超高效合相色譜法快速檢測塑料食品接觸材料中 13種紫外吸收劑

邱 月, 李根容, 龍 梅, 李沿飛, 夏之寧

(1. 重慶市計量質(zhì)量檢測研究院, 重慶 401123; 2. 重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 重慶 400030)

紫外吸收劑能有效吸收280～400 nm范圍的紫外線,以降低或抑制由于光氧化作用引起的聚合物降解,延長使用壽命,因此被廣泛應(yīng)用于塑料食品接觸材料中[1,2]。紫外吸收劑主要分為水楊酸酯類、苯酮類、苯并三唑類、取代丙烯腈類、三嗪類等[3]。大量研究證明,紫外吸收劑雖多為低毒類物質(zhì),但具有一定的生理毒性和生物蓄積性,可導(dǎo)致皮膚病的產(chǎn)生，以及甲狀腺系統(tǒng)和脂肪酸代謝失衡[4-6]。塑料食品接觸材料中的紫外吸收劑可遷移到食品中,危害人體健康。近年來,歐盟、美國及中國等均對塑料食品接觸材料中部分紫外吸收劑的使用量進(jìn)行了限定,而紫外吸收劑的檢測新方法也成為研究者們關(guān)注的重點。

目前,檢測食品接觸材料中紫外吸收劑的主要方法有液相色譜法(LC)[7,8]、液相色譜-質(zhì)譜法(LC-MS)[9,10]和氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)[11,12]。由于紫外吸收劑種類繁多,且部分紫外吸收劑的結(jié)構(gòu)性質(zhì)非常相似,在現(xiàn)有檢測方法上仍然存在挑戰(zhàn)，如分離的紫外吸收劑種類較少[13,14]，以及分析時間通常在20 min以上,檢測成本較高[15,16]。

超高效合相色譜法(UPC2)是一種新型分離技術(shù)。與傳統(tǒng)的液相色譜法相比,UPC2技術(shù)有如下優(yōu)點:(1)以超臨界CO2和少量有機溶劑為流動相,黏度低,能加快目標(biāo)物的擴散和傳質(zhì)效率[17]; (2)以無毒的CO2為主要流動相,大大降低了有機溶劑的消耗,減少了環(huán)境污染,是一種低毒害、低成本的綠色分析方法[18]; (3)采用亞2 μm超高效色譜柱,靈敏度更高,對目標(biāo)物的選擇范圍更大,溶劑使用量更小[19]。近年來,UPC2已被成功用于多類物質(zhì)的分析,如聯(lián)苯菊酯[20]、鄰苯二甲酸酯[21,22]、維生素[23]、甜菜堿[24]、霉菌毒素[25]等。大量研究發(fā)現(xiàn),UPC2技術(shù)能夠同時分析極性和非極性物質(zhì),尤其在結(jié)構(gòu)類似物的分離檢測上具有明顯優(yōu)勢[26]。但迄今為止,基于UPC2檢測紫外吸收劑的研究尚未見報道。

本文建立了一種以甲醇為提取溶劑,超聲萃取為提取條件,基于UPC2檢測塑料食品接觸材料中紫外吸收劑的方法,實現(xiàn)了13種紫外吸收劑的快速有效分離。該方法分析速度快,靈敏度高,選擇性好,綠色環(huán)保,為塑料食品接觸材料中紫外吸收劑的檢測提供了新的技術(shù)方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

ACQUITY UPC2型超高效合相色譜儀(美國Waters公司),配二極管陣列(PDA)檢測器;N-EVAP-112型氮吹儀(美國Organomation公司); BILON-2000CT超聲波清洗器(上海比朗儀器有限公司)。

紫外吸收劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):水楊酸-4-叔丁基苯酯(TBS)、2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮(UV-9)、2-(2′-羥基-5′-甲基苯基)苯并三唑(UV-71)、2-(2-羥基-3′,5′-二枯基苯基)苯并三唑(UV-234)、2′-(2′-羥基-3′-叔丁基-5′-甲基苯基)-5-氯苯并三唑(UV-326)、2-(2′-羥基-3′,5′-二叔丁基苯基)-5-氯苯并三唑(UV-327)、2-(2′-羥基-5′-(1,1,3,3-四甲基丁基)苯基)苯并三唑(UV-329)、N-(乙氧基羰基苯基)-N′-乙基-N′-苯基甲脒(UV-2)、2,2′-二羥基-4-甲氧基苯甲酮(UV-24)、2,2′-亞甲基雙(4-叔辛基-6-苯并三唑苯酚)(UV-360)、2-(4,6-二苯基-1,3,5-三嗪-2-基)-5-(甲氧基)苯酚(UV-1579)、2-(4,6-二苯基-1,3,5-三嗪-2-基)-5-己基氧基-苯酚(UV-1577)、季戊四醇四(2-氰基-3,3-二苯丙烯酸酯)(UV-3030)均購于德國Dr. Ehrenstorfer公司。甲醇、乙腈、異丙醇、正己烷、乙酸乙酯、丙酮、二氯甲烷和四氫呋喃均為色譜純(德國Merck公司)。二氧化碳為食品級(99.99%,重慶同輝氣體有限公司)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

標(biāo)準(zhǔn)儲備液:分別準(zhǔn)確稱取13種紫外吸收劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)2.50 mg(精確至0.01 mg),置于25 mL容量瓶中,其中TBS、UV-9、UV-2、UV-12和UV-24用甲醇溶解,其余8種紫外吸收劑用正己烷溶解,并配制成質(zhì)量濃度為100 mg/L的單標(biāo)準(zhǔn)儲備液。分別用移液管移取適量單標(biāo)準(zhǔn)儲備液,用正己烷逐級稀釋并準(zhǔn)確定容,分別配制成0.1、0.2、0.3、1.0、2.0、5.0和10.0 mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)工作液,置于4 ℃冰箱冷藏,待用。

1.3 樣品前處理

將塑料食品接觸材料的樣品切割成小碎片(質(zhì)量≤0.02 g),準(zhǔn)確稱取0.50 g(精確至0.000 1 g)待測樣品,置于50 mL具塞錐形瓶中,加入30 mL甲醇,在超聲條件下提取30 min,將提取液于40 ℃氮吹濃縮至近干,用5 mL二氯甲烷溶解殘渣。C18固相萃取柱依次用5 mL甲醇、5 mL水和5 mL二氯甲烷活化,然后將殘渣溶液加于已活化平衡后的C18柱上,待液體全部流出,用5 mL丙酮淋洗,并棄去流出液,再用5 mL甲醇洗脫,收集全部洗脫液并于40 ℃下氮吹濃縮至近干,用甲醇準(zhǔn)確定容至1.0 mL,超聲混勻,用0.22 μm有機濾膜過濾,供UPC2分析。

1.4 色譜條件

色譜柱為美國Waters公司的ACQUITY UPC2HSS C18 SB色譜柱(150 mm×30 mm, 1.8 μm)；柱溫為35 ℃;流動相A為超臨界CO2,流動相B為異丙醇;流速為1.1 mL/min。流動相洗脫梯度程序設(shè)為0～1.0 min, 8%B～8.5%B; 1.0～1.8 min, 8.5%B～9%B; 1.8～2.0 min, 9%B～25%B; 2.0～4.0 min, 25%B; 4.0～4.5 min, 25%B～8%B。系統(tǒng)背壓維持12.41 MPa;進(jìn)樣體積為3 μL;檢測波長為220 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 分離條件的優(yōu)化

本文首先考察了ACQUITY UPC2HSS C18 SB(150 mm×30 mm, 1.8 μm)、ACQUITY UPC2CSH Fluoro-Phenyl(150 mm×30 mm, 1.7 μm)、ACQUITY UPC2BEH 2-EP(150 mm×30 mm, 1.7 μm)和ACQUITY UPC2BEH(150 mm×30 mm, 1.7 μm)4種色譜柱對13種紫外吸收劑分離效果的影響。實驗結(jié)果表明,HSS C18 SB色譜柱對目標(biāo)物的保留能力相對最好,13種紫外吸收劑均能實現(xiàn)較好的基線分離,峰形尖銳且對稱性良好。因此,本實驗選擇HSS C18 SB色譜柱進(jìn)行紫外吸收劑的分離。

為了獲得更好的分離效果,實驗對比了不同極性強度的改性劑即流動相B(甲醇、異丙醇和乙腈)對紫外吸收劑的分離效果。實驗發(fā)現(xiàn),由于紫外吸收劑的極性差異較大,極性較強的甲醇和極性較弱的乙腈均不能實現(xiàn)對目標(biāo)物的較好保留,色譜峰出現(xiàn)重疊、拖尾現(xiàn)象,而極性適中的異丙醇能夠?qū)?3種目標(biāo)物完全分離,且峰形良好。

在UPC2系統(tǒng)中,超臨界流體密度是影響分離效果的主要原因之一,而色譜柱溫度和系統(tǒng)背壓是影響流體密度的重要因素。因此,實驗考察了色譜柱溫度對紫外吸收劑分離效果的影響。通過對比25～55 ℃下13種目標(biāo)物的分離情況,發(fā)現(xiàn)隨著柱溫升高,對目標(biāo)物的洗脫能力隨之減弱,保留能力增強。這是由于溫度升高,超臨界二氧化碳的密度減小,黏度降低,從而引起洗脫強度降低[18]。在35 ℃下,13個目標(biāo)峰能夠完全實現(xiàn)基線分離。隨后，實驗比較了不同系統(tǒng)背壓下13種目標(biāo)物的分離情況,發(fā)現(xiàn)在11.72～14.48 MPa范圍內(nèi),隨著壓力升高,二氧化碳流動相密度增大,洗脫能力增強,目標(biāo)物保留時間減少。在12.41 MPa下,所有目標(biāo)物的分離效果最佳,峰形最好。

在上述優(yōu)化條件下,13種紫外吸收劑獲得了最佳的分離度和保留時間,在4 min內(nèi)實現(xiàn)了有效分離,其色譜圖見圖1。計算相鄰色譜峰的分離度,其值均大于1.5,說明目標(biāo)物均能實現(xiàn)良好的基線分離。

圖 1 13種紫外吸收劑混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(5 mg/L)的色譜圖Fig. 1 Chromatogram of the 13 UV absorbents in the mixed standard solution (5 mg/L)1. 4-t-butylphenyl salicylate (TBS); 2. UV-9; 3. UV-24; 4. UV-71; 5. UV-329; 6. UV-327; 7. UV-326; 8. UV-234; 9. UV-2; 10. UV-3030; 11. UV-1579; 12. UV-1577; 13. UV-360.

2.2 提取條件的優(yōu)化

圖 2 提取溶劑對13種紫外吸收劑回收率的影響Fig. 2 Effect of extraction solvents on the recoveries of the 13 UV absorbents

本文采用常用且高效的超聲提取法對紫外吸收劑進(jìn)行提取。由于紫外吸收劑在多種有機溶劑中均具有一定的溶解度,選取聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等空白塑料食品接觸材料進(jìn)行加標(biāo)試驗,分別探究甲醇、乙腈、正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷、四氫呋喃、甲醇-二氯甲烷(1∶1, v/v)和甲醇-四氫呋喃(1∶1, v/v)作為提取溶劑時13種紫外吸收劑的提取效果,結(jié)果見圖2。實驗發(fā)現(xiàn),在0.5 mg/kg的加標(biāo)水平下,采用乙腈提取時目標(biāo)物的回收率相對最低,采用甲醇、乙酸乙酯和甲醇-二氯甲烷(1∶1, v/v)時目標(biāo)物的回收率均能達(dá)到80%以上。綜合考慮13種紫外吸收劑的回收率,發(fā)現(xiàn)甲醇作為提取溶劑時,能獲得最高的平均回收率。因此,本實驗選擇甲醇作為最佳提取溶劑。

為保證目標(biāo)物得到充分提取,實驗進(jìn)一步考察了提取時間(10、20、30、40和50 min)對提取效率的影響(見圖3)。實驗結(jié)果表明:13種紫外吸收劑達(dá)到提取平衡的時間不完全相同,但回收率均在30 min后趨于穩(wěn)定,故確定最佳提取時間為30 min。

圖 3 超聲時間對13種紫外吸收劑回收率的影響Fig. 3 Effect of extraction time on the recoveries of the 13 UV absorbents

2.3 凈化條件的優(yōu)化

實驗對比了C18、HLB和Florisil柱(美國Waters公司)對塑料食品接觸材料中紫外吸收劑回收率的影響(見圖4)。結(jié)果表明,采用HLB柱凈化時,紫外吸收劑在淋洗過程中部分流失,造成洗脫液中剩余目標(biāo)物含量較少,回收率較低。3類萃取柱中,C18柱的凈化效果最好,13種紫外吸收劑的回收率均可達(dá)80%以上,可有效排除實際樣品中雜峰對目標(biāo)峰的干擾。因此,實驗最終選擇C18柱進(jìn)行固相萃取凈化。

圖 4 固相萃取柱對13種紫外吸收劑回收率的影響Fig. 4 Effect of solid phase extraction columns on the recoveries of the 13 UV absorbents

2.4 線性范圍、檢出限和定量限

配制不同濃度的13種紫外吸收劑系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液,在上述最優(yōu)色譜條件下進(jìn)行測試。以各目標(biāo)化合物的響應(yīng)峰面積為縱坐標(biāo)(Y),質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(X, mg/L)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明:13種紫外吸收劑在各自的范圍內(nèi)線性關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)(R2)均不低于0.998 5(見表1)。采用3倍信噪比的方法,計算得到紫外吸收劑的檢出限(S/N=3)為0.05～0.15 mg/kg,定量限(S/N=10)為0.2～0.5 mg/kg。

2.5 加標(biāo)回收率和精密度

選取空白塑料食品接觸材料樣品,分別加入高、中、低3組不同水平的紫外吸收劑混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行回收率和精密度測試。實驗選取在0.5、5.0和10.0 mg/kg水平下進(jìn)行加標(biāo)試驗,每個水平平行測定7次,計算得到13種紫外吸收劑的加標(biāo)回收率為86.8%～115.7%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.73%～5.61%(見表2),表明該方法具有良好的回收率和精密度,能夠滿足實際檢測要求。

表 1 13種紫外吸收劑的線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限和定量限Table 1 Linear ranges, linear equations, correlation coefficients (R2), LODs and LOQs of the 13 UV absorbents

Y: peak area;X: mass concentration, mg/L

表 2 13種紫外吸收劑的加標(biāo)回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=7)Table 2 Spiked recoveries and RSDs of the 13 UV adsorbents (n=7)

2.6 實際樣品的測定

選取不同材質(zhì)(PE、PS、PET等)的塑料食品接觸材料樣品,采用本文方法對20個實際樣品中的紫外吸收劑進(jìn)行檢測。分析結(jié)果表明,在2個樣品中檢測到紫外吸收劑殘留,色譜圖見圖5。樣品1中檢出UV-326和UV-360,其含量分別為2.38 mg/kg和0.87 mg/kg。樣品2中檢出UV-234,含量為1.66 mg/kg。

圖 5 實際塑料食品接觸材料樣品中紫外吸收劑的色譜圖Fig. 5 Chromatograms of the UV absorbents in actual plastic food contact material samples

3 結(jié)論

本文建立了一種同時檢測塑料食品接觸材料中13種紫外吸收劑的超高效合相色譜法。通過考察色譜條件及提取條件對檢測結(jié)果的影響,在最優(yōu)條件下,13種紫外吸收劑能夠在4 min內(nèi)實現(xiàn)快速有效分離,檢出限、回收率及精密度等技術(shù)指標(biāo)均能滿足實際檢測需求。該方法分析速度快,選擇性和可靠性高,有機溶劑消耗少,檢測成本低,環(huán)境友好,能夠為塑料食品接觸材料中紫外吸收劑的分析提供有效的技術(shù)參考。