熒光法測(cè)定水溶性飲品中鄰苯二甲酸酯類(lèi)塑化劑含量

殷龍龍，李 群，尹 蓉，張倩茹，王 振，高忠東，許光映

（1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西功能食品研究院/特色農(nóng)產(chǎn)品加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030031；2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 果樹(shù)研究所，山西 太原 030031）

鄰苯二甲酸酯（Phthalate acid esters，PAEs） 是各類(lèi)塑化劑中最常見(jiàn)的主要成分，被普遍應(yīng)用于玩具、食品包裝材料、醫(yī)用血袋和膠管等數(shù)百種產(chǎn)品中[1]。但是，PAEs 與塑料基質(zhì)分子僅僅是以氫鍵或范德華力相連，所以隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，塑料制品中的PAEs 會(huì)不斷釋放出來(lái)，從而對(duì)大氣、土壤和水域造成污染，更會(huì)對(duì)人類(lèi)的身體健康造成潛在的危害[2]。因此，對(duì)PAEs 的檢測(cè)越來(lái)越重要。

目前，檢測(cè)鄰苯二甲酸酯類(lèi)化合物的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)大多采用氣相色譜法、氣質(zhì)聯(lián)用法、高效液相色譜法、液相色譜- 串聯(lián)質(zhì)譜法等方法[3-4]。這些方法雖然具有嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但都需要用到大型儀器，投資大、方法時(shí)間長(zhǎng)、操作繁瑣、專業(yè)度高，適用于大中型企業(yè)或?qū)ｉT(mén)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，而這些方法無(wú)論在儀器價(jià)格還是在人員素質(zhì)要求方面都不是小微型企業(yè)所能承受的。因此，亟待開(kāi)發(fā)一種設(shè)備投資較少、操作比較簡(jiǎn)單、作業(yè)時(shí)間較短、易學(xué)易用的檢測(cè)方法。選用熒光法檢測(cè)PAEs，設(shè)備投資較少，操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)時(shí)間短、易學(xué)易用，適用于小微型企業(yè)，且熒光法靈敏度高、誤差較小、工作曲線線性范圍寬、重復(fù)性好，且能提供激發(fā)光譜、發(fā)射光譜等諸多信息。而且用熒光光譜法測(cè)定PAEs鮮見(jiàn)報(bào)道，其主要原因是PAEs 本身不產(chǎn)生熒光[5-6]。目前，李滿秀等人[7]利用Fenton 反應(yīng)使PAEs 生成具有熒光的羥基鄰苯二甲酸鈉，測(cè)定其熒光強(qiáng)度可間接求出PAEs 的含量。但在實(shí)際操作中，使體系熒光強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定值的條件不好控制。蔡其洪等人[8]利用PAEs 和濃硫酸反應(yīng)產(chǎn)生熒光來(lái)間接測(cè)量PAEs 的含量。但濃硫酸對(duì)試驗(yàn)設(shè)備傷害較大，會(huì)減少設(shè)備的使用壽命，增加檢測(cè)成本；且該方法要求被檢測(cè)樣品中不能含有其他有機(jī)雜質(zhì)，有機(jī)雜質(zhì)遇到濃硫酸會(huì)被迅速炭化變黑。因此，試驗(yàn)擬采用將本身不產(chǎn)生熒光的各類(lèi)PAEs 先水解成鄰苯二甲酸，再轉(zhuǎn)化為可以產(chǎn)生熒光的物質(zhì)，然后用熒光法測(cè)定該物質(zhì)的含量來(lái)間接得出PAEs 的含量。物質(zhì)能夠產(chǎn)生熒光的前提是分子結(jié)構(gòu)必須使具有較強(qiáng)電子云密度的共軛體系或者剛性平面。而鄰苯二甲酸雖然是芳香族化合物，但是其分子結(jié)構(gòu)帶有2 個(gè)羧基，而羧基是吸電子基，會(huì)使苯環(huán)上的電子云密度降低，減弱了體系的共軛效應(yīng)，故也不能直接產(chǎn)生熒光。為了讓其產(chǎn)生熒光，需在鄰苯二甲酸的分子結(jié)構(gòu)上，特別是羧基上連接一個(gè)給電子基團(tuán)。試驗(yàn)擬將過(guò)氧根（-O-O-） 連接到鄰苯二甲酸的羧基上使其轉(zhuǎn)化為鄰苯二甲酸單過(guò)氧化合物來(lái)進(jìn)行熒光檢測(cè)。因單過(guò)氧鄰苯二甲酸鎂（Magnesium monoperoxyphthalate，MMPP） 是溫和的氧化劑，廣泛作為消毒劑和漂白劑被使用，其合成方法已經(jīng)非常穩(wěn)定和成熟[9-12]，且在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)MMPP 在光照溫暖的環(huán)境下放置一段時(shí)間后能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的熒光。故在實(shí)際操作中以MMPP 為鄰苯二甲酸轉(zhuǎn)化的目標(biāo)產(chǎn)物，并對(duì)檢測(cè)條件進(jìn)行一定的優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鄰苯二甲酸（99.5%，分析純）、氫氧化鈉（95%，分析純）、氧化鎂（98.0%，分析純）、乙酸乙酯（99%，分析純）、單過(guò)氧鄰苯二甲酸鎂（80%，分析純），上海麥克林生化科技有限公司提供；鹽酸（分析純），文水縣通匯科技化工有限公司提供；雙氧水（30%，分析純），天津市天力化學(xué)試劑有限公司提供；。

1.2 儀器與設(shè)備

LS45 型熒光分光光度計(jì)，珀金埃爾默儀器有限公司產(chǎn)品；NicoletiS5 型紅外光譜儀（含ATR 附件），賽默飛世爾科技（中國(guó)） 有限公司產(chǎn)品；xsl-xb12030 型LED 潔凈平板燈，東莞市新勢(shì)力光電科技有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 單因素試驗(yàn)

取10 mL 5 mg/L 的MMPP 水溶液于規(guī)白色透明比色管中，在LED 燈下接受光照0.50 h，將比色管置于恒溫箱中，在65 ℃下保存2 h，然后將比色管取出冷卻至室溫，用熒光分光光度計(jì)對(duì)比色中的溶液進(jìn)行發(fā)射光強(qiáng)度的測(cè)定（激發(fā)光波長(zhǎng)為290 nm，狹縫寬10 nm），發(fā)射光在波長(zhǎng)425 nm 處產(chǎn)生明顯的峰。針對(duì)在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)發(fā)射光強(qiáng)度有顯著影響的3 個(gè)因素：光照時(shí)間（0.25，0.50，0.75，1.00，1.25，1.50 h）、加熱溫度（45，55，65，75，85，95 ℃） 和靜置時(shí)間（即恒溫時(shí)間，分別取0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h）。

1.3.2 工藝優(yōu)化試驗(yàn)說(shuō)明

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗(yàn)，由軟件Design Expert.V 8.0.6 對(duì)所有影響因素與發(fā)射光強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行二次多元擬合，得出回歸方程和最佳試驗(yàn)條件。

1.4 實(shí)例

分別稱取單過(guò)氧鄰苯二甲酸鎂六水合物標(biāo)準(zhǔn)品1，2，3，4，5 mg 于5 個(gè)經(jīng)過(guò)編號(hào)的1 L 容量瓶中，以去離子水定容，配置成濃度呈梯度分布的一系列MMPP 標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照1.3.1 中的方法進(jìn)行發(fā)射光強(qiáng)度的測(cè)定，并和標(biāo)準(zhǔn)溶液中MMPP 的含量進(jìn)行線性擬合，得到MMPP 發(fā)射光強(qiáng)度值與含量對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)曲線和方程。

稱取10 g 某品牌奶粉（取量根據(jù)最后的發(fā)射峰是否顯著進(jìn)行調(diào)整） 于容器中，參考畢穎等人[10]的方法制成待測(cè)濾粉，質(zhì)量為MA為8.92 mg。稱取5 mg 濾粉，配置成5 mg/L 的水溶液為待測(cè)溶液A。取10 mL待測(cè)溶液按照1.3.1 中的方法進(jìn)行發(fā)射光強(qiáng)度測(cè)定，將檢測(cè)結(jié)果代入標(biāo)準(zhǔn)曲線和方程，算出待測(cè)溶液A中單過(guò)氧鄰苯二甲酸鎂的含量，再經(jīng)換算得出待測(cè)樣品中所含的鄰苯二甲酸酯類(lèi)化合物的含量。

稱取10 g 某品牌奶粉和5 mg（M0） 鄰苯二甲酸二甲酯于容器中，重復(fù)上述操作配置成待測(cè)溶液B并進(jìn)行熒光檢測(cè)（過(guò)程中的濾餅質(zhì)量MB=9.37 mg），并將待測(cè)溶液B 的檢測(cè)結(jié)果與待測(cè)溶液A 的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算回收率。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

光照時(shí)間與發(fā)射光強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖1，加熱溫度與發(fā)射光強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖2，恒溫時(shí)間與發(fā)射光強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖1 光照時(shí)間與發(fā)射光強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 加熱溫度與發(fā)射光強(qiáng)度的關(guān)系

圖3 恒溫時(shí)間與發(fā)射光強(qiáng)度的關(guān)系

由圖1 可知，當(dāng)光照時(shí)間小于0.75 h 時(shí)，MMPP溶液的發(fā)射光強(qiáng)度隨光照時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，可能是由于在此期間，隨著光照時(shí)間的增長(zhǎng)，體系在光照作用下產(chǎn)生的自由基越多，促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)光照時(shí)間達(dá)到0.75 h 時(shí)，體系中產(chǎn)生的自由基達(dá)到飽和，所以其發(fā)射光強(qiáng)度達(dá)到最大值，且不再隨著光照時(shí)間的增長(zhǎng)而改變。

由圖2 可知，MMPP 溶液的發(fā)射光強(qiáng)度隨加熱溫度的升高而增大，是由于加熱提供的能量促使更多的MMPP 發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)加熱溫度達(dá)75 ℃以上時(shí)，MMPP 發(fā)射峰的峰高會(huì)驟然降低，可能是由于MMPP的苯環(huán)結(jié)構(gòu)在高溫下被破壞。當(dāng)溫度接近100 ℃，液體會(huì)因密封不嚴(yán)而蒸發(fā)，造成測(cè)量誤差。故加熱溫度取75 ℃。

由圖3 可知，MMPP 溶液的發(fā)射光強(qiáng)度隨恒溫時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，是由于在某一固定光照和溫度作用下，隨著恒溫時(shí)間的增長(zhǎng)，導(dǎo)致更多的MMPP分子發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。當(dāng)恒溫時(shí)間達(dá)2 h 時(shí)，所有的MMPP 分子的結(jié)構(gòu)都已轉(zhuǎn)化，故其發(fā)射峰的峰高會(huì)達(dá)到最大值，且不再隨著恒溫時(shí)間的增長(zhǎng)而改變。

2.2 響應(yīng)曲面法對(duì)檢測(cè)條件的優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗(yàn)。由軟件Design Expert.V 8.0.6 得出的描述光照時(shí)間（h）、加熱溫度（℃） 和恒溫時(shí)間（h） 3 個(gè)因素與發(fā)射光強(qiáng)度（A.U.） 之間關(guān)系的試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及結(jié)果見(jiàn)表2，回歸方程可以總結(jié)如方程（1） 所示。

響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素與水平設(shè)計(jì)

表2 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及結(jié)果

各試驗(yàn)因素的方差分析見(jiàn)表3。

表3 各試驗(yàn)因素的方差分析

由表3 可知只有加熱溫度對(duì)發(fā)射光強(qiáng)度有顯著地影響。各因素之間的交互作用不明顯。使用軟件Design Expert.V 8.0.6 分析表3 中的數(shù)據(jù)，通過(guò)進(jìn)行二次多元擬合，得到三組二次多元回歸方程的響應(yīng)面，即圖4，并且得出了最佳試驗(yàn)條件為光照時(shí)間0.78 h，加熱溫度75.09 ℃，恒溫時(shí)間2.5 h。

光照時(shí)間、加熱溫度和恒溫時(shí)間對(duì)發(fā)射光強(qiáng)度影響的響應(yīng)面圖見(jiàn)圖4。

2.3 實(shí)例結(jié)果

不同質(zhì)量濃度的MMPP 標(biāo)準(zhǔn)溶液的發(fā)射光譜圖見(jiàn)圖5，標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖6。

圖4 光照時(shí)間、加熱溫度和恒溫時(shí)間對(duì)發(fā)射光強(qiáng)度影響的響應(yīng)面圖

圖5 不同質(zhì)量濃度的MMPP 標(biāo)準(zhǔn)溶液的發(fā)射光譜圖

圖6 標(biāo)準(zhǔn)曲線

在實(shí)施例中不同濃度的MMPP 標(biāo)準(zhǔn)溶液的發(fā)射光譜圖如圖5，根據(jù)圖5 中的發(fā)射光強(qiáng)度得出發(fā)射光強(qiáng)度值與濃度對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖6。標(biāo)準(zhǔn)方程如方程（2），待測(cè)樣品中鄰苯二甲酸酯類(lèi)塑化劑的含量C（此處以鄰苯二甲酸二甲酯為代表） 可以用方程（3） 計(jì)算出來(lái)，回收率公式見(jiàn)方程（4）。

式中：C——表示待測(cè)樣品中鄰苯二甲酸二甲酯的含量，mg/g；

M——濾餅的質(zhì)量，mg；

M0——向待測(cè)樣品中加入的鄰苯二甲酸二甲酯的質(zhì)量，mg；

X——待測(cè)溶液中單過(guò)氧鄰苯二甲酸鎂的質(zhì)量濃度，mg/L；

Y——發(fā)射光強(qiáng)度，A.U.。

為了便于計(jì)算回收率，假設(shè)某品牌奶粉樣品中所含的塑化劑也是鄰苯二甲酸二甲酯，但過(guò)氧鄰苯二甲酸鎂與鄰苯二甲酸二甲酯的相對(duì)分子質(zhì)量之比為1∶0.95。

待測(cè)溶液A 和B 的發(fā)射光譜圖見(jiàn)圖7。

圖7 待測(cè)溶液A 和B 的發(fā)射光譜圖

由圖7 可知，待測(cè)溶液A的發(fā)射光強(qiáng)度YA=130.93，待測(cè)溶液B 的發(fā)射光強(qiáng)度YB=340.08，代入公式（2）（3） （4） 得出待測(cè)樣品中鄰苯二甲酸二甲酯的含量CA約為0.29mg/g，加入了5 mg 鄰苯二甲酸二甲酯的樣品中，鄰苯二甲酸二甲酯的含量CB為0.81 mg/g，回收率為104.00%。

3 結(jié)論

對(duì)將PAEs 轉(zhuǎn)化為MMPP 進(jìn)行熒光測(cè)定，從而間接得出PAEs 含量的方法進(jìn)行了初步研究，并通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)曲面法對(duì)檢測(cè)條件進(jìn)行了優(yōu)化，得出使MMPP 發(fā)射光強(qiáng)度達(dá)到最佳的反應(yīng)條件為光照時(shí)間0.78 h，加熱溫度75.09 ℃，恒溫時(shí)間2.5 h。該檢測(cè)條件溫和易控、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、操作方便且成本低廉，適宜在小微型企業(yè)推廣應(yīng)用。但研究中還存在一些尚未明確的問(wèn)題：①在H2O2的作用下MMPP轉(zhuǎn)化成了什么結(jié)構(gòu)，具體反應(yīng)過(guò)程是什么；②研究適用于水溶性飲品中鄰苯二甲酸酯類(lèi)塑化劑的檢測(cè)，而油脂本身也可以產(chǎn)生很強(qiáng)的熒光，如何高效地檢測(cè)油類(lèi)產(chǎn)品中的塑化劑。由此可見(jiàn)，對(duì)鄰苯二甲酸酯類(lèi)塑化劑的檢測(cè)和脫除有必要進(jìn)行更深入的研究。