N-亚硝胺是一类具有-N-N=O结构的强致癌有机化合物,迄今为止已发现的300多种亚硝胺中约有90%具有致癌作用[ 1 ]。N-亚硝胺前体物是指在一定条件下能够生成N-亚硝胺的物质,包括亚硝酸盐、仲胺和氮氧化物等。乳胶制品中的N-亚硝胺主要产生于乳胶的硫化成型过程。具有仲氨基的硫化催化剂在硫化过程中会产生仲胺,仲胺能与空气或配合剂中的氮氧化物NOX(主要是NO2)在酸性环境或催化剂条件下生成稳定的N-亚硝胺。研究人员曾在婴儿奶嘴[ 2, 3 ]、安抚奶嘴[ 4 ]、气球[ 5, 6, 7 ]、牙齿矫正器的橡皮圈[ 8 ]等乳胶制儿童用品中发现亚硝胺及其前体物。2009年,欧盟通过《玩具安全新指令》(2009/48/EC),规定供3岁以下婴儿使用的玩具和供儿童放入口中的玩具严禁使用亚硝胺;如若工艺过程实在无法避免,其总亚硝胺的迁移量也不得高于0.05 mg/kg,总可亚硝化物质(即亚硝胺前体物)的迁移量不得高于1 mg/kg。与该指令配套的欧盟协调标准EN71-12[ 9 ]要求至少检测13种N-亚硝胺,包括脂肪族亚硝胺、脂环族亚硝胺及芳香族亚硝胺。
常用的N-亚硝胺检测方法有气相色谱-热能分析仪联用法(GC-TEA)[ 10, 11, 12 ]、气相色谱-电子轰击电离源单级质谱法(GC-EI-MS)[ 13, 14 ]、气相色谱-电子轰击电离源串联质谱法(GC-EI-MS/MS)[ 1, 15, 16 ]、气相色谱-化学电离源单级质谱法(GC-CI-MS)[ 7, 17 ]、气相色谱-化学电离源串联质谱法(GC-CI-MS/MS)[ 18, 19 ]、液相色谱法(HPLC)[ 20 ]和液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)[ 21, 22 ]。其中,GC-TEA仪器普及度较差,应用受到一定的限制。GC-CI-MS主要依靠准分子离子峰进行定性,样品基质复杂时易受到干扰而产生假阳性。同样的,GC-EI-MS在处理复杂基质的样品时难以对低分子质量的N-亚硝胺进行准确的定性及定量分析。GC-CI-MS/MS抗背景干扰能力强,但CI源电离率低,有时候采用串接质谱并不能很好地提高灵敏度[ 17 ],且CI源通常需要在低温条件下工作,离子源易受污染。配紫外检测器的HPLC检测N-亚硝胺的特异性不强,常需要对N-亚硝胺进行衍生,操作繁琐。LC-MS/MS灵敏度高,定性准确,但该设备昂贵;对于半挥发性的N-亚硝胺,GC的分离度比LC更好。
GC-EI-MS/MS结合了气相色谱分离度好的特点与串接质谱灵敏度高、背景干扰小的优势,近年来在化妆品[ 1 ]、气球[ 15 ]、环境水[ 16 ]中N-亚硝胺的检测中得到了一定的应用。本研究建立了基于GC-EI-MS/MS的亚硝胺测定方法,通过对固相萃取过程的优化,使其比已有的方法更适应于乳胶儿童用品中N-亚硝胺迁移量的测定;通过对分离及测定条件的优化,将方法适用的N-亚硝胺种类由脂肪族亚硝胺、脂环族亚硝胺扩展到芳香族亚硝胺,同时检测的N-亚硝胺数量由已有方法的不超过10种增加到了15种。
7890A气相色谱仪(美国Agilent公司); Quattro micro GC三重四极杆质谱仪(美国Waters公司); TurboVap氮吹仪(美国Caliper公司);固相萃取装置(美国Supelco公司); Chromabond Easy固相萃取柱(500 mg, 6 mL, 德国MN公司); Sep-Pak Dry干燥柱(2.85 g,美国Waters公司); PTFE滤膜(0.45 μ m,天津津腾公司);氦气、氩气(纯度>99.999% )。
N-亚硝基二甲胺(NDMA),纯度≥99.9% ,购自美国Sigma公司;N-亚硝基甲基乙基胺(NMEA)、N-亚硝基二乙胺(NDEA)、N-亚硝基二丙胺(NDPA)、N-亚硝基二异丙胺(NDiPA)、N-亚硝基二丁胺(NDBA)、N-亚硝基吗啉(NMOR)、N-亚硝基哌啶(NPIP)、N-亚硝基二苯胺(NDPhA),纯度均>98% ,购自德国Dr. Ehrenstorfer公司;N-亚硝基二环己胺(NDCHA)、N-亚硝基二苄胺(NDBzA)、N-亚硝基二异壬胺(NDiNA)、N-亚硝基甲基苯胺(NMPhA)、N-亚硝基乙基苯胺(NEPhA)、N-亚硝基二异丁胺(NDiBA),纯度均>95% ,购自加拿大TRC公司。甲醇、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮、正己烷为色谱纯,购自美国J. T. Baker公司。其他试剂为分析纯(北京化工厂)。实验用水为经Milli-Q净化系统(美国Millipore公司)制备的去离子水。
根据乳胶儿童用品的使用特点,选择人工唾液作为迁移模拟物,制备方式如下:称取4.2 g NaHCO3, 0.5 g NaCl, 0.2 g K2CO3, 30 mg NaNO2,以水溶解并稀释至900 mL,用0.1 mol/L NaOH(或同时使用0.1 mol/L HCl)调节pH为9.0,以水定容至1 L。
根据相关标准[ 9, 10 ]规定,婴儿奶嘴和气球的迁移过程如下所述。
婴儿奶嘴:取待测婴儿奶嘴约10 g(精确至0.001 g),置于50 mL具塞锥形瓶中,加入40 mL人工唾液,玻璃珠若干,盖上盖子,于40 ℃恒温下振荡24 h。其中人工唾液和玻璃珠预先加热到40 ℃。冷却至室温后,将锥形瓶中的迁移溶液转移至50 mL棕色容量瓶中,用4 mL人工唾液洗涤样品两次,与上述迁移溶液合并,以人工唾液定容至50 mL并摇匀,转移10 mL迁移溶液至锥形瓶中,加入1 mL 1.0 mol/L HCl,混匀后避光反应30 min, 使迁移出的亚硝胺前体物经过亚硝化过程生成相应的亚硝胺, 再加入2 mL 1.0 mol/L NaOH, 终止亚硝化反应,以该反应生成液(记作溶液B)中的N-亚硝胺含量确定迁移溶液中N-亚硝胺前体物的含量,用于N-亚硝胺前体物的测定;在剩余40 mL溶液中加入1 mL 1.0 mol/L NaOH,该混合溶液(记作溶液A)用于N-亚硝胺的测定。整个样品处理及分析过程均在避光条件下操作,防止N-亚硝胺光降解。
气球样品:处理步骤同上,但人工唾液迁移时间为1 h,因为气球并不像奶嘴一样使用频繁[ 5, 9 ]。
Chromabond Easy固相萃取柱依次用6 mL乙酸乙酯、6 mL甲醇活化,用10 mL去离子水平衡。溶液A(或溶液B)以1 mL/min 左右的流速过柱。上样完成后,抽干10 min。将经过抽干处理的Chromabond Easy固相萃取柱及用4 mL乙酸乙酯活化后的Sep-Pak Dry干燥柱串联,最后用6 mL乙酸乙酯分两次洗脱(每次3 mL),收集洗脱液,氮吹浓缩至1 mL。
采用HP-5MS UI毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μ m)对目标物进行分析。柱初温为50 ℃,保持3 min,以30 ℃/min 的速率升温至80 ℃并保持7 min;以20 ℃/min 的速率升温至130 ℃;以40 ℃/min 的速率升温至210 ℃,以10 ℃/min 的速率升温至240 ℃并保持5 min。进样口温度280 ℃;进样量1 μ L,不分流进样;载气为氦气,流速1.0 mL/min;传输线温度250 ℃。
电离方式:EI;源温度:180 ℃;电离能量:70 eV;碰撞气:氩气;碰撞气压力:0.32 Pa;溶剂延迟时间:3 min;扫描模式:多反应监测(MRM)模式。15种N-亚硝胺的质谱分析参数见表1。
准确称取各亚硝胺标准品适量,用甲醇溶解并定容,配制成 1000 mg/L 的标准储备液,于-20 ℃下避光保存。准确移取各亚硝胺标准储备液5 mL至100 mL棕色容量瓶中并用甲醇定容,配制成50 mg/L 的混合标准储备液。使用时,根据需要用乙酸乙酯稀释成系列浓度的混合标准工作液。现用现配。
考察了美国Agilent公司的HP-5MS UI(30 m×0.25 mm×0.25 μ m)、DB-624(30 m×0.25 mm×1.4 μ m)、DB-1701(30 m×0.25 mm×0.25 μ m)、HP-INNOWax(30 m×0.25 mm×0.25 μ m)色谱柱对15种亚硝胺的分离效果,结果表明DB-624的分离效果最好,其次是HP-5MS UI。但DB-624色谱柱对沸点较高的目标物响应不好,如N-亚硝基二环己胺(沸点340.26 ℃)、N-亚硝基二苯胺(沸点359.13 ℃)和N-亚硝基二苄胺(沸点382.34 ℃),因此本研究中选择了HP-5MS UI柱。通过优化升温速率、初始柱温和进样口温度,使15种亚硝胺在22 min内基本达到基线分离,并且响应相对较高。在筛选母离子、优化碰撞能量等质谱参数中,需使15种亚硝胺的母离子与特征碎片离子产生的离子对强度达到最大。需要指出的是,N-亚硝基二苯胺的热稳定性较差,在进样口发生热分解反应,因此分离检测的均为其降解产物二苯胺[ 17 ]。目标物质的MRM色谱图见图1。
二氯甲烷[ 1, 7, 8 ]、乙醇[ 11 ]、丙酮[ 12 ]、正己烷[ 10, 12 ]、甲醇[ 9 ]常用于配制N-亚硝胺标准溶液。在本实验过程中发现N-亚硝胺对不同溶剂存在溶剂效应。准确移取200 μ L混合标准储备液于10 mL棕色容量瓶中,分别用二氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、正己烷、甲醇、乙醇定容(n=3),配制不同溶剂的1 mg/L 的N-亚硝胺标准溶液,上机检测。将峰面积最大的溶剂设为100% ,其他溶剂条件下的峰面积与其相比计算相对百分比。结果表明,溶剂种类对15种N-亚硝胺的响应强度及色谱峰形具有显著的影响,其中乙酸乙酯作为溶剂时目标物的响应值最高,且色谱峰形最好。NDMA的色谱图见图2。
本研究中的15种待测N-亚硝胺的正辛醇-水分配系数(lg Kow)范围为-0.64~3.90,从水溶性到油溶性都有分布。二氯甲烷、乙酸乙酯、正己烷、丙酮、甲醇、乙醇的lg Kow值依次为1.34、0.86、3.29、-0.24、-0.63和-0.14,即正己烷和二氯甲烷为亲油性,乙酸乙酯为亲油性同时有一定的亲水性,丙酮、甲醇、乙醇为亲水性。采用乙酸乙酯作溶剂时,目标物质的峰面积最大,且峰形最好,可能因为乙酸乙酯对水溶性和油溶性的目标物质均能较好地溶解。正己烷的亲油性较强,对水溶性的NDMA溶解性较差,导致出现该物质几乎无响应的现象。采用二氯甲烷作溶剂时,水溶性的NDMA出现拖尾、峰展宽的色谱行为。因此选择乙酸乙酯作为标准工作液的稀释溶剂。
分别考察了活性炭柱(Sep-Pak AC-2、ENVI-carb)、两性基团柱(Chromabond Easy、Oasis HLB)和C18柱(Sep-Pak C18、Orochem C18)3种类型的固相萃取柱对待测N-亚硝胺的保留效果。将加标的人工唾液经过上述固相萃取柱富集保留,收集柱后流出液,用二氯甲烷对柱后流出液进行液液萃取,检测二氯甲烷中N-亚硝胺的含量。结果显示,Sep-Pak AC-2柱后流出液的二氯甲烷萃取液中未检出目标物,Chromabond Easy检出极少量NDEA,其余4种柱均检出一定量的目标物。即活性炭柱Sep-Pak AC-2和两性基团柱Chromabond Easy对目标物的保留能力较强。
实验进一步优化了Sep-Pak AC-2和Chromabond Easy固相萃取柱的萃取条件。将加标的人工唾液经过上述固相萃取柱富集后分别用12 mL(分4次洗脱,每次3 mL)二氯甲烷、乙酸乙酯、正己烷、丙酮、乙醇、甲醇进行洗脱,收集洗脱液,氮吹到1 mL,过0.45 μ m聚四氟乙烯(PTFE)滤膜上机检测(n=3)。6种洗脱溶剂的回收率分别以相应溶剂配制的标准溶液计算。结果显示,活性炭柱Sep-Pak AC-2对目标物质的保留能力太强,以致芳香族亚硝胺难以被洗脱下来。采用Chromabond Easy对目标物质进行富集时,乙酸乙酯与二氯甲烷的洗脱效果较好,除了对NDMA的回收率分别为47.1%和57.1% ,对其他目标物质的回收率均为90%以上。相对而言,两性基团SPE柱Chromabond Easy的表现明显更加优秀,因此本文选择Chromabond Easy进行后续条件的优化。由溶剂效应可知,乙酸乙酯比二氯甲烷对N-亚硝胺的响应更好,因此综合考虑选择乙酸乙酯作为洗脱溶剂。
实验对乙酸乙酯的洗脱体积进行了优化。将加标的人工唾液经过Chromabond Easy柱进行固相萃取,分别用3、6、9、12、15 mL乙酸乙酯进行洗脱(n=3),收集洗脱液,氮吹到1 mL,测定回收率。结果发现当洗脱体积为6 mL时,回收率基本达到稳定,因此选择乙酸乙酯的洗脱体积为6 mL。
曾有采用活性炭[ 7, 18, 19 ]或吸附树脂[ 23, 24 ]对N-亚硝胺进行富集后再分析的报道。本研究发现活性炭柱Sep-Pak AC-2对N-亚硝胺的保留作用太强导致洗脱困难,故选用具有两性基团的Chromabond Easy固相萃取柱进行富集,其除了对NDMA的回收率不高(约为50% )(可能是由于该物质的水溶性及挥发性较强所致[ 15, 24 ])外,对其他14种N-亚硝胺的回收率可达85% ~110% ,富集效果较好。
配制一系列质量浓度分别为0.005、0.01、0.025、0.05、0.1、0.25、0.5、1.0和2.0 mg/L 的标准工作溶液,在选定的色谱及质谱条件下进行测定,以定量离子对的峰面积Y为纵坐标,以质量浓度X(mg/L)为横坐标进行线性回归,15种挥发性亚硝胺的线性方程、线性范围和相关系数见表2。以信噪比为10估算定量限,15种挥发性N-亚硝胺的方法定量限为0.625~12.50 μ g/kg。
选取市售乳胶儿童用品,经前处理后分别进行检测,最终选取一种基质最为干净且不含待测物的婴儿奶嘴作为空白样品。在空白样品的迁移溶液中添加不同水平的N-亚硝胺混合物,按1.2、1.3节方法进行回收率测定,回收率和精密度结果见表3。
应用本文建立的方法对17件实际乳胶儿童用品进行分析(其中奶嘴10件,气球7件)。由表4可见,10件奶嘴样品中,有4件检出N-亚硝胺,其中3件含量超过0.05 mg/kg 的限量要求,1件略低于0.05 mg/kg 的限量要求;6件未检出。此外,有2件检出N-亚硝胺前体物,含量低于1 mg/kg 的限量要求,8件未检出。分析的7件气球样品均检出N-亚硝胺,并且含量远超过0.05 mg/kg 的限量要求;此外,7件气球样品均检出N-亚硝胺前体物,其中有5件超过1 mg/kg 的限量要求,2件低于1 mg/kg 的限量要求。由表4还可看出,NDMA、NDEA、NEPhA、NDiBA和NMOR是乳胶儿童用品中存在较多的亚硝胺类物质。需要注意的是,气球中亚硝胺检出情况较为严重,致癌性最强的NDMA和NDEA在气球样品中普遍检出。
随着乳胶儿童用品中需要监控的N-亚硝胺的种类越来越多,如何同时准确测定多种性质差异较大的亚硝胺受到了广泛关注。本研究建立的基于GC-EI-MS/MS的方法能够同时对乳胶儿童用品中15种N-亚硝胺进行测定,方法的灵敏度满足相关产品法规的要求;其次,本研究探讨了N-亚硝胺检测中的溶剂效应现象,并提出了利用这一现象优化检测方法的建议;本研究还对样品前处理进行了深入的研究,尤其是固相萃取材料的选择及条件优化方面。应用本方法对实际样品进行了分析,取得了良好的效果。本研究建立的方法能够为N-亚硝胺的检测提供更多的选择。