超聲輔助提取/單顆粒電感耦合等離子體質譜法測定防曬化妝品中的納米二氧化鈦

梁維新，劉 寧，郭鵬然*，嚴 冬

(1.廣東省測試分析研究所 廣東省化學危害應急檢測技術重點實驗室，廣東 廣州 510070； 2.安捷倫科技(中國)有限公司 安捷倫-中廣測聯合技術中心，廣東 廣州 510070)

防曬化妝品常利用納米反光粒子在皮膚上形成覆蓋層，通過反射和散射阻擋紫外線直接作用皮膚以達到物理防曬保護效果。納米TiO2因良好的熱穩定性、不溶性、成本低以及環境友好等特點，被廣泛應用于防曬用品中[1]。據研究報道，納米TiO2對人體健康會產生影響，其危害作用與納米顆粒的使用劑量和粒徑相關[2]。我國《化妝品安全技術規范》(2015年版)規定防曬用品中納米TiO2的使用量不應超過總量的25%，但尚未確定納米粒子的顆粒濃度分析方法及其粒徑分布的表征方法。

目前納米粒子的表征分析主要采用掃描/透射電子掃描顯微鏡技術(SEM/TEM/STEM)以及動態光散射技術(DLS)。電子顯微鏡技術可獲得納米粒子的粒徑、表面形貌信息，但高的運行成本和長的分析時間制約了其廣泛應用[3]；DLS可直接測量液體介質中粒子的粒徑，但對于多分散體系的樣品會產生較大的測定誤差[4]。另外，將場流分離技術(F3)、流場流分離技術(F4)、尺寸排阻色譜法等與電感耦合等離子體質譜聯用可實現不同粒徑大小的納米顆粒的分離與定性、定量分析，但這類方法的分析時間較長，穩定性較差[5]。Degueldre等[6-10]提出了一種高靈敏度的納米顆粒物分析技術，即單顆粒電感耦合等離子體質譜法(Single particle ICP-MS,SP-ICP-MS)，通過時間分辨模式(TRA)和短停留時間同時實現了液體介質中納米粒子的定性、定量分析和粒度分布表征，無需添加額外的聯用設備，分析時間短，目前已應用于水體[11-12]、食品[13]、血液[14]等基質中納米顆粒物的分析。雖然SP-ICP-MS在防曬用品中納米顆粒的分析已有報道，但由于防曬用品中的TiO2被大量酯類、硅油等有機物包裹[15]，目前所采用的以Tx-100溶液作為提取劑的提取方法無法完全去除納米粒子表面的上述物質，這些物質的存在降低了納米粒子在水中的分散性，影響了測定準確性與穩定性，因此需開發合理的、適用于SP-ICP-MS法測定防曬化妝品中納米TiO2的樣品前處理方法。

本文優化了防曬化妝品中納米TiO2的前處理步驟，采用乙醇與Tx-100混合溶液作為提取劑超聲輔助提取，并與SP-ICP-MS法聯用，建立了防曬化妝品中納米TiO2的測定方法。可同時對防曬化妝品中的納米TiO2進行準確定量及粒度表征分析。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料

三重四極桿電感耦合等離子體串聯質譜儀(Agilent 8800)，掃描模式為單四極桿模式，其他儀器工作條件見表1。電子分析天平(BSA224S-CW)；超聲發生器(KQ-500E)；馬弗爐(SX2-12N)；電熱恒溫鼓風干燥箱(DGH-9076A)。

樣品為市售4種不同品牌的防曬霜；40、60 nm TiO2顆粒購自上海麥克林生化科技有限公司。乙醇、乙酸乙酯、丙酮(分析純，廣州化學試劑廠)；Tx-100(分析純，江蘇強盛功能化學股份有限公司)；實驗用水為去離子水(電阻率≥18.2 MΩ·cm)。

儀器工作條件見表1。

表1 ICP-MS/MS 儀器工作條件(SP-ICP-MS)Table 1 Operating conditions of ICP-MS/MS(SP-ICP-MS)

1.2 方法原理

SP-ICP-MS基于時間分辨模式(TRA)對納米顆粒進行分析，當充分稀釋的納米顆粒溶液經進樣系統進入等離子體后，溶液中的每個單納米顆粒被電離形成一簇離子云，在短暫的停留時間(質量分析器上的駐留時間)內產生單個的強脈沖信號，脈沖信號的頻率和強度分別與納米顆粒的數量濃度和質量相關，因此可以提供納米粒子的尺寸分布以及濃度等信息(圖1)。

1.3 樣品處理

SP-ICP-MS法：準確稱取10 mg防曬化妝品試樣于50 mL離心管中，以0.1% Tx-100+5% 乙醇混合溶液定容至50 mL，充分混勻后超聲提取30 min，稀釋一定倍數后進行納米TiO2單顆粒測定。

灰化-ICP-MS法：稱取10 mg樣品置于50 mL瓷坩堝，在烘箱中于150 ℃烘干1 h并轉移至馬弗爐中，逐漸升高溫度至600 ℃后，灰化2 h，冷卻至室溫。采用20 mL 10%的硝酸分3次將坩堝中的殘渣轉移至100 mL容量瓶中，以水定容至刻度，稀釋一定倍數后測定樣品中的鈦含量。

圖1 SP-ICP-MS方法原理圖Fig.1 Schematic diagram of SP-ICP-MS method

1.4 單納米顆粒濃度與粒度計算方法

Peters等[16]提供了一種納米顆粒物濃度以及粒徑的分布和計算方法。通過已知顆粒濃度的標準溶液在單位時間內檢測到的脈沖信號數量以及樣品流速計算傳輸效率，采用傳輸效率、標準離子響應值以及脈沖信號強度計算納米顆粒的質量及其粒徑。計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，Cp為顆粒數量濃度(個/L)；Np為單位時間內檢測到的顆粒數(個/min)；ηn為傳輸效率；V為樣品流速(mL/min)；Ip為樣品中納米粒子的信號強度(cps)；mp為納米顆粒質量(ng)；RFION為離子響應強度(cps/(μg·L-1))；td為停留時間(s)；Mp為納米粒子的摩爾質量；Ma為納米粒子中待測元素的摩爾質量；dp為待測納米粒子的粒徑(nm)；ρp為納米粒子的密度(g/mL)；Cm納米粒子的質量濃度(ng/L)。

2 結果與討論

2.1 停留時間

單顆粒電感耦合等離子體質譜法測定納米粒子的原理是對單個納米粒子在短暫的停留時間內產生的信號脈沖進行分析。當兩個或更多的粒子同時進入等離子體，將會產生脈沖信號的疊加而影響測定結果，因此，停留時間短是確保只有1個納米顆粒進入等離子體的關鍵因素。圖2為不同停留時間下60 nm納米TiO2的粒徑分布圖，結果顯示隨著停留時間的增加，出現較大粒徑(≥120 nm)的可能性增大。這是由兩個或以上的納米粒子產生的脈沖信號疊加所致，故選擇停留時間為3 ms。

2.2 納米TiO2濃度的測定上限

考察了方法對納米TiO2濃度的測定上限，研究了不同濃度的60 nm納米TiO2與其產生的脈沖信號數量之間的關系，結果表明納米粒子的數量濃度與脈沖信號的數量在較低濃度范圍(1×106～4×107個/mL)內呈良好線性關系，相關系數(r2)為0.999 2。隨著納米粒子濃度的繼續增大，相關系數降低，這是由于高濃度下兩個或以上的納米粒子同時進入等離子體的幾率上升，脈沖信號發生了重合。因此溶液中納米粒子濃度應控制在4×107個/mL以下。

2.3 樣品提取溶劑的選擇

圖3 不同提取溶劑對防曬霜中TiO2提取效果的影響Fig.3 Effects of different solvents on extraction efficiencies of TiO2 from sunscreen

對比了0.1% Tx-100、0.1% Tx-100+5% 丙酮、0.1% Tx-100+5% 乙酸乙酯、0.1% Tx-100+1% 乙醇、0.1% Tx-100+5% 乙醇和0.1% Tx-100+10% 乙醇6種不同提取溶劑對防曬霜中納米TiO2的提取效果(圖3)，發現0.1% Tx-100+5% 乙醇溶劑的提取效果最佳，原因是防曬霜中含有大量酯類物質，這些物質影響了納米TiO2在水中的分散性，加入5%乙醇可以達到較佳的破乳化效果，故實驗采用0.1% Tx-100+5%乙醇作為提取溶劑。

為了評價提取溶劑的提取效果，分別采用SP-ICP-MS方法以及灰化-ICP-MS測定4種防曬霜中的納米TiO2含量，SP-ICP-MS的測定結果與灰化-ICP-MS方法的測定結果接近，回收率為78.8%～83.4%，相對標準偏差(RSD)為5.4%～8.6%(表2)。說明該提取方法具有較好的提取效果。

表2 4種不同防曬霜中納米TiO2的測定結果(n=6)Table 2 Results of nano-TiO2 in four different kinds of sunscreens(n=6)

*:content of nano-TiO2detected by ashing-ICP-MS is calculated from the concentration of Ti(灰化-ICP-MS中納米TiO2含量由測定的Ti含量換算而來)；-:TiO2was not detected(未檢出TiO2)

2.4 測定及計算方法的準確性

將5 mg的40 nm和60 nm納米TiO2分別加至裝有10 mL 0.1%Tx-100+5%乙醇溶劑的燒杯中，超聲30 min，轉至50 mL容量瓶中，用提取劑定容至刻度，稀釋后測定，按照“1.4”計算方法對數據進行處理。表3為40、60 nm 納米TiO2粒徑的測定結果，其值與廠家標定的納米粒子尺寸相符，表明本方法的準確性良好。

表3 納米TiO2粒徑的測定結果(n=3)Table 3 Determination result of nano-TiO2 particle sizes(n=3)

2.5 納米TiO2數量濃度檢出限以及納米顆粒粒度檢出限

單顆粒電感耦合等離子體質譜法的檢出限可分為數量濃度檢出限(LODconc)以及納米顆粒粒度檢出限(LODsize)。Laborda等[17]提出數量濃度檢出限可根據傳輸效率(ηn)、樣品流速(V)以及停留時間(td)計算：LODconc=3/(ηn×V×td),根據該式計算得本方法中nano-TiO2的數量濃度檢出限為1×104個/mL。納米顆粒粒度檢出限LODsize由ICP-MS系統的靈敏度和區分粒子信號與背景噪聲的能力決定，目前文獻報道的LODsize計算大多采用高于平均背景強度的3倍標準偏差的信號值對應的相應粒徑確定[18]，據此計算得本方法的LODsize為35 nm。

2.6 實際樣品的測定

采用本方法對市售4種不同防曬產品進行測定，其中1～3號樣品為廠商標注含有納米TiO2的防曬霜，4號樣品為廠商標注不含納米TiO2的防曬霜。由圖4可知，與出現大量脈沖信號的1號防曬霜相比，4號防曬霜未檢出納米TiO2的脈沖信號。防曬霜1～3中納米TiO2的含量分別為1.3%、0.13%、0.21%。圖5為防曬霜1、防曬霜2以及防曬霜3的粒徑分布圖，其平均粒徑分別為55、43、42 nm。該測定結果與廠商產品說明相一致。

3 結 論

本文通過實驗優化確定了樣品萃取和測定條件，建立了超聲輔助提取/單顆粒電感耦合等離子體質譜測定防曬化妝品中納米TiO2的方法。方法的數量濃度檢出限(LODconc)為1×104個/mL，納米顆粒粒度檢出限(LODsize)為35 nm。相對于傳統的電子掃描顯微鏡表征方法，本方法準確度高、簡便、快捷，可同時進行定量及粒度表征分析，適用于化妝品中納米TiO2的快速準確測定。