg.The established method is simple,convenient and suitable for rapid,on-site screening of toy products.

paper spray;extraction nano-electrospray;ion mobility spectrometry;toys;carcinogenic and sensitizing colorants

2017-04-08；

2017-05-03

國家重點研發計劃(2016YFF0203704；中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金資助項目(2016JK004)

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.08.001

O657.7；F767.4

A

1004-4957(2017)08-0949-06

*通訊作者：馬 強，博士，副研究員，研究方向：產品質量安全檢測技術研究，Tel：010-53897463，E-mail：maqiang@caiq.gov.cn 楊鏡奎，博士，教授，研究方向：有機合成及結構與性能研究，Tel：010-69672535，E-mail：jkyang@ucas.ac.cn