基于電噴霧離化離子遷移率譜的鄰苯二甲酸酯檢測(cè)方法

李艷志，高曉光，賈 建，李建平，何秀麗

(1.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，傳感技術(shù)聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

0 引言

塑化劑，也稱作增塑劑或可塑劑，是一種能夠提高材料柔軟性和可塑性的添加劑。塑化劑種類多達(dá)數(shù)百種，其中鄰苯二甲酸酯類塑化劑產(chǎn)量最大、品種最多，被廣泛應(yīng)用于聚氯乙烯制品中，如塑料薄膜、壁紙、汽車內(nèi)飾、兒童玩具、血袋、輸液管和藥用膠囊等。鄰苯二甲酸酯具有類雌性性激素作用，能夠誘發(fā)癌癥，損害肝、腎等器官，造成男嬰生殖系統(tǒng)畸形、女童乳房過(guò)早發(fā)育。鄰苯二甲酸酯具有生物累積效應(yīng)和放大效應(yīng)，能夠進(jìn)入食物鏈并逐級(jí)富集，是重要的全球性環(huán)境激素類有機(jī)污染物。日常生活中使用廣泛且毒副作用較大的三種鄰苯二甲酸酯類塑化劑為鄰苯二甲酸二(2－乙基己基)酯(DEHP)、鄰苯二甲酸二異壬酯(DINP)和鄰苯二甲酸二正丁酯(DBP)。我國(guó)食品容器、包裝材料用添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 9685－2008)規(guī)定DEHP、DINP和DBP在食品中的特定遷移量或最大殘留量分別為 1.5 mg/kg、9.0 mg/kg 和 0.3 mg/kg。近期，我國(guó)臺(tái)灣飲料行業(yè)及大陸白酒行業(yè)的塑化劑風(fēng)波引起了人們對(duì)食品中鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)殘留問(wèn)題的普遍關(guān)注。

現(xiàn)有檢測(cè)鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)的方法有傅里葉變換紅外光譜法、膠束電動(dòng)毛細(xì)管色譜法、氣相色譜法、液相色譜法以及色譜－質(zhì)譜聯(lián)用法等。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21911－2008推薦的塑化劑檢測(cè)方法為氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用(GC－MS)法，對(duì)于含油脂樣品中各鄰苯二甲酸酯化合物的檢出限為1.5 mg/kg，對(duì)于不含油脂樣品中各鄰苯二甲酸酯化合物的檢出限為0.05 mg/kg。但聯(lián)用法設(shè)備復(fù)雜、操作繁瑣、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、檢測(cè)成本高，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的要求。

離子遷移率譜技術(shù)(Ion Mobility Spectrometry，IMS)是目前發(fā)展迅速的一種微量物質(zhì)檢測(cè)技術(shù)，在低濃度有機(jī)物質(zhì)的快速檢測(cè)方面具有優(yōu)勢(shì)，能夠檢測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑、爆炸物、毒品、生物分子、細(xì)菌、各類污染物等［1］，已應(yīng)用于軍事、安全、反恐、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測(cè)和食品安全等方面。此外，與傳統(tǒng)的色譜、質(zhì)譜分析儀器相比，IMS儀器不需要真空系統(tǒng)，可在大氣環(huán)境下工作，裝置小，成本低，而檢測(cè)靈敏度高，檢測(cè)時(shí)間短，可以檢測(cè)同分異構(gòu)體。電噴霧離化(Electrospray Ionization，ESI)可以在不破壞樣品分子結(jié)構(gòu)的前提下，直接將液態(tài)樣品離化成氣相離子，是一種典型的“軟電離”方法。電噴霧離化和離子遷移率譜技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非揮發(fā)性和高分子量化合物的檢測(cè)，擴(kuò)展了離子遷移率譜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。Joshi等［2］用ESI－IMS分析65種無(wú)煙火藥的組分，首次檢測(cè)了鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)和鄰苯二甲酸二正丁酯(DBP)等塑化劑。Midey等［3］用 ESIIMS檢測(cè)了可口可樂(lè)和奶茶等飲料中的鄰苯二甲酸酯，對(duì)實(shí)際樣品用甲醇稀釋10倍后直接檢測(cè)，雖然沒(méi)有前處理過(guò)程，簡(jiǎn)單快速，但不適合低濃度樣品的檢測(cè)。

本文將ESI－IMS技術(shù)應(yīng)用于鄰苯二甲酸酯類塑化劑的檢測(cè)，優(yōu)化ESI－IMS的電噴液組分、進(jìn)樣流量等工作參數(shù)，研究適合白酒樣品的預(yù)處理方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)市售白酒中的鄰苯二甲酸酯類塑化劑的快速檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

自制的ESI－IMS系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成:電噴霧離化源、漂移管、氣路以及外圍的電路控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 ESI－IMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

漂移管由去溶劑化區(qū)、Bradbury－Nielsen離子門(mén)、漂移區(qū)和法拉第盤(pán)組成。去溶劑區(qū)和漂移區(qū)均由多組電極環(huán)和絕緣環(huán)嵌套單元連接而成，長(zhǎng)度分別為80 mm和134.5 mm。

電噴霧離化源安裝在漂移管去溶劑化區(qū)前端，由電噴霧噴頭和柵網(wǎng)對(duì)電極組成。電噴頭用零死體積不銹鋼直通和石英毛細(xì)管連接而成，由注射泵完成電噴液的供給。

外圍的電路控制系統(tǒng)包括信號(hào)放大器、離子門(mén)控制器、兩路高壓源和漂移管加熱器、漂移氣加熱器等。其中一路高壓源用于建立電噴霧所需的電場(chǎng)，另一路高壓電源在去溶劑化區(qū)和漂移區(qū)內(nèi)形成遷移電場(chǎng)。整個(gè)ESI－IMS系統(tǒng)工作參數(shù)如表1所示。

表1 ESI－IMS系統(tǒng)工作參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)藥品及方法

鄰苯二甲酸酯 DEHP(99.7%)、DBP(99.6%)和 DINP(99%)標(biāo)準(zhǔn)品，配制電噴液所需的高效液相色譜純甲醇(MeOH)和優(yōu)級(jí)純乙酸(Ac)，去離子水(18.2 MΩ·cm)由水凈化系統(tǒng)(MW－D20型)自制獲得。

實(shí)驗(yàn)樣品的制備流程為:首先使用分析天平稱量一定質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)品，將其溶解至電噴霧空白溶液(75%甲醇、25%水、0.1%乙酸)中，得到100 mg/L的 DEHP、DBP和 DINP儲(chǔ)備溶液。在實(shí)驗(yàn)前使用電噴霧空白溶液稀釋儲(chǔ)備溶液至所需濃度。DEHP、DBP和 DINP樣品的濃度范圍分別為0.25～ 2.5 mg/L、0.1 ～0.5 mg/L 和1 ～12 mg/L。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 DEHP、DBP和DINP的約化遷移率

被檢測(cè)物質(zhì)的約化遷移率K0計(jì)算公式為:

式中:T為溫度，K;P為氣壓，mmHg(1mmHg=1.33 kPa);L為漂移區(qū)長(zhǎng)度，cm;td為遷移時(shí)間，s;V為漂移區(qū)上所加電壓，V。

實(shí)際中漂移氣的溫度和壓強(qiáng)難以準(zhǔn)確測(cè)量，為了得到較為準(zhǔn)確的被測(cè)物約化遷移率，通常利用已知約化遷移率的標(biāo)定物與被測(cè)物離子峰相對(duì)位置得到被測(cè)物的約化遷移率:

式中:Kstd為已知標(biāo)定物的約化遷移;tstd為標(biāo)定物離子遷移時(shí)間;td為相同條件下的被測(cè)物離子遷移時(shí)間。

由于四烷基鹵化銨約化遷移率幾乎不隨漂移管溫度、漂移電場(chǎng)及化學(xué)條件的變化而改變［4］，本文選擇約化遷移率為1.33 cm2V－1s－1的四丁基溴化銨作為標(biāo)定物。圖2為空白圖譜和2.5 mg/L DEHP、0.3 mg/L DBP 和12 mg/L DINP 樣品圖譜。空白圖譜由甲醇和水(75:25)與乙酸(0.1%)混合而成的電噴霧空白溶液產(chǎn)生。對(duì)比圖2各圖譜，由式(2)計(jì)算得DEHP、DBP、DINP 的約化遷移率分別為 0.99 cm2V－1s－1、1.28 cm2V－1s－1和 0.92 cm2V－1s－1。

圖2 空白圖譜與DEHP、DBP和DINP圖譜

表2 約化遷移率值對(duì)比 cm2V－1s－1

本文測(cè)得的DEHP、DBP和DINP約化遷移率值與Midey等［3］的報(bào)道值接近但均比其略大(見(jiàn)表2)，這主要是由漂移管工作溫度差異造成的。本文漂移管溫度比文獻(xiàn)［3］的漂移管溫度高30℃，使ESI更有效地去溶劑并減少被測(cè)物形成的水合離子中水分子數(shù)量，從而導(dǎo)致被測(cè)物離子的碰撞橫截面積減小，約化遷移率增大［5］。

2.2 漂移管溫度對(duì)圖譜的影響

圖3為不同漂移管溫度下2.5 mg/L DEHP的圖譜。當(dāng)漂移管溫度為150℃時(shí)，圖譜中有1個(gè)溶劑峰;當(dāng)溫度高于180℃后，圖譜中有2個(gè)溶劑峰;當(dāng)溫度提高到200℃時(shí)，峰型與180℃時(shí)相似。這與Chen等［5］報(bào)道的溫度對(duì)溶劑峰影響的變化規(guī)律一致。當(dāng)漂移管溫度過(guò)低時(shí)，離子團(tuán)簇?cái)y帶多個(gè)溶劑分子，離子峰峰形展寬。隨著漂移管溫度升高，離子攜帶的溶劑分子比較容易揮發(fā)掉，離子簇能有效分離。

此外，鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)沸點(diǎn)高、粘度大，易附著在漂移管內(nèi)壁造成殘留，而高溫有利于減少殘留。但是，過(guò)高溫度不僅易造成漂移管PTFE零件蠕變，影響漂移管密封性;而且溶劑會(huì)在電噴針內(nèi)過(guò)早揮發(fā)，影響電噴霧過(guò)程的穩(wěn)定性。漂移管溫度為200℃時(shí)，既有較好的去溶劑化效果，又能獲得穩(wěn)定的電噴霧狀態(tài)。因此，在后續(xù)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中選擇漂移管工作溫度為200℃。

圖3 不同漂移管溫度下的2.5 mg/L DEHP的圖譜

2.3 電噴霧溶液組分對(duì)特征峰強(qiáng)度的影響

為研究電噴霧溶液組分對(duì)被測(cè)物特征峰強(qiáng)度影響，配制了5種不同甲醇與水體積比的DEHP標(biāo)準(zhǔn)溶液，其中DEHP濃度固定為2.5 mg/L，乙酸的體積含量固定為0.1%。不同甲醇與水體積比的DEHP溶液的譜圖如圖4所示。隨著電噴液中水的比例由50%減小到25%(圖4(a)～圖4(c))，DEHP離子峰強(qiáng)度依次增強(qiáng)。當(dāng)水的配比為25%時(shí)(圖4(c))，DEHP離子峰峰值最大。這是因?yàn)橐环矫婕状嫉扔袡C(jī)溶劑表面張力小，電噴液中加入甲醇能夠降低電噴液滴的表面張力，促進(jìn)電噴液滴分裂，提高離化效率;另一方面甲醇等有機(jī)溶劑的揮發(fā)性強(qiáng)于水，能夠使液滴更快地去溶劑化。隨著電噴液中水的比例由25%繼續(xù)減小，DEHP特征離子峰強(qiáng)度又有所降低。圖4中甲醇:水=100:0的圖譜的中溶劑峰很小。這是因?yàn)樗肿泳哂休^強(qiáng)的氫鍵，容易與被測(cè)物聚簇形成水合分子，在電噴霧電離時(shí)，隨著液滴的分裂和去溶劑化，這些水合分子有利于氣相離子的形成。加入一定量的水有利于產(chǎn)物離子的形成提高離化效率。因此，在后續(xù)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中選擇甲醇與水體積比為75:25。

2.4 電噴液進(jìn)樣流量對(duì)特征峰強(qiáng)度的影響

圖4 不同甲醇與水體積比的2.5 mg/L DEHP溶液的譜圖

2.5 mg/L的DEHP樣品在不同進(jìn)樣流量下得到的圖譜如圖5所示。在1～5 μL/min范圍內(nèi)，隨著進(jìn)樣流量增大，DEHP離子峰強(qiáng)度明顯逐漸增大;從5 μL/min增大到6 μL/min時(shí)，DEHP離子峰強(qiáng)度變化不顯著。當(dāng)電噴液進(jìn)樣流量超過(guò)6μL/min時(shí)，電噴霧過(guò)程時(shí)斷時(shí)續(xù)，離化過(guò)程不穩(wěn)定。

圖5 不同進(jìn)樣流量下的2.5 mg/L DEHP圖譜

當(dāng)進(jìn)樣流量較小時(shí)，去溶劑化效果較好，離化效率較高。但是當(dāng)進(jìn)樣流量過(guò)小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)電噴霧形成的離子數(shù)量少，造成離子峰低。因而進(jìn)樣流量不宜過(guò)小。電噴霧進(jìn)樣流量越大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的離子總量就越多，離子峰強(qiáng)度就越高。但是，當(dāng)進(jìn)樣流量過(guò)大時(shí)，樣品不能夠很好地去溶劑化，從而在圖譜上形成干擾信號(hào)。通過(guò)同樣的實(shí)驗(yàn)得到DBP和DINP最佳電噴液進(jìn)樣流量分別為5 μl/min和3 μl/min。

2.5 鄰苯二甲酸酯峰強(qiáng)和濃度關(guān)系

采用上述優(yōu)化后的工作參數(shù)，對(duì)不同濃度的DEHP、DBP和DINP溶液進(jìn)行檢測(cè)，得到圖6所示DEHP、DBP、DINP濃度和離子峰強(qiáng)度的關(guān)系曲線，三倍噪聲法計(jì)算得到的檢測(cè)限分別為75.6 μg/L、49.3 μg/L、810 μg/L，線性范圍見(jiàn)表3。三種鄰苯二甲酸酯的檢測(cè)限均低于GB 9685－2008中規(guī)定的DEHP、DBP、DINP在食品中的特定遷移量或最大殘留量。

圖6 DEHP、DBP、DINP濃度與離子峰強(qiáng)度關(guān)系曲線

表3 三種鄰苯二甲酸酯的線性范圍和檢測(cè)限

2.6 白酒中鄰苯二甲酸酯的檢測(cè)

選某品牌市售白酒，首先取2 mL白酒樣品置于蒸發(fā)器皿中，90℃水浴加熱，去除樣品中乙醇等易揮發(fā)的物質(zhì)，直至液體全部揮發(fā)，此時(shí)，鄰苯二甲酸酯類塑化劑等高沸點(diǎn)的難揮發(fā)物質(zhì)會(huì)保留在蒸發(fā)皿中。然后在上述蒸發(fā)器皿中加入2 mL電噴霧溶劑(甲醇和水(體積比為75:25)與乙酸(0.1%)混合而成的空白電噴霧溶液)，超聲混合后，得到白酒樣品溶液，樣品濃度保持不變。在蒸發(fā)完樣品的蒸發(fā)皿中加入0.25 mL電噴霧溶劑，得到濃縮8倍的白酒樣品。

在上述優(yōu)化后的參數(shù)下進(jìn)行ESI－IMS檢測(cè)分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。對(duì)比空白電噴液，可以發(fā)現(xiàn)白酒樣品在19.8 ms處出現(xiàn)DEHP特征離子峰，因濃度很小，特征峰較低;濃縮8倍的白酒樣品圖DEHP特征離子峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，估計(jì)濃度值小于1 mg/L。

圖7 白酒圖與其相應(yīng)空白電噴液圖

白酒樣品前處理時(shí)間平均為6～8 min，而ESI－IMS的檢測(cè)分析時(shí)間僅為幾十s，整個(gè)檢測(cè)周期不超過(guò)10 min。因而，ESIIMS檢測(cè)方法有望應(yīng)用于白酒中鄰苯二甲酸酯的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中采用ESI－IMS方法測(cè)得DEHP、DBP和DINP的約化遷移率分別為0.99 cm2V－1s－1、1.28 cm2V－1s－1、0.92 cm2V－1s－1。測(cè)得DEHP、DBP、DINP濃度與離子峰強(qiáng)度關(guān)系的線性范圍分別是0.25 ～2.5 mg/L、0.1 ～ 0.5 mg/L、4 ～12 mg/L;根據(jù)三倍噪聲方法計(jì)算的檢測(cè)限分別為 75.6 μg/L、49.3 μg/L、810 μg/L，滿足我國(guó)衛(wèi)生部規(guī)定的DEHP、DBP、DINP最大殘留量的檢測(cè)要求。白酒中鄰苯二甲酸酯檢測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，10 min內(nèi)便可完成前處理和檢測(cè)過(guò)程。ESI－IMS檢測(cè)方法，操作簡(jiǎn)便，在微量鄰苯二甲酸酯的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景。

［1］EICEMAN G A，KARPAS Z.Ion mobility spectrometry.CRC Press.2010.

［2］JOSHI M，RIGSBY K，ALMIRALL J R.Analysis of the headspace composition of smokeless powders using GC－MS，GC －mu ECD and ion mobility spectrometry.Forensic Science International，2011，208(1－3):29－36.

［3］MIDEY A J，CAMACHO A，SAMPATHKUMARAN J，et al.High-performance ion mobility spectrometry with direct electrospray ionization(ESI－HPIMS)for the detection of additives and contaminants in food.Analytica Chimica Acta，2013，804(2013):197 －206.

［4］VIIDANOJA J，SYSOEV A，ADAMOV A，et al.Tetraalkylammonium halides as chemical standards for positive electrospray ionization with ion mobility spectrometry/mass spectrometry.Rapid Communications in Mass Spectrometry，2005，19(21):3051 －3055.

［5］CHEN Y H，HILL H H，WITTMER D P.Thermal effects on electrospray ionization ion mobility spectrometry.International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes，1996，154(1 －2):1 －13.