三維熒光光譜結(jié)合四線性分解算法測(cè)定化妝品中的酚酸類物質(zhì)

張 慧, 王書濤， 張立娟, 商鳳凱, 張 艷, 李明珊, 王玉田

燕山大學(xué)河北省測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島 066004

引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)以及人們生活水平的提高， 化妝品與美容行業(yè)得到了蓬勃的發(fā)展。 近年來， 我國的化妝品監(jiān)管機(jī)制逐漸成熟， 標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作逐漸加強(qiáng)， 但是仍有一些化妝品添加成分的檢測(cè)方法存在缺陷[1]， 如何更準(zhǔn)確地進(jìn)行定性定量成為了研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

咖啡酸作為一種生物還原劑， 常常添加到化妝品中用來修復(fù)皮膚損傷， 更是藥物化妝品質(zhì)量控制的指標(biāo)之一[2]， 有必要對(duì)其檢測(cè)方法進(jìn)行深入研究。 對(duì)羥基苯甲酸作為防腐劑添加到化妝品中， 可以使化妝品免受微生物污染， 但是研究表明它也是導(dǎo)致化妝品過敏性和接觸性皮炎的原因之一[3]， 所以必須控制其在化妝品中的用量。 對(duì)苯二酚可作為一種美白劑， 但研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)常使用對(duì)苯二酚會(huì)產(chǎn)生皮膚炎等副作用， 因此歐盟將對(duì)苯二酚列為化妝品中的違禁物質(zhì)， 由于廉價(jià)易得效果好， 常被非法添加于化妝品中， 有效的檢測(cè)顯得尤為重要。

馮亞男等[2]建立同時(shí)測(cè)定化妝品中多個(gè)生物還原劑的HPLC法， 平均回收率均在98.0%～102.0%范圍內(nèi)。 Wei等[4]利用分散液相微萃取的方法同時(shí)測(cè)定化妝品中的六種防腐劑， 得到實(shí)際樣品回收率為81.0%～103.0%。 朱麗[5]利用二階校正測(cè)定化妝品中的對(duì)苯二酚， 加標(biāo)回收率為99.7%～103.5%。 然而對(duì)于這些常用的分析方法， 一般需要先分離再分析， 雖然能夠成功測(cè)定， 但是費(fèi)時(shí)、 費(fèi)料、 耗精力[6]。 將熒光分析技術(shù)與二階校正方法相結(jié)合雖然省時(shí)簡(jiǎn)單， 但在數(shù)據(jù)出現(xiàn)散射和重疊時(shí)往往得不到理想的效果[7]。

為避免費(fèi)時(shí)且繁瑣的分離手段， 消除光譜干擾帶來的影響， 文章通過引入pH值構(gòu)建四維數(shù)據(jù)矩陣， 利用交替懲罰四線性分解算法， 以“數(shù)學(xué)分離”代替“化學(xué)及物理分離”， 直接、 簡(jiǎn)便、 快速地對(duì)化妝品中的三種酚酸類物質(zhì)進(jìn)行同時(shí)測(cè)定， 為化妝品成分的準(zhǔn)確檢測(cè)提供了方法， 具有重要的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

1 方法原理

1.1 四線性模型

三線性成分模型也被稱之為PARAFAC模型， 將三線性成分模型擴(kuò)展至四維可以獲得四線性成分模型。 在四線性成分模型中， 四維數(shù)據(jù)矩陣XI×J×K×L中的每一個(gè)元素xijkl可以表示如式(1)

i=1, 2, …,I;j=1, 2, …,J;

k=1, 2, …,K;l=1, 2, …,L

(1)

其中，ain，bjn，ckn和dln分別表示潛在輪廓矩陣AI×N，BJ×N，CK×N和DL×N中的元素，eijkl表示四維殘差數(shù)據(jù)陣列的元素。N為四線性模型的總組分?jǐn)?shù)。

1.2 交替懲罰四線性分解(APQLD)算法

APQLD算法可以看作是交替懲罰三線性算法的擴(kuò)展， 按照交替懲罰三線性分解算法的理論， 將其擴(kuò)展到四維可以獲得以下四個(gè)目標(biāo)函數(shù)[8]

(2)

按照以上目標(biāo)函數(shù)， 基于交替最小二乘原理， 固定A，B和C， 最小化σ(D)求解D； 固定B，C和D， 最小化σ(A)求解A； 固定C，D和A， 最小化σ(B)求解B； 固定D，A和B， 最小化σ(C)求解C； 從而可以得到以下四個(gè)等式[9]

qWB)diag(c(k))diag(d(l)))+

(3)

rWC)diag(d(l))diag(a(i)))+

(4)

sWD)diag(a(i))diag(b(j)))+

(5)

pWA)diag(b(j))diag(c(k)))+

(6)

其中，p，q，r和s為懲罰因子， 使用算法時(shí)應(yīng)選擇合適的值， 當(dāng)p=q=r=s=0時(shí)， APQLD算法將等同于4-PARAFAC算法。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

咖啡酸標(biāo)準(zhǔn)品(CA)、 對(duì)羥基苯甲酸(p-HA， 99.5%)、 對(duì)苯二酚(HQ， 99%)、 色譜級(jí)甲醇、 色譜級(jí)乙醇購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。 某品牌液態(tài)化妝品(cosmetic)購于廣州貝途貿(mào)易有限公司。 通過混合0.02 mol·L-1的Na2HPO4和0.02 mol·L-1的NaH2PO4溶液得到pH值分別為7.00， 7.30， 7.50和7.80的磷酸鹽緩沖溶液。 實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水。

實(shí)驗(yàn)藥品的準(zhǔn)確稱取用FA1004精密電子秤實(shí)現(xiàn)。 實(shí)驗(yàn)樣本的三維熒光光譜數(shù)據(jù)由Edinburgh Instruments公司生產(chǎn)的FS920穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀測(cè)得， 該儀器的光譜熒光響應(yīng)范圍為200～900 nm， 液氮制冷范圍為77～320 K， 激發(fā)光源為功率450 W的脈沖氙燈， 信噪比為6 000∶1， 檢測(cè)樣本時(shí)均使用1 cm石英比色皿進(jìn)行激發(fā)發(fā)射掃描。

2.2 儀器參數(shù)

儀器參數(shù)設(shè)置如下： 激發(fā)波長(zhǎng)范圍為210～330 nm， 間隔為4 nm； 發(fā)射波長(zhǎng)范圍為280～480 nm， 間隔為2 nm； 為避免一級(jí)瑞利散射， 起始發(fā)射波長(zhǎng)始終滯后起始激發(fā)波長(zhǎng)10 nm。 掃描速度為12 000 nm·min-1； 電壓為550 V； 狹縫寬度為5.0/5.0 nm。

2.3 樣本配制

儲(chǔ)備液和工作液的配制： 分別精確稱取對(duì)羥基苯甲酸(p-HA)10.00 mg、 咖啡酸(CA)5.00 mg、 對(duì)苯二酚(HQ)10.00 mg， 用甲醇溶解并定容至50 mL棕色容量瓶中， 作為儲(chǔ)備液， 儲(chǔ)存于4 ℃冰箱中。 實(shí)驗(yàn)時(shí)用50 mL混合溶液(甲醇-水， 1∶1，V/V)稀釋儲(chǔ)備液， 得到對(duì)羥基苯甲酸(p-HA)、 咖啡酸(CA)、 對(duì)苯二酚(HQ)工作液的濃度分別為40， 10和10 μg·mL-1。

校正樣的配制： 取8個(gè)10 mL棕色容量瓶， 編號(hào)為1—8號(hào)， 分別加入不同體積各物質(zhì)的工作液(使各物質(zhì)濃度在其線性范圍內(nèi))， 并用混合溶液(甲醇-磷酸鹽緩沖液， 1∶1，V/V)定容。

驗(yàn)證樣的配制： 取4個(gè)10mL棕色容量瓶， 編號(hào)為9—12號(hào)， 分別加入不同體積各物質(zhì)的工作液(使各物質(zhì)濃度在校正樣濃度范圍內(nèi))， 并用混合溶液(甲醇-磷酸鹽緩沖液， 1∶1，V/V)定容。

化妝品樣的配制： 取4個(gè)10 mL棕色容量瓶， 編號(hào)為13—16號(hào)， 分別加入50 μL液態(tài)化妝品以及不同體積各物質(zhì)的工作液(使各物質(zhì)濃度在校正樣濃度范圍內(nèi))， 并用混合溶液(甲醇-磷酸鹽緩沖液， 1∶1，V/V)定容。

2.4 數(shù)據(jù)

16個(gè)樣本分析物濃度如表1所示， 通過引入pH值構(gòu)建四維數(shù)據(jù)， 16個(gè)樣本在4個(gè)pH值下重復(fù)設(shè)計(jì)， 得到一個(gè)大小為31×101×4×16的四維EX-EM-pH-sample數(shù)據(jù)陣， 對(duì)此數(shù)據(jù)陣進(jìn)行后續(xù)處理。

表1 樣本配制濃度(μg·mL-1)

3 結(jié)果與討論

3.1 pH值對(duì)熒光強(qiáng)度的影響

以單組分的咖啡酸(CA)為例， 其三維熒光光譜如圖1所示， 可見它的熒光峰位置在320 nm/420 nm(EX/EM)。

圖1 咖啡酸三維熒光光譜

圖2 不同pH值咖啡酸的發(fā)射光譜

為觀察不同pH值對(duì)熒光強(qiáng)度的影響， 固定激發(fā)波長(zhǎng)為320 nm， 得到咖啡酸在不同pH值下的發(fā)射波長(zhǎng)如圖2所示， 可見在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的四種pH值下， 咖啡酸的熒光強(qiáng)度隨著pH值的增加而升高。 這表明pH值的變化可以影響熒光強(qiáng)度， 實(shí)驗(yàn)選用pH值構(gòu)建四維數(shù)據(jù)比較合理。

3.2 定性分解

取8個(gè)校正樣和4個(gè)驗(yàn)證樣， 在四種pH值下構(gòu)成31×101×4×12(EX-EM-pH-sample)的四維數(shù)據(jù)陣， 取組分?jǐn)?shù)為3進(jìn)行APQLD分解， 結(jié)果如圖3所示， 在分析物光譜嚴(yán)重重疊的情況下， 利用算法分解的光譜與四種分析物的真實(shí)光譜基本吻合， 分解效果較好。

取8個(gè)校正樣和4個(gè)化妝品樣， 在四種pH值下構(gòu)成31×101×4×12(EX-EM-pH-sample)的四維數(shù)據(jù)陣， 取組分?jǐn)?shù)為4進(jìn)行APQLD分解， 結(jié)果如圖4所示， 在含有化妝品的情況下， 該算法仍然可以較好地分解出四種分析物以及復(fù)雜背景體系中的干擾成分。

圖3 定性分解圖

圖4 定性分解圖

3.3 定量預(yù)測(cè)

根據(jù)分解算法定性分析后得到的濃度矩陣， 對(duì)相對(duì)熒光強(qiáng)度和各組分濃度進(jìn)行回歸分析， 得到4個(gè)驗(yàn)證樣和4個(gè)化妝品樣的各組分濃度預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示。 無論驗(yàn)證樣還是化妝品樣， 均得到了較好的預(yù)測(cè)效果， 驗(yàn)證樣的平均回收率(AR)為100.4%～103.5%， 預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)低于0.06； 化妝品樣平均回收率(AR)為100.0%～102.2%， 預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)低于0.08。

表2 濃度預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

驗(yàn)證了pH值對(duì)待測(cè)物質(zhì)熒光強(qiáng)度的影響， 說明根據(jù)pH值構(gòu)建四維數(shù)據(jù)的合理性。 APQLD算法能夠?qū)崿F(xiàn)化妝水復(fù)雜體系中四種酚酸類物質(zhì)的同時(shí)定性定量分析， 定性分解光譜與實(shí)際光譜基本吻合， 定量預(yù)測(cè)平均回收率優(yōu)于引言中提到的色譜法、 萃取法以及二階校正方法。