高分辨率精確質(zhì)譜非靶標(biāo)分析塑料食品接觸材料遷移化合物綜述

■ 文/上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 李潔君，張麗媛，王永香

0 引 言

近年來，食品接觸材料（Food Contact Materials，F(xiàn)CMs）的生產(chǎn)和使用有所增加。三分之一以上的食品接觸材料是由塑料制成的，通常是通過將不同的聚合物膠粘結(jié)合在一起來制作[1]。在食品包裝中使用多層材料時(shí)，由于擴(kuò)散和分配過程，遷移不僅會(huì)從食品包裝的內(nèi)側(cè)（食品接觸面）發(fā)生，而且還會(huì)從食品包裝內(nèi)層發(fā)生[2-3]。

在歐盟法規(guī)10/2011中[4]中對于與食品接觸的塑料材料安全使用有具體規(guī)定，該法規(guī)規(guī)定了肯定列表。這些授權(quán)用于制作塑料的化合物（＞ 150種化合物）就是所謂的有意添加物質(zhì)（Intentionally Added Substances，IAS）；其他未出現(xiàn)在允許成分列表中化合物通常稱為非故意添加物質(zhì)（Non-Intentionally Added Substances，NIAS）。

FCMs中添加IAS以增強(qiáng)其性能，比如抗氧化劑、光穩(wěn)定劑和表面活性劑。Alin[6]和Burman[7]等分別對抗氧化劑降解產(chǎn)物進(jìn)行研究。聚乙氧基壬基酚是生產(chǎn)塑料瓶常用清潔劑中的表面活性劑[8-9]。偶氮顏料本身是用于配制油墨的有意添加物質(zhì)，用于印刷油墨的偶氮顏料中存在伯芳族胺和β-萘酚，這2種化學(xué)物質(zhì)作為雜質(zhì)存在于偶氮顏料和最終油墨配方中，因此伯芳族胺、β-萘酚是非故意添加物質(zhì)[10-11]。使用頻率較高的聚氨酯粘合劑一般是通過多元醇和二異氰酸酯單體的聚合反應(yīng)制成，若粘合劑未被正確固化或組分未被正確混合，會(huì)造成聚合反應(yīng)的不完全，并且剩余的未聚合芳族異氰酸酯會(huì)與水反應(yīng)形成伯芳族胺[12]，形成新的非故意添加物質(zhì)就是伯芳族胺[13]。環(huán)氧漆可能含有雙酚A和雙酚A二縮水甘油醚，雙酚A二縮水甘油醚可以與食物蛋白反應(yīng)形成副產(chǎn)物也是非故意添加物質(zhì)[14]。污染物也屬于非故意添加物質(zhì)，污染物有可能遷移到食品中，因而需要將污染物包括在風(fēng)險(xiǎn)評估中[15]。到目前為止，在食品遷移研究中已經(jīng)報(bào)道了一些非故意添加物質(zhì)，例如雙酚A（BisPhenol A，BPA）、雙酚A二縮水甘油醚（Bisphenol A DiGlycidyl Ether, BADGE）和相關(guān)化合物、紫外線墨水光引發(fā)劑(UV-Ink Photoinitiatiors)、全氟化合物（PerFluorinated Compounds，PFCs）、鄰苯二甲酸酯、芳香族胺（Primary Aromatic Amines，PAAs），上述非故意添加物質(zhì)的表征已在一些綜述文章中進(jìn)行了詳盡表述[2,16-17]。Gallart-Ayala等人[16]綜述了從2009年至2013年使用液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用（Liquid Chromatography Mass Spectrometry，LC-MS）分析FCMs中鄰苯二甲酸鹽、雙酚A和相關(guān)化合物。之后，Nerin等人[18]和Sanchis等人[17]分別在2013年和2017年綜述了有關(guān)應(yīng)用高分辨率精確質(zhì)譜（High Resolution Accurate Mass Spectrometry，HRAMS）分析揮發(fā)性和非揮發(fā)性化合物。

對食品接觸材料中遷移出的化合物進(jìn)行定性和定量分析仍然具有挑戰(zhàn)性，是一個(gè)值得高度關(guān)注的問題，為了確保食品的質(zhì)量和安全。為了分析從食品接觸材料中遷移出的化合物，歐盟法規(guī)10/2011[4]建立了標(biāo)準(zhǔn)化測試方法，適用于與食品直接接觸的所有塑料。通常對塑料食品接觸材料中遷移出的未知化合物的表征是非常困難。遷移出的化合物由于濃度很低、成分的信息不完整，缺少分析標(biāo)準(zhǔn)以及許多此類化合物并未包含在化學(xué)、光譜數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)食品接觸材料遷移出的化合物的物理化學(xué)特性選擇合適的分離和測定方法， 氣相色譜法（Gas Chromatography，GC）是最適合分析極性較低的揮發(fā)性和半揮發(fā)性遷移化合物的分析技術(shù)，而液相色譜法（Liquid Chromatography，LC）是最常用于分析熱不穩(wěn)定和非揮發(fā)性化合物的分析技術(shù)。GC和LC均可以連接不同的質(zhì)量分析儀分析從FCMs遷移出的化合物。低分辨率質(zhì)譜儀是三重四極桿質(zhì)譜、離子阱質(zhì)譜[19-21]；高分辨率質(zhì)譜儀是飛行時(shí)間質(zhì)譜[22-24]。低分辨率質(zhì)譜結(jié)合商業(yè)/內(nèi)部質(zhì)譜庫分析目標(biāo)化合物。分析包括NIAS在內(nèi)的未知遷移化合物，需要使用高分辨率質(zhì)譜儀和非靶標(biāo)分析法。HRAMS是分析FCMs中非常強(qiáng)大的應(yīng)用技術(shù)。HRAMS可在全掃描模式下提供準(zhǔn)確的質(zhì)量測定。通過選擇不同的數(shù)據(jù)采集模式，可以根據(jù)母離子和碎片離子提供的圖譜信息，鑒定未知化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

這篇綜述概述了用HRAMS分析來自塑料食FCMs的未知遷移化合物。由于近年來對FCMs日益關(guān)注，發(fā)表的相關(guān)論文數(shù)量很多，因此著重選擇了一些關(guān)于FCMs非靶標(biāo)分析法的論文。

1 非靶標(biāo)分析法中的分析儀器和數(shù)據(jù)采集模式

到目前為止，使用HRAMS分析塑料食品包裝材料中未知遷移化合物的大多數(shù)研究都是非靶標(biāo)分析法[3,22-34]，相關(guān)主題總共17篇論文中，有15篇使用LC進(jìn)行分析[3,22-25,28-31,33,34]，而僅有5篇使用GC進(jìn)行分析[23,26,27,30,32]，其中有3篇同時(shí)使用了兩種分析技術(shù)GC和LC，旨在盡可能多地分析從塑料FCMs遷移出的物質(zhì)（揮發(fā)性和非揮發(fā)性物質(zhì)）[23,30,31]。

關(guān)于電離源，電噴霧電離（ElectroSpray Ionization，ESI）的正離子模式是 LC中非靶標(biāo)分析法分析塑料FCMs遷移化合物的最常用的技術(shù)，而電子撞擊（Electron Impact，EI）和大氣壓化學(xué)電離（Atmospheric Pressure Chemical Ionization，APCI）在GC中同樣適用。Canellas等人于2012年發(fā)表了應(yīng)用APCI電離源與高分辨率質(zhì)量分析儀相結(jié)合以分析FCMs中的NIAS的論文，這項(xiàng)工作探索了FCMs領(lǐng)域中新技術(shù)氣相色譜—大氣壓化學(xué)電離—四極飛行時(shí)間質(zhì)譜（Gas Chromatography- Atmospheric Pressure Chemical Ionization- Quadrupole Time-Of-Flight Mass Spectrometry，GC-(APCI)-QTOF-MS）的潛力。在當(dāng)前的其他工作中，采用非靶標(biāo)分析法結(jié)合三種電離源（ESI、EI和APCI），用以分析來自塑料嬰兒奶瓶的未知遷移化合物。采用液相色譜—電噴霧電離—四極飛行時(shí)間質(zhì)譜（Liquid Chromatography- Electrospray Ionization-Quadrupole Time-Of-Flight Mass Spectrometry，LC-ESIQTOF-MS）全掃描數(shù)據(jù)以正負(fù)離子模式采集，以便檢測具有不同電離條件的化合物[40-42]。電離源（EI、APCI和ESI +/-）互補(bǔ)使用可以對FCMs進(jìn)行有效且寬范圍的非靶標(biāo)分析，從而獲得母離子（或質(zhì)子化分子）的準(zhǔn)確質(zhì)量數(shù)據(jù)，還可以獲得碎片的信息。

目前兩種高分辨率質(zhì)量分析儀用于分析從塑料FCMs釋放的遷移化合物：四極飛行時(shí)間質(zhì)譜（Quadrupole Time-Of-Flight，Q-TOF）和四極桿靜電場軌道阱質(zhì)譜（Quadrupole-Orbitrap，Q-Orbitrap）。這兩種高分辨率質(zhì)量分析儀交替使用不僅比單一使用一種高分辨率質(zhì)量分析（TOF/Orbitrap）得到更多的碎片信息，還能得到其他結(jié)構(gòu)信息，并確保分析更多的未知化合物。因此，高分辨率質(zhì)量分析儀交替使用是非靶標(biāo)分析法最常用的方法。Q-TOF在塑料FCMs領(lǐng)域的應(yīng)用比Q-Orbitrap多， 這可能與Orbitrap是目前市場上一種更昂貴、更新的質(zhì)譜儀有關(guān)。有關(guān)HRAMS技術(shù)應(yīng)用的大多數(shù)研究基于非靶標(biāo)分析法[3,23-34]。采用LC/GC-HRAMS靶標(biāo)分析從塑料FCMs遷移出的化合物，這方面的研究很少[17,35-38]。

非靶標(biāo)分析法可以采用兩種不同的數(shù)據(jù)采集模式：數(shù)據(jù)依賴采集(Data Dependent Acquisition，DDA)和與數(shù)據(jù)非依賴采集（Data Independent Acquisition，DIA）。在DDA模式下，儀器使用預(yù)定的規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，在分析模式之間切換，切換由觀察到的母離子的強(qiáng)度自動(dòng)控制，也可以使用其他附加條件（例如同位素模式等）來完成。在DIA模式下，在選定質(zhì)荷比（mass to charge ratio，m/z）范圍內(nèi)的所有離子在串聯(lián)質(zhì)譜的第二階段進(jìn)行破碎和分析，以便檢測盡可能多的未知化合物。質(zhì)譜（Mass Spectrometry，MS）和串聯(lián)質(zhì)譜（Tandem Mass Spectrometry，MS/MS）之間的切換會(huì)自動(dòng)執(zhí)行，以獲得所有母離子的碎片，一次色譜運(yùn)行可同時(shí)獲得未知化合物的MS和MS/MS的數(shù)據(jù)。與其他采集方法相比，DIA模式在分析未知化合物方面具有顯著優(yōu)勢，這是因?yàn)樗梢匀鏅z測所有可檢測到的峰，并獲取相應(yīng)的MS/MS譜圖，而無需在進(jìn)樣前設(shè)置任何質(zhì)量過濾器或強(qiáng)度閾值。目前發(fā)表的大多數(shù)用于分析塑料FCMs中未知遷移化合物的非靶標(biāo)分析法都是采用DIA模式（見表1）。相反，非靶標(biāo)分析應(yīng)用DDA較少[37-39]，分析了接觸食品的聚酯罐頭中29種非揮發(fā)性低聚物[39]。

images/BZ_48_1289_463_1441_660.png分析儀器數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理 表征出遷移化合物參考文獻(xiàn)聚碳酸酯食品接觸塑料UPLC-(ESI+/-)-QOrbitrap全掃描質(zhì)譜模式和多級質(zhì)譜模式依賴采集強(qiáng)度閾值5×104;自建數(shù)據(jù)庫；用模擬物比較同位素模式；現(xiàn)有的化學(xué)數(shù)據(jù)庫IAS：著色劑、塑料添加劑（抗氧化劑、紫外線吸收劑、穩(wěn)定劑、增白劑）NIAS：BPA-聚碳酸酯降解產(chǎn)物[37]可重復(fù)使用的塑料容器UPLC-(ESI+/-)-QOrbitrap全掃描質(zhì)譜模式和多級質(zhì)譜模式依賴采集主要檢測信號，質(zhì)量誤差≤2ppm；用模擬物比較同位素模式;現(xiàn)有的化學(xué)數(shù)據(jù)庫;通過重建全掃描色譜圖中可見的最具代表性的分子離子的質(zhì)譜圖譜進(jìn)行鑒定IAS：BPA，著色劑NIAS：聚碳酸酯降解產(chǎn)物和未反應(yīng)的分子[36]含有丙烯酸粘合劑用于食品包裝的多層層壓板（聚丙烯/醋酸纖維素/對苯二甲酸乙二酯）GC-(APCI)-QTOF-MS APCI探針(30 V)全掃描多級質(zhì)譜模式非依賴采集（碰撞能量梯度：20-40 V）質(zhì)量掃描范圍45-350 Da；色譜峰解卷積；空白和樣品的數(shù)據(jù)比較；母離子和碎片離子的精確質(zhì)量（質(zhì)量誤差:15 mDa）；保留時(shí)間±0.2 min NIAS：己醇-2-乙基、 乙酸-2-乙基己酯、 正丁酸-2-乙基己酯；2，4，7，9-四甲基-5-癸炔-4，7-二醇; 2，4，7，9-四甲基-5-癸炔-4，7-二醇乙氧基化物[29]直接接觸食品的自動(dòng)粘貼標(biāo)（對苯二甲酸乙二酯）GC-(APCI)-QTOF-MS APCI探針（30 V） 全掃描多級質(zhì)譜模式非依賴采集（碰撞能量梯度：20-40 V）質(zhì)量掃描范圍45-450 Da；色譜峰解卷積；母離子的精確質(zhì)量（質(zhì)量誤差: 3 mDa，同位素模式）；用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)表征NIAS：甲基-3-(3，5-二叔丁基-4羥苯基)丙酸甲酯和二環(huán)己基膦基異構(gòu)體[30]多層包裝材料UPLC-(ESI+/-)-QTOF-MS全掃描多級質(zhì)譜模式非依賴采集(碰撞能量梯度：5-30 V)質(zhì)量掃描范圍10-1200 Da；在確定粘合劑成分后使用包裝材料進(jìn)行遷移研究；母離子和碎片離子的精確質(zhì)量（質(zhì)量誤差：3 mDa)；用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)表征IAS：己二酸、2-甲基-2H-異噻唑-3-酮、1，2-苯并異噻唑-3-(2H)- 酮NIAS：其他成分之間反應(yīng)產(chǎn)生的新形成的內(nèi)酯[31]

images/BZ_49_179_463_331_660.png分析儀器數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理 表征出遷移化合物參考文獻(xiàn)由低密度聚乙烯、對苯二甲酸乙二酯、雙向拉伸聚丙烯、聚乳酸塑料薄膜制備的多層材料UPLC-(ESI+/-)-QTOF-MS全掃描多級質(zhì)譜模式非依賴采集（碰撞能量：4 V和碰撞能量梯度坡：5-30 V質(zhì)量掃描范圍10-1200 Da；空白數(shù)據(jù)與遷移數(shù)據(jù)之間的比較；母離子和碎片離子的精確質(zhì)量（質(zhì)量誤差：3mDa)IAS：表面活性劑NIAS：甲基丙烯酸甲酯的丙二酸衍生物[32]聚乙烯和尼龍2種材料的多層塑料包裝LC-(ESI+)-QTOF-MS DIA全掃描采集模式（碰撞能量：35±15 V）色譜峰解卷積；控制過濾器（比率x10）；選擇最豐富的化合物（信號強(qiáng)度≥1×106）；母離子和碎片離子的精確質(zhì)量(質(zhì)量誤差＜2ppm)IAS：己內(nèi)酰胺、聚合物的添加劑NIAS：己內(nèi)酰胺低聚物和原料副產(chǎn)物（主要是聚氨酯膠粘劑產(chǎn)生的環(huán)狀低聚物）[23]多層包裝材料（聚乙烯/鋁和聚乙烯/乙烯-乙烯醇共聚物/聚乙烯/鋁）UPLC-(ESI+)-QTOF-MS全掃描多級質(zhì)譜模式非依賴采集（碰撞能量梯度：20-40 V質(zhì)量掃描范圍50-1200 Da;空白數(shù)據(jù)與樣品數(shù)據(jù)之間的比較；母離子和碎片離子的精確質(zhì)量NIAS：潛在遷移物質(zhì)、環(huán)狀化合物[24]具有抗菌功能的新型活性納米材料-氧化鋅納米顆粒與聚丙烯的組合GC-(EI)-QTOF-MS EI探針(70 V)；全掃描多級質(zhì)譜模式非依賴采集。質(zhì)量掃描范圍45-550 Da;色譜峰解卷積；自建數(shù)據(jù)庫（60種化學(xué)物質(zhì)），包括添加劑、單體、聚合物生產(chǎn)中使用的原料和鄰苯二甲酸酯NIAS：鄰苯二甲酸二乙酯 [33]具有抗菌功能的新型活性納米材料-氧化鋅納米顆粒與聚丙烯的組合UPLC-(ESI+)-QTOF-MS全離子多級質(zhì)譜模式非依賴采集（破碎電壓360 V）質(zhì)量掃描范圍50-1100 Da；自建數(shù)據(jù)庫；母離子的精確質(zhì)量(誤差 ＜5 ppm)；質(zhì)譜相似度≥75%；自建數(shù)據(jù)庫(60種化學(xué)物質(zhì))，包括添加劑、單體、聚合物生產(chǎn)中使用的原料和鄰苯二甲酸酯NIAS：2，4，6-三氨基-1，3，5-三嗪、(2E)-3-苯基丙-2-烯醛[33]

聚酯罐涂料UPLC-(ESI+/-)-QOrbitrap全掃描質(zhì)譜模式和多級質(zhì)譜模式依賴采集強(qiáng)度閾值2×104；自建數(shù)據(jù)庫包含單體、低聚物和添加劑IAS：單體和添加劑；-NIAS：低聚物[38]

images/BZ_50_215_463_366_660.png分析儀器數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理 表征出遷移化合物參考文獻(xiàn)2個(gè)含有聚氨酯粘合劑的多層袋UPLC-(ESI+/-)-QTOF-MS全掃描多級質(zhì)譜模式非依賴采集(碰撞能量：4 V和碰撞能量梯度：15-30 V）遷移研究：分析從多層材料遷移到食品模擬物中的化合物；母離子和碎片離子的精確質(zhì)量；用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)表征IAS：己內(nèi)酰胺及其低聚物、增塑劑（乙酰檸檬酸三丁酯）、抗氧化劑、潤滑劑（單十三烷酸甘油酯和其他衍生物）NIAS：來自聚氨酯膠黏劑的低聚物酯[27]

在DIA模式中，使用多級質(zhì)譜模式是從2012年到至今報(bào)道最多的方法（見表1）。使用多級質(zhì)譜模式記錄數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行任何預(yù)先選擇，在同一運(yùn)行過程中，多級質(zhì)譜的數(shù)據(jù)采集可以在低碰撞能量梯度、高碰撞能量梯度下進(jìn)行，以便獲得盡可能多的質(zhì)譜信息，低能量譜提供了母離子的信息，而高能量譜提供了碎片離子的信息。Onghema等人[32]使用4 V低碰撞能量和25 V～40 V高碰撞能量梯度，用于分析塑料嬰兒奶瓶中的未知遷移化合物，在這項(xiàng)研究中，觀察到當(dāng)使用低碰撞能量時(shí)，只產(chǎn)生有限的碎片信息，相比之下，高碰撞能量碎片信息明顯增多。

2 塑料食品接觸材料的安全性評估

在歐盟內(nèi)部，食品接觸材料的安全性受到歐盟法規(guī)EC 1935/2004[43]和EU(2011)[4]的監(jiān)管，EU (2011)[4]專門針對塑料材質(zhì)。對于IAS，必須進(jìn)行一套毒性試驗(yàn)，只有當(dāng)被確定為安全的，并在歐洲食品安全管理局授權(quán)物質(zhì)清單上注冊才可以被使用[4]。允許在食品接觸材料中使用的授權(quán)物質(zhì)清單中不包括NIAS。2011年，歐盟提出NIAS被允許在最后的塑料制品中使用，但應(yīng)由制造商按照國際公認(rèn)的科學(xué)原理進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。然而沒有指南指導(dǎo)NIAS應(yīng)如何分析和評估或制造商應(yīng)該遵循何種方法來證明NIAS的安全性[44]。

FCMs研究的主要挑戰(zhàn)之一是NIAS的安全性評價(jià)。大多數(shù)NIAS沒有毒理數(shù)據(jù)，也沒有關(guān)于NIAS安全性評估的具體準(zhǔn)則，因而需要一種評估NIAS安全性的方法[45]。問題是如何評價(jià)這些NIAS的安全性，因?yàn)闆]有分析標(biāo)準(zhǔn)，只能進(jìn)行理論評價(jià)。

當(dāng)已知NIAS的化學(xué)結(jié)構(gòu)時(shí)，可選擇使用毒物學(xué)關(guān)注閾值（Threshold of Toxicological Concern，TTC）方法；當(dāng)接觸量很低時(shí)，這種方法可用于評估NIAS的潛在毒性。在沒有毒理學(xué)數(shù)據(jù)的情況下，TTC概念是一個(gè)實(shí)用的風(fēng)險(xiǎn)評估工具，它被認(rèn)為對人類健康沒有明顯風(fēng)險(xiǎn)的人類接觸水平[46,47]。TTC方法目前被歐盟接受使用[48,49]，也被美國接受使用[50]。

盡管2011年的一項(xiàng)研究報(bào)告稱，在體外試驗(yàn)中大多數(shù)經(jīng)過測試的塑料FCMs的提取物顯示出雌激素活性，目前還沒有對FCMs的內(nèi)分泌干擾特性進(jìn)行常規(guī)評估[51]。

在這類研究中，將影響導(dǎo)向分析與HRAMS結(jié)合起來，可能是一種有效的方法，優(yōu)先確定對健康有潛在不利影響的遷移化合物。該方法尚未在任何塑料FCMs的遷移化合物的非靶標(biāo)分析法中進(jìn)行過探索，但在食品接觸材料紙和紙板中非靶標(biāo)分析法的研究中得到了應(yīng)用[52]。

3 結(jié) 論

盡管分析來自塑料FCMs的未知遷移化合物非常復(fù)雜，但基于HRAMS的質(zhì)譜技術(shù)最新進(jìn)展，促進(jìn)了分析發(fā)展。

在分離技術(shù)方面，在過去的幾年里，HRAMS在LC中用于非靶向分析的應(yīng)用有一個(gè)明顯的趨勢，ESI+是最廣泛使用的電離源。在GC分析方面，EI和APCI同樣適用于非靶標(biāo)分析法。

關(guān)于非靶標(biāo)分析法分析FCMs中未知遷移化合物的不同數(shù)據(jù)采集模式，目前DIA模式比DDA模式更常用。

GC-(EI)-HRAMS分析未知遷移化合物通常比LCHRAMS更容易，這是因?yàn)榭梢允褂么笮唾|(zhì)譜數(shù)據(jù)庫來分析。

最后，簡要討論了FCMs安全性評估。大多數(shù)NIAS沒有毒性數(shù)據(jù)。在缺乏數(shù)據(jù)和分析標(biāo)準(zhǔn)的情況下，一些研究采用了TTC理論評價(jià)方法來評價(jià)這些材料的安全性。