超聲輔助提取/單顆粒電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定防曬化妝品中的納米二氧化鈦

梁維新，劉 寧，郭鵬然*，嚴(yán) 冬

(1.廣東省測(cè)試分析研究所 廣東省化學(xué)危害應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510070； 2.安捷倫科技(中國(guó))有限公司 安捷倫-中廣測(cè)聯(lián)合技術(shù)中心，廣東 廣州 510070)

防曬化妝品常利用納米反光粒子在皮膚上形成覆蓋層，通過(guò)反射和散射阻擋紫外線直接作用皮膚以達(dá)到物理防曬保護(hù)效果。納米TiO2因良好的熱穩(wěn)定性、不溶性、成本低以及環(huán)境友好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于防曬用品中[1]。據(jù)研究報(bào)道，納米TiO2對(duì)人體健康會(huì)產(chǎn)生影響，其危害作用與納米顆粒的使用劑量和粒徑相關(guān)[2]。我國(guó)《化妝品安全技術(shù)規(guī)范》(2015年版)規(guī)定防曬用品中納米TiO2的使用量不應(yīng)超過(guò)總量的25%，但尚未確定納米粒子的顆粒濃度分析方法及其粒徑分布的表征方法。

目前納米粒子的表征分析主要采用掃描/透射電子掃描顯微鏡技術(shù)(SEM/TEM/STEM)以及動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)(DLS)。電子顯微鏡技術(shù)可獲得納米粒子的粒徑、表面形貌信息，但高的運(yùn)行成本和長(zhǎng)的分析時(shí)間制約了其廣泛應(yīng)用[3]；DLS可直接測(cè)量液體介質(zhì)中粒子的粒徑，但對(duì)于多分散體系的樣品會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)定誤差[4]。另外，將場(chǎng)流分離技術(shù)(F3)、流場(chǎng)流分離技術(shù)(F4)、尺寸排阻色譜法等與電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用可實(shí)現(xiàn)不同粒徑大小的納米顆粒的分離與定性、定量分析，但這類方法的分析時(shí)間較長(zhǎng)，穩(wěn)定性較差[5]。Degueldre等[6-10]提出了一種高靈敏度的納米顆粒物分析技術(shù)，即單顆粒電感耦合等離子體質(zhì)譜法(Single particle ICP-MS,SP-ICP-MS)，通過(guò)時(shí)間分辨模式(TRA)和短停留時(shí)間同時(shí)實(shí)現(xiàn)了液體介質(zhì)中納米粒子的定性、定量分析和粒度分布表征，無(wú)需添加額外的聯(lián)用設(shè)備，分析時(shí)間短，目前已應(yīng)用于水體[11-12]、食品[13]、血液[14]等基質(zhì)中納米顆粒物的分析。雖然SP-ICP-MS在防曬用品中納米顆粒的分析已有報(bào)道，但由于防曬用品中的TiO2被大量酯類、硅油等有機(jī)物包裹[15]，目前所采用的以Tx-100溶液作為提取劑的提取方法無(wú)法完全去除納米粒子表面的上述物質(zhì)，這些物質(zhì)的存在降低了納米粒子在水中的分散性，影響了測(cè)定準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，因此需開發(fā)合理的、適用于SP-ICP-MS法測(cè)定防曬化妝品中納米TiO2的樣品前處理方法。

本文優(yōu)化了防曬化妝品中納米TiO2的前處理步驟，采用乙醇與Tx-100混合溶液作為提取劑超聲輔助提取，并與SP-ICP-MS法聯(lián)用，建立了防曬化妝品中納米TiO2的測(cè)定方法?？赏瑫r(shí)對(duì)防曬化妝品中的納米TiO2進(jìn)行準(zhǔn)確定量及粒度表征分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與材料

三重四極桿電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜儀(Agilent 8800)，掃描模式為單四極桿模式，其他儀器工作條件見表1。電子分析天平(BSA224S-CW)；超聲發(fā)生器(KQ-500E)；馬弗爐(SX2-12N)；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DGH-9076A)。

樣品為市售4種不同品牌的防曬霜；40、60 nm TiO2顆粒購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司。乙醇、乙酸乙酯、丙酮(分析純，廣州化學(xué)試劑廠)；Tx-100(分析純，江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)股份有限公司)；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水(電阻率≥18.2 MΩ·cm)。

儀器工作條件見表1。

表1 ICP-MS/MS 儀器工作條件(SP-ICP-MS)Table 1 Operating conditions of ICP-MS/MS(SP-ICP-MS)

1.2 方法原理

SP-ICP-MS基于時(shí)間分辨模式(TRA)對(duì)納米顆粒進(jìn)行分析，當(dāng)充分稀釋的納米顆粒溶液經(jīng)進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)入等離子體后，溶液中的每個(gè)單納米顆粒被電離形成一簇離子云，在短暫的停留時(shí)間(質(zhì)量分析器上的駐留時(shí)間)內(nèi)產(chǎn)生單個(gè)的強(qiáng)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的頻率和強(qiáng)度分別與納米顆粒的數(shù)量濃度和質(zhì)量相關(guān)，因此可以提供納米粒子的尺寸分布以及濃度等信息(圖1)。

1.3 樣品處理

SP-ICP-MS法：準(zhǔn)確稱取10 mg防曬化妝品試樣于50 mL離心管中，以0.1% Tx-100+5% 乙醇混合溶液定容至50 mL，充分混勻后超聲提取30 min，稀釋一定倍數(shù)后進(jìn)行納米TiO2單顆粒測(cè)定。

灰化-ICP-MS法：稱取10 mg樣品置于50 mL瓷坩堝，在烘箱中于150 ℃烘干1 h并轉(zhuǎn)移至馬弗爐中，逐漸升高溫度至600 ℃后，灰化2 h，冷卻至室溫。采用20 mL 10%的硝酸分3次將坩堝中的殘?jiān)D(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，以水定容至刻度，稀釋一定倍數(shù)后測(cè)定樣品中的鈦含量。

圖1 SP-ICP-MS方法原理圖Fig.1 Schematic diagram of SP-ICP-MS method

1.4 單納米顆粒濃度與粒度計(jì)算方法

Peters等[16]提供了一種納米顆粒物濃度以及粒徑的分布和計(jì)算方法。通過(guò)已知顆粒濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液在單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的脈沖信號(hào)數(shù)量以及樣品流速計(jì)算傳輸效率，采用傳輸效率、標(biāo)準(zhǔn)離子響應(yīng)值以及脈沖信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算納米顆粒的質(zhì)量及其粒徑。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，Cp為顆粒數(shù)量濃度(個(gè)/L)；Np為單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的顆粒數(shù)(個(gè)/min)；ηn為傳輸效率；V為樣品流速(mL/min)；Ip為樣品中納米粒子的信號(hào)強(qiáng)度(cps)；mp為納米顆粒質(zhì)量(ng)；RFION為離子響應(yīng)強(qiáng)度(cps/(μg·L-1))；td為停留時(shí)間(s)；Mp為納米粒子的摩爾質(zhì)量；Ma為納米粒子中待測(cè)元素的摩爾質(zhì)量；dp為待測(cè)納米粒子的粒徑(nm)；ρp為納米粒子的密度(g/mL)；Cm納米粒子的質(zhì)量濃度(ng/L)。

2 結(jié)果與討論

2.1 停留時(shí)間

單顆粒電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定納米粒子的原理是對(duì)單個(gè)納米粒子在短暫的停留時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)脈沖進(jìn)行分析。當(dāng)兩個(gè)或更多的粒子同時(shí)進(jìn)入等離子體，將會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)的疊加而影響測(cè)定結(jié)果，因此，停留時(shí)間短是確保只有1個(gè)納米顆粒進(jìn)入等離子體的關(guān)鍵因素。圖2為不同停留時(shí)間下60 nm納米TiO2的粒徑分布圖，結(jié)果顯示隨著停留時(shí)間的增加，出現(xiàn)較大粒徑(≥120 nm)的可能性增大。這是由兩個(gè)或以上的納米粒子產(chǎn)生的脈沖信號(hào)疊加所致，故選擇停留時(shí)間為3 ms。

2.2 納米TiO2濃度的測(cè)定上限

考察了方法對(duì)納米TiO2濃度的測(cè)定上限，研究了不同濃度的60 nm納米TiO2與其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)數(shù)量之間的關(guān)系，結(jié)果表明納米粒子的數(shù)量濃度與脈沖信號(hào)的數(shù)量在較低濃度范圍(1×106～4×107個(gè)/mL)內(nèi)呈良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(r2)為0.999 2。隨著納米粒子濃度的繼續(xù)增大，相關(guān)系數(shù)降低，這是由于高濃度下兩個(gè)或以上的納米粒子同時(shí)進(jìn)入等離子體的幾率上升，脈沖信號(hào)發(fā)生了重合。因此溶液中納米粒子濃度應(yīng)控制在4×107個(gè)/mL以下。

2.3 樣品提取溶劑的選擇

圖3 不同提取溶劑對(duì)防曬霜中TiO2提取效果的影響Fig.3 Effects of different solvents on extraction efficiencies of TiO2 from sunscreen

對(duì)比了0.1% Tx-100、0.1% Tx-100+5% 丙酮、0.1% Tx-100+5% 乙酸乙酯、0.1% Tx-100+1% 乙醇、0.1% Tx-100+5% 乙醇和0.1% Tx-100+10% 乙醇6種不同提取溶劑對(duì)防曬霜中納米TiO2的提取效果(圖3)，發(fā)現(xiàn)0.1% Tx-100+5% 乙醇溶劑的提取效果最佳，原因是防曬霜中含有大量酯類物質(zhì)，這些物質(zhì)影響了納米TiO2在水中的分散性，加入5%乙醇可以達(dá)到較佳的破乳化效果，故實(shí)驗(yàn)采用0.1% Tx-100+5%乙醇作為提取溶劑。

為了評(píng)價(jià)提取溶劑的提取效果，分別采用SP-ICP-MS方法以及灰化-ICP-MS測(cè)定4種防曬霜中的納米TiO2含量，SP-ICP-MS的測(cè)定結(jié)果與灰化-ICP-MS方法的測(cè)定結(jié)果接近，回收率為78.8%～83.4%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為5.4%～8.6%(表2)。說(shuō)明該提取方法具有較好的提取效果。

表2 4種不同防曬霜中納米TiO2的測(cè)定結(jié)果(n=6)Table 2 Results of nano-TiO2 in four different kinds of sunscreens(n=6)

*:content of nano-TiO2detected by ashing-ICP-MS is calculated from the concentration of Ti(灰化-ICP-MS中納米TiO2含量由測(cè)定的Ti含量換算而來(lái))；-:TiO2was not detected(未檢出TiO2)

2.4 測(cè)定及計(jì)算方法的準(zhǔn)確性

將5 mg的40 nm和60 nm納米TiO2分別加至裝有10 mL 0.1%Tx-100+5%乙醇溶劑的燒杯中，超聲30 min，轉(zhuǎn)至50 mL容量瓶中，用提取劑定容至刻度，稀釋后測(cè)定，按照“1.4”計(jì)算方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。表3為40、60 nm 納米TiO2粒徑的測(cè)定結(jié)果，其值與廠家標(biāo)定的納米粒子尺寸相符，表明本方法的準(zhǔn)確性良好。

表3 納米TiO2粒徑的測(cè)定結(jié)果(n=3)Table 3 Determination result of nano-TiO2 particle sizes(n=3)

2.5 納米TiO2數(shù)量濃度檢出限以及納米顆粒粒度檢出限

單顆粒電感耦合等離子體質(zhì)譜法的檢出限可分為數(shù)量濃度檢出限(LODconc)以及納米顆粒粒度檢出限(LODsize)。Laborda等[17]提出數(shù)量濃度檢出限可根據(jù)傳輸效率(ηn)、樣品流速(V)以及停留時(shí)間(td)計(jì)算：LODconc=3/(ηn×V×td),根據(jù)該式計(jì)算得本方法中nano-TiO2的數(shù)量濃度檢出限為1×104個(gè)/mL。納米顆粒粒度檢出限LODsize由ICP-MS系統(tǒng)的靈敏度和區(qū)分粒子信號(hào)與背景噪聲的能力決定，目前文獻(xiàn)報(bào)道的LODsize計(jì)算大多采用高于平均背景強(qiáng)度的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的信號(hào)值對(duì)應(yīng)的相應(yīng)粒徑確定[18]，據(jù)此計(jì)算得本方法的LODsize為35 nm。

2.6 實(shí)際樣品的測(cè)定

采用本方法對(duì)市售4種不同防曬產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)定，其中1～3號(hào)樣品為廠商標(biāo)注含有納米TiO2的防曬霜，4號(hào)樣品為廠商標(biāo)注不含納米TiO2的防曬霜。由圖4可知，與出現(xiàn)大量脈沖信號(hào)的1號(hào)防曬霜相比，4號(hào)防曬霜未檢出納米TiO2的脈沖信號(hào)。防曬霜1～3中納米TiO2的含量分別為1.3%、0.13%、0.21%。圖5為防曬霜1、防曬霜2以及防曬霜3的粒徑分布圖，其平均粒徑分別為55、43、42 nm。該測(cè)定結(jié)果與廠商產(chǎn)品說(shuō)明相一致。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化確定了樣品萃取和測(cè)定條件，建立了超聲輔助提取/單顆粒電感耦合等離子體質(zhì)譜測(cè)定防曬化妝品中納米TiO2的方法。方法的數(shù)量濃度檢出限(LODconc)為1×104個(gè)/mL，納米顆粒粒度檢出限(LODsize)為35 nm。相對(duì)于傳統(tǒng)的電子掃描顯微鏡表征方法，本方法準(zhǔn)確度高、簡(jiǎn)便、快捷，可同時(shí)進(jìn)行定量及粒度表征分析，適用于化妝品中納米TiO2的快速準(zhǔn)確測(cè)定。