氣相色譜-串聯質譜法同時測定硅橡膠餐具中21種硅氧烷類化合物的殘留量

董 犇，張子豪，曾 瑩，王 晶，鐘懷寧，廖滿生，劉中勇，陳 勝，蔡汶靜，李 丹,*，鄭建國

（1.廣州海關技術中心，廣東 廣州 510623；2.中國檢驗認證集團廣東有限公司，廣東 廣州 510623）

硅氧烷是一類含有(R2SiO)x結構的有機化合物，其主鏈通過（—Si—O—Si—）鍵構成，R代表甲基、苯基等取代基團[1]。當R基團全部被甲基取代，硅氧烷的主鏈結構可分為環型甲基硅氧烷（圖1a）和線型甲基硅氧烷（圖1b），分別用Ln和Dn表示（n為硅原子數）[2]。硅氧烷中的Si—O鍵不僅具有共價鍵性質，而且還有離子鍵的性質，因而其鍵能比一般有機化合物中的C—C和C—O的鍵能大[3-4]。此外Si—O—Si的鍵角較大，鍵長較長，因此硅氧烷鏈即使在較大溫度范圍內也可多方向自由旋轉，因此硅氧烷對熱和化學試劑穩定，且不被水潤濕，具有耐高溫、耐高氧化、耐臭氧、耐紫外輻射與生理惰性等特點，突出的耐老化性能、優異的疏水性與電絕緣性，使其廣泛應用于耐熱材料、耐腐蝕材料、食品接觸材料、化妝品等領域[5-7]。

圖1 環型甲基硅氧烷（a）和線型甲基硅氧烷（b）的化學式Fig.1 Cyclic methylsiloxane (a) and linear methylsiloxane (b)

硅橡膠是由硅氧烷聚合得到的，其主鏈由—Si—O—Si—交替構成，側鏈通過—C—Si—C—連有2 個有機基團[8-9]。硅橡膠不僅保持了硅氧烷的特性和優點，而且還具有易脫模、穩定性好等特點，是高溫烘焙食品用模具的優良選擇[10]，作為餐具也受到了消費者的廣泛青睞。隨著人們對硅橡膠耐高溫和耐油性能要求的提高，不同的取代基團也被逐漸引入到硅橡膠的側鏈中，得到苯基、三氟丙基和腈基等硅橡膠。過去消費者一直認為硅橡膠材料及制品無毒無害。然而，近年來國內外的研究人員發現硅橡膠食品接觸材料在使用過程中殘留的硅氧烷及其低聚物可能會遷移到與其接觸的食品中，給食品安全帶來潛在風險[11-12]。

隨著對硅橡膠研究和應用的日益深入，人們逐漸認識到硅橡膠制品中的某些硅氧烷類化合物屬于生殖毒性物質[12]，其能在生物體內富集，導致生育能力受到損害。毒理學研究表明，低分子質量的硅氧烷化合物對哺乳動物的多種生理過程有直接或間接的毒性作用[13-15]。也有研究表明環三至環六的聚二烴基硅氧烷類化合物具有內分泌干擾作用[15-16]，對免疫系統[17]、肝臟、呼吸系統及神經系統均有不利影響[13]，還有可能引起慢性中毒甚至增加致癌幾率。歐盟將環四聚二烴基硅氧烷定義為第3類對生殖有毒的物質。美國環保署也將環四至環六的聚二烴基硅氧烷定義為“高產量化學品”，還將其列入斯德哥爾摩持久性有機污染物約審議清單[18]。2009年《加拿大政府公報》先后將鏈狀三聚二烴基硅氧烷和鏈狀四聚二烴基硅氧烷等10 個有機硅化合物列為“有生物積累性、對非人類生物有毒”的化學物質[19]。2016年3月，歐盟社會經濟分析委員會召開全體會議，做出了限制環四環五的聚二烴基硅氧烷投放的決定，歐盟與加拿大一致將低分子質量的甲基硅氧烷列為優先污染物。

硅橡膠中殘留硅氧烷主要來源于生產過程中殘留的原料和中間體。如環三聚二烴基硅氧烷（D3）、環四聚二烴基硅氧烷（D4）[20]、環五聚二烴基硅氧烷（D5）、環六聚二烴基硅氧烷（D6）、環七聚二烴基硅氧烷（D7）等甲基硅氧烷是生產硅橡膠的主要原料或中間體，在制備硅橡膠制品的過程中，部分硅氧烷單體反應不完全，生成的硅氧烷低聚物會殘留在硅橡膠制品中，在使用過程中可能會遷移到食品基質中[8,21-22]。其次來源于硅橡膠老化過程釋放出的硅氧烷化合物。在硅橡膠在使用過程中，使用性能隨時間發生衰減的現象為硅橡膠的老化過程[22-24]。在高溫使用過程中硅橡膠主要發生熱氧老化[25]，此時主鏈上硅氧鍵會發生斷裂、重排，從而生成一些如D3、D4、D5、D6以及線型硅氧烷和高環體等低分子硅氧烷，這些生成的硅氧烷會遷移到食品中[26-27]。對硅橡膠類食品接觸材料中硅氧烷類化合物遷移量或殘留量的檢測已有文獻報道[10-11,20]。目前硅橡膠類食品接觸材料中硅氧烷類化合物的測定方法主要有液相色譜法、氣相色譜法[28]和氣相色譜-質譜法[7,29-30]，檢測物質主要為甲基取代的環三聚硅氧烷、環四聚硅氧烷、環五聚硅氧烷和環六聚硅氧烷4 種化合物。近幾年由于對硅橡膠工業研究的逐漸深入和檢測技術的提高，研究同時檢測多種合成硅橡膠殘留甲基硅氧烷單體化合物的方法越來越多[31-34]。但對于同時測定一系列的鏈狀甲基取代硅氧烷類化合物，聚合度從短碳鏈C3到長碳鏈C9等環狀甲基取代硅氧烷類化合物，鮮見環狀烯基取代硅氧烷類化合物、環狀芳基取代硅氧烷類化合物等合成硅橡膠的殘留單體物質的分析檢測方法的相關標準或報道。現有方法對以上多種硅氧烷化合物的檢測已無法滿足日益嚴格的法規或食品安全標準要求，尤其無法滿足硅橡膠制品的食品接觸材料中多種殘留硅氧烷單體化合物含量的檢測要求，而且國內外尚無關于硅橡膠制品中多種殘留硅氧烷類化合物測定的國際、國家、行業標準。因此，亟需建立一種簡單高效、準確度高并且能同時測定硅橡膠餐具中多種硅氧烷類化合物殘留量的檢測方法。

氣相色譜-串聯質譜（gas chromatography-tandem mass spectrometry，GC-MS/MS）法不僅具有氣相色譜的分離效果好、靈敏度高等優點，同時還具有選擇性好、檢出限低等優點。實驗采用GC-MS/MS法，對硅橡膠餐具中21 種硅氧烷類在乙酸乙酯溶液中的提取量進行研究，建立的方法具有快速靈敏、檢出限低、選擇性好等優點，具有廣泛的應用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

硅橡膠餐具均由某供應商提供。

21 種硅氧烷類化合物（純度≥98%） 德國Dr.Ehrenstorfer公司；3-(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷內標標準品（純度≥98%） 上海安譜實驗科技有限公司；乙酸乙酯（色譜純） 德國Fisher公司。

1.2 儀器與設備

GC-MS/MS儀、 7890B-7000C三重四極桿串聯質譜（帶MassHunter軟件數據處理系統） 美國安捷倫公司；分析天平（感量0.1 mg） 瑞士Mettler Toledo公司；有機微孔濾膜（0.2 μm） 天津津騰實驗設備有限公司；AS 7240BT可控溫型超聲儀 天津奧特賽恩斯公司。

1.3 方法

1.3.1 色譜條件

色譜柱：ZB-5HT INFERNO石英毛細管柱（15 m×0.25 mm，0.10 μm）；升溫程序：初溫35 ℃保持3 min，以8 ℃/min升溫至110 ℃，再以30 ℃/min速率升至350 ℃保持5 min；進樣口溫度300 ℃；載氣氦氣，流速1.2 mL/min；進樣量1 μL；進樣方式：不分流進樣。分流出口吹掃流量50 mL/min，吹掃時間1 min。

1.3.2 質譜條件

離子源：電子電離（electron ionization，EI）源；電離能量70 eV；離子源溫度230 ℃；四極桿質量分析器溫度150 ℃；傳輸線溫度320 ℃；溶劑延遲1 min；檢測方式：多反應監測（multiple reaction monitoring，MRM）模式；運行時間25 min（后運行1 min）；質量掃描范圍m/z35～750。

1.3.3 標準溶液的配制

1.3.3.1 標準儲備溶液與標準中間溶液

準確稱取21 種硅氧烷類化合物標準品各0.010 0 g，分別置于21 個10 mL棕色容量瓶中，用乙酸乙酯溶解稀釋至刻度，混勻。各標準儲備溶液的質量濃度為1 000 mg/L。

準確移取各硅氧烷類化合物標準儲備溶液100 μL于同一個10 mL棕色容量瓶中，用乙酸乙酯定容至刻度，得到質量濃度10 mg/L混合標準中間液。

1.3.3.2 內標化合物標準儲備溶液與中間溶液

準確稱取3-(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷標準品0.010 0 g，置于10 mL棕色容量瓶中，用乙酸乙酯溶解、混勻并稀釋至刻度；溶液的質量濃度為1 000 mg/L。

準確移取內標化合物標準儲備溶液100 μL到10 mL棕色容量瓶中，用乙酸乙酯定容至刻度，得到質量濃度10 mg/L內標化合物標準中間溶液。

1.3.4 標準工作溶液的配制

準確移取50、100、250、500、1 000、2 500 μL的硅氧烷類化合物混合標準中間液于6 個10 mL容量瓶中，分別向其中加入500 μL 10 mg/L內標標準中間液，乙酸乙酯定容至刻度，搖勻后得到含內標質量濃度為0.5 mg/L的硅氧烷類化合物系列標準工作溶液，質量濃度分別為0.05、0.1、0.25、0.5、1.0、2.5 mg/L。

1.3.5 試樣制備

1.3.5.1 試樣的預處理

稱取約2.00～4.00 g硅橡膠樣品，將樣品用剪刀剪成5 mm×5 mm×5 mm的小塊，裝入預先準備好的冷凍粉碎鋼瓶內，用液氮冷凍粉碎樣品3 min，直至樣品呈100～200 μm顆粒大小的粉末狀固體。

1.3.5.2 試樣的提取

稱取2.0 g（準確至0.1 mg）硅橡膠冷凍粉碎樣品，置于潔凈的25 mL旋蓋瓶中，加入10 mL乙酸乙酯和500 μL內標標準中間液。（40±5）℃密封超聲萃取30 min，冷卻至室溫后過濾，用2 份5 mL乙酸乙酯沖洗樣品，合并洗滌液，轉移至50 mL圓底燒瓶，經45 ℃、3.6×103psi真空度旋轉蒸發濃縮提取液至5 mL，轉移至10 mL容量瓶中，乙酸乙酯定容至刻度。經0.2 μm濾膜過濾后供GC-MS/MS進樣。

1.3.5.3 空白試樣的制備

按上述操作過程進行方法空白試樣的制備。

1.3.6 GC-MS/MS分析及陽性結果確證

使用GC-MS/MS條件測定試樣和標準工作溶液，若樣品的質量色譜峰保留時間與標準品一致，所有選擇離子對均應出現，則根據定性選擇離子對的種類及其相對豐度比，對其進行陽性確證。定性時，其相對豐度允許偏差不超過表1規定的范圍，則可判定樣品中存在對應的被測物。

表1 陽性結果確證時相對離子豐度比的最大允許偏差Table 1 Maximum allowable deviation of relative ion abundance ratio for confirmation of positive results

對空白試液和方法空白樣品依次進樣，扣除空白本底后，得到各硅氧烷類化合物的色譜峰面積，每個溶液平行進樣2 次，計算峰面積平均值。在試樣和標準工作溶液的整個測定過程中確保操作條件一致。采用內標法定量。

2 結果與分析

2.1 樣品萃取溶劑的選擇

硅氧烷類化合物能溶于乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮、正己烷和環己烷等有機溶劑中。取一定量含有D3、D4、D5、L6和D3A共5 種硅氧烷的陽性樣品，冷凍粉碎后分別用乙酸乙酯、正己烷、二氯甲烷、丙酮、環己烷進行超聲提取，提取的5 種硅氧烷總量回收率與5 種硅氧烷在不同溶劑中各自回收率結果見表2與圖2。二氯甲烷對硅氧烷有熔融分解作用，溶解出的硅氧烷片段會對目標物產生干擾；其他4 種溶劑中正己烷對線型的L6提取效率較高，但正己烷與環己烷對含有多苯基的環硅氧烷提取效率不高，影響硅氧烷總量提取回收率；其余兩個溶劑中乙酸乙酯的提取效率略高于丙酮。5 種不同物質在幾種溶劑的萃取效率比較中，因D3和D4本身容易揮發，導致回收率偏低，考慮到提取時需要加熱超聲提取，最終選擇沸點較高的乙酸乙酯作為提取溶劑。

表2 硅氧烷類化合物萃取溶劑選擇Table 2 Effect of extraction solvents on total recovery of siloxane compounds

圖2 4種萃取溶劑對不同硅氧烷類化合物的萃取效率Fig.2 Extraction efficiencies of four different solvents for different siloxane compounds

2.2 超聲提取時間與溫度的選擇

取上述經冷凍粉碎處理后的陽性硅橡膠樣品，用乙酸乙酯作為提取溶劑，分別考察15、30、45、60 min提取時間和30、40、50、60 ℃提取溫度下，5 種硅氧烷類化合物的提取效率。結果表明，提取時間在30 min以上時，樣品中硅氧烷類化合物濃度趨于穩定；在提取溫度大于40 ℃時，分子質量較低的硅氧烷類化合物D3、D4H、L3濃度有所下降，且溫度較高時不利于乙酸乙酯的提取。最終選擇萃取時間為30 min，萃取溫度為40 ℃時進行實驗。

2.3 色譜柱的選擇

考慮到目標硅氧烷類化合物既有D3、D4H等的低沸點組分，也有D3A、D4A等高沸點組分，出峰時間較長，且化合物結構均為對稱性良好的低極性化合物，因此選擇甲基、苯基官能團鍵合相的DB-1（30 m×0.25 mm，0.25 μm）、DB-5MS UI（30 m×0.25 mm，0.25 μm）、DB-35MS（30 m×0.25 mm，0.25 μm）、ZB-5HT（15 m×0.25 mm，0.1 μm）、ZB-35HT（15 m×0.25 mm，0.1 μm）5 種溫度適用范圍較寬且均為中等極性的色譜柱，結果表明，目標化合物在5 種色譜柱上均能分離，在15 m的（5%苯基）甲基聚硅氧烷和（35%苯基）甲基聚硅氧烷色譜柱在上也有較理想的分離效果，但由于長色譜柱的分離時間較長，因此最終選ZB-5HT（15 m×0.25 mm，0.1 μm）色譜柱，既節約時間，也可獲得很好的分離效果。

2.4 進樣口溫度優化

考慮到目標硅氧烷類存在D4P、D5P、D4A等高沸點的化合物。在確定以上萃取和分離條件后，用分子質量最大的D4A的標準工作溶液對進樣口溫度進行優化，結果見表3。隨著進樣口溫度的升高，D4A峰面積逐漸增大，在280～300 ℃之間達到最大，高于300 ℃，隨著進樣口溫度的升高，峰面積變化不大。因此，選擇300 ℃為最佳進樣口溫度。

表3 進樣口溫度選擇Table 3 Effect of inlet temperature on peak area of D4A

2.5 質譜條件的選擇

將21 種硅氧烷類化合物和內標物標準溶液逐個在EI全掃描模式下進行一級質譜掃描，發現低質量數環狀與鏈狀硅氧烷類化合物易于形成丟失—CH3的分子離子峰[M-15]+，如圖3a所示的D3 [222-15]+（M=207），L4[240-15]+（M=225），如圖3b和3c所示的D5[370-15]+（M=355）和D6[444-15]+（M=429）；高質量數的環狀和鏈狀硅氧烷類化合物除易于形成丟失—CH3的分子離子峰[M-15]+外，還易于形成聚合數更低更穩定的分子離子峰，如D7的主要分子離子峰[281]+，如圖3d所示的D8分子離子峰[355]+，L6的分子離子峰[221]+；其次，含有苯基的硅氧烷類化合物更易于形成丟失—C6H5的分子離子峰，如D3P與D4P。分別選取以上各物質的質譜圖中響應強度較大的離子為母離子，以5～60 eV的碰撞能量進行子離子模式掃描，結果表明，21 種硅氧烷類化合物中，環狀硅氧烷類化合物均易于形成[CH3SiO2]+（M=75）的子離子，鏈狀硅氧烷類化合物均易于形成[C2H5SiO]+（M=73）的子離子；21 種硅氧烷類化合物優化后的MRM參數見表4。

表4 21 種硅氧烷類化合物MRM數據采集信息Table 4 MRM data acquisition information of 21 siloxane compounds

圖3 D3（a）、D5（b）、D6（c）和 D8（d）在EI-MS下的全掃描一級質譜圖Fig.3 Primary mass spectrum of D3 (a), D5 (b), D6 (c) and D8 (d)

2.6 21 種硅氧烷類化合物測試的總離子流圖

在以上優化后的實驗條件下，21 種硅氧烷類化合物的GC-MS/MS MRM總離子流圖如圖4所示。

圖4 21種硅氧烷類化合物在ZB-5HT色譜柱上的GC-MS/MS MRM總離子流圖Fig.4 MRM total ion current chromatograms of 21 siloxane compounds on a ZB-5HT column

2.7 標準工作曲線線性關系

按照優化后的測試條件，對標準工作溶液（0.05～2.50 mg/L）進行檢測，以峰面積（Y）對21 種硅氧烷類化合物質量濃度（X）制作標準工作曲線Y=aX+b。結果表明，其質量濃度與響應值有良好的線性關系，線性方程及相關系數見表5。21 種硅氧烷類化合物的線性范圍廣，其中D3P、D4P、D5P這3 種物質因含有幾種同分異構體色譜峰，導致相關系數相對較低。所有物質的線性相關系數均不小于0.995 1，能很好地滿足測試工作的需要。

表5 21 種硅氧烷類化合物的線性關系Table 5 Regression equations, correlation coefficients, detection limits and quantitative limits of 21 siloxane compounds

2.8 檢出限與定量限測定結果

根據21 種硅氧烷類化合物在GC-MS/MS檢測的靈敏度測定檢出限、定量限。用上述帶有空白樣品基質的乙酸乙酯提取液配制成質量濃度為0.05～0.50 mg/L的系列標準溶液，按照優化后的測試條件測試，以3 倍信噪比作為檢出限，并用得到的檢出限通過7 次重復實驗的標準偏差驗證檢出限的有效性，有效性=標準偏差SMDL×系數T（n-1，1-α=0.99），其中，當重復次數為7、置信度為99%時，T為3.143，計算得到數值不大于信噪比得到的檢出限時成立。以10 倍信噪比作為定量限，根據信噪比結果可知，部分物質檢出限和定量限可以更低，但不同儀器的靈敏度不同，因此未必均能達到非常低的水平，基于最不靈敏的化合物的檢出限和定量限進行統一規定，這樣更能體現標準的普適性，在操作上也更便捷。因此本方法中除D3P、D4P、D5P之外其余硅氧烷化合物的檢出限均為0.05 mg/L，定量限均為0.10 mg/L。對定量限0.10 mg/L進行精密度及回收率的實驗，由表6可知，定量限滿足回收率與精密度要求。

表6 21 種硅氧烷類化合物的回收率和精密度Table 6 Recoveries and precision of 21 siloxane compounds in spiked samples

續表6

2.9 方法的回收率和精密度實驗結果

采用空白樣品加標的方式進行21 種硅氧烷類化合物的回收率實驗。分別于3 個本底不含硅氧烷類化合物的空白樣品加入一定量標準品，按1.3.5.2節方法提取，使最終21 種目標物的質量濃度分別為0.10、0.50、2.50 mg/L，對3 個加標樣品進行測定，每個添加量樣品單獨測定6 次，進行回收率和精密度實驗，結果詳見表6。本方法測定硅橡膠制品中21 種硅氧烷類化合物的加標回收率在91.3%～107.8%之間，相對標準偏差均低于5.0%，表明本方法具有良好的回收率和精密度。

2.10 實際樣品測試結果

利用本方法對10 款市售硅橡膠餐具樣品進行測試。測試結果表明，有6 款樣品檢出化合物D3、D6和D7[35]，其殘留量分別在0.45～1.87、0.57～1.80 mg/kg和0.68～1.98 mg/kg之間，其余硅氧烷類化合物未檢出。以上結果表明本方法可用于實際樣品的檢測。

3 結 論

本實驗采用GC-MS/MS法建立了硅橡膠耐熱材料及制品中21 種硅氧烷類化合物殘留量的分析方法。21 種硅氧烷類化合物在0.05～2.50 mg/L質量濃度范圍內線性關系良好，僅D3P、D4P和D5P檢出限為0.20 mg/kg，其余化合物檢出限均為0.05 mg/kg。添加量為0.1、0.5、5.0 mg/L時，21 種化合物的加標回收率為91.3%～107.8%，相對標準偏差均低于5.0%。研究結果表明該方法具有靈敏度和準確度高、操作簡單、抗干擾能力強等優點，能夠滿足硅橡膠耐熱材料及制品中21 種硅氧烷類化合物殘留量的日常檢測需求。