全二维气相色谱-飞行时间质谱法测定塑料中50种高关注物质

周龙龙，薛秋红，刘一龙，牛增元*，罗 忻，尹桂林，马 强，谢堂堂

(1.青岛海关技术中心，山东 青岛 266000；2.中国检验检疫科学研究院，北京 100176； 3.深圳海关 工业品检测技术中心，广东 深圳 518067)

多环芳烃(PAHs)、邻苯二甲酸酯类塑化剂(PAEs)、烷基酚类化合物(APs)、苯并三唑类紫外稳定剂(UVs)、卡拉花醛(Karanal)和磷酸三(2-氯乙基)酯(TCEP)是工业生产的常用添加剂，广泛用于防腐、涂料、纺织印染和塑料加工等领域，在纺织品、化妆品、塑胶跑道中均有检出[1-7]。在塑料加工领域，PAHs通常伴随脱模剂进入塑料产品中，部分塑料甚至直接添加PAEs以改善产品的可塑性等加工性能；APs和UVs常用作抗氧化剂以增强塑料稳定性；Karanal为香味剂；TCEP为残余化学物，也具有防火性能。但上述化合物在具有出色加工性能的同时，其潜在的生物毒性、致癌、致畸等危害特性也日益引起全球的普遍关注[8-10]。如欧盟的化学品注册、评估、许可和限制法规REACH将上述物质列入高关注物质清单SVHC；Oeko Standard-100、儿童产品中高关注化学品CHCC、美国消费品安全改进法案CPSIA以及欧盟玩具指令TSD等均对上述物质有严格的限制要求。随着科学技术的进步与人民生活质量的提高，人们对消费品安全的关注程度逐年上升，越来越多的高关注物质被发现和限制使用，欧盟自2008年10月至2020年6月共发布SVHC物质205种，并持续更新。公众对消费品质量安全的关注，促使政府和组织在制定法规，强化管控的同时，也对高关注物质检测技术提出了更高的要求。

目前，上述高关注物质的检测方法主要有气相色谱-质谱法[11-14]、气相色谱-串联质谱法[15-16]、液相色谱-质谱法[17]与液相色谱-串联质谱法[18]等；提取方式以超声萃取[12-13,16,19-26]为主，也有部分文献采用加速溶剂萃取[17,27]、微波萃取[3,8]、索式提取[2,28]等；提取剂方面，PAEs和APs多采用甲醇、正己烷[16,19,23-24,28]，PAHs采用甲醇、正己烷和二氯甲烷[2,7,20]，UVs、Karanal、TCEP提取溶剂多为甲醇、乙腈[3,12-13,21,25-26]。但现有检测方法普遍存在如下不足：①检测范围不全。针对APs的检测方法多以壬基酚、辛基酚等具有代表性的物质为对象[19]，无法满足法规中庚基酚、戊基酚等SVHC化合物的检测要求；②检测方法缺失。与PAHs、PAEs、APs等化合物相比，UVs、Karanal、TECP等化合物进入公众视野时间较短，检测方法尚不完善；③缺少多类别同时检测技术。现有检测技术均以单一类别化合物检测为主，且许多化合物由于异构体较多(如Karanal)，出峰数量多，存在易与其它目标物共流出而影响准确定性定量的问题。高关注物质类别多、数量大、性质各异，传统的检测方法不仅步骤繁琐、成本较高，而且无法解决多类别化合物同时检测的难题，难以满足日益增长的检测需要。因此建立一种准确、快速的定性定量筛查方法，具有填补方法空缺、降低检测成本、缩短检验流程、提高检测效率等重要现实意义。全二维气相色谱(GC×GC)是将两根分离机理不同且又相互独立的色谱柱串联，实现样品的正交分离，具有峰容量大、分离能力强、灵敏度高等特点，已广泛用于石化行业、地质勘探、食品安全与风味等领域。本研究利用GC×GC技术特点，建立了消费品中50种高关注物质(24种PAHs、17种PAEs、3种APs、4种UVs、Karanal和TCEP)的多类别筛查定性定量方法，该方法实现了不同目标物之间的完全分离，定性和定量准确、抗干扰能力强，可满足塑料基质中的多类别物质筛查检测，为塑料中高关注物质检测和全二维气相色谱的使用开发提供了参考。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

全二维气相色谱-飞行时间质谱仪(GC×GC-TOF MS，美国Leco公司)，GC×GC系统由7890A气相色谱仪(美国Agilent公司)和双喷口热调制器组成，MPS进样器(德国Gerstel公司)，Pegasus 4D飞行时间质谱仪(美国Leco公司)，数据处理系统为Chroma TOF软件(4.72.0.0)；M204型分析天平(瑞士Mettler Toledo公司)。

甲醇、正己烷、二氯甲烷(色谱纯，德国CNW公司)；24种多环芳烃混合标准溶液(500 mg/L，溶于二氯甲烷，美国O2si公司)；17种邻苯二甲酸酯标准品：邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸二丙酯(DPrP)、邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二-(2-甲氧基)乙酯(DMEP)、邻苯二甲酸二戊酯(DPP)、邻苯二甲酸二异戊酯(DIPP)、邻苯二甲酸二异己酯(DIHP)、邻苯二甲酸二己酯(DHP)、邻苯二甲酸丁基苄基酯(BBP)、邻苯二甲酸二环己酯(DCHP)、邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)、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)(纯度均大于98%，德国Dr.Enrestorfer公司)，邻苯二甲酸正戊异戊基酯(NPIPP，纯度>99%，加拿大TRC公司)；4种紫外稳定剂标准品：2-(2′-羟基-3′，5′-二叔丁基苯基)-苯并三唑(UV-320，纯度≥99%，德国Dr.Enrestorfer公司)，2-(3,5-二叔丁基-2-羟苯基)-5-氯苯并三唑(UV-327，纯度≥98.0%)、2-(3，5-二叔戊基-2-羟苯基)苯并三唑(UV-328，纯度≥98.0%)、2-(2′-羟基-3′-异丁基-5′-叔丁基苯基)苯并三唑(UV-350，纯度≥97%)购于德国CNW公司；3种烷基酚标准品：4-对叔戊基苯酚(4-tert-Amylphenol)、4-叔辛基苯酚(4-tert-Octylphenol)、4-庚基苯酚(4-Heptyl-phenol)，纯度均大于97%，购自德国Dr.Enrestorfer公司；卡拉花醛(纯度≥90%，美国Cato公司)；磷酸三(2-氯乙基)酯(TCEP，纯度≥97%，德国Dr.Enrestorfer公司)。

PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、Melamine(密胺)、EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)、PS(聚苯乙烯)、PPSU(聚亚苯基砜树脂)均为市售产品。

1.2 标准溶液的配制

准确称取一定量PAEs、APs、UVs、Karanal、TCEP标准品于10 mL容量瓶中，用甲醇溶解并定容至刻度，分别配成质量浓度为2 000 mg/L的单标储备液。分别移取单标储备液0.5 mL和多环芳烃混合标准溶液2 mL至50 mL容量瓶中，用甲醇定容至刻度，配成质量浓度为20 mg/L的混合标准储备液，于-18 ℃保存。工作溶液用甲醇逐级稀释至适宜浓度，现用现配。

1.3 样品前处理

称取剪碎至直径小于4 mm的样品0.5 g(精确至0.01 g)，加入10 mL甲醇，超声提取30 min，萃取液用氮吹仪浓缩至1 mL，上机检测。

1.4 全二维气相色谱及质谱条件

色谱条件：一维柱：DB-5MS(30 m×0.25 mm，0.25 μm，美国J&W公司)；二维柱：BPX-50(1.67 m×0.1 mm，0.1 μm，澳大利亚SGE公司)。进样口温度305 ℃，传输线温度290 ℃；载气：氦气(纯度≥99.999%)，流速：1.2 mL/min；进样量：1 μL,不分流进样；一维柱升温程序：初始温度50 ℃，保持1 min，以10 ℃/min升至200 ℃，保持2 min，再以5 ℃/min升至270 ℃，保持3 min，最后以3 ℃/min升至305 ℃，保持20 min；二维柱温度补偿：+5 ℃，调制解调器温度补偿：+15 ℃。调制周期：7.5 s，热吹时间2 s。以目标化合物色谱保留时间和质谱图定性，外标法定量。

质谱条件：电子轰击电离源(EI源)，电离电压70 eV，质谱采集频率：100 spectra/s，检测电压：1 700 V，离子源温度：230 ℃；扫描方式：全扫描模式；采集质量范围：50～450 amu；特征离子定量分析。50种目标物的名称、分子式、CAS编号、定性定量离子、离子丰度比(定量离子∶定性离子1∶定性离子2)信息详见表1。

表1 50种目标物的名称、分子式、CAS编号、定性定量离子、离子丰度比Table 1 Information of name,formula,CAS No.,ions and ion abundance ratio of 50 analytes

(续表1)

2 结果讨论

2.1 升温程序的优化

2.2 色谱条件优化

全二维气相色谱的二维柱温度补偿可影响目标物的分离时间；调制解调器补偿温度决定热吹气的温度从而影响目标物进入二维柱的速度和峰形；另外，目标物响应还受进样口温度、载气流速的影响；因此本文设计4因素3水平(A为进样口温度：280、290、300 ℃，B为载气流速：0.8、1.0、1.2 mL/min，C为调制解调器补偿温度：10、15、20 ℃，D为二维柱温补偿温度：5、10、15 ℃)的正交实验，并对实验数据进行归一化处理，以所有目标物峰面积总和为评价因素，结果见表2。由表中数据可见，进样口温度为300 ℃(A3)、载气流速1.2 mL/min(B3)、调制解调器温度补偿15 ℃(C2)、二维柱温度补偿5 ℃(D1)时50种化合物的总峰面积最大。

图1 50种目标物分离谱图Fig.1 Separation of 50 analytes the peak numbers 1-53 were the same as those in Table 3

No.Inlet temperature(℃)Carrier gas flow(mL/min)Modulator make up temperature(℃)Second oven make up temperature(℃)Sum peak area12800.810551 046 72122801151052 099 63232801.2201571 018 33042900.8151543 918 2625290120567 634 14962901.2101085 092 67373000.8201073 384 515830011015102 991 00793001.2155131 213 656I1174 164 683168 349 498239 130 401249 894 526I2196 645 084222 724 788227 231 550210 576 820I3307 589 178287 324 659212 036 994217 927 599K158 054 89456 116 49979 710 13483 298 175K265 548 36174 241 59675 743 85070 192 273K3102 529 72695 774 88670 678 99872 642 533R44 474 83239 658 3879 031 13613 105 902Optimal methodA3B3C2D1

2.3 萃取条件的优化

由于本方法涉及目标化合物种类较多、性质各异，因此针对不同化合物的同时检测，萃取效率是关键。超声萃取操作简便、成本较低，实际应用较多，因此选择超声萃取提取目标物，并考察了甲醇、正己烷和二氯甲烷3种溶剂的萃取效率。结果显示，采用甲醇和二氯甲烷时50种化合物的萃取效率最高，但二氯甲烷的提取液中色素等杂质较多，干扰定性，且易污染仪器。因此选择甲醇为提取溶剂超声提取30 min，此时50种化合物在低、中、高3个加标浓度的回收率为89.1%～108%，满足实验要求。

2.4 基质效应

实验考察了基质效应影响，取PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)3种材质的空白样品提取液，加入一定量混合标准溶液，用相同的色谱方法检测，根据色谱响应值计算不同材质的基质效应(Mi)：Mi=(Ami/Asi-1)×100；式中Ami为基质溶液中目标物的色谱峰面积，Asi为纯溶剂中目标物的色谱峰面积。Mi<0表示存在基质抑制效应，Mi>0表示存在基质增强效应。|Mi|<20为弱基质效应，可忽略或无需基质补偿措施；20≤|Mi|≤50为中等基质效应，|Mi|>50为强基质效应，应采取补偿措施。结果显示，3种材质的|Mi|均小于20，未见有明显的基质增强或抑制效应，因此本研究采用甲醇配制标准曲线定量亦可以满足定量筛查要求。

2.5 线性范围与检出限

用甲醇逐级稀释混合标准储备液配成系列(0.05～15 mg/L)混合标准工作液，在优化的条件下测定。以各化合物的峰面积(y)为纵坐标，对应质量浓度(x，mg/L)为横坐标，绘制标准曲线。结果显示，50种目标物在各自浓度范围内线性良好，相关系数(r2)均不低于0.990 4。分别以3倍和10倍信噪比(S/N)计算50种目标物的仪器检出限和定量下限，再根据样品稀释倍数换算得50种高关注物质的方法检出限(LOD)为0.04～5.96 mg/kg，定量下限(LOQ)为0.05～13.39 mg/kg(表3)。

表3 50种目标物的保留时间、线性范围、相关系数、回收率、相对标准偏差、检出限和定量下限Table 3 Retention time，linear ranges,correlation coefficient,recoveries, RSDs，LODs and LOQs of 50 analytes

(续表3)

2.6 加标回收率与精密度

向空白样品中定量添加低、中、高3个浓度水平目标物质的标准溶液，每个浓度水平平行6次，在优化条件下测定。结果表明，50种目标物的回收率为80.0%～121%，相对标准偏差(RSD,n=6)为1.1%～13%(表3)。

2.7 与一维气相色谱-质谱比较

采用同一混合标准溶液在一维气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)上进行分析，与本方法对比发现，部分目标物在一维GC-MS上分离度较差，如TECP(15.46 min)、Karanal(15.50 min)、邻苯二甲酸二丙酯(15.54 min)三者出峰时间接近，分离度较低；Karanal(16.50 min)和邻苯二甲酸二异丁酯(16.53 min)出峰时间接近，难以分离；苯并[a]芘(30.17 min)、苯并[b]荧蒽(30.25 min)、苯并[k]荧蒽(30.25 min)较难分离；苯并[e]芘(31.21 min)、邻苯二甲酸二异壬酯(31.33 min)、苯并[j]荧蒽(31.40 min)也较难分离，在实际检测中，相邻峰或杂质的共流出会对目标物的定性定量有一定干扰。而借助全二维气相色谱，可较清晰地分辨出不同目标物的色谱峰，通过两个维度的分离可增强其抗杂质干扰能力，避免假阳性。

2.8 实际样品测定

应用本方法在优化条件下对40个市售样品(其中食品接触材料、玩具、日用消费品和工业用塑料各10个，材质包含：PE、PP、PVC、ABS、Melamine、EVA、PS、PPSU)进行检测。结果显示，4个样品中检出PAEs，材质分别为PVC(DEHP：89.76 mg/kg)、PS(DBP：1.56 mg/kg，DEHP：65.17 mg/kg)、ABS(DEHP：135.05 mg/kg)；3个样品检出PAHs，材质分别为1个PP材质(萘：15.98 mg/kg，菲：57.45 mg/kg)和2个PVC材质(萘：2.16 mg/kg，苊：28.78 mg/kg)。由此可见，样本中PVC和ABS材质阳性检出率较高，但含量均未超过REACH法规限量要求，检出原因可能为：①所用原材料质量较差，加工原料中含限用添加剂；②PVC分子间存在氢键，熔点较高、可塑性差，加工过程中引入了少量增塑剂以降低PVC分子间作用力，提高加工性能；③玩具检出多环芳烃含量过多可能为加工过程中加入脱模机等添加剂，引入了多环芳烃污染物所致。

3 结 论

本文建立了全二维气相色谱-飞行时间质谱测定塑料制品中50种高关注物质的筛查定性定量检测方法，与传统方法相比，本方法充分利用了全二维气相色谱柱容量大、分离能力强、灵敏度高的优势，实现了塑料中50种高关注物质的完全分离，解决了多类别化合物同时检测的难题，提高了样品筛查定性和定量检测的准确性，为应对不断更新的高关注物质检测提供了切实可行的方法。