随着经济的发展和生活水平的提高,纺织品的品质指标已从传统的实用性、美观性、耐用性向更加重视安全、环保、健康、卫生等生态指标转变。纺织品中容易误用或为追求经济利益而故意使用各种致敏性分散染料,长期穿着含有致敏性染料的服装会对人体健康造成危害,国际纺织环保协会的Oeko-Tex^® Standard 100^[1]和欧盟委员会的2009/567/EC指令(Eco-Label)^[2]共禁止生态纺织品中使用22种有害分散染料。建立针对纺织品中分散染料的高灵敏度、高通量检测方法,对保护人类健康和生态环境具有重要意义。

有关纺织品中致敏性分散染料的检测方法有高效液相色谱法(HPLC)^[3],高效液相色谱-质谱法(HPLC-MS)^[4]和高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)^{[5, 6, 7]}等。分散染料成分复杂,可能既含有染料化合物本身,又含有目标物的同分异构体,还含有未反应的中间体和大量助剂等。同时,纺织品纤维种类繁多,加工过程中的助剂对分析干扰大,因此采用色谱-质谱联用技术成为目前染料准确定性定量的可靠手段。本文应用的Orbitrap高分辨质谱具有分辨率高、质量精确度好、抗基质干扰能力强等优势,样品只需简单净化,甚至无需净化即可上机分析。该技术目前已广泛应用于环境样品分析^{[8, 9]}、脂质分析^[10]、药物控制^[11]和食品安全^{[12, 13, 14, 15]}等领域的检测研究,但将Orbitrap应用于纺织品中有害物质的检测还很少见^{[16, 17, 18, 19]}。

本文建立了HPLC-linear ion trap (LTQ)/Orbitrap高分辨质谱筛查确证纺织品中22种禁用分散染料的分析方法。方法简便、快速,选择性和灵敏度高,适用于生态纺织品中多种分散染料的同时检测。

ACQUITY Ultra Performance LC超高效液相色谱仪(美国Waters公司),LTQ-Orbitrap XL线性离子阱-静电场轨道阱组合质谱仪(美国Thermo公司); SHA-B型恒温振荡器(国华仪器); MS 3 basic漩涡振荡器(德国IKA公司); 0.22 μ m聚四氟乙烯滤膜(DIKMA公司);实验用水均为超纯水(Millipore公司);甲醇、乙腈(色谱纯,Merck公司);甲酸(色谱纯,Fluka公司);乙酸铵(色谱纯,Mallinckrodt Baker公司);吡啶(分析纯,国药集团化学试剂有限公司)。

分散蓝3(纯度20% )、分散橙1(纯度25% )、分散橙3(纯度90% )、分散红1(纯度95% )、分散黄9(纯度99.6% )、分散蓝106、分散蓝124、分散橙37/76和分散红11购自美国Sigma-Aldrich公司;分散蓝1(纯度30.0% )、分散蓝7(纯度78.0% )、分散蓝26(纯度53% )、分散蓝35(纯度60% )、分散蓝102(纯度100.0% )、分散黄1(纯度80.0% )、分散黄3(纯度30% )、分散黄49(纯度81.0% )、分散黄23(纯度99.0% )和分散橙149(纯度96.0% )购自德国Dr. Ehrenstorfer公司;分散棕1、分散红17和分散黄39购自Bruno Ludewig公司。分别准确称取适量的各染料标准品,用甲醇溶解并定容,配制成有效质量浓度为200 mg/L 的标准储备液,于-18 ℃下避光保存。使用时用甲醇/水(1 ∶ 1,v/v)逐级稀释成混合标准中间液。

参照ISO标准^[20]方法:准确称取0.5 g纺织品试样(剪碎至5 mm×5 mm以下,精确到0.01 g),置于40 mL具塞玻璃瓶中,加入20 mL吡啶/水(1 ∶ 1,v/v),在95 ℃、150 r/min 条件下水浴振荡30 min,冷却至室温,静置。准确移取80 μ L上清液,用甲醇/水(1 ∶ 1,v/v)稀释至1 mL,过0.22 μ m聚四氟乙烯(PTFE)滤膜,待上机分析测定。

日本资生堂CAPCELL PAK C₁₈色谱柱(100 mm×2.0 mm,5 μ m);流动相A为5 mmol/L 乙酸铵水溶液(含0.01%(v/v)甲酸),B为乙腈;线性梯度洗脱程序:0～2.00 min,90%A～40%A; 2.00～7.00 min,40%A～10%A,并保持3 min; 10.00～10.10 min,10%A～90%A,保持至15 min。流速:0.25 mL/min;柱温:30 ℃;样品室温度:15 ℃;进样量:10 μ L。

可加热的电喷雾离子源(HESI-II);毛细管温度为350 ℃,鞘气(N₂)压力为2.067×10⁵ Pa(即30 arb),辅助气(N₂)流量为3.3 L/min(即10 arb)。

ESI正离子模式:喷雾电压为3 kV,毛细管电压为30 V,管透镜电压(tube lens)为80 V; ESI负离子模式:喷雾电压为-2.5 kV,毛细管电压为-10 V,管透镜电压为-50 V。正、负离子模式分别采集数据。一级质谱全扫描:m/z 150～550,分辨率(R)为 30 000;二级质谱碰撞诱导解离(CID)碎片扫描:R为 15 000,CID归一化碰撞能量为35% 。化合物筛选的离子提取窗口宽度为5×10^-6 (5 ppm)。

本文采用反相色谱进行分离,流动相选用乙腈为有机相,分别考察了不同pH值的乙酸铵缓冲溶液为水相时的影响。比较了5 mmol/L 乙酸铵(pH约为6.38),5 mmol/L 乙酸铵(含0.01%(v/v)甲酸,pH约为4.45)和5 mmol/L 乙酸铵(含0.1%(v/v)甲酸,pH约为3.26)在正、负离子质谱模式下对22种分散染料色谱行为和离子化效果的影响。结果表明,以乙腈-5 mmol/L 乙酸铵(含0.01%(v/v)甲酸)为流动相时获得了最优的色谱峰形及质谱响应。在优化的色谱条件下,22种分散染料的保留时间见表1,提取离子色谱图见图1。

图1

Fig. 1

图1 22种分散染料的(a、b、c)正离子模式和(d)负离子模式下的离子提取色谱图 Fig. 1 Extracted ion chromatograms of the 22 disperse dyes in (a,b,c) positive ionization mode and (d) negative ionization mode For peak identifications,see Table 1.

将22种分散染料通过流动注射泵注入Orbitrap高分辨质谱,选择适合的离子模式和丰度较高的准分子离子峰。除分散黄1和分散黄9外,其他20种染料在正离子模式下均有较强的质谱响应,母离子为[M+H]⁺;而分散黄1和分散黄9仅在负离子模式有质谱响应,母离子为[M-H]^-。在1.2.3节的条件下,基于化合物加合离子的精确质量数和保留时间建立筛查列表,22种分散染料的一级质谱母离子和通过Mass Frontier软件模拟碰撞推导出的二级质谱CID主要碎片离子信息见表1。采用二级碎片离子的理论精确质量数进行化合物确证，极大地提高了定性的准确性。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 22种分散染料的色谱、质谱分析参数 Table 1 Liquid chromatographic and mass spectrometric parameters of the 22 disperse dyes No. Dye Retention time/min Molecular formula Precursor Theoretical m/z of precursor Deduced major fragment ion Theoretical m/z of fragment 1 Disperse Blue 1 2.86 C14H12N4O2 [M+H]+ 269.10330 [C8H5O2N2]+ 161.03455 2 Disperse Blue 3 3.24 C17H16N2O3 [M+H]+ 297.12337 [C15H12O2N2]+ 252.08933 3 Disperse Blue 7 2.96 C18H18N2O6 [M+H]+ 359.12376 [C16H14O5N2]+ 314.08972 4 Disperse Blue 26 5.88 C16H14N2O4 [M+H]+ 299.10263 [C15H12O4N2]+ 284.07916 5a Disperse Blue 35a 4.84 C15H12N2O4 [M+H]+ 285.08698 [C14H10N2O4]+ 270.06351 5b Disperse Blue 35b 6.24 C16H14N2O4 [M+H]+ 299.10263 [C15H12O4N2]+ 284.07916 6 Disperse Blue 102 3.34 C15H19N5O4S [M+H]+ 366.12305 [C12H18O2N]+ 208.13320 7 Disperse Blue 106 3.80 C14H17N5O3S [M+H]+ 336.11249 [C11H16ON]+ 178.12264 8 Disperse Blue 124 4.91 C16H19N5O4S [M+H]+ 378.12305 [C13H18O2N]+ 220.13320 9 Disperse Brown 1 3.98 C16H15Cl3N4O4 [M+H]+ 433.02316 [C13H10O3N]+ 228.06552 10 Disperse Orange 1 6.26 C18H14N4O2 [M+H]+ 319.11895 [C12H11N]+ 169.08860 11 Disperse Orange 3 4.06 C12H10N4O2 [M+H]+ 243.08765 [C6H4O2N3]+ 150.02980 12 Disperse Orange 37/76 5.72 C17H15Cl2N5O2 [M+H]+ 392.06756 [C15H13O2N4Cl2]+ 351.04101 13 Disperse Red 1 4.36 C16H18N4O3 [M+H]+ 315.14517 [C9H12N]+ 134.09642 14 Disperse Red 11 3.31 C15H12N2O3 [M+H]+ 269.09207 [C14H10O3N2]+ 254.06859 15 Disperse Red 17 3.53 C17H20N4O4 [M+H]+ 345.15573 [C10H14ON]+ 164.10699 16 Disperse Yellow 1 4.45 C12H9N3O5 [M-H]- 274.04694 [C12H6O4N3]- 256.03638 17 Disperse Yellow 3 4.04 C15H15N3O2 [M+H]+ 270.12370 [C8H10ON2]+ 150.07876 18 Disperse Yellow 9 4.52 C12H10N4O4 [M-H]- 273.06293 [C12H7O3N4]- 255.05236 19 Disperse Yellow 39 4.27 C18H14N2O2 [M+H]+ 291.11280 [C16H11O2N2]+ 263.08150 20 Disperse Yellow 49 4.75 C22H22O2N4 [M+H]+ 375.18155 [C17H18O]+ 238.13522 21 Disperse Orange 149 7.46 C25H26N6O3 [M+H]+ 459.21392 [C22H21O3N6]+ 417.16696 22 Disperse Yellow 23 6.10 C18H14N4O [M+H]+ 303.12404 [C12H9N2]+ 181.07602

表1 22种分散染料的色谱、质谱分析参数 Table 1 Liquid chromatographic and mass spectrometric parameters of the 22 disperse dyes

采用Orbitrap高分辨质谱对22种分散染料进行定量分析,根据各化合物的响应情况,将22种分 散染料的标准溶液用甲醇/水(1 ∶ 1,v/v)稀释成系列标准工作液,根据标准溶液的浓度和峰面积绘制标准曲线,发现部分染料在质量浓度超过100 ng/mL 时呈抛物线关系,该现象有可能是阱容量饱和导致的。由于高分辨质谱提取离子的精确质量数,故其基线噪声极低,以10倍信噪比计算得到的定量限与方法的实际值可能存在差距。本实验参考已有报道^{[22, 23]},用空白基质的提取液逐级稀释标准溶液至仪器所能检出的最低浓度,将该浓度进行换算后,得到方法的定量限。22种分散染料的线性范围、相关系数及定量限见表2。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 22种分散染料的线性范围、相关系数(r2)和定量限 Table 2 Linear ranges,correlation coefficients (r2) and LOQs of the 22 disperse dyes Dye Linear range/ (mg/kg) r2 LOQ/ (mg/kg) Disperse Blue 1 0.125-25 0.9995 0.125 Disperse Blue 3 0.25-25 0.9995 0.25 Disperse Blue 7 1-50 0.9993 1 Disperse Blue 26 2.5-50 0.9994 2.5 Disperse Blue 35a 1-50 0.9996 1 Disperse Blue 35b 0.5-50 0.9994 0.5 Disperse Blue 102 1-50 0.9997 1 Disperse Blue 106 0.125-62.5 0.9986 0.125 Disperse Blue 124 0.5-50 0.9999 0.5 Disperse Brown 1 1-50 0.9999 1 Disperse Orange 1 0.5-50 0.9995 0.5 Disperse Orange 3 0.5-25 0.9995 0.5 Disperse Orange 37/76 1-25 0.9999 1 Disperse Red 1 0.25-25 0.9992 0.25 Disperse Red 11 0.5-50 0.9989 0.5 Disperse Red 17 0.25-50 0.9994 0.25 Disperse Yellow 1 0.5-25 0.9995 0.5 Disperse Yellow 3 0.25-25 0.9977 0.25 Disperse Yellow 9 0.5-25 0.9999 0.5 Disperse Yellow 39 0.5-50 0.9984 0.5 Disperse Yellow 49 0.25-50 0.9999 0.25 Disperse Orange 149 0.5-50 0.9999 0.5 Disperse Yellow 23 0.5-50 0.9991 0.5

表2 22种分散染料的线性范围、相关系数(r2)和定量限 Table 2 Linear ranges,correlation coefficients (r2) and LOQs of the 22 disperse dyes

选取日常生活中常见的涤纶布、棉涤混纺布等2种材料作为纺织品代表基质,依据Oeko标准^[1]对纺织品中致敏染料检测定量限的规定(50 mg/kg),并参考欧盟2002/657指令^[21]对方法验证的相关要求,在空白样品中进行了25、50、100 mg/kg 等3个水平的加标回收试验,每个水平进行6次重复实验,测得2种不同纺织品纤维中绝大多数分散染料的回收率范围为65% ～120% ,相对标准偏差小于15%(见表3)。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 纺织品中22种分散染料的添加回收率结果(n=6) Table 3 Results of recoveries for the 22 disperse dyes spiked in textile samples (n=6) Dye Spiked/ (mg/kg) Polyester Cotton polyester blended fiber Dye Spiked/ (mg/kg) Polyester Cotton polyester blended fiber Recovery/ % RSD/ % Recovery/ % RSD/ % Recovery/ % RSD/ % Recovery/ % RSD/ % Disperse Blue 1 25 73.09 7.33 78.78 5.31 Disperse Orange 37/76 25 78.84 5.42 68.24 2.98 50 71.93 1.16 71.39 2.30 50 82.92 3.29 99.62 3.58 100 95.58 6.98 102.69 6.19 100 81.61 6.16 90.41 9.62 Disperse Blue 3 25 86.99 5.01 71.36 3.04 Disperse Red 1 25 80.11 2.92 79.36 2.49 50 94.31 1.51 95.89 1.51 50 80.85 1.33 81.74 1.35 100 97.93 1.49 104.88 1.32 100 95.50 2.80 108.35 1.26 Disperse Blue 7 25 81.30 10.73 88.14 5.35 Disperse Red 11 25 85.97 5.51 79.33 3.85 50 100.13 2.54 125.96 1.80 50 88.89 2.97 94.14 3.30 100 91.74 1.53 112.79 2.16 100 99.04 1.31 100.09 2.13 Disperse Blue 26 25 97.30 4.65 115.57 3.47 Disperse Red 17 25 90.40 5.47 81.97 3.81 50 104.58 2.84 100.68 2.64 50 89.42 1.03 89.10 0.83 100 110.13 5.11 114.59 3.19 100 104.84 2.43 107.04 1.51 Disperse Blue 35a 25 85.19 9.90 82.70 7.95 Disperse Yellow 1 25 72.78 11.32 80.75 7.59 50 80.15 2.45 82.97 1.43 50 93.13 5.78 97.80 4.64 100 115.77 2.01 110.70 3.88 100 106.00 0.80 105.95 4.80 Disperse Blue 35b 25 84.89 10.13 83.53 9.36 Disperse Yellow 3 25 89.92 4.32 87.72 1.67 50 95.08 3.61 93.30 2.03 50 87.63 2.66 87.10 2.51 100 111.49 2.40 110.92 2.00 100 98.80 2.25 92.57 3.98 Disperse Blue 102 25 88.06 2.21 91.03 4.02 Disperse Yellow 9 25 106.63 3.34 104.77 3.85 50 77.97 2.73 77.63 3.04 50 94.88 6.05 102.04 4.19 100 99.40 3.43 100.99 1.57 100 105.45 2.57 105.48 4.24 Disperse Blue 106 25 89.52 2.67 88.27 0.85 Disperse Yellow 39 25 80.88 4.59 84.34 5.28 50 87.00 2.21 85.89 2.56 50 98.47 4.13 97.99 6.48 100 101.52 4.64 101.11 1.35 100 104.13 3.10 128.57 2.26 Disperse Blue 124 25 63.33 3.98 64.10 3.07 Disperse Yellow 49 25 7.97 13.00 7.96 7.87 50 67.33 13.13 53.58 11.71 50 7.46 14.08 7.02 11.70 100 78.74 14.42 70.76 9.35 100 9.07 12.72 9.09 13.31 Disperse Brown 1 25 82.81 3.22 79.94 3.90 Disperse Orange 149 25 79.13 2.11 80.59 4.74 50 91.72 1.18 89.27 0.92 50 71.29 2.34 74.55 6.89 100 105.49 6.10 110.52 1.50 100 84.28 8.04 80.62 6.68 Disperse Orange 1 25 99.27 2.15 93.23 3.06 Disperse Yellow 23 25 86.51 6.07 76.50 6.50 50 114.00 2.65 118.09 1.58 50 89.78 2.91 88.80 2.73 100 109.42 2.79 110.69 2.73 100 117.95 2.34 125.35 2.56 Disperse Orange 3 25 82.61 6.99 79.67 4.10 50 96.13 6.13 98.26 4.40 100 107.76 4.14 103.74 3.94

表3 纺织品中22种分散染料的添加回收率结果(n=6) Table 3 Results of recoveries for the 22 disperse dyes spiked in textile samples (n=6)

另外,由于分散黄49的添加回收率低于10% ,以直接向提取溶剂中(无基质)加入一定量标准溶液的方式分别考察了分散黄49在(a)甲醇超声法、 (b)吡啶/水超声法、(c)甲醇水浴振荡法和(d)吡啶/水水浴振荡提取法(本方法)下的添加回收率,其中超声法的温度70为 ℃,水浴振荡法为95 ℃,提取完毕后,观察提取液的颜色变化,a、b和c方法的提取液颜色为淡黄色,而本方法的提取液变为无色,所得实验结果见图2。

图2

Fig. 2

图2 分散黄49在4种不同提取方法下的回收率(n=3) Fig. 2 Recoveries of Disperse Yellow 49 with four different extraction methods (n=3)

根据图2,a、b、c方法下分散黄49的回收率均在90%以上,而d方法下分散黄49在吡啶/水溶液中仅能回收6%左右,表明分散黄49在温度为95 ℃的吡啶/水溶液中可能发生分解或转化,但由于分散黄49的定量限远低于法规要求的定量限(见表2),因此，若在d条件下检出分散黄49，则可以采用a、b、c中任一方法复验得到准确可靠的定量结果。

运用本方法对涉及各种纤维类型的40余件纺织品样品进行了22种分散染料的快速筛查检测,其中一个样品检出分散橙37/76,含量为15.8 mg/kg。样品中分散橙37/76的一级离子提取色谱图见图3a。首先,通过母离子精确质量数和保留时间与表1中标准值比对,初步确认检出化合物为分散橙37/76。然后,将母离子在二级质谱归一化能量为35%的CID碰撞质谱图(见图3b)与分散橙37/76标准品的CID碰撞能量图比较,两者二级碎片离子精确质量数的相对标准偏差为0.6×10^-6 (0.6 ppm),最终确证检出化合物为分散橙37/76。

图3

Fig. 3

图3 实际样品中分散橙37/76的(a)离子提取色谱图和 (b)二级CID碰撞质谱图 Fig. 3 (a) Extracted ion chromatogram and (b) CID mass spectrum (MS2) of Disperse Orange 37/76 in a real sample

本研究建立的纺织品中分散染料的高效液相色谱-线性离子阱/静电场轨道阱高分辨质谱筛查和确证方法具有简便、快速、高通量的优点,其选择性高,抗干扰性能好,定性结果准确可靠,目前已应用于纺织品样品的日常检测中。