紡織品中致癌染料檢測方法研究進展

文/劉鈺成 黃宗雄

1 引言

染料指的是可以讓某些物質著色的一類化合物，染料的應用范圍較為廣泛，如：紡織行業、印染行業、化妝品行業等。天然染料和合成染料是目前主要的染料來源。第一種合成染料于1857年被英國著名科學家W.H.Perkin發明，這意味著合成染料進入了生產應用的新時代。但在19世紀末期，德國醫學家Rehn研究發現：在染料制造廠長期工作的45位工人中有4位工人患有癌癥。Rehn通過對動物和臨床病人的調查研究得出：某些染料會增加癌癥的患病概率，這類染料就是可致癌染料。紡織品中存在的致癌染料如果長時間與人體直接接觸會被人體日常的代謝產物還原降解最終通過皮膚被人體吸收，致癌染料被人體吸收后有可能導致人體細胞發生癌變或者誘發腫瘤的產生，對此國際社會規定禁止使用可致癌染料。

國內外也發布了許多有關致癌染料的檢測標準，表1為國內外主要的致癌染料檢測標準。從表1中可以看出目前國內標準檢測致癌染料的種類遠少于國際標準，對此今后可以在這些標準的基礎上擴增致癌染料的種類。

表1 部分致癌染料檢測標準

在新發布的GB/T 18885—2020《生態紡織品技術要求》中規定不得使用表2中的15種染料。而我國現行紡織品中致癌染料的檢測標準僅囊括了15種中的9種，亟須開發檢測其余6種致癌染料的檢測方法來滿足日常檢測的要求。

表2 GB/T 18885—2020規定的不得使用的15種致癌染料信息

2 紡織品中致癌染料檢測方法簡介

色譜檢測法作為目前檢測紡織品中致癌染料的主要手段有著100多年的發展歷史。最早的色譜法可以追溯至1938年的薄層色譜法(TLC)，該方法使用氧化鋁作為吸附劑，在載玻片上進行圓心式分離。到了20世紀40年代，紙色譜法與分配色譜法橫空出世；在20世紀50年代，氣相色譜法（GC）被人們發明；而在60年代以后，分子排阻色譜法（SEC）與高效液相色譜法（HPLC）也相繼出現。

目前，紡織品中致癌染料的檢測方法主要有以下幾種，分別為：高效液相色譜法(HPLC)、高效液相色譜質譜聯用法（HPLC-MS）、氣相色譜法（GC）、氣相色譜質譜聯用法（GC-MS）；但國內對于紡織品致癌染料的研究主要是以高效液相色譜質譜聯用法（HPLC-MS）與高效液相色譜二極管陣列（HPLC-DAD）為主。

2.1 高效液相色譜法（HPLC）

高效液相色譜法是研究紡織品致癌染料中常用的方法之一，該儀器一般由高壓輸液泵系統、進樣器系統、色譜柱系統、檢測器系統與數據處理系統組成。其原理是以單一溶劑或混合溶劑作為載體，利用高壓輸液泵推動輸液，待進樣器將試樣注入色譜柱時，色譜柱會對試樣內的各種物質進行分離，同時將分離后的試樣送入檢測器中進行分析檢測，最后在電子設備端顯示試樣的色譜分析圖。其中高效液相色譜二極管陣列（HPLC-DAD）在紡織品致癌染料檢測的相關研究中更是備受青睞，通過高效液相色譜與二極管陣列檢測器的聯用技術，可以得到一定范圍內試樣的吸光度變化趨勢，得到該試樣的三維譜圖，通過三維譜圖能更好地分析試樣中的雜質與未知物。圖1是采用三維液相色譜技術來檢測中草藥含有的有效化學物質研究，從圖上可以看出，一種化學物質得到的三維液相色譜圖類似一座高山，不同的化學物質就像一座座“山峰”聳立在“平地”上。“山峰”的位置和形狀結合了測定物質的出峰時間和光譜吸收特性，能提高比二維色譜更多測定物質的細節信息，因此是一種比較有前景的分析測試技術，如應用到紡織品中致癌染料的檢測，對與測定物質出峰時間相近的雜質的判別會更加準確。

圖1 兒茶素和表兒茶素的三維液相色譜圖[16]

液相色譜法檢測紡織品中的致癌染料也存在一些問題，對于部分面料，致癌染料的萃取效率不高；化學性質接近的染料在色譜中難以分離。不過，盧坤等人利用乙腈與硫酸二氫四丁基銨的混合溶液對新增染料（溶劑黃1、溶劑黃2、溶劑黃34、酸性紫49）進行萃取并達到出色的萃取效果。而在丁友超等人的研究中發現采用吡啶與水的4∶3溶液能夠萃取出天然纖維中的直接染料與分散染料，而對于腈綸或是混紡面料中堿性染料可以在吡啶水溶液中加入甲酸配制成吡啶/甲酸/水（70/5/25，v/v）溶液進行萃取；不僅如此，在色譜保留上丁友超等人使用磷酸二氫四丁基銨作為試劑，通過四丁基銨離子與陰離子染料的結合提升了酸性染料和直接染料的色譜保留程度從而提高了色譜柱的分離能力。

高效液相色譜法檢測紡織品致癌染料擁有操作過程相對簡單、檢測結果容易分析、能夠更好地將固體試樣與液體試樣分離等優勢，但是也存在靈敏度有限；若檢測出假陽性譜圖時，將難以進行下一步的定性判定；對于致癌染料的同分異構體，該方法也難以精確識別該物質結構式等問題。

2.2 高效液相色譜質譜聯用法（HPLC-MS）

高效液相色譜質譜聯用法增加了質譜儀進行分子質量分析工作，如圖2所示，該儀器相對于高效液相色譜儀增加了離子源、質量分析器、數據分析和處理等設備。離子源主要分為電噴霧離子源（ESI）、大氣壓化學電離源（APCI）、復合源（MM）3種形式，電噴霧離子源能夠產生多電荷離子，因此可測量的分子量范圍較大；大氣壓化學電離源屬于氣態電離方式，該方式以電荷轉移的形式產生離子進行分析檢測；復合源則是將以上兩種電離方式結合，使得電離過程更加靈活且具有選擇性。試樣經過色譜柱的分離后進入質譜儀，經過離子源離子化后的試樣被分離成各離子碎片并進入質量分析器中，最后通過檢測器得到相應的質譜圖。

圖2 高效液相色譜質譜聯用儀流程示意圖

使用該方法檢測致癌染料還應考慮不同化合物是否會對質譜的離子化造成干擾。Ding等人根據染料的電荷和檢測模式把致癌染料進行分類研究來減少染料性質差異帶來的干擾，但是在實際檢測中面對未知樣品無法判斷其使用染料的具體化學性質，將其分類也有較大的難度。同時，染料信息數據庫的不完整也是亟須完善的一方面，例如：歐盟生態紡織品標簽Eco-Label的文章中將分散橙37與分散橙76視為同一種物質。在羅忻等人的文章中也提到不同數據庫中同種物質的CAS編號存在差異，部分染料的CAS編號在SciFinder數據庫中無法查詢結構式與分子式等信息，或部分染料在數據庫中的結構式與實際產品的結構式不一致。

高效液相色譜質譜聯用法有更好的定量能力，對大分子試樣的檢測也有優勢。但也存在著色譜與質譜的工作方式較難兼容等問題，比如：高效液相色譜應在高壓環境下進行操作、試樣與載液進入離子源將轉變為氣體形態、質量的范圍沒有嚴格的限制、緩沖溶液多以無機鹽的形式存在等，而質譜儀則應在高真空的環境下運行、離子傳輸系統中限制了氣體進入量、質量的測定范圍取決于m/z以及質譜類型、需使用揮發性的緩沖鹽溶液等。

2.3 氣相色譜法（GC）

氣相色譜儀通常由5種系統組合而成，分別是：氣路系統、進樣系統、色譜柱系統、溫控與檢測系統以及數據記錄系統。其中，氣路系統的目的是輸送純凈、氣流穩定的載氣氣體。進樣系統通常由進樣器、氣化室、加熱器等設備組成，這些設備在保證試樣被瞬間氣化時不發生分解或其他反應。色譜柱系統可將氣化試樣中的混合物分離并送往檢測器，檢測器根據其濃度或質量與時間的關系轉變成電信號生成譜圖。色譜柱對檢測結果起到決定性的影響，如缺少維護或長期使用腐蝕性試樣則有可能出現無峰、小峰、雙峰、拖尾峰等現象。溫度控制系統主要控制著進樣口、氣化室、色譜柱、檢測器的溫度，其控溫方式有程序升溫與恒溫兩種模式，程序升溫是使溫度在某一時間段有固定的變化趨勢，該方法可使試樣中沸點不同的分子在設定的溫度下分離，這樣對試樣成分分析與節約分析時間都有很大的幫助，而恒溫則是在分析過程中始終保持同一溫度，該方法適用于單一或簡單的試樣分析。數據記錄系統是將檢測電信號進行數據處理繪制試樣的色譜圖。

該技術較為成熟且選擇性強，對于相似度較高的化合物該方法能夠表現出較好的分離能力。對同分異構體與同位素擁有不錯的檢測靈敏度。應用領域廣，無論是在紡織、食品、藥品分析等行業都能看到該方法的身影。不過高溫氣化試樣的過程中易導致待測物質的分解，例如在GB/T 17592—2011《紡織品禁用偶氮染料的測定》中提到4-氨基偶氮苯經本方法處理后分解為苯胺或1，4-苯二胺，應重按GB/T 23344—2009進行測定。錢崇濂在其致癌染料的定性文章中提到以下的問題：1）對于一些復雜樣品，使用氣相色譜檢測時容易出現色譜峰重疊等現象；2）對于沸點較高、分子量大、熱穩定差的物質來說使用氣相色譜檢測可能無法使樣品完全氣化或待測物在高溫環境下分解。因此，以氣相色譜法研究致癌染料的文獻較少。

2.4 氣相色譜質譜聯用法（GC-MS）

如圖3所示，該方法中氣相色譜主要是起進樣作用，通常采用分流或不分流的進樣結構。質譜儀中離子源將試樣分子電離成離子進入質量分析器中，其中電子轟擊源（EI）和化學電離源（CI）應用最廣，電子轟擊源的原理是通過燈絲發出的電子與試樣分子碰撞反應生成離子，在離子聚焦形成離子束后進入后續的分析系統。化學電離源作為一種“軟電離”手段利用帶電荷的甲烷反應氣與試樣分子反應生成分子離子。質量分析器將離子的質量與電荷比進行區分得到以質荷比（m/z）為橫坐標的譜圖，四極桿質量分析器與離子阱質量分析器較為常見，四極桿質量分析器由四根平行的金屬極棒排列而成，通過施加極性不同的電壓讓與四極桿匹配的離子通過且過濾其他離子；離子阱質量分析器利用磁場和電場的作用力儲存氣相離子，再以環形電極上的變頻電壓讓離子穩定旋轉并等待離子源產生的離子到達再依次進入檢測器中。檢測器主要有電子倍增管檢測器、直接電檢測器、閃爍檢測器等，常見的電子倍增管檢測器是受到質量分析器的離子撞擊發出二次電子，同時二次電子連續撞擊電極發生倍增，最后聚集形成離子束被檢出。

圖3 氣相色譜質譜聯用儀流程示意圖

氣相色譜質譜聯用法擁有出色的檢測靈敏度、可以有效分析同系物的同分異構體等優勢使得該方法在紡織品中致癌染料的檢測中廣泛使用。海勇等人使用總離子流法完成了對致癌染料聯苯胺的定性定量檢測。張焱等人在研究禁用芳香胺過程中通過對柱極性、分流比、升溫條件等對色譜的影響發現由于固定液分配系數的差異，禁用芳香胺染料在低極性毛細管柱中分離效果更佳，而在分流條件下的峰形更加明顯，在分流比10∶1時效果最優，同時不同升溫程序的設置也會對色譜分離效率造成較大影響。綜上所述，氣相色譜質譜聯用法的檢測條件比較嚴格復雜，容易受到雜質或試樣性質的干擾。但是該方法在檢測低沸點或者分子量小的物質時能夠比液相色譜發揮得更加出色。

2.5 高效液相-串聯質譜方法（HPLC-MS/MS）

如圖4所示，高效液相-串聯質譜方法是以高效液相色譜作為分離器，離子源能夠將試樣分子電離為離子進入串聯質譜，經過離子源離子化后的試樣在串聯質譜中能夠有更多的質譜掃描方式。最常用的掃描方式是多重反應檢測模式（MRM），在該模式下，質譜1可以選擇特定的母離子，母離子經碰撞池碰撞后進一步產生碎片離子并在質譜2中得到監測。MRM模式對于復雜基質樣品來說優勢巨大，通過電子倍增技術放大信號后可以得到很高的靈敏度。串聯質譜技術提高了對高沸點、難揮發、熱穩定性較差等化合物的定性定量能力，同時對于種類繁多與結構類似的致癌染料而言該方法也擁有較大的優勢。但是，由于該設備較為昂貴且維護難度大，其普及率也相對更低。

圖4 經典高效液相色譜-串聯質譜原理圖

丁友超、馬強等建立了致癌染料采用高效液相-串聯質譜技術分析的方法，采用該方法測定致癌染料，不僅可以大幅度改善液相色譜的分析速度（10多種致癌染料的色譜圖能夠在10min內走完），而且分離效率和靈敏度都能夠滿足日常檢測的要求，該方法利用致癌染料的特征離子，保障了定性和定量分析的可靠性，避免假陽性現象的干擾。

3 紡織品中致癌染料檢測方法的總結與展望

本文討論了當前紡織品中致癌染料的檢測方法，其中高效液相色譜與二極管陣列檢測器聯用得到的三維譜圖能更好地分析試樣中的雜質與未知物，提供比二維色譜更多分析物質的細節信息。如應用到紡織品中致癌染料的檢測，對于測定物質出峰時間相近的雜質的判別會更加準確。高效液相色譜質譜聯用法（HPLC-MS）與氣相色譜質譜聯用法（GC-MS）可通過色譜的出峰時間以及質譜譜圖對分析物進行雙重定性，是比較有前景的方法，未來在紡織品中致癌染料的檢測中有廣闊的應用前景。高效液相色譜-串聯質譜能夠對復雜基質中種類繁多、結構類似的致癌染料進行高選擇性、高靈敏度分析，但是，由于該設備較為昂貴且維護難度大，其普及率也相對更低。

目前，紡織品中致癌染料的檢測存在庫數據信息混亂、面料萃取方法單一、標準方法存在局限等問題，當務之急應是完善統一的信息庫，保障CAS編號和化學結構式的統一。其次，標準中可補充不同面料的最優萃取方案，提高脫色率。在儀器上，可探索新型儀器聯用技術，發展多維譜圖。此外，還應在完善國內標準的同時積極關注國外標準的研究趨勢，取長補短使我國紡織品致癌染料的檢測走向國際化。