基于SPME/GC×GC－QTOF MS法測定回收PET中的揮發(fā)性有機物

葉智康，曾 瑩，林勤保*，吳學峰，郝天英，董 犇，李 丹，鐘懷寧*

（1．暨南大學 包裝工程研究所，廣東普通高校產(chǎn)品包裝與物流重點實驗室，廣東 珠海 519070；2．廣州海關(guān)技術(shù)中心，國家食品接觸材料檢測重點實驗室（廣東）， 廣東 廣州 510623）

聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate，PET）是應用較多的熱塑性聚合物，具有優(yōu)良的物理性能、化學穩(wěn)定性、加工性能和安全性，被廣泛用于碳酸飲料、礦泉水、茶飲料、果汁等飲品的包裝[1－3]。聚酯不能自發(fā)在自然界中降解，而人為降解不經(jīng)濟環(huán)保，為了不造成環(huán)境污染和資源浪費，最好的處理辦法是回收利用[4－5]。

目前回收的PET往往被用于降級再生利用，更多用于非食品接觸的工業(yè)制品上，如從食品接觸材料轉(zhuǎn)化為紡織纖維，這種相對低端的回收利用使食品級的PET材料與有更多雜質(zhì)的非食品級PET混合，造成資源浪費[6－7]，而理想的回收是同級之間的回收，即“瓶到瓶”之間的回收利用[8]。實際上，PET是一種具有低擴散率和低吸附特性的惰性材料，在前期消費中對外源化合物的吸收較低，因此是一種適合回收的材料[2,8－9]。許多國家和組織如美國和歐盟已經(jīng)允許回收PET（rPET）用于食品接觸材料。回收PET材料需要通過相關(guān)法規(guī)的風險評估方可在食品接觸材料中使用[10]。回收的PET中存在著有意或者非有意添加的風險物質(zhì)，一旦這些物質(zhì)從回收PET瓶中遷移至食品，將造成安全隱患[11]。殘留在回收PET中的揮發(fā)性化合物除了存在安全風險，還可能會影響再生PET瓶中食品的感官特性[12]。回收PET中的污染物主要來源于聚酯的降解產(chǎn)物、人為誤用（消費后的PET瓶可能被用于儲存其他化學品）、環(huán)境污染以及初期使用時的污染（如瓶上標簽的油墨污染）[4,13]。據(jù)調(diào)查，回收PET中的揮發(fā)性有機物有脂肪族類、芳香族醛、醚類、酯類、脂肪酸類、芳香族化合物、烷烴類、烯烴類、酮類和醇類[9]。目前我國對食品接觸用PET瓶的回收狀況了解不足，缺乏足夠的回收PET污染物數(shù)據(jù)進行安全性評估[10]。

對回收PET中的揮發(fā)性有機物進行調(diào)查首先需建立合適的檢測方法。回收PET和其他塑料中揮發(fā)性有機物的前處理方法包括索氏提取[14]、浸泡提取[15]、靜態(tài)頂空提取[16－17]、吹掃捕集[13]和頂空－固相微萃取[18]等。對于大規(guī)模的樣品檢測，方法應具備高效、靈敏的特點。固相微萃取（SPME）具有綠色無污染、高效快速、操作簡單方便、易于自動化等優(yōu)點[19]，相比于靜態(tài)頂空，擁有更高的靈敏度，能夠富集更低濃度的揮發(fā)性有機物[20]。儀器方面，常用氣相色譜[21]和氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用法[22]對揮發(fā)性有機物進行檢測，但對于復雜樣品的檢測，化學性質(zhì)相近的物質(zhì)可能會出現(xiàn)共流出現(xiàn)象，從而導致物質(zhì)定性不準確。全二維氣相色譜－串聯(lián)四極桿飛行時間高分辨質(zhì)譜具有高靈敏度、高峰容量以及高分辨率的特點，可以很好地解決物質(zhì)共流出的問題[23]，在非靶向物質(zhì)的篩查方面有很好的效果[24]。目前已有學者將GC×GC－QTOF－MS用于高分子聚合物聚己二酸－對苯二甲酸丁二酯（PBAT）生物降解膜的檢測[25]，而用于回收PET中揮發(fā)性有機物測定的研究還較少。

本研究建立了頂空-固相微萃取結(jié)合全二維氣相色譜－串聯(lián)四極桿飛行時間高分辨質(zhì)譜測定回收PET中揮發(fā)性有機物的方法，對SPME萃取頭纖維、萃取溫度、頂空平衡時間、調(diào)制周期和升溫速率進行了優(yōu)化。對9個回收PET樣品中的揮發(fā)性有機物進行測定，采用NIST譜庫匹配結(jié)合色譜保留指數(shù)定性，并對高頻檢出物質(zhì)進行半定量分析。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

全二維氣相色譜－串聯(lián)四極桿飛行時間高分辨質(zhì)譜儀（GC×GC－QTOF MS）由7890 GC/5975C氣相色譜－串聯(lián)四極桿飛行時間質(zhì)譜儀（美國Agilent公司）和固態(tài)熱調(diào)制器（中國雪景科技公司）組成；頂空-固相微萃取自動進樣器（美國Agilent公司），ME204電子天平（瑞士Mettler Toledo儀器公司），固相微萃取針纖維為聚二甲基硅氧烷（PDMS）、二乙烯基苯/聚二甲基硅氧烷（DVB/PDMS）和二乙烯基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷（DVB/C-WR/PDMS）（美國Agilent公司）。

正十三烷（CAS No．629－50－5，純度99．6%，德國Dr．Ehrenstorfer公司），（+）-檸檬烯（CAS No．5989－27－5，純度98．55%，德國Dr．Ehrenstorfer公司），正構(gòu)烷烴（C7～C40，1 000 mg/L，中國安譜公司）。

1.2 樣品前處理

樣品制備：將回收PET樣品（S0）經(jīng)液氮粉碎成粉末后進行優(yōu)化實驗，稱取1 g（精確至0．001 g）置于20 mL頂空瓶中上機測試。測定回收PET樣品（S1～S9）時，將其裁剪成約8 mm×8 mm的碎片，稱取1 g（精確至0．001 g）置于20 mL頂空瓶中，稱重后立即密封，以減少揮發(fā)性物質(zhì)的損失。

樣品處理：樣品由HS-SPME自動進樣器進樣，頂空瓶在110℃下平衡30 min，固相微萃取針（DVB/C-WR/PDMS）在振搖模式下吸附10 min，并在250℃前進樣口中解吸2 min，解吸后的揮發(fā)性物質(zhì)進入全二維色譜－飛行時間質(zhì)譜儀進行分析。第一次使用固相微萃取針前將萃取針置于260℃下老化40 min，測試中吸附樣品前老化10 min，進樣結(jié)束后老化2 min，以消除萃取針中的吸附物質(zhì)殘留。

1.3 GC×GC－QTOF MS條件

色譜條件：一維色譜由2根HP－5MS 15 m×0．25 mm×0．25μm柱相連（兩柱間配備反吹系統(tǒng)）；二維色譜柱為DB－17MS（1 m × 0．25 mm × 0．25 μm）；載氣：氦氣（流速：1．2 mL/min）；調(diào)制柱：SV調(diào)制柱（C6～C40）；調(diào)制器調(diào)制周期：4 s；柱箱升溫程序：初始溫度40℃保持5 min，以8℃/min升至260℃，保持8 min；不分流模式進樣。

質(zhì)譜條件：MSD傳輸線溫度：320℃；采集模式：全掃描；掃描質(zhì)量范圍：35～500 amu；EI電離能量：70 eV；溶劑延遲：0 min。

1.4 前處理及儀器參數(shù)優(yōu)化

本實驗對樣品前處理中的固相微萃取纖維類型、萃取溫度、頂空平衡時間以及儀器條件中柱箱的二維調(diào)制器周期和升溫速率進行了優(yōu)化，以得到最佳的檢測參數(shù)。

對比了3種不同類型的固相微萃取纖維頭（100μm PDMS、65μm DVB/PDMS和80μm DVB/C-WR/PDMS）的萃取效果，并對萃取溫度（50、70、90、110、130、150℃）和頂空平衡時間（15、30、60 min）進行了考察。

儀器參數(shù)優(yōu)化方面，對比了3種調(diào)制周期（2、4、6 s）的出峰效果以及3、5、8、10℃/min 4個升溫速率下色譜峰的分離效果。

1.5 物質(zhì)定性與定量

采用NIST 17譜庫匹配結(jié)合色譜保留指數(shù)（RI）定性，將正構(gòu)烷烴混合標準品（C7～C40）在相同的儀器條件下上機檢測，根據(jù)保留時間計算物質(zhì)的保留指數(shù)并與NIST 17譜庫中的參考值對比，使用全二維色譜數(shù)據(jù)處理工作站Canvas軟件（W1．8．0．29165）進行數(shù)據(jù)處理。譜庫匹配度高于800（滿分為1 000）的物質(zhì)被列為定性物質(zhì)，采用（+）-檸檬烯和正十三烷對檢測物質(zhì)進行半定量。

2 結(jié)果與討論

2.1 方法優(yōu)化

利用GC×GC－QTOF MS對萃取纖維頭類型、萃取溫度、平衡時間、調(diào)制周期和柱箱升溫速率進行優(yōu)化，以色譜峰總面積和色譜峰數(shù)量作為優(yōu)化依據(jù)。

2.1.1 SPME纖維頭的選擇由圖1A可知，采用80μm DVB/C-WR/PDMS纖維頭時色譜峰總面積最大，色譜峰的數(shù)量最多，65μm DVB/PDMS次之，100μm PDMS最少。這是因為，固相微萃取針的萃取效率取決于纖維上的涂層，PDMS纖維涂層的主要成分為聚二甲基硅氧烷，對于極性較低的物質(zhì)，如烷烴、烯烴類有較好的吸附性；DVB/PDMS涂層在PDMS的基礎(chǔ)上添加二乙烯基苯，除烷烴和烯烴外，還檢出了醛和醇類物質(zhì)；DVB/C-WR/PDMS混合萃取頭的吸附范圍最廣，檢出物質(zhì)最多，物質(zhì)類型涵蓋烷烴、烯烴、苯類、醛酮類以及酯類等。對于未知樣品的分析，萃取纖維所吸附的物質(zhì)范圍應盡可能廣，因此采用DVB/C-WR/PDMS作為最佳萃取纖維頭。

圖1 不同頂空條件下的色譜峰總面積和揮發(fā)性有機物數(shù)量（樣品S0）Fig．1 Total areas of chromatographic peaks and VOC numbers of rPET sample（S0）in different headspace conditions

2.1.2 萃取溫度的優(yōu)化考察了萃取溫度（50、70、90、110、130、150℃）對萃取效果的影響。由圖1B可知，色譜峰的總響應與色譜峰數(shù)量均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，并均在萃取溫度為110℃時達到最大值。當溫度較低時，樣品內(nèi)沸點較高的物質(zhì)未能揮發(fā)至空氣中，導致色譜峰較少。隨著萃取溫度的上升，更多物質(zhì)汽化至樣品上空被纖維涂層吸附，且在110℃時萃取效率達到最佳。由于纖維涂層的吸附和解吸同時進行，當溫度過高時，物質(zhì)反而被解吸，導致吸附效率下降，色譜峰的響應和數(shù)量也隨之下降。因此，選擇110℃為萃取溫度。

2.1.3 平衡時間的優(yōu)化平衡時間是頂空的重要參數(shù)，影響各組分在氣相中的分壓。對比了15、30、60 min的頂空平衡時間對萃取效果的影響。由圖1C可看出，色譜峰總響應面積與色譜峰數(shù)量隨著平衡時間的上升呈先上升后下降的趨勢，并在30 min時達到最大。平衡時間為15 min時，由于樣品中的揮發(fā)性物質(zhì)未達到氣液平衡，色譜峰總面積與峰數(shù)量仍有繼續(xù)上升的趨勢。當平衡時間達到60 min時，色譜峰總響應與物質(zhì)數(shù)量下降，可能是由于平衡時間過長，使氣相中的水蒸氣含量增加，導致目標物濃度和數(shù)量下降[26]。因此，選擇30 min作為方法的頂空平衡時間。

2.1.4 調(diào)制周期的優(yōu)化全二維氣相色譜中，二維調(diào)制器的調(diào)制周期對色譜峰的峰形和分離效果影響較大。調(diào)制周期是指從一維色譜柱流出的物質(zhì)被調(diào)制器捕集到釋放的時間，調(diào)制周期需要設(shè)定為合理值。調(diào)制周期過大，可能會影響物質(zhì)在一維柱上的分離效果，使已在一維柱上分離的物質(zhì)重新聚集在二維柱上分離，導致一維的分離效果減弱。調(diào)制周期過小，容易造成“峰迂回”現(xiàn)象，使物質(zhì)無法在一個完整的調(diào)制周期內(nèi)從二維柱中流出，并影響下一個周期內(nèi)物質(zhì)的出峰。

由圖2可知，回收PET樣品均可在不同周期內(nèi)出峰，且色譜峰分離良好，無“峰迂回”現(xiàn)象。從峰形上看，調(diào)制周期為2 s的色譜峰在二維上出現(xiàn)輕微拖尾，調(diào)制周期為4 s和6 s的色譜峰峰形較好。由于過大的周期會犧牲一維的分離效果，因此選擇4 s為最佳調(diào)制周期。

圖2 不同調(diào)制周期下典型回收PET樣品的二維總離子流色譜圖（樣品S0）Fig．2 Two-dimensional total ion chromatograms（TICs）with different modulation periods for typical rPET sample（S0）

2.1.5 升溫速率的優(yōu)化柱箱升溫速率也會對物質(zhì)出峰造成影響。升溫速率降低，物質(zhì)在一維上的流出溫度降低，經(jīng)過二維柱的溫度也會降低，導致物質(zhì)更容易在色譜柱中被保留，易造成色譜峰在二維上拖尾。而升溫速率過高，沸點和性質(zhì)相近的物質(zhì)在一維上可能出現(xiàn)難以分離的現(xiàn)象，造成共流出。另外，升溫速率提高時，物質(zhì)在一維柱的流出溫度升高，二維柱的溫度隨之提高，也可能導致物質(zhì)在二維上的分離效果不佳。

由圖3可以看出，4種升溫速率下色譜峰均能很好地分離。從峰形上看，升溫速率為3℃/min的色譜峰在二維上出現(xiàn)拖尾，導致峰形不聚焦，可能會造成定量不準確。隨著升溫速率的提高，色譜峰的峰形越來越聚焦，但在二維上的分離效果變差。綜合考慮色譜峰峰形和分離效果，選擇8℃/min的升溫速率用于樣品分析。

圖3 不同升溫速率下的典型回收PET樣品的二維總離子流色譜圖（樣品S0）Fig．3 TICs with different heating rates for typical rPET sample（S0）

2.2 樣品檢測

2.2.1 物質(zhì)定性經(jīng)過實驗優(yōu)化，確定rPET揮發(fā)性物質(zhì)測定的最佳方法參數(shù)為：SPME纖維頭類型為80μm DVB/C-WR/PDMS，頂空萃取溫度110℃，平衡時間30 min，調(diào)制周期4 s，柱箱升溫速率8℃/min。利用GC×GC－QTOF MS對9個rPET樣品（S1～S9）進行檢測，通過NIST譜庫匹配結(jié)合色譜保留指數(shù)定性。

9個回收PET樣品中共檢出209種揮發(fā)性有機物，其中苯系物40種、烷烴類29種、醇類28種、醛酮類28種、酯類27種、烯烴類25種、萘類11種、羧酸類3種、酚類2種以及其他類16種，與已有文獻所檢測到的揮發(fā)物種類基本相同[9]。

苯系物是檢出數(shù)量最多的物質(zhì)，大多數(shù)苯系物的苯環(huán)上存在短鏈烷烴的支鏈，如鄰二甲苯、均三甲苯、1-乙基-2-甲基-苯等。苯系物產(chǎn)生的原因可能是回收PET在不同環(huán)境的作用下發(fā)生降解[27]。

烷烴類物質(zhì)有較多檢出，大多數(shù)烷烴的出峰時間在19 min后，碳數(shù)范圍為C14～C21。烯烴類是回收PET中的典型物質(zhì)，其中萜烯有較多檢出，如檸檬烯、γ-松油烯、β-紅沒藥烯等。此類萜烯可能源自早期PET瓶中灌裝的飲料，在茶類飲料和柑橘類飲料中萜烯類是重要的風味化合物[28－30]，飲料中的萜烯經(jīng)長時間與PET瓶接觸造成在回收PET中的殘留。

醛酮類物質(zhì)中，2-癸酮在樣品中有較多檢出，苯甲醛、苯乙酮為聚酯熱降解中釋放的物質(zhì)[27]，另外還在3個樣品中檢測到壬醛和辛醛。

醇類物質(zhì)也有較多檢出，檢出頻次相對較高的為2-十二醇、十二醇、2-甲基-1-十一醇。

酯類物質(zhì)中，各樣品的共同檢出物質(zhì)較少，檢出頻率最高的為鄰苯二甲酸二甲酯，此物質(zhì)是塑料加工過程中常用的塑化劑。萘類物質(zhì)在樣品中也有檢出，此類物質(zhì)的存在可能源自環(huán)境的污染[14]。其他類物質(zhì)為少量醚類、硅氧烷，以及帶有S、N、Br等元素的化合物。

2.2.2 高頻檢出物質(zhì)分析圖4為樣品2的二維總離子流色譜圖。9個rPET樣品中，檢出頻次大于5的物質(zhì)有（+）-檸檬烯、十四烷、γ-松油烯、2-十二醇、萘、1-甲基萘、5-甲基-1-十一烯、2，4-二叔丁基苯酚、2-癸酮和1-亞乙基-1H-茚。（+）-檸檬烯是常見的rPET中的污染物，由原生PET瓶與飲料接觸而來[31]。2，4-二叔丁基苯酚可能源自原生PET中的抗氧劑168，在使用和回收過程中，抗氧劑降解為2，4-二叔丁基苯酚并殘留在rPET樣品中。

圖4 樣品2的二維總離子流色譜圖及高頻檢出物質(zhì)Fig．4 TIC for sample 2 with high frequency detection of compounds

對以上物質(zhì)進行半定量，定量結(jié)果如表1所示。結(jié)果顯示，10種高頻物質(zhì)的含量均低于3 mg/kg，十四烷和（+）-檸檬烯的含量最高。十四烷的最高含量為2．13 mg/kg，平均含量為0．85 mg/kg；（+）-檸檬烯的含量在0．10～1．42 mg/kg之間，平均含量為0．52 mg/kg。需要說明的是，回收PET材料中可能存在誤用情況[32]，即消費者可能忽略PET產(chǎn)品的原始用途而用于其他方面（如用礦泉水瓶儲存農(nóng)藥），從而導致某個污染物的濃度水平極高，在本研究的樣品中未發(fā)現(xiàn)誤用情況。

表1 高頻揮發(fā)性有機物的定量結(jié)果Table 1 Quantitative results of high frequency volatile organic compounds

3 結(jié) 論

本文構(gòu)建了GC×GC－QTOF MS檢測回收PET中揮發(fā)性有機物的方法，并對相關(guān)前處理參數(shù)和儀器參數(shù)進行了優(yōu)化。頂空-固相微萃取的最佳條件為：80μm DVB/C-WR/PDMS萃取纖維頭，萃取溫度110℃，平衡時間30 min，二維調(diào)制器調(diào)制周期4 s，儀器升溫速率8℃/min。實際樣品檢測中，共檢出209種揮發(fā)性有機物，檢出物包括苯系物、烷烴類、醇類、醛酮類、酯類、烯烴類、萘類、羧酸類和酚類等，檢出（+）-檸檬烯、十四烷、γ-松油烯等高頻物質(zhì)。回收PET中含量最高的揮發(fā)性成分為十四烷，其次為（+）-檸檬烯，回收PET中的污染物來源主要為聚酯降解產(chǎn)物、前期使用殘留以及環(huán)境污染。