基于电喷雾离化离子迁移率谱的邻苯二甲酸酯检测方法

李艳志，高晓光，贾 建，李建平，何秀丽

(1.中国科学院电子学研究所，传感技术联合国家重点实验室，北京 100190;2.中国科学院大学，北京 100190)

0 引言

塑化剂，也称作增塑剂或可塑剂，是一种能够提高材料柔软性和可塑性的添加剂。塑化剂种类多达数百种，其中邻苯二甲酸酯类塑化剂产量最大、品种最多，被广泛应用于聚氯乙烯制品中，如塑料薄膜、壁纸、汽车内饰、儿童玩具、血袋、输液管和药用胶囊等。邻苯二甲酸酯具有类雌性性激素作用，能够诱发癌症，损害肝、肾等器官，造成男婴生殖系统畸形、女童乳房过早发育。邻苯二甲酸酯具有生物累积效应和放大效应，能够进入食物链并逐级富集，是重要的全球性环境激素类有机污染物。日常生活中使用广泛且毒副作用较大的三种邻苯二甲酸酯类塑化剂为邻苯二甲酸二(2－乙基己基)酯(DEHP)、邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)和邻苯二甲酸二正丁酯(DBP)。我国食品容器、包装材料用添加剂使用卫生标准(GB 9685－2008)规定DEHP、DINP和DBP在食品中的特定迁移量或最大残留量分别为 1.5 mg/kg、9.0 mg/kg 和 0.3 mg/kg。近期，我国台湾饮料行业及大陆白酒行业的塑化剂风波引起了人们对食品中邻苯二甲酸酯类物质残留问题的普遍关注。

现有检测邻苯二甲酸酯类物质的方法有傅里叶变换红外光谱法、胶束电动毛细管色谱法、气相色谱法、液相色谱法以及色谱－质谱联用法等。我国国家标准GB/T 21911－2008推荐的塑化剂检测方法为气相色谱－质谱联用(GC－MS)法，对于含油脂样品中各邻苯二甲酸酯化合物的检出限为1.5 mg/kg，对于不含油脂样品中各邻苯二甲酸酯化合物的检出限为0.05 mg/kg。但联用法设备复杂、操作繁琐、检测时间长、检测成本高，难以满足现场快速检测的要求。

离子迁移率谱技术(Ion Mobility Spectrometry，IMS)是目前发展迅速的一种微量物质检测技术，在低浓度有机物质的快速检测方面具有优势，能够检测化学战剂、爆炸物、毒品、生物分子、细菌、各类污染物等［1］，已应用于军事、安全、反恐、生物、医学、环境检测和食品安全等方面。此外，与传统的色谱、质谱分析仪器相比，IMS仪器不需要真空系统，可在大气环境下工作，装置小，成本低，而检测灵敏度高，检测时间短，可以检测同分异构体。电喷雾离化(Electrospray Ionization，ESI)可以在不破坏样品分子结构的前提下，直接将液态样品离化成气相离子，是一种典型的“软电离”方法。电喷雾离化和离子迁移率谱技术结合，实现了对非挥发性和高分子量化合物的检测，扩展了离子迁移率谱技术的应用领域。Joshi等［2］用ESI－IMS分析65种无烟火药的组分，首次检测了邻苯二甲酸二乙酯(DEP)和邻苯二甲酸二正丁酯(DBP)等塑化剂。Midey等［3］用 ESIIMS检测了可口可乐和奶茶等饮料中的邻苯二甲酸酯，对实际样品用甲醇稀释10倍后直接检测，虽然没有前处理过程，简单快速，但不适合低浓度样品的检测。

本文将ESI－IMS技术应用于邻苯二甲酸酯类塑化剂的检测，优化ESI－IMS的电喷液组分、进样流量等工作参数，研究适合白酒样品的预处理方法，实现对市售白酒中的邻苯二甲酸酯类塑化剂的快速检测。

1 实验

1.1 实验装置

自制的ESI－IMS系统主要由3部分构成:电喷雾离化源、漂移管、气路以及外围的电路控制系统，如图1所示。

图1 ESI－IMS系统结构示意图

漂移管由去溶剂化区、Bradbury－Nielsen离子门、漂移区和法拉第盘组成。去溶剂区和漂移区均由多组电极环和绝缘环嵌套单元连接而成，长度分别为80 mm和134.5 mm。

电喷雾离化源安装在漂移管去溶剂化区前端，由电喷雾喷头和栅网对电极组成。电喷头用零死体积不锈钢直通和石英毛细管连接而成，由注射泵完成电喷液的供给。

外围的电路控制系统包括信号放大器、离子门控制器、两路高压源和漂移管加热器、漂移气加热器等。其中一路高压源用于建立电喷雾所需的电场，另一路高压电源在去溶剂化区和漂移区内形成迁移电场。整个ESI－IMS系统工作参数如表1所示。

表1 ESI－IMS系统工作参数

1.2 实验药品及方法

邻苯二甲酸酯 DEHP(99.7%)、DBP(99.6%)和 DINP(99%)标准品，配制电喷液所需的高效液相色谱纯甲醇(MeOH)和优级纯乙酸(Ac)，去离子水(18.2 MΩ·cm)由水净化系统(MW－D20型)自制获得。

实验样品的制备流程为:首先使用分析天平称量一定质量的标准品，将其溶解至电喷雾空白溶液(75%甲醇、25%水、0.1%乙酸)中，得到100 mg/L的 DEHP、DBP和 DINP储备溶液。在实验前使用电喷雾空白溶液稀释储备溶液至所需浓度。DEHP、DBP和 DINP样品的浓度范围分别为0.25～ 2.5 mg/L、0.1 ～0.5 mg/L 和1 ～12 mg/L。

2 实验结果和讨论

2.1 DEHP、DBP和DINP的约化迁移率

被检测物质的约化迁移率K0计算公式为:

式中:T为温度，K;P为气压，mmHg(1mmHg=1.33 kPa);L为漂移区长度，cm;td为迁移时间，s;V为漂移区上所加电压，V。

实际中漂移气的温度和压强难以准确测量，为了得到较为准确的被测物约化迁移率，通常利用已知约化迁移率的标定物与被测物离子峰相对位置得到被测物的约化迁移率:

式中:Kstd为已知标定物的约化迁移;tstd为标定物离子迁移时间;td为相同条件下的被测物离子迁移时间。

由于四烷基卤化铵约化迁移率几乎不随漂移管温度、漂移电场及化学条件的变化而改变［4］，本文选择约化迁移率为1.33 cm2V－1s－1的四丁基溴化铵作为标定物。图2为空白图谱和2.5 mg/L DEHP、0.3 mg/L DBP 和12 mg/L DINP 样品图谱。空白图谱由甲醇和水(75:25)与乙酸(0.1%)混合而成的电喷雾空白溶液产生。对比图2各图谱，由式(2)计算得DEHP、DBP、DINP 的约化迁移率分别为 0.99 cm2V－1s－1、1.28 cm2V－1s－1和 0.92 cm2V－1s－1。

图2 空白图谱与DEHP、DBP和DINP图谱

表2 约化迁移率值对比 cm2V－1s－1

本文测得的DEHP、DBP和DINP约化迁移率值与Midey等［3］的报道值接近但均比其略大(见表2)，这主要是由漂移管工作温度差异造成的。本文漂移管温度比文献［3］的漂移管温度高30℃，使ESI更有效地去溶剂并减少被测物形成的水合离子中水分子数量，从而导致被测物离子的碰撞横截面积减小，约化迁移率增大［5］。

2.2 漂移管温度对图谱的影响

图3为不同漂移管温度下2.5 mg/L DEHP的图谱。当漂移管温度为150℃时，图谱中有1个溶剂峰;当温度高于180℃后，图谱中有2个溶剂峰;当温度提高到200℃时，峰型与180℃时相似。这与Chen等［5］报道的温度对溶剂峰影响的变化规律一致。当漂移管温度过低时，离子团簇携带多个溶剂分子，离子峰峰形展宽。随着漂移管温度升高，离子携带的溶剂分子比较容易挥发掉，离子簇能有效分离。

此外，邻苯二甲酸酯类物质沸点高、粘度大，易附着在漂移管内壁造成残留，而高温有利于减少残留。但是，过高温度不仅易造成漂移管PTFE零件蠕变，影响漂移管密封性;而且溶剂会在电喷针内过早挥发，影响电喷雾过程的稳定性。漂移管温度为200℃时，既有较好的去溶剂化效果，又能获得稳定的电喷雾状态。因此，在后续检测实验中选择漂移管工作温度为200℃。

图3 不同漂移管温度下的2.5 mg/L DEHP的图谱

2.3 电喷雾溶液组分对特征峰强度的影响

为研究电喷雾溶液组分对被测物特征峰强度影响，配制了5种不同甲醇与水体积比的DEHP标准溶液，其中DEHP浓度固定为2.5 mg/L，乙酸的体积含量固定为0.1%。不同甲醇与水体积比的DEHP溶液的谱图如图4所示。随着电喷液中水的比例由50%减小到25%(图4(a)～图4(c))，DEHP离子峰强度依次增强。当水的配比为25%时(图4(c))，DEHP离子峰峰值最大。这是因为一方面甲醇等有机溶剂表面张力小，电喷液中加入甲醇能够降低电喷液滴的表面张力，促进电喷液滴分裂，提高离化效率;另一方面甲醇等有机溶剂的挥发性强于水，能够使液滴更快地去溶剂化。随着电喷液中水的比例由25%继续减小，DEHP特征离子峰强度又有所降低。图4中甲醇:水=100:0的图谱的中溶剂峰很小。这是因为水分子具有较强的氢键，容易与被测物聚簇形成水合分子，在电喷雾电离时，随着液滴的分裂和去溶剂化，这些水合分子有利于气相离子的形成。加入一定量的水有利于产物离子的形成提高离化效率。因此，在后续检测实验中选择甲醇与水体积比为75:25。

2.4 电喷液进样流量对特征峰强度的影响

图4 不同甲醇与水体积比的2.5 mg/L DEHP溶液的谱图

2.5 mg/L的DEHP样品在不同进样流量下得到的图谱如图5所示。在1～5 μL/min范围内，随着进样流量增大，DEHP离子峰强度明显逐渐增大;从5 μL/min增大到6 μL/min时，DEHP离子峰强度变化不显著。当电喷液进样流量超过6μL/min时，电喷雾过程时断时续，离化过程不稳定。

图5 不同进样流量下的2.5 mg/L DEHP图谱

当进样流量较小时，去溶剂化效果较好，离化效率较高。但是当进样流量过小时，单位时间内电喷雾形成的离子数量少，造成离子峰低。因而进样流量不宜过小。电喷雾进样流量越大，单位时间内产生的离子总量就越多，离子峰强度就越高。但是，当进样流量过大时，样品不能够很好地去溶剂化，从而在图谱上形成干扰信号。通过同样的实验得到DBP和DINP最佳电喷液进样流量分别为5 μl/min和3 μl/min。

2.5 邻苯二甲酸酯峰强和浓度关系

采用上述优化后的工作参数，对不同浓度的DEHP、DBP和DINP溶液进行检测，得到图6所示DEHP、DBP、DINP浓度和离子峰强度的关系曲线，三倍噪声法计算得到的检测限分别为75.6 μg/L、49.3 μg/L、810 μg/L，线性范围见表3。三种邻苯二甲酸酯的检测限均低于GB 9685－2008中规定的DEHP、DBP、DINP在食品中的特定迁移量或最大残留量。

图6 DEHP、DBP、DINP浓度与离子峰强度关系曲线

表3 三种邻苯二甲酸酯的线性范围和检测限

2.6 白酒中邻苯二甲酸酯的检测

选某品牌市售白酒，首先取2 mL白酒样品置于蒸发器皿中，90℃水浴加热，去除样品中乙醇等易挥发的物质，直至液体全部挥发，此时，邻苯二甲酸酯类塑化剂等高沸点的难挥发物质会保留在蒸发皿中。然后在上述蒸发器皿中加入2 mL电喷雾溶剂(甲醇和水(体积比为75:25)与乙酸(0.1%)混合而成的空白电喷雾溶液)，超声混合后，得到白酒样品溶液，样品浓度保持不变。在蒸发完样品的蒸发皿中加入0.25 mL电喷雾溶剂，得到浓缩8倍的白酒样品。

在上述优化后的参数下进行ESI－IMS检测分析，结果见图7。对比空白电喷液，可以发现白酒样品在19.8 ms处出现DEHP特征离子峰，因浓度很小，特征峰较低;浓缩8倍的白酒样品图DEHP特征离子峰强度明显增强，估计浓度值小于1 mg/L。

图7 白酒图与其相应空白电喷液图

白酒样品前处理时间平均为6～8 min，而ESI－IMS的检测分析时间仅为几十s，整个检测周期不超过10 min。因而，ESIIMS检测方法有望应用于白酒中邻苯二甲酸酯的现场快速检测。

3 结束语

文中采用ESI－IMS方法测得DEHP、DBP和DINP的约化迁移率分别为0.99 cm2V－1s－1、1.28 cm2V－1s－1、0.92 cm2V－1s－1。测得DEHP、DBP、DINP浓度与离子峰强度关系的线性范围分别是0.25 ～2.5 mg/L、0.1 ～ 0.5 mg/L、4 ～12 mg/L;根据三倍噪声方法计算的检测限分别为 75.6 μg/L、49.3 μg/L、810 μg/L，满足我国卫生部规定的DEHP、DBP、DINP最大残留量的检测要求。白酒中邻苯二甲酸酯检测实验表明，10 min内便可完成前处理和检测过程。ESI－IMS检测方法，操作简便，在微量邻苯二甲酸酯的现场快速检测方面具有良好的应用前景。

［1］EICEMAN G A，KARPAS Z.Ion mobility spectrometry.CRC Press.2010.

［2］JOSHI M，RIGSBY K，ALMIRALL J R.Analysis of the headspace composition of smokeless powders using GC－MS，GC －mu ECD and ion mobility spectrometry.Forensic Science International，2011，208(1－3):29－36.

［3］MIDEY A J，CAMACHO A，SAMPATHKUMARAN J，et al.High-performance ion mobility spectrometry with direct electrospray ionization(ESI－HPIMS)for the detection of additives and contaminants in food.Analytica Chimica Acta，2013，804(2013):197 －206.

［4］VIIDANOJA J，SYSOEV A，ADAMOV A，et al.Tetraalkylammonium halides as chemical standards for positive electrospray ionization with ion mobility spectrometry/mass spectrometry.Rapid Communications in Mass Spectrometry，2005，19(21):3051 －3055.

［5］CHEN Y H，HILL H H，WITTMER D P.Thermal effects on electrospray ionization ion mobility spectrometry.International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes，1996，154(1 －2):1 －13.