食品接触材料尤其是食品包装材料已成为与食品不可分割的重要组成部分。研究表明, 与食品接触的器皿、餐厨具、包装容器以及包装材料中的有害物质已成为食品污染的重要来源之一[1]。邻苯二甲酸酯类(PAEs)是应用最为广泛的一类塑化剂。荧光增白剂(fluorescent whitening agents, FWAs)和分散染料常作为有色染料广泛用于纺织、塑料等制品中。这三类物质用于食品接触塑料制品时容易向食品迁移, 会对食用者的健康造成潜在危害。目前, 欧盟条例EU No. 10/2011(食品接触材料及容器)和我国标准《食品容器、包装材料用添加剂使用卫生标准》[2]中均对这三类物质的最大使用量和迁移量进行了规定。因此, 研究和制定检测食品接触材料中这三类物质的高通量定性定量方法具有重要现实意义。
目前关于检测食品接触材料中邻苯二甲酸酯类、荧光增白剂和分散染料的方法主要有白度法[3]、气相色谱法[4]、气相色谱-串联质谱法[5]、高效液相色谱法[6, 7]、高效液相色谱-串联质谱法[8-16]等。目前现有方法仅针对其中某一类物质进行检测, 未见有关同时检测食品接触塑料中这三类污染物的高通量检测方法。
四极杆/静电场轨道阱高分辨(Q Orbitrap)质谱仪具有分辨率高及定量能力好的优点, 不同于三重四极杆低分辨质谱使用多反应监测(MRM)模式对目标化合物的离子对进行定量分析, Q Orbitrap质谱可以利用目标化合物母离子精确的相对分子质量直接定量, 无需对目标物逐个优化子离子及相关参数, 可以极大地节约检测时间, 同时又能很好地避免低分辨质谱易受基质干扰而产生假阳性的现象[17, 18]。
本研究利用微波辅助萃取对食品接触塑料制品进行前处理, 同时利用超高效液相色谱-四极杆/静电场轨道阱质谱法(UPLC-Q Orbitrap MS)对食品接触塑料制品中邻苯二甲酸酯类、荧光增白剂和分散染料进行高通量测定。该法灵敏、快速、简单、准确、省时、稳定、实用, 能满足目前市场的检测需求。
Dione UltiMate 3000高压液相色谱系统、四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱仪(配有加热电喷雾离子(HESI Ⅱ)源)(美国Thermo Fisher公司); Ethos One微波萃取仪(意大利Milestone公司); ZM 200离心粉碎机(德国Retsch公司); Coulter Avanti J-26XP超高速冷冻离心机(美国Beckman公司); 平行定量浓缩仪、B-740再循环冷却系统、V-700/701真空泵(瑞士Buchi公司); 涡旋振荡器(德国IKA公司); DTY-B1200电子天平(福州华志科学仪器有限公司)。
邻苯二甲酸酯类标准品:邻苯二甲酸单甲酯(MHP)、邻苯二甲酸单丁酯(MBP)、邻苯二甲酸二(2-甲氧基)乙酯(DMEP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸二(2-乙氧基)乙酯(DEEP)、邻苯二甲酸二烯丙酯(DAP)、邻苯二甲酸二异丙酯(DIPrP)、邻苯二甲酸二丙酯(DPrP)、邻苯二甲酸二苯酯(DPhP)、邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)、邻苯二甲酸二苄酯(DBzP)、邻苯二甲酸单-2-乙基己基酯(MEHP)、邻苯二甲酸丁苄酯(BBP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二(2-丁氧基)乙酯(DBEP)、邻苯二甲酸正戊异戊酯(IPP)、邻苯二甲酸二环己酯(DCHP)、邻苯二甲酸二异戊酯(DIPP)、邻苯二甲酸二戊酯(DPP)、邻苯二甲酸二(4-甲基-2-戊基)酯(BMPP)、邻苯二甲酸二己酯(DHXP)、邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯(HEHP)、邻苯二甲酸二己酯(DHP)、邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)、邻苯二甲酸二异辛酯(DIOP)、邻苯二甲酸二正辛酯(DNOP)、邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)、邻苯二甲酸二壬酯(DNP)、邻苯二甲酸二异癸酯(DIDP), 纯度均≥92.0%;分散染料类标准品:分散黄23、分散红11、分散红1、分散黄39、分散黄3、分散橙37、分散橙3、分散橙11、分散蓝106、分散蓝102、分散红17、分散蓝124, 纯度均≥91.5%, 以上标准品均购自德国Dr. Ehrenstorfer公司; 荧光增白剂标准品:荧光增白剂184(C.I.184)、荧光增白剂140(C.I.140)、荧光增白剂135(C.I.135)、荧光增白剂185(C.I.185)、荧光增白剂367(C.I.367)、荧光增白剂162(C.I.162)、荧光增白剂368(C.I.368), 纯度均≥94.0%, 均购自美国International Laboratory公司。甲醇、乙腈、丙酮、正己烷均为色谱纯, 购自德国Merck公司。食品接触材料样品由中山检验检疫局资源与化学品安全监管科提供。
分别称取适量邻苯二甲酸酯类标准品, 用正己烷配制成1000 mg/L的单标准储备液, 其中MBP和MEHP用甲醇-丙酮-正己烷(1:1:1, v/v/v)混合溶剂溶解后再用正己烷定容；用甲醇稀释单标准储备液, 配制成质量浓度为1 μg/L的混合标准工作液。
分别称取适量其他标准品, 用甲醇溶解并定容, 配制成质量浓度为1 μg/L的混合标准工作液。
将食品接触塑料材料样品剪成0.2 cm×0.2 cm小块或是片状, 再经离心粉碎机粉碎为粒径＜1 mm的颗粒, 混匀。称取1.00 g(精确至0. 01 g)处理过的样品, 置于50 mL萃取管中, 加入15 mL甲醇, 涡旋30 s, 于90 ℃微波萃取10 min, 于5 ℃以12000 r/min离心10 min, 收集上清液, 置于30 mL玻璃管中, 于40 ℃浓缩至干, 用甲醇定容至1 mL, 涡旋30s, 提取液过0.2 μm有机相滤膜, 供UPLC-Q Orbitrap MS测定。
色谱柱:CAPCELL PAK MG Ⅱ C18柱(150 mm×2.0 mm, 5 μm); 柱温:40 ℃; 流动相:A为0.04%(v/v)甲酸甲醇溶液, B为含0.04%(v/v)甲酸和20 mmol/L乙酸铵的水溶液。梯度洗脱程序:0~40.0 min, 35%A~80%A; 40.0~45.0 min, 80%A~95%A; 45.0~55.0 min, 95%A; 55.0~60.0 min, 35%A。进样量:10 μL。
离子源为加热电喷雾电离源, 正离子模式; 离子源温度为350 ℃; 离子传输温度为325 ℃; 鞘气压力为4 MPa; 辅助气压力为1 MPa; 毛细管电压为3.2 kV; 扫描模式:全扫描/实时二级质谱(Full MS/dd-MS2); 采集范围为m/z 100~1500;一级质谱分辨率为70000 FWHM; 二级质谱分辨率为17500 FWHM; 碰撞池能量(NCE)为20、40和60 eV。48种污染物的分子式、保留时间、母离子和碎片离子见表 1。
本研究考察了CAPCELL PAK MG Ⅱ C18(150 mm×2.0 mm, 5 μm)、Thermo Accucore RP-MS C18 (100 mm×2.1 mm, 2.6 μm)和ACQUITY UPLC BEH C18 (100 mm×2.1 mm, 1.7 μm)色谱柱对48种目标化合物分离效果的影响。结果显示, 分散黄23在Thermo Accucore RP-MS C18色谱柱上的保留时间不稳定, 峰形较差; HEHP和DHP互为同分异构体, 在ACQUITY UPLC BEH C18色谱柱上无法有效分离; CAPCELL PAK MG Ⅱ C18色谱柱能够有效分离48种目标化合物, 色谱峰峰形尖锐, 对称性好, 说明色谱柱粒径对48种目标化合物的分离有较大影响, 粒径越大分离效果越稳定。因此实验选用CAPCELL PAK MG Ⅱ C18色谱柱(150 mm×2.0 mm, 5 μm)。
在正离子模式下对48种目标化合物进行检测, 为提高目标化合物的响应值, 本研究在流动相A和流动相B中均添加了甲酸。同时考察了流动相中的水相, 比较了含0.04%(v/v)甲酸和20 mmol/L乙酸铵的水溶液和0.1%(v/v)甲酸水溶液对48种目标化合物色谱分离和质谱响应的影响。结果发现, 使用含0.04%(v/v)甲酸和20 mmol/L乙酸铵的水溶液时, 48种目标化合物的质谱响应均显著增加, 色谱峰峰形尖锐, 对称性良好。因此本研究选择含0.04%(v/v)甲酸和20 mmol/L乙酸铵的水溶液为流动相中的水相。在优化后的色谱条件下, 一次进样即可完成48种目标化合物的同时分离和测定。48种污染物混合标准溶液(1.0 μg/L)的选择离子色谱图见图 1。
在正离子模式下, 以流动注射方式对48种污染物进行一级全扫描, 采用Full MS/dd-MS2扫描模式, 设定扫描范围为m/z 150~1000, 并以每个目标化合物的母离子(见表 1)建立二级扫描的目标列表。在实际扫描过程中, 当一级全扫描发现目标列表里的母离子且信号强度超过预设值时就会触发数据依赖子离子扫描模式, 进而获得对应母离子精确相对分子质量的二级离子全扫描质谱信息, 以实现定性确证。
以加标阴性食品接触塑料(30 μg/kg)为样品对萃取溶剂进行优化, 每个样品平行测定3次。根据萃取溶剂的介电常数越大即极性越大、对微波的吸收能力越强的原则, 本研究考察了乙腈、丙酮、乙腈-丙酮-三氯甲烷(1:1:1, v/v/v)和甲醇和甲醇-丙酮-正己烷(1:1:1, v/v/v)5种萃取溶剂(见图 2)。结果表明, 采用乙腈萃取时, DMEP和分散染料的回收率均低于50%;采用丙酮萃取时, 7种荧光增白剂的回收率均低于20%;采用乙腈-丙酮-三氯甲烷(1:1:1, v/v/v)萃取时, 部分塑化剂的回收率低于70%, 7种荧光增白剂和部分分散染料的回收率低于40%, 达不到检测要求; 采用甲醇和甲醇-丙酮-正己烷(1:1:1, v/v/v)萃取时, 29种邻苯二甲酸酯类污染物和7种荧光增白剂的回收率均可达到70%, 但是采用甲醇-丙酮-正己烷(1:1:1, v/v/v)时, 分散红1和分散黄3的回收率低于60%。因此最终选取甲醇作为萃取溶剂。
较高的萃取温度能够提高萃取效率, 但萃取温度过高会破坏目标化合物, 同时带来一定的安全隐患。实验考察了不同萃取温度(60、75、90和100 ℃)对48种污染物萃取效率的影响(见图 3)。结果表明, 萃取温度为60 ℃和75 ℃时, 目标化合物的萃取效率较低; 萃取温度为90 ℃时, 目标化合物的萃取效率最高; 萃取温度为100 ℃时, 目标化合物的萃取效率有所下降，可能是因为萃取套管属非密闭容器, 套管内溶剂温度过高会导致套管内压力过高, 部分目标化合物损失, 导致结果偏低。因此实验选择90 ℃为最优萃取温度。
为防止萃取液的泄漏和目标化合物的损失, 微波萃取时间不宜过长。实验考察了不同萃取时间(4、6、10和12 min)对48种污染物萃取效率的影响(见图 4)。结果表明, 微波萃取时间为4~6 min时目标化合物的提取效率偏低; 微波萃取时间为10 min时大部分目标化合物的萃取效率最高; 微波萃取时间增加至12 min时部分目标化合物的萃取效率降低, 可能是因为萃取时间过程长使目标化合物降解。为提高萃取效率、节省时间, 实验选择10 min作为最优超声时间。
食品接触塑料基质复杂, 萃取溶液溶解的杂质会对UPLC-Q Orbitrap MS的灵敏度产生一定影响。本研究采用低温高速离心的方法对萃取溶液进行净化, 能够有效地减少基质对UPLC-Q Orbitrap MS灵敏度的影响。本研究对样品提取液进行浓缩, 选择平行样品定量浓缩仪减压浓缩样品提取液, 并对浓缩的条件进行摸索, 确定浓缩温度为50 ℃, 冷凝温度为-2 ℃, 真空度采用梯度下降的方式(0.03 MPa, 10 min; 0.01 MPa, 10 min; 0.003 MPa, 浓缩至干)。该方法可以同时浓缩处理24份样品提取液, 完全浓缩至干仅需40 min。该处理方法能够有效降低检测成本, 提高检测质量和效率。
准确量取适量混合标准储备工作液, 用甲醇-水(65:35, v/v)溶液稀释, 配制系列混合标准工作液, 在1.4节条件下依次测定, 以定量离子的峰面积(Y)为纵坐标、相应的质量浓度(X, μg/L)为横坐标绘制标准曲线。结果显示, 目标化合物在各自的范围内线性关系良好, 相关系数(r)均大于0.995(见表 2)。
向阴性样品中添加不同质量浓度的混合标准工作液, 按上述方法绘制基质标准曲线, 用基质标准曲线各浓度点偏离值(实际值与理论值之差)标准偏差的3.3倍浓度确定方法的检出限(LOD), 10倍浓度确定方法的定量限(LOQ)[18]。结果显示, 48种目标化合物的检出限为0.1~1.0 μg/kg, 定量限为0.3~3.0 μg/kg。
在阴性食品接触塑料样品(包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚碳酸酯(PC))中进行3个水平(30、60和300 μg/kg)的加标回收试验, 每个水平平行6次。结果表明, 48种污染物的平均加标回收率为71.2%~108.8%, 相对标准偏差为2.2%~11.8%(见表S1, 详见http://www.chrom-China.com/UserFiles/File/1801047-SI.pdf)。
利用本研究建立的分析方法检测31批实际样品(包括10批聚丙烯样品、7批聚乙烯样品, 8批聚对苯二甲酸乙二酯样品和6批聚碳酸酯样品)。结果表明, 在1批聚丙烯样品中检出DEHP, 含量为225.1 μg/kg; 在1批聚对苯二甲酸乙二酯样品中检出分散蓝124, 含量为97.9 μg/kg。
本研究建立了UPLC-Q Orbitrap MS检测食品接触塑料中48种污染物的方法。该法灵敏、快速、简单、准确、省时、稳定、实用, 方法学结果满足GB/T 27404-2008《实验室质量控制规范食品理化检测》的技术要求, 适用于检测实验室大批量食品接触塑料样品。
2018,
Vol. 36 Issue (7): 634-642
PDF
2018,
Vol. 36 Issue (7): 634-642
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