口罩中63種化學(xué)危害物質(zhì)的靶向篩查及風(fēng)險評估

關(guān)鍵詞高分辨質(zhì)譜；靶向篩查；口罩；化學(xué)危害物質(zhì)；風(fēng)險評估

口罩是大眾生活及工作中常用的防護(hù)用品，其防護(hù)作用主要依賴特殊的材料和結(jié)構(gòu)，通過靜電吸附、物理阻擋及過濾作用，有效攔截空氣中的病毒、細(xì)菌和顆粒物等有害物質(zhì)，從而降低感染或吸入風(fēng)險，保護(hù)佩戴者的健康。佩戴口罩已成為降低病毒傳播風(fēng)險最簡單有效的防御措施[1]?？谡钟昧贤ǔ０ň幙椢锖途郾┑炔牧希@些材料不可避免地含有化學(xué)雜質(zhì)、污染物和中間產(chǎn)物[2]。近年來有文獻(xiàn)報道稱，甲醛、二甲基二氧環(huán)己烷、過氧化氫、臭氧和異丙醇等有害化學(xué)物質(zhì)被用于口罩的消毒[3-4]，長期佩戴這種口罩會對人體健康造成不同程度的損傷[5]。Salter 等[6]在環(huán)氧乙烷消毒后的N95 口罩的張力帶中檢測出4-羥基-4-甲基-2-戊酮和2-羥基乙酸乙酯兩種有機(jī)化合物毒素。此外，口罩是人類和環(huán)境接觸鄰苯二甲酸酯和有機(jī)磷酸酯的新來源[7-10]，目前還不確定在口罩的制造、加工、包裝和運(yùn)輸過程中以及用于制造口罩的原材料中是否會引入其它化學(xué)物質(zhì)[8，11-13]。鑒于口罩在使用過程中緊貼面部并接觸口鼻，因此，有必要對其中所添加或殘留的有害物質(zhì)進(jìn)行廣譜篩查，鑒定并評估其健康風(fēng)險。

2022 年， Liu 等[14]采用頂空氣相色譜結(jié)合四極桿–靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜技術(shù)篩查鑒定醫(yī)用口罩（包括成人和兒童醫(yī)用外科口罩、成人和兒童一次性醫(yī)用口罩以及醫(yī)用防護(hù)口罩）中的揮發(fā)性有機(jī)物，在60 例口罩樣品中共鑒定出69 種揮發(fā)性有機(jī)物，并將其劃分為9 類，其中，烷烴、酯類、苯類和醇類含量最高，分別占檢出化合物總量的34.8%、15.9%、10.1%和7.2%。Guo 等[15]采用氣相色譜結(jié)合高分辨質(zhì)譜技術(shù)分析了佩戴3 種不同類型的一次性聚丙烯口罩可能吸入的揮發(fā)性有機(jī)化合物，初步發(fā)現(xiàn)了79 種化合物，包括16 種苯衍生物、20 種烷烴、10 種酚類、11 種鹵化物、5 種萘和5 種酯類。Favela 等[16]采用二維氣相色譜結(jié)合質(zhì)譜技術(shù)分析了19 例口罩樣品，篩查出的揮發(fā)性有機(jī)物可按化學(xué)類別分為7 類，包括有機(jī)磷、長鏈酰胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯低聚物、正構(gòu)烷烴、烯烴、支鏈烷烴和長鏈有機(jī)酸、醇類和醛類，其中，烯烴、支鏈烷烴和有機(jī)磷組分是聚類的主要貢獻(xiàn)者，其它化學(xué)類別在聚類分析中具有顯著程度的異質(zhì)性。綜上所述，目前對口罩中的揮發(fā)性有機(jī)物的分析已有較全面的分析研究[17-19]，而對口罩中難揮發(fā)或半揮發(fā)的有機(jī)化合物的分析尚不足。

本研究采用液相色譜-高分辨質(zhì)譜針對不同類型口罩中所含的難揮發(fā)和半揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行廣譜篩查，并進(jìn)行初步健康風(fēng)險評估。目前，相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[20-21]和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[22]針對口罩中有機(jī)化學(xué)危害物質(zhì)的檢測主要包括甲醛、熒光增白劑及阻燃劑等，其中，甲醛在日用防護(hù)型口罩中含量不得超過20 mg/kg，可遷移性熒光增白劑在兒童口罩中不得檢出，但并未對阻燃劑做出相關(guān)限量規(guī)定，只是規(guī)定了醫(yī)用外科口罩材料離開火焰后燃燒不得超過5 s?？谡謱儆诩徔椘罚浼庸どa(chǎn)過程中可能添加或殘留的化學(xué)危害物質(zhì)如全氟化合物、鄰苯二甲酸酯及紫外線吸收劑等，也可能出現(xiàn)在口罩產(chǎn)品中。因此，本研究針對不同類型口罩中63 種化學(xué)危害物質(zhì)，包括17 種阻燃劑、14 種全氟化合物、15 種鄰苯二甲酸酯類化合物、5 種熒光增白劑和12 種紫外線吸收劑，采用超高效液相色譜結(jié)合四極桿–靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜技術(shù)，建立了包括化合物名稱、分子式、CAS 編號、一級精確質(zhì)量數(shù)、同位素峰輪廓、色譜保留時間和特征碎片離子等關(guān)鍵信息在內(nèi)的篩查數(shù)據(jù)庫以及不同碰撞能量下獲得的二級質(zhì)譜譜庫?；诤Y查數(shù)據(jù)庫及二級質(zhì)譜譜庫對所采集樣品信息進(jìn)行快速篩查，以化合物的一級精確質(zhì)量數(shù)、同位素峰分布、特征碎片離子以及二級質(zhì)譜圖作為其唯一的“電子身份”，在無標(biāo)準(zhǔn)品實物的條件下實現(xiàn)了對63 種化學(xué)危害物質(zhì)的快速篩查。對口罩中檢出化合物進(jìn)行濃度測定后，采用吸入暴露評估模型對其人體健康風(fēng)險進(jìn)行了初步評估。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Ultimate 3000 超高效液相色譜系統(tǒng)、Q Exactive 四極桿靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜儀（美國ThermoFisher 公司）；AB204-S 電子天平（美國Mettler Toledo 公司）；Milli-Q 超純水儀（美國Millipore 公司）；KQ-600 超聲波清洗器（江蘇省昆山市超聲儀器有限公司）；Vortex-Genie 2 渦旋振蕩器（美國ScientificIndustries 公司）。微孔濾膜（0.22 μm， 有機(jī)系，美國Pall 公司）。

63種化合物（見電子版文后支持信息表S1）包括17種阻燃劑（美國Panphy公司，純度gt; 96.0%）、14種全氟化合物（美國Accu Standard 公司，純度gt;95.0%）、15 種鄰苯二甲酸酯類化合物（德國Dr. EhrenstoferGmbH 公司，純度gt;96.1%）、5 種熒光增白劑（加拿大TCR 公司，純度gt;94.0%）和12 種紫外線吸收劑（美國Cato Research Chemicals 公司和上海麥克林生化科技股份有限公司，純度gt;95.0%）；甲醇和乙腈（質(zhì)譜級，美國Thermo Fisher 公司）；甲酸和乙酸銨（色譜純，美國Sigma-Aldrich 公司）。不同批次的一次性口罩，包括22 例一次性醫(yī)用口罩、15 例醫(yī)用外科口罩、18 例（K）N95 口罩、12 例兒童口罩和8 例“網(wǎng)紅”口罩，購自當(dāng)?shù)厥袌龊途W(wǎng)絡(luò)電商。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備

將口罩樣品剪成小塊（≤5 mm×5 mm），稱取0.5 g（精確到0.01 g）放入40 mL 棕色玻璃瓶中，加入6 mL 甲醇-乙腈（1∶1， V/V）混合溶液，渦旋振蕩30 s，于70 ℃條件下超聲萃取40 min。將萃取液轉(zhuǎn)移至10 mL 離心管中， 10 ℃條件下10000 r/min 離心10 min， 取適量上清液，過0.22 μm 微孔濾膜，轉(zhuǎn)移至液相小瓶中，待測。

1.2.2 超高效液相色譜-四極桿-靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜分析

液相色譜條件采用Waters ACQUITY UPLC BEH C18 色譜柱（100 mm×2.1 mm， 1.7 μm）進(jìn)行色譜分離，流動相A 為5 mmol/L 乙酸銨溶液（用甲酸調(diào)至pH=5.5），流動相B 為甲醇溶液。梯度洗脫程序：0～2 min， 5%～40% B；2～7 min， 40%～60% B；7～8 min， 60% B；8～12 min， 60%～95% B；12～17 min，95% B；17～17.1 min， 95%～5% B；17.1～20 min， 5% B。流速0.4 mL/min；進(jìn)樣量2 μL。

質(zhì)譜條件電噴霧電離源，正負(fù)（±）離子模式；電噴霧電壓為+3.5/–2.8 kV，離子透鏡電壓為50 V，鞘氣（N2）壓力40 bar（1 bar=105 Pa），輔助氣（N2）壓力0 bar，離子傳輸管溫度320 ℃，輔助氣溫度350 ℃。質(zhì)譜掃描模式：Full MS/dd-MS2，質(zhì)量掃描范圍m/z 100～1000， Full MS 分辨率70000。dd-MS2 分辨率17500，隔離窗口±3.0 m/z。高能碰撞誘導(dǎo)解離（HCD）條件下，階梯碰撞能量為20、40 和60 eV， C-trap最大容量1×105，最大注入時間100 ms， 動態(tài)排除時間6 s。

1.2.3 篩查數(shù)據(jù)庫和二級質(zhì)譜庫的構(gòu)建

將63 種化合物的名稱、分子式（用以計算同位素峰分布）、CAS 編號、一級精確質(zhì)量數(shù)、保留時間和特征碎片離子等關(guān)鍵信息錄入至TraceFinder 4.1 軟件（美國Thermo Fisher Scientific 公司），然后將不同碰撞能量條件下采集的二級質(zhì)譜圖導(dǎo)入上述軟件中，生成口罩中63 種化學(xué)危害物質(zhì)的篩查數(shù)據(jù)庫和質(zhì)譜庫。只有當(dāng)樣品中檢出的前體離子、特征碎片離子精確質(zhì)量數(shù)、保留時間、前體離子同位素峰分布以及二級質(zhì)譜圖與篩查數(shù)據(jù)庫和質(zhì)譜庫全部匹配時，方可視為檢出。63 種化合物的保留時間、前體離子、加合方式和特征碎片離子等信息見電子版文后支持信息表S2。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品制備過程的優(yōu)化

2.1.1 單因素優(yōu)化實驗

超聲輔助溶劑萃取技術(shù)的萃取效率高，在紡織用品生產(chǎn)中被廣泛使用[23-25]，本實驗采取該技術(shù)進(jìn)行樣品制備。在五大類別化合物中，每個類別中選取3 種代表化合物，以200 μg/kg 的濃度水平添加到空白口罩樣品中進(jìn)行單因素優(yōu)化實驗。考察了5 mL 常用有機(jī)溶劑甲醇、乙腈以及甲醇-乙腈混合溶劑（1∶1，V/V）對15 種代表化合物的萃取效果，其中，萃取時間、溫度和液料比分別設(shè)置為30 min、50 ℃和10（0.5 g 樣品和5 mL 溶劑）。如圖1A 所示，甲醇和乙腈對15 種代表化合物的萃取回收率分別為72.4%～83.6%和75.0%～89.8%（相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD） 2.2%～6.9%），均低于甲醇-乙腈混合溶劑（1∶1， V/V）的萃取回收率（76.0%～91.1%），其原因可能是甲醇和乙腈溶液混合后，其極性與多數(shù)化合物接近，根據(jù)“相似相溶”原理，化合物萃取效率得以提升。

分別考察了萃取時間（10～15 min）、溫度（20～80 ℃）和液料比（5～25，樣品量固定為0.5 g）等因素對萃取效果的影響。如圖1B～1D 所示，萃取時間為30 min、溫度為60 ℃和液料比為10 時，萃取回收率最優(yōu)，分別為79.7%～98.3%（RSD 3.4%～9.8%）、96.6%～95.8%（RSD 4.4%～8.8%）和85.7%～97.8%（RSD1.2%～6.6%）。

2.1.2 響應(yīng)面優(yōu)化實驗

在單因素實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，使用Design-Expert 軟件，基于Box-Behnken 組合設(shè)計原理，以萃取溫度、超聲時間和液料比為自變量，進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面實驗設(shè)計（見電子版文后支持信息表S3）。按照Design-Expert 軟件得到的實驗條件，得到17 組實驗設(shè)計。計算17 次實驗條件下的平均回收率，實驗方案與結(jié)果見電子版文后支持信息表S4。采用Design-Expert 軟件對實驗結(jié)果進(jìn)行方差分析和二次多項式回歸擬合，得到方程Y=99.69+5.45A+3.85B+3.27C–0.24AB+0.99AC+5.71BC–5.59A2–0.24B2–14.28C2，其中，A、B 和C 分別代表超聲時間、溫度和液料比。方差分析結(jié)果見電子版文后支持信息表S4，回歸模型plt;0.0001， F=121.81，表明此模型只存在0.01%概率不顯著，即此模型顯著。失擬項p=0.0696，表明統(tǒng)計模型與實際觀測數(shù)據(jù)之間的差異不顯著?；貧w模型的R2=0.9937， R2Adj=0.9855，表明回歸模型的擬合度好，具有統(tǒng)計學(xué)意義，對回收率的分析和預(yù)測具有現(xiàn)實意義。

Design-Expert 軟件預(yù)測的最優(yōu)萃取條件為：超聲時間40 min，超聲溫度為70 ℃，液料比為12（樣品量0.5 g，溶劑6 mL）。根據(jù)此條件進(jìn)行實驗驗證，得到的萃取回收率與預(yù)測值相吻合，表明此模型具有實用價值。圖2 展示了不同因素組合對目標(biāo)物回收率影響的響應(yīng)面曲線，其中，超聲時間和液料比的響應(yīng)面曲線的變化幅度最大（圖2A），超聲溫度和液料比的響應(yīng)面曲線次之（圖2C），超聲時間和溫度的響應(yīng)面曲線變化幅度較?。▓D2B），這說明超聲時間和液料比之間的相互作用最顯著，而超聲時間和溫度之間的相互作用較不顯著，此結(jié)果與方差分析結(jié)果（見電子版文后支持信息表S5）一致。

2.2 基質(zhì)效應(yīng)、線性關(guān)系及靈敏度

根據(jù)美國食品藥品監(jiān)督管理局生物樣品分析指南[26]的建議，采用提取后添加法，通過比較空白樣品提取后分析物與相同濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液的響應(yīng)強(qiáng)度評估基質(zhì)效應(yīng)。分別計算出63 種化合物在低（50 ng/mL）和高（500 ng/mL）濃度水平下的基質(zhì)效應(yīng)值，分別為–14.3%～19.8%和–17.2%～19.1%（見電子版文后支持信息圖S1），表明本方法基質(zhì)效應(yīng)不顯著，可用于定量分析。

采用5 個濃度水平的分析物溶液進(jìn)行線性回歸，以化合物前體離子的峰面積比為縱坐標(biāo)（y）、質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)（x）進(jìn)行加權(quán)最小二乘法回歸計算，權(quán)重系數(shù)為1/x2。每種化合物在各自動態(tài)范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，線性相關(guān)系數(shù)（r）均大于0.99。分別以信噪比（S/N）為3 和10 為閾值， 63 種化合物的檢出限（LOD）和定量限（LOQ）分別為3.3～26.7 μg/kg 和10.0～80.0 μg/kg。在1×、1.5×和2×LOQ 的3 個加標(biāo)水平下， 63 種化合物的平均回收率（n=6）為72.3%～102.6%， RSD 為0.8～9.9%（電子版文后支持信息表S6）。

2.3 篩查數(shù)據(jù)庫和質(zhì)譜庫的驗證

為考察數(shù)篩查據(jù)庫和質(zhì)譜庫的準(zhǔn)確性，分別配制了不同濃度的空白口罩加標(biāo)樣品，其加標(biāo)化合物濃度、篩查及定量結(jié)果見電子版文后支持信息表S7。以磷酸三甲酯（m/z 141.03112）為例，操作步驟如下：（1）軟件依據(jù)設(shè)定的質(zhì)量數(shù)設(shè)置提取窗口為5 ppm（10–6），進(jìn)行樣品中分子/離子精確質(zhì)量數(shù)的提??；（2）設(shè)置保留時間窗口為（±0.1 min），如果離子m/z 141.03112 的保留時間落在篩查數(shù)據(jù)庫中磷酸三甲酯保留時間（±0.1 min）內(nèi)，則認(rèn)為保留時間匹配成功；（3）軟件自動根據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫中的分子式和質(zhì)譜加合方式進(jìn)行同位素輪廓計算，閾值設(shè)置為90%；（4）將輸入數(shù)據(jù)庫中的特征碎片離子與實驗結(jié)果采集獲得的碎片離子進(jìn)行比對，如果實驗值與數(shù)據(jù)庫中碎片離子精確質(zhì)量數(shù)偏差不超過5 ppm，則認(rèn)為匹配成功；（5）將實驗采集獲得的二級質(zhì)譜圖與譜庫進(jìn)行比對，如果前體離子、全部碎片離子以及相對離子豐度的對比得分均大于70，則被確認(rèn)為檢出。電子版文后支持信息表S7 中的數(shù)據(jù)表明，全部加標(biāo)樣品通過數(shù)據(jù)庫和質(zhì)譜庫篩查后， 5 項參數(shù)均匹配良好且定量分析結(jié)果準(zhǔn)確。

2.4 實際樣品篩查及風(fēng)險評估

采用本方法對購自當(dāng)?shù)厥袌龊途W(wǎng)絡(luò)電商不同批次的一次性口罩，包括22 例一次性醫(yī)用口罩、15 例醫(yī)用外科口罩、18 例（K）N95 口罩、12 例兒童口罩和8 例“網(wǎng)紅”口罩，進(jìn)行了篩查（見電子版文后支持信息表S8、圖S2 和圖S3），在2 例“網(wǎng)紅”口罩中篩查出紫外線吸收劑二苯甲酮，含量分別為73.1 和82.3 μg/kg；在1 例一次性醫(yī)用口罩中檢出了增塑劑鄰苯二甲酸二丁酯，含量介于檢出限（20.3 μg/kg）和定量限（61.0 μg/kg）之間。由于二苯甲酮和鄰苯二甲酸二丁酯均有助于維持紡織品性能，因此推測兩者為口罩中的有意添加物（Intentionally added substance， IAS）。其中，二苯甲酮已于2023 年6 月被歐盟列入致癌、致突變和生殖毒性（CMR）物質(zhì)清單中1B 組，即對人體可能有致癌、致突變和生殖毒性的物質(zhì)（2023 年12 月1 日起適用）[27]；鄰苯二甲酸二丁酯在歐盟REACH 法規(guī)高關(guān)注物質(zhì)（SVHC）清單中的限量為0.1%[28]，在生態(tài)紡織品認(rèn)證（Oeko-Tex Standard 100）中，與其它鄰苯二甲酸酯的合計總量不能大于0.05%[29]。目前，二者尚未被列入國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）化合物分類清單中[30]。

二苯甲酮的沸點(diǎn)和蒸氣壓分別為305 ℃和0.26 Pa， 暫無人體毒性的最低參考劑量（RfD），用于表征小鼠亞慢性毒性的濃度值為839 mg/（kg·d）；鄰苯二甲酸二丁酯的沸點(diǎn)和蒸氣壓分別為340 ℃和2.01×10–5 mmHg，用于表征人體慢性毒性的RfD 為0.1 mg/（kg·d）。按照美國環(huán)境保護(hù)署的分類標(biāo)準(zhǔn)[31]，二者均屬于半揮發(fā)性有機(jī)物，鑒于其致癌性、生殖毒性及內(nèi)分泌干擾危害，有必要對其在口罩佩戴過程中的人體暴露進(jìn)行評估，暴露方式主要為口鼻吸入暴露。參照國家標(biāo)準(zhǔn)[32]，密閉空間中揮發(fā)性物質(zhì)的呼吸暴露公式如下：

式（1）中， Cinh 為空氣中化學(xué)危害物質(zhì)的濃度（kg/m3）， Qprod 為產(chǎn)品質(zhì)量（kg）， Fcprod 為產(chǎn)品中化學(xué)危害物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（kg/kg）， Vroom 為空間體積；式（2）中， Iinh 為呼吸暴露量（kg/（kg·d））， Fresp 為吸入率，默認(rèn)值為1， IHair 為每天吸入體積（m3/d）， Tcontact 為每次接觸時間，默認(rèn)值為1 d， BW 為體重（kg）， n 為平均每日事件數(shù)（次/d）。由于口罩直接與口鼻接觸，并且較薄，可認(rèn)為口罩中的化學(xué)危害物質(zhì)全部暴露于口鼻，此時， Cinh·IHair 即為口罩中物質(zhì)的總量（kg）。由于已按“最壞情況”假設(shè)，即口罩中化學(xué)危害物質(zhì)全部被吸入口鼻，平均每日事件數(shù)n 可取1 次/d，因此，式（2）可簡化為：

其中， Cmask 為口罩中物質(zhì)的檢出濃度（μg/kg）， mmask 為口罩的質(zhì)量（kg），通常取0.003 kg；我國的成人（3 例檢出口罩均為成人佩戴）體重BW 取值通常為60 kg。根據(jù)建立的吸入暴露量計算模型，結(jié)合暴露人群的參數(shù)取值及化合物檢出濃度，計算出陽性口罩樣品中二苯甲酮的吸入暴露量分別為3.66 和4.12 ng/（kg·d），鄰苯二甲酸二丁酯的吸入暴露量為1.02～3.05 ng/（kg·d），上述數(shù)值均未超過用于表征小鼠或人體慢性毒性的參考劑量。由于本評估模型中涉及的一些計算公式、產(chǎn)品及使用參數(shù)，如口罩的質(zhì)量及佩戴口罩的時間等因素，會不同程度地影響評估結(jié)果，進(jìn)而影響對實際風(fēng)險的評估，因此，本實驗室的相關(guān)暴露模型和研究結(jié)果可能會與紛繁復(fù)雜的口罩產(chǎn)品實際情況存在些許偏差。

3 結(jié)論

通過超高效液相色譜-四極桿-靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜技術(shù)采集譜保留時間、一級精確質(zhì)量數(shù)、同位素峰輪廓、特征碎片離子及高分辨二級質(zhì)譜圖，建立了不同類型口罩中63 種多類別化學(xué)危害物質(zhì)的篩查數(shù)據(jù)庫和質(zhì)譜庫。將所采集樣品信息進(jìn)行基于篩查數(shù)據(jù)庫及二級質(zhì)譜譜庫的快速篩查，實現(xiàn)了口罩中63 種化學(xué)危害物質(zhì)的無標(biāo)準(zhǔn)品快速篩查。對口罩樣品中檢出的化合物二苯甲酮及鄰苯二甲酸二丁酯的濃度進(jìn)行測定并進(jìn)行吸入暴露風(fēng)險評估，結(jié)果表明，口罩樣品中的化學(xué)危害物質(zhì)并未超過相關(guān)參考劑量。隨著口罩產(chǎn)品工藝技術(shù)的改進(jìn)，評估模型涉及的參數(shù)存在一定的不確定性，而且不同化學(xué)危害物質(zhì)也可能存在聯(lián)合效應(yīng)，因此，二苯甲酮和鄰苯二甲酸二丁酯導(dǎo)致的實際健康風(fēng)險不容忽視，建議將其列為重點(diǎn)監(jiān)管化合物，切實保障口罩產(chǎn)品的質(zhì)量安全及佩戴者的身體健康。