常压直接离子化-离子迁移谱法快速筛查玩具中4种初级芳香胺

陈 萌， 郭项雨， 操 卫， 李 焘， 白 桦,王鹏龙， 雷海民*， 马 强*

(1.中国检验检疫科学研究院，北京 100176；科学院青年创新促进会2.北京中医药大学中药学院，北京 100029)

近年来，随着玩具产业的不断发展和玩具需求的不断增大，玩具的安全性逐渐成为消费者和社会舆论关注的热点问题，玩具产品也是各国法律法规要求最为严格的产品之一。初级芳香胺(Primary Aromatic Amines,PAA)是一类毒性较强的致癌物质，可通过皮肤、胃肠道和呼吸道进入人体，进而引发人体输尿管癌、肾癌、膀胱癌等恶性疾病[1]。因此，欧洲议会和欧洲联盟委员会在2002/61/EC与2003/3/EC指令中，规定了多种芳香胺为受限制的危险物质，并且禁止销售能产生禁用芳香胺的商品。我国也对染料产品[2]、化妆品[3]、卷烟[4]等商品中有害芳香胺的限量或迁移量制定了相应的检测标准。由于在玩具的原料加工以及生产控制等方面的原因，可能导致初级芳香胺在玩具中有一定的残留，而这些有毒有害物质可通过吞咽、舔食、皮肤接触、眼睛接触、吸入等方式进入儿童体内，严重威胁儿童健康。欧盟EN-71玩具安全标准中规定，手指画颜料等玩具中不得检出2-萘胺、联苯胺等初级芳香胺[5]。

目前，测定初级芳香胺的方法主要有高效液相色谱法(HPLC)[6]、高效液相色谱-质谱法(HPLC-MS)[7]、气相色谱-质谱法(GC-MS)[8]等。这些方法各有优点，例如能够实现多残留的痕量分析、确证性好、抗干扰能力强等，但大都仪器笨重、操作繁琐，需要复杂的前处理过程，无法满足现场快速筛查和分析通量的需要。离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry,IMS)的技术原理是气相分子-离子的反应和根据电场中迁移率的差异进行离子的分离和测定。除了传统的离子迁移谱(时间分离谱)以外，还先后出现了开放气路式离子迁移谱(空间分离谱)和场离子谱等多种技术。离子迁移谱也可称为“常压质谱”。但与质谱相比，离子迁移谱技术的原理和方法相对简单，适合于现场快速检测分析，其仪器可以制成便携式并具有可靠性高、成本低廉等优势，已发展成为一种现场快速检测技术。离子迁移谱目前已广泛应用于车站、机场、海关等场所的毒品检测[9]，爆炸物检测[10]、食品安全[11]等领域。萃取纳升喷雾[12]、纸喷雾[13]等常压直接离子化技术可在敞开式环境和无需样品预处理的条件下，对样品基体的待测物直接离子化，具有成本低廉、操作简便等优点，现已应用于化妆品[14]、血样[15]、生物样品[16 - 17]等的分析。本研究建立了常压直接离子化结合离子迁移谱快速筛查不同种类玩具中2-萘胺、4-氯-2-甲基苯胺、4-氨基联苯和联苯胺4种初级芳香胺的方法，对于玩具产品质量安全现场快速检测具有较好的应用前景。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

P-1000型微电极拉制仪、硼硅酸盐玻璃毛细管(外径1.5 mm，内径0.86 mm，长5 cm)(美国，Sutter公司)；ACQUITY超高效液相色谱仪、XEVO TQ三重四极杆质谱仪、MassLynx数据处理系统(美国，Waters公司)；ESW-M15P型金属微电极(美国，Warner Instruments公司)；GA2100型便携式离子迁移谱(美国，Excellims公司)，配有离子栅门控制器、空气过滤装置(含CaSO4和分子筛)、高分辨率离子迁移分析器、VisIon仪器控制与数据处理系统；Milli-Q超纯水器(美国，Millipore公司)；实验所用移液器吸头购自美国Bio-Rad公司。

2-萘胺、4-氯-2-甲基苯胺、4-氨基联苯和联苯胺4种初级芳香胺均为市售最高纯度标准品，各种初级芳香胺标准品用甲醇配制成1 000 mg/L标准储备液，使用时根据需要用甲醇稀释成混合标准工作液；实验用水均为经Milli-Q超纯水器净化过滤后的去离子水；3MM型色谱纸(厚度0.18 mm)购自美国Whatman公司。

1.2 样品处理及测定

1.2.1蜡笔样品把3MM型色谱纸剪成三角形纸片(底部宽0.5 cm、高0.7 cm、顶角30°)，将待测蜡笔样品在纸片上轻轻涂抹，即可将样品加载至纸片上。将纸片通过金属夹连接至离子迁移谱仪的高压电源并施加2.8 kV电压，在纸片上滴加20 μL体积比为70∶30∶0.3的二氯甲烷∶甲醇∶甲酸萃取溶剂，实现对蜡笔样品中待测组分的萃取、迁移和喷雾，并采用离子迁移谱进行实时检测。

1.2.2纹身贴纸样品把3MM型色谱纸剪成三角形纸片(底部宽0.5 cm、高0.7 cm、顶角30°)，将待测水贴纸样品拓印至纸片上。将纸片通过金属夹连接至离子迁移谱仪的高压电源并施加2.8 kV电压，在纸片上滴加20 μL体积比为55∶45∶0.5的甲醇∶乙腈∶甲酸萃取溶剂，实现对水纹身贴纸样品中待测组分的萃取、迁移和喷雾，并采用离子迁移谱进行实时检测。

1.2.3液体玩具样品把3MM型色谱纸剪成三角形纸片(底部宽0.5 cm、高0.7 cm、顶角30°)，将待测样品直接滴加在纸片上，将纸片通过金属夹连接至离子迁移谱仪的高压电源并施加2.8 kV电压，在纸片上滴加20 μL体积比为90∶10∶0.5的无水乙醇∶水∶乙酸萃取溶剂，实现对液体玩具样品中待测组分的萃取、迁移和喷雾，并采用离子迁移谱进行实时检测。

1.2.4手指画颜料样品手指画颜料样品直接用金属微电极蘸取，插入到预先充入20 μL体积比为100∶0.5的无水乙醇∶乙酸萃取溶剂的硼硅酸盐玻璃毛细管中，施加2.8 kV高压，实现对手指画颜料样品中待测组分的萃取、迁移和喷雾，并采用离子迁移谱进行实时检测。

1.2.5橡皮泥样品橡皮泥样品首先放入一次性注射器腔体中，从注射器前端针头挤出长1 cm、直径0.5 mm的细条并在空气中静置1 min，然后用镊子夹取放入已拉制好并注入20 μL体积比为85∶15∶0.5的无水乙醇∶乙酸乙酯∶乙酸萃取溶剂的硼硅酸盐玻璃毛细管，插入金属微电极，施加2.8 kV高压，实现对橡皮泥样品中待测组分的萃取、迁移和喷雾，并采用离子迁移谱进行实时检测。

1.3 离子迁移谱条件

电喷雾电压：正离子模式，2.1 kV；迁移管电压：7.7 kV；迁移管温度：175 ℃；进样口温度：175 ℃；漂移气流速：1.85 L/min；迁移谱宽：40 ms；数据采集速率：200 000 s-1；Bradbury-Nielsen离子门脉冲宽度：70 μs；Bradbury-Nielsen离子门电压：32 V；排气泵抽速：0.55 L/min。

1.4 高效液相色谱-串联质谱确证条件

色谱柱：Waters XBridge C18柱(150×2.1 mm，3.5 μm)；流动相：甲醇∶水=70∶30(V/V)；流速：0.3 mL/min；柱温：30 ℃；样品室温度：15 ℃；进样量：5 μL。

离子源：电喷雾电离源(ESI)，正离子模式；毛细管电压：2.5 kV；取样锥孔电压：5.0 V；离子源温度：150 ℃；脱溶剂气温度：400 ℃；脱溶剂气流量：800 L/h；锥孔气流量：50 L/h；碰撞气体：氩气；碰撞气流速：0.13 mL/min。4种初级芳香胺类化合物的质谱分析参数见表1。

表1 4种初级芳香胺的质谱分析参数

2 结果与讨论

2.1 萃取溶剂、喷雾电压及纸基的优化

萃取溶剂的极性、挥发性对萃取及喷雾过程有着重要影响，喷雾电压对样品离子化效率具有重要影响。兼顾萃取效果和质子化能力，本研究分别测试了一系列溶剂对4种目标初级芳香胺的离子化效果，并针对不同样品分别选定了适宜的萃取溶剂。同时经考察，4种目标初级芳香胺的最优喷雾电压略有差异，喷雾电压过高或者过低都会抑制不同初级芳香胺的响应值(图1)。综合考虑4种目标物的各自的喷雾电压及响应值，确定2.1 kV为本研究最佳喷雾电压。

在此基础上，本研究考察了1级色谱纸、17级色谱纸、3MM型色谱纸和31ET型色谱纸对玩具中初级芳香胺萃取效率的影响。由于纸基表面暴露大量的羟基，4种目标物化学性质各异，不同纸基与初级芳香胺结合程度各不相同，从而导致分离及离子化效果不同。研究表明，采用3MM型色谱纸对4种目标初级芳香胺响应值最高。

2.2 进样口温度和迁移管温度的优化

离子迁移谱仪的核心部件离子迁移管中含有多个加热部件，检测分析时需要将迁移管中各个加热部件维持在不同的温度(100～200 ℃之间)，同时还需要保持恒定的气体循环流量。这些加热部件中有的需开机后尽快加热到设定温度，有的则只是在检测时才从常温加热到设定温度，检测分析完成后停止加热。由于仪器分析时间短，因此要求加热部件升温快，并且迅速达到稳定状态。离子迁移谱分析检测中，仪器参数对待测物的响应灵敏度有显著影响，在多种组分同时进样分析时，通过仪器参数的设置可以提高各组分之间的分离度。除去电离电压之外，进样口温度和迁移管温度是重要的仪器参数，为了避免热交换或其它因素而导致的离子迁移时间重现性差的问题，迁移管温度和进样口温度的设置应尽量保持一致，因此本实验在优化这两项参数时将其设为相同数值来考察，设定了一系列温度(160～200 ℃)，比较各组分在不同温度时的响应强度。实验结果表明，在一定范围内提高迁移管和进样口温度能减小离子峰的半峰宽和位置漂移，分析原因为随着其温度升高，可以降低空气湿度和环境温度对离子信号的干扰。但温度太高会造成系统不稳定，因而引发的离子扩散及碰撞损失也更严重，导致离子信号反而减弱。经考察，4种目标初级芳香胺在175 ℃时信号最强(图2)。因此，本方法最终确定迁移管和进样口温度同时设定为175 ℃。

2.3 漂移气流速的优化

漂移气是从漂移管检测器一端进入漂移区的，而载气是从漂移管的前端进入反应区的。在设计原理上，两股相向对流的气流是从栅极门前面附近的一个出气口被排出去的。载气的作用是将样品气体带进电离源或反应区，并在此进行分子-离子反应。为避免进入漂移区的离子仍继续进行反应而使测得的离子迁移谱图很难被解析，要求漂移气中不能含有任何能与漂移区中的离子进行络合或反应的中性样品分子，因此要强调载气和漂移气都必须是纯净的气体。漂移气种类和流速会影响离子峰的分辨率和响应强度，研究工作表明，采用空气作为漂移气能较好地分离各组分并且响应强度高、价格低廉。本实验设定一系列漂移气流速(0.50～2.00 L/min)，观察4种目标初级芳香胺的分离效果和响应强度，经实验考察，1.85 L/min流速最佳。

在上述得到的最优条件下，4种目标物的多反应监测色谱图见图3，离子迁移谱图见图4。

图1 喷雾电压对4种初级芳香胺信号强度的影响(n=3)Fig.1 Investigation of source voltage on signal intensity of the primary aromatic amines(n=3)

图2 进样口和迁移管温度对4种初级芳香胺信号强度的影响(n=3)Fig.2 Investigation of inlet and drift tube temperature on signal intensity of the primary aromatic amines(n=3)

图3 4种初级芳香胺的多反应监测色谱图Fig.3 Multiple reaction monitoring chromatograms of the primary aromatic amines1.2-naphthylamine;2.benzidine;3.4-chloro-2-methylaniline;4.4-aminobiphenyl.

图4 4种初级芳香胺的离子迁移谱图Fig.4 Ion mobility spectra of the primary aromatic amines1.2-naphthylamine;2.4-chloro-2-methylaniline;3.4-aminobiphenyl;4.benzidine.

2.4 方法检出限

以经测定不含有4种初级芳香胺的玩具样品作为空白样品，添加一定浓度的待测初级芳香胺混合标准溶液，然后按照前文所述方法进行分析测定，以3倍信噪比估算方法检出限，4种初级芳香胺(2-萘胺、4-氯-2-甲基苯胺、4-氨基联苯和联苯胺)的方法检出限分别为0.5、2.0、1.0和1.0 mg/kg。

2.5 实际样品筛查

应用本实验建立的筛查方法，对30件购自超市及电商平台的不同种类的玩具样品进行分析检测，结果表明，所测样品均未检出上述4种初级芳香胺。

3 结论

本研究建立了纸喷雾及纳升萃取喷雾电离技术结合离子迁移谱快速筛查不同种类玩具中4种初级芳香胺的检测方法，玩具样品无需繁琐前处理，离子迁移谱分析测试在12 ms内完成，可为玩具产品质量安全现场快速检测提供实用有效的技术参考。