熱解吸-電暈放電電離-離子遷移譜法現(xiàn)場(chǎng)快速篩查化妝品中5種禁用組分

郭項(xiàng)雨, 翟俊峰, 馬龍華, 吳 青, 白 樺*, 馬 強(qiáng)*

(1. 中國(guó)檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院, 北京 100176; 2. Excellims Corporation, Acton, MA 01720, USA)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,化妝品不僅是人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?也已成為美化生活的一種時(shí)尚產(chǎn)品,受到廣大消費(fèi)者的青睞。對(duì)化妝品的巨大需求,又極大地促進(jìn)了化妝品產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和市場(chǎng)的空前繁榮。2017年,我國(guó)的化妝品銷(xiāo)售額已達(dá)434億歐元,僅次于歐盟和美國(guó),是全球第三大化妝品消費(fèi)市場(chǎng)[1]。面對(duì)化妝品行業(yè)的高速發(fā)展和化妝品需求量的與日俱增,化妝品的產(chǎn)品質(zhì)量和安全性越來(lái)越受到廣大消費(fèi)者的關(guān)注和重視。化妝品在使用過(guò)程中,會(huì)持續(xù)駐留人體皮膚表面,以發(fā)揮其美白、抗皺、祛痘等功效,化妝品中可能含有的化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)會(huì)通過(guò)皮膚接觸吸收,進(jìn)而危害人體健康安全。為確?；瘖y品質(zhì)量安全,廣泛開(kāi)發(fā)建立化妝品管控危害物質(zhì)的檢測(cè)方法尤為重要。

利多卡因、氯普魯卡因、丁卡因、普莫卡因、辛可卡因等卡因類(lèi)物質(zhì)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要作為局部麻醉劑,可能添加于曬后修復(fù)、祛斑、祛痘、脫毛、去角質(zhì)層等化妝品中,以達(dá)到減輕人體肌膚疼痛或不適的作用,并且具有抗皺/抗衰老作用。但此類(lèi)化學(xué)物質(zhì)具有中樞神經(jīng)毒性和心血管毒性,可經(jīng)皮膚表面吸收進(jìn)入血液循環(huán),對(duì)人體健康造成危害[2]。因此,我國(guó)《化妝品安全技術(shù)規(guī)范》(2015年版)[3]及歐盟化妝品法規(guī)[4]將上述卡因類(lèi)物質(zhì)列為化妝品中禁用組分,相關(guān)部門(mén)也制定和發(fā)布了化妝品中卡因類(lèi)物質(zhì)檢測(cè)的方法標(biāo)準(zhǔn)[3,5]。

目前,利多卡因、丁卡因、普莫卡因等卡因類(lèi)化合物的測(cè)定方法包括高效液相色譜法[6-8]、高效液相色譜-質(zhì)譜法[9]、氣相色譜-質(zhì)譜法[10,11]、電化學(xué)法[12]等,涉及的樣品包括注射液、藥膏、血液、胃液、生物組織等。上述方法各有特點(diǎn),但大多需要對(duì)樣品進(jìn)行較為復(fù)雜的前處理過(guò)程,如溶解、提取、離心、濃縮、過(guò)濾等,然后經(jīng)過(guò)色譜分離后測(cè)定。整個(gè)分析過(guò)程試劑消耗量大、分析周期長(zhǎng)、時(shí)間成本高。另外,部分方法還需要依托大型質(zhì)譜儀器進(jìn)行定性定量分析,這些設(shè)備通常體積大、質(zhì)量重、機(jī)動(dòng)性差,不能實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析。上述傳統(tǒng)前處理步驟及實(shí)驗(yàn)室分析儀器雖然具有較好的靈敏度和準(zhǔn)確性,但無(wú)法滿足與日俱增的現(xiàn)場(chǎng)快速篩查需求。

離子遷移譜(ion mobility spectrometry, IMS)是基于氣相中不同的氣相離子在電場(chǎng)中遷移速度的差異來(lái)對(duì)化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行表征的一項(xiàng)分析技術(shù),具有設(shè)備質(zhì)量輕、體積小、操作簡(jiǎn)便、快速靈敏等優(yōu)點(diǎn),是現(xiàn)場(chǎng)快速分析檢測(cè)的有力工具,目前已廣泛應(yīng)用在車(chē)站、機(jī)場(chǎng)、口岸等區(qū)域,涉及毒品檢測(cè)[13,14]、爆炸物分析[15]、食品安全[16-18]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[19]等諸多領(lǐng)域。熱解吸離子化(thermal desorption ionization)技術(shù)無(wú)需任何樣品前處理,無(wú)需萃取溶劑,對(duì)樣品加熱、吹掃、離子化一步完成,具有檢測(cè)成本低、分析速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì),也越來(lái)越受到檢測(cè)分析工作者的關(guān)注,并在爆炸物排查[20,21]、毒品檢測(cè)[22,23]等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。在離子遷移譜分析中,首先要生成氣相離子,然后才能進(jìn)行產(chǎn)物離子的分離和檢測(cè)?，F(xiàn)有的電離源包括放射源、光致放電管、激光電離、電噴霧電離、火焰電離、電暈電離等[24]。本文采用熱解吸-電暈放電電離技術(shù),結(jié)合離子遷移譜,建立了化妝品中5種禁用卡因類(lèi)化合物的現(xiàn)場(chǎng)快速篩查方法,疑似陽(yáng)性樣品采用高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法進(jìn)一步確證,為確?；瘖y品質(zhì)量安全和消費(fèi)者健康安全提供了科學(xué)有效的技術(shù)手段。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

GA2100型便攜式離子遷移譜儀(美國(guó)Excellims公司):配有熱解吸-電暈放電離子源、離子?xùn)砰T(mén)控制器、空氣過(guò)濾裝置(含硫酸鈣和分子篩)、高分辨率離子遷移分析器、法拉第杯檢測(cè)器、VisIon儀器控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),使用前用色氨酸和檸檬酸分別在正、負(fù)離子模式下校正儀器;ACQUITY超高效液相色譜儀、Xevo TQ-MS三重四極桿質(zhì)譜儀、MassLynx數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(美國(guó)Waters公司); Milli-Q Integral 5型超純水器(美國(guó)Merck Millipore公司)。丁卡因(CAS 94-24-6,純度99.9%)購(gòu)自德國(guó)Dr. Ehrenstorfer公司;利多卡因(CAS 137-58-6,純度99%)購(gòu)自百靈威科技有限公司;辛可卡因鹽酸鹽(CAS 85-79-0,純度99%)、普莫卡因鹽酸鹽(CAS 637-58-1,純度99%)和氯普魯卡因鹽酸鹽(CAS 3858-89-7,純度99.8%)購(gòu)自美國(guó)Stanford Chemicals公司。5種卡因類(lèi)禁用物質(zhì)用甲醇配制成1 g/L標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液,使用時(shí)根據(jù)需要用甲醇稀釋成混合標(biāo)準(zhǔn)工作液;甲醇(色譜純)購(gòu)自美國(guó)Fisher公司;色氨酸和檸檬酸購(gòu)自美國(guó)Sigma-Aldrich公司,以甲醇配成10 mg/L校正液進(jìn)行儀器校正;CT1319型玻璃纖維拭紙購(gòu)自美國(guó)DSA Detection公司;Nomex纖維拭紙購(gòu)自美國(guó)DuPont公司;Grade 1、Grade 3MM、Grade 17、Grade 31ET纖維素色譜紙購(gòu)自美國(guó)Whatman公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

熱解吸離子源由解吸加熱器、樣品槽、樣品傳輸管、電暈腔、電暈針、解吸氣和電暈吹掃氣構(gòu)成?；瘖y品樣品無(wú)需前處理步驟,樣品輕輕蘸取(膏霜類(lèi)化妝品)、滴加(液體類(lèi)化妝品)或噴霧(噴霧類(lèi)化妝品)在采樣拭紙上,靜置30 s,待樣品中可能含有的乙醇等溶劑揮發(fā)后置于離子源樣品槽中,在加熱器和解吸氣的共同作用下,樣品中待測(cè)組分熱解吸并通過(guò)樣品傳輸管進(jìn)入電暈腔,在電暈針高壓作用下發(fā)生離子化,并在電暈吹掃氣和電場(chǎng)作用下進(jìn)入離子遷移譜的遷移管內(nèi)進(jìn)行分離后,經(jīng)法拉第杯檢測(cè)器檢測(cè)得到相應(yīng)測(cè)試圖譜。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。對(duì)于基質(zhì)復(fù)雜的樣品,為避免樣品槽污染,應(yīng)定期清潔,可設(shè)置熱解吸離子源解吸溫度至250 ℃,解吸時(shí)間5～10 min即可達(dá)到清潔效果。

圖 1 熱解吸-電暈放電電離-離子遷移譜實(shí)驗(yàn)流程Fig. 1 Work flow for thermal desorption-corona discharge ionization coupled with ion mobility spectrometry

CompoundFormulaMrIonization modeDrift time/msRelative drift factorLOD/ngLidocaineC14H22N2O234.34positive11.00.4810ChloroprocaineC13H19ClN2O2307.22positive11.50.5410TetracaineC15H24N2O2264.36positive12.40.6550PramocaineC17H28ClNO3329.86positive13.00.7250DibucaineC20H29N3O2343.46positive14.50.89504-Aminobenzoic acidC7H7NO2137.14positive15.4-10-: not applicable.表 2 5種待測(cè)物的質(zhì)譜分析參數(shù)Table 2 MS/MS parameters for the five analytesCompoundPrecursor ion (m/z)Product ion (m/z)Cone voltage/VCollision energy/eVRelative ion ratio/%Acceptable tolerance/%Lidocaine235.286.6*3016100±2058.3303252Chloroprocaine271.5100.1*3213100±25154.2322446Tetracaine265.5176.5*3211100±30220.2321616Pramocaine294.4100.2*2818100±25151.2281548Dibucaine344.5271.3*3014100±20215.2302159

* Ions with higher responses.

1.3 離子遷移譜分析條件

熱解吸-電暈放電離子化條件如下。解吸溫度:210 ℃;解吸氣種類(lèi):空氣;解吸氣流速:0.5 L/min;解吸時(shí)間:15 s;電暈放電模式:正離子模式;電暈放電電壓:2 143 V;電暈吹掃氣種類(lèi):空氣;電暈吹掃氣流速:0.5 L/min;電暈吹掃氣抽速:0.4 L/min。

離子遷移譜條件如下。遷移管電壓:8 000 V;遷移管溫度:180 ℃;氣體預(yù)加熱溫度:180 ℃;遷移譜寬:20 ms; Bradbury-Nielsen離子門(mén)脈沖寬度:75 μs; Bradbury-Nielsen離子門(mén)電壓:37 V;漂移氣流速:1.80 L/min;排氣泵抽速:1.30 L/min。為校正遷移時(shí)間可能產(chǎn)生的漂移對(duì)分析結(jié)果的影響,本研究選用4-氨基苯甲酸作為參比物質(zhì),用于計(jì)算待測(cè)卡因類(lèi)化合物的相對(duì)遷移因子。5種待測(cè)物及參比物質(zhì)的分子式、相對(duì)分子質(zhì)量、離子化方式、遷移時(shí)間和相對(duì)遷移因子見(jiàn)表1。

1.4 高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜確證條件

Waters XBridge C18色譜柱(150 mm×2.1 mm, 3.5 μm);流動(dòng)相:水(A)和甲醇(B)。梯度洗脫程序:0～12 min, 35%B～90%B; 12～18 min, 90%B。流速:0. 3 mL/min;柱溫:30 ℃;樣品室溫度:20 ℃;進(jìn)樣量:5 μL。

5種卡因類(lèi)化合物的質(zhì)譜分析參數(shù)見(jiàn)表2,其判斷依據(jù)主要參照歐盟指令2002/657/EC[25]中關(guān)于質(zhì)譜分析方法定性的規(guī)定。電噴霧離子源;毛細(xì)管電壓:3.0 kV;射頻透鏡電壓:0.3 kV;離子源溫度:150 ℃;去溶劑氣溫度:450 ℃;去溶劑氣流量:800 L/h;錐孔氣流量:50 L/h;光電倍增器電壓:650 V;碰撞氣體:氬氣;碰撞室氣壓:0.32 Pa;多反應(yīng)監(jiān)測(cè)(MRM)模式檢測(cè)。

圖 2 不同拭紙對(duì)5種待測(cè)物的歸一化響應(yīng)值(n=6)Fig. 2 Normalized intensity of the five analytes with different sampling swabs (n=6)

2 結(jié)果與討論

2.1 采樣拭紙的選擇

采樣拭紙的選擇對(duì)樣品的采集和待測(cè)物的解吸具有重要影響。由于不同拭紙表面及內(nèi)部含有的羥基數(shù)量不同,5種卡因類(lèi)化合物的性質(zhì)又存在差異,因此不同拭紙與化合物的結(jié)合程度存在差異,解吸效果隨之不同。為確保上樣量的準(zhǔn)確統(tǒng)一,將10 μL質(zhì)量濃度為50 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)混合溶液滴加在不同的采樣拭紙上,靜置30 s,在儀器條件一致的情況下,以總響應(yīng)強(qiáng)度為考察指標(biāo),比較CT1319型玻璃纖維拭紙、Nomex纖維拭紙以及Grade 1、Grade 3MM、Grade 17、Grade 31ET纖維素色譜紙等6種采樣拭紙對(duì)5種待測(cè)卡因類(lèi)化合物的分析效果,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)歸一化處理,結(jié)果如圖2所示。采用Nomex纖維拭紙對(duì)于待測(cè)物的信號(hào)響應(yīng)值最高,推測(cè)可能是由于Nomex纖維拭紙對(duì)待測(cè)物吸附性較強(qiáng),并且在熱解吸過(guò)程中又具有較好的解吸附效果。Grade 1、Grade 17、Grade 3MM和Grade 31ET纖維素色譜紙的表面及紙基內(nèi)部均含有較多的羥基,加載樣品后,對(duì)樣品中待測(cè)物形成氫鍵等分子間作用力,在熱解吸過(guò)程中不能將待測(cè)物完全解吸附,故響應(yīng)值略低。CT1319型玻璃纖維拭紙響應(yīng)值最低,這可能是由于基質(zhì)材料對(duì)樣品吸附性差,導(dǎo)致樣品加載量較少。

2.2 解吸溫度的優(yōu)化

解吸溫度對(duì)目標(biāo)分析物的解吸附程度及響應(yīng)值有著顯著影響。解吸溫度過(guò)低時(shí),樣品中待測(cè)物不能從拭紙上完全解吸;解吸溫度過(guò)高時(shí),樣品原本較難揮發(fā)的雜質(zhì)會(huì)隨著解吸溫度的升高解吸出來(lái),在電暈腔內(nèi)與目標(biāo)物質(zhì)發(fā)生電荷競(jìng)爭(zhēng)作用,并且離子化后進(jìn)入遷移管中,有可能形成較強(qiáng)的基質(zhì)干擾,影響目標(biāo)化合物的分析檢測(cè)。本研究在180～250 ℃范圍內(nèi)設(shè)定了一系列解吸溫度。經(jīng)考察,在1.3節(jié)下,當(dāng)解吸溫度為210 ℃時(shí),5種卡因類(lèi)待測(cè)化合物的響應(yīng)值均接近最大值(見(jiàn)圖3)。

圖 3 不同解吸溫度下5種待測(cè)物的信號(hào)響應(yīng)(n=6)Fig. 3 Signal responses of the five analytes at various desorption temperatures (n=6)

2.3 電暈放電電壓的優(yōu)化

電暈放電電壓是決定目標(biāo)化合物離子化效果及信號(hào)響應(yīng)強(qiáng)度的重要參數(shù)。在熱解吸-電暈放電電離過(guò)程中,待測(cè)物經(jīng)加熱后從拭紙上解吸,以氣態(tài)分子形式進(jìn)入電暈腔,在電暈針高壓的作用下發(fā)生分子離子反應(yīng),形成離子進(jìn)入離子遷移譜。5種卡因類(lèi)化合物的最佳電暈放電電壓略有差異,綜合5種待測(cè)化合物各自的最佳電壓值及離子化效果,確定本方法的電暈放電電壓為2 143 V。

2.4 遷移管和氣體預(yù)加熱溫度的優(yōu)化

在離子遷移譜進(jìn)樣分析時(shí),為了避免熱交換或其他因素導(dǎo)致的離子遷移時(shí)間重現(xiàn)性差、響應(yīng)值不穩(wěn)定等現(xiàn)象,氣體預(yù)加熱溫度和遷移管溫度的設(shè)定應(yīng)盡量保持一致。如設(shè)定溫度過(guò)低時(shí),空氣濕度和環(huán)境溫度會(huì)對(duì)離子信號(hào)造成干擾;溫度過(guò)高會(huì)造成離子遷移系統(tǒng)不穩(wěn)定,引發(fā)的離子擴(kuò)散及碰撞損失,反而導(dǎo)致信號(hào)減弱。本研究考察了不同溫度(170、180、190、200 ℃)對(duì)待測(cè)化合物響應(yīng)值的影響,最終確定遷移管和氣體預(yù)加熱溫度為180 ℃(見(jiàn)圖4)。

圖 4 不同遷移管及氣體預(yù)加熱溫度下5種待測(cè)物的 信號(hào)響應(yīng)(n=6)Fig. 4 Signal responses of the five analytes at various drift tube and gas pre-heating temperatures (n=6)

2.5 漂移氣流速的優(yōu)化

漂移氣的流速對(duì)離子分辨率和響應(yīng)強(qiáng)度存在一定影響。基于前期研究經(jīng)驗(yàn)[26-28],空氣穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低廉,并且作為漂移氣能較好地分離各組分,響應(yīng)強(qiáng)度高。同時(shí)選用空氣作為漂移氣,無(wú)需為離子遷移譜儀額外配備氣體鋼瓶,有助于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。本研究考察了不同漂移氣流速(1.4～2.2 L/min)對(duì)5種卡因類(lèi)化合物分離效果和響應(yīng)強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)漂移氣流速過(guò)低時(shí),5種卡因類(lèi)化合物分析周期短,分辨率較差;而流速太高時(shí),分辨率提高,分析周期長(zhǎng),同時(shí)會(huì)稀釋目標(biāo)氣體分子濃度,甚至抵消電場(chǎng)力的作用,使目標(biāo)離子不能到達(dá)檢測(cè)器,沒(méi)有響應(yīng)信號(hào)。經(jīng)考察,漂移氣的最佳流速為1.8 L/min(見(jiàn)圖5)。

圖 5 不同漂移氣流速下5種待測(cè)物的信號(hào)響應(yīng)(n=6)Fig. 5 Signal responses of the five analytes at various drift gas velocities (n=6)

2.6 定性依據(jù)和檢出限

本文所述5種卡因類(lèi)化合物為化妝品中禁用組分,在實(shí)際樣品檢測(cè)中,重點(diǎn)需要開(kāi)展定性篩查分析,以確定產(chǎn)品是否符合法規(guī)要求。離子遷移譜以遷移時(shí)間作為主要定性依據(jù),為消除遷移時(shí)間可能發(fā)生的漂移對(duì)定性判別結(jié)果造成的干擾,保證方法準(zhǔn)確可靠,本研究引入4-氨基苯甲酸作為參比物質(zhì),以相對(duì)遷移因子作為目標(biāo)化合物的定性依據(jù)。按照前文所述方法進(jìn)行分析測(cè)定,以信噪比為3測(cè)算,5種卡因類(lèi)化合物的檢出限在10～50 ng之間。5種卡因類(lèi)化合物及參比物質(zhì)的離子遷移譜圖見(jiàn)圖6。

圖 6 5種待測(cè)物及參比物質(zhì)的離子遷移譜圖Fig. 6 Ion mobility spectra of the five analytes and reference substance

圖 7 5種待測(cè)物的選擇離子監(jiān)測(cè)色譜圖Fig. 7 MRM chromatograms of the five analytes

2.7 高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜確證

對(duì)于經(jīng)離子遷移譜法篩檢出的疑似陽(yáng)性樣品,本研究還開(kāi)發(fā)了進(jìn)一步確證的高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜方法。每種目標(biāo)化合物分別選擇一個(gè)前體離子和對(duì)應(yīng)的兩個(gè)產(chǎn)物離子作為監(jiān)測(cè)離子對(duì)。5種卡因類(lèi)化合物的質(zhì)譜分析參數(shù)見(jiàn)表2。如果樣品中目標(biāo)化合物的離子相對(duì)豐度與濃度相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)溶液的相對(duì)豐度一致,且偏差不超過(guò)表2中對(duì)應(yīng)的允許偏差,則判斷樣品中含有相應(yīng)的禁用卡因類(lèi)化合物。5種卡因類(lèi)化合物的選擇離子監(jiān)測(cè)色譜圖見(jiàn)圖7。

2.8 樣品篩查

應(yīng)用本方法對(duì)不同類(lèi)型的共16件化妝品實(shí)際樣品進(jìn)行了篩查分析,均未檢測(cè)到上述5種卡因類(lèi)化合物。為進(jìn)一步驗(yàn)證本方法的適用性,以1種含有利多卡因的氣霧劑外用非處方藥劑作為待測(cè)樣品進(jìn)行了分析檢測(cè)。結(jié)果表明,離子遷移譜篩檢出了樣品中含有的利多卡因成分。進(jìn)一步經(jīng)高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜確證,驗(yàn)證了實(shí)際樣品中存在利多卡因。

3 結(jié)論

本研究采用熱解吸-電暈放電電離技術(shù),結(jié)合離子遷移譜,開(kāi)發(fā)建立了化妝品中5種禁用卡因類(lèi)化合物的現(xiàn)場(chǎng)快速篩查方法。該方法準(zhǔn)確可靠、快速簡(jiǎn)捷、成本低廉,無(wú)需任何樣品前處理過(guò)程,離子遷移譜分析時(shí)間小于20 ms,整個(gè)樣品分析周期不超過(guò)1 min,可用于化妝品實(shí)際樣品的現(xiàn)場(chǎng)快速和高通量篩查檢測(cè)。