基于吸光材料的激光解吸附离子化质谱用于纺织品快速筛查

胡清源，马 强，欧阳证，马潇潇

(1.清华大学精密仪器系，精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084；2.中国检验检疫科学研究院，北京 100176)

纺织品与人们日常生活息息相关，在纺织品生产过程中，其表面会残留一些有害物质，这些物质通过直接接触人的皮肤，不仅对皮肤产生刺激，还会经由皮肤被人体吸收，给人体健康造成严重危害。而且，纺织品中的有害物质还可能在洗涤过程中进入环境，造成环境污染[1]。纺织品中常见的有害物质包括邻苯二甲酸酯、乙醇胺和己内酰胺。邻苯二甲酸酯是常用的增塑剂，可以提高聚合物的塑性，使其易于加工，但因其具有生殖毒性，影响男性生殖系统的发育和正常运转[2]，欧盟[3]和美国[4]已出台相关法规限制使用。己内酰胺是纺织工业中大量使用的化学试剂，主要用于合成尼龙6纤维，其对呼吸道有一定刺激性，同时会提高中枢神经系统兴奋性，高浓度下会引起痉挛发作[5]。二乙醇胺和三乙醇胺是纺织品生产过程中常用的乳化剂和表面活性剂，对皮肤有刺激性[6]，其中二乙醇胺被世界卫生组织列为2B类致癌物[7]，同时，二乙醇胺和三乙醇胺对水生动物有急性和慢性毒性[8]，若将其排放到自然环境中，会对生态系统造成影响。

基于此，为实现纺织品的质量控制，有必要开发精确可靠的检测方法。目前，针对纺织品中有害物质的检测方法主要有液相色谱法(LC)[9-11]、气相色谱-质谱法(GC-MS)[12-14]和液相色谱-质谱法(LC-MS)[15-17]，但这些方法分析时间长、操作繁琐、溶剂消耗量大。近年来，为了缩短质谱分析时间，简化质谱分析流程，研究人员提出了原位离子化技术，如解吸电喷雾电离(DESI)[18]、实时直接分析(DART)[19]、低温等离子体(LTP)[20]等。在无需或仅需简单样品预处理的情况下，常压、敞开式环境下即可完成对样品的质谱分析，为原位、现场快速质谱分析提供了方法学支持，使质谱技术发展有了新方向。

激光解吸附电离(LDI)是利用激光与样品表面的相互作用实现解吸附与离子化的技术。与传统的基质辅助激光解吸(MALDI)不同，该技术常采用纳米颗粒[21]、多孔硅[22]、纳米柱[23]等微纳结构替代小分子基质，在辅助样品电离的同时避免基质对分析结果的干扰，可用于小分子代谢物[24]、小分子有害物质[25]等小分子物质的检测。抗反射(AR)吸光材料已被用于激光解吸附离子化[26]，它是在金属基底上利用飞秒激光技术加工的准周期微纳阵列材料，其形貌使激光在材料表面发生多次反射，由于反射时发生了表面等离子共振，激光能量被转化为金属材料内能。这种材料对紫外光的吸收率可达90%～97%，具有极高的光热转换比。因此，该材料受到紫外激光照射时会迅速升温，促进样品的热解吸，与其他用于激光辅助解吸附电离的微纳结构相比，这种结构制作更简单，在使用中不易受损，可重复使用，适用于代谢物等小分子物质的质谱快速检测。

本研究拟采用激光解吸附电离技术，以吸光材料辅助样品离子化，建立纺织品中邻苯二甲酸酯、乙醇胺和己内酰胺的快速质谱检测，希望为纺织品的快速筛查提供方法参考。

1 实验部分

1.1 主要仪器与装置

355 nm紫外激光器(最大脉冲能量10 μJ)：长春新产业光电技术有限公司产品；电动线性位移台：美国Thorlabs公司产品；Impact四极杆-飞行时间质谱仪(质量分辨率50 000)：德国Bruker公司产品；QTRAP 4500双离子阱质谱仪：美国AB SCIEX公司产品。

1.2 主要材料与试剂

邻苯二甲酸二甲酯(DMP)标准品：上海源叶生物科技有限公司产品；邻苯二甲酸二乙酯(DEP)标准品：上海麦克林生化科技有限公司产品；邻苯二甲酸二丙酯(DPRP)、己内酰胺标准品：上海阿拉丁生化科技股份有限公司产品；二乙醇胺、三乙醇胺标准品：上海迈瑞尔化学技术有限公司产品。所有标准品纯度均≥97%，各标准品溶液均以甲醇作为溶剂。甲醇和乙腈：色谱纯，美国Thermo Fisher公司产品；抗反射基板：分别由304不锈钢板和铜板制作，其制作方法参考文献[27]；纺织品样品：购自当地超市和电商。

1.3 实验条件

将纺织品样品剪成2 mm×2 mm的小块，以符合基板上吸光区域的面积。在样品上滴加5 μL乙腈，将其放在基板上轻轻挤压，随后移走样品，将基板置于Impact四极杆-飞行时间质谱仪进样口前约5 mm处，用频率1 kHz紫外激光照射基板。将基板接地，对样品进行分析。质谱条件：毛细管温度250 ℃，干燥气流速1 L/min。

纺织品中有害物质快速检测的实验流程示于图1。

2 结果与讨论

2.1 实验条件优化

2.1.1质谱毛细管电压 将2 μL 19.5 mg/L的邻苯二甲酸二甲酯溶液直接滴加到不锈钢抗反射基板上，保持激光脉冲能量为10 μJ，调整质谱毛细管电压，进行质谱分析，记录邻苯二甲酸二甲酯的信号峰强度，结果示于图2。可见，质谱毛细管电压为-2 500 V时，样品的质谱信号最强。

图2 邻苯二甲酸二甲酯的信号强度随质谱毛细管电压的变化曲线Fig.2 Curve of intensity of diethyl phthalate with capillary voltage of mass spectrometer

2.1.2激光脉冲能量 实验所用的激光器可通过调节输出电流来调节激光脉冲能量，当最大输出电流为8 000 mA时，激光脉冲能量为10 μJ，输出电流越小，激光脉冲能量越弱。保持质谱毛细管电压为-2 500 V，调节激光器输出电流，结果示于图3。可见，激光器输出电流为8 000 mA，即激光脉冲能量为10 μJ时，样品信号最强。

图3 邻苯二甲酸二甲酯的信号强度随激光器输出电流的变化曲线Fig.3 Curve of intensity of diethyl phthalate with output current of the laser

2.1.3抗反射基板材料 在铜和不锈钢抗反射基板的不同位置分别滴加2 μL浓度为19.5、11.4、106 mg/L的邻苯二甲酸二甲酯、己内酰胺和二乙醇胺溶液，保持激光脉冲能量为10 μJ，质谱毛细管电压为-2 500 V，进行质谱分析，样品峰强度示于图4。实验结果表明，与铜材料基板相比，不锈钢抗反射基板对多种样品具有更好的分析效果。

图4 3种不同样品在铜基板或不锈钢基板的信号强度Fig.4 Intensity of three different samples on copper plate or stainless steel plate

根据以上实验优化结果，纺织品中有害物质的质谱检测均使用不锈钢抗反射基板，在质谱毛细管电压为-2 500 V，激光脉冲能量10 μJ的条件下进行。

2.2 方法性能考察

2.2.1纺织品中常见有害物质的AR-LDI质谱检测 选取经测定不含待测有害物质的纺织品作为空白样品，分别添加不同浓度的6种化合物标准品，包括邻苯二甲酸酯、己内酰胺和乙醇胺，以制备阳性样品。在激光离子化条件下，待测物分子离子多以[M+H]+的形式出现，利用飞行时间质谱仪高质量分辨率的优势，用一级质谱图即可实现检测。以信噪比S/N=3确定检出限，结果列于表1。

表1 6种目标化合物的检出限Table 1 Limits of detection (LODs) of the six target compounds

按照国家标准规定[28]，使用超声提取、气相色谱-质谱检测，纺织品中邻苯二甲酸酯的方法检出限为10 mg/kg，与本方法得到的检出限相当。邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙酯和邻苯二甲酸二丁酯的一级质谱图示于图5。

注：a.邻苯二甲酸二甲酯(9.7 mg/kg)；b.邻苯二甲酸二乙酯(11.1 mg/kg)；c.邻苯二甲酸二丙酯(12.5 mg/kg)图5 邻苯二甲酸酯的一级质谱图Fig.5 MS spectra of phthalate esters

按照国标方法，通过高温提取、高效液相色谱检测，食品接触材料和制品中己内酰胺的方法检出限为10 mg/kg[29]，相比之下，AR-LDI具有更低的检出限。己内酰胺的一级质谱图示于图6。

图6 己内酰胺(5.65 mg/kg)的一级质谱图Fig.6 MS spectrum of caprolactam (5.65 mg/kg)

根据国家标准[30]，通过超声提取、气相色谱-质谱检测化妆品中二乙醇胺和三乙醇胺，检出限分别为0.5、1 mg/kg，低于AR-LDI的检测限。表明AR-LDI对这2种物质的检测能力相对较弱，二乙醇胺和三乙醇胺的一级质谱图示于图7。

图7 二乙醇胺(104.4 mg/kg，a)及三乙醇胺(149 mg/kg，b)的一级质谱图Fig.7 MS spectra of diethanolamine (104.4 mg/kg, a) and triethanolamine (149 mg/kg, b)

2.2.2AR-LDI质谱对纺织品中有害物质的定量分析 为考察本方法的定量能力，使用邻苯二甲酸二甲酯为内标，对邻苯二甲酸二乙酯和邻苯二甲酸二丙酯进行定量分析。控制内标浓度为100 μmol/L，配制10、50、100、150、200 μmol/L一系列目标化合物混合标准工作溶液，添加到空白样品进行检测。以目标化合物的浓度为横坐标，目标化合物与内标信号峰的丰度比为纵坐标，绘制定量曲线，结果示于图8。其中，邻苯二甲酸二丙酯、邻苯二甲酸二乙酯分别在10～200、10～150 μmol/L浓度范围内呈现较好的线性关系。

图8 邻苯二甲酸二乙酯(a)和邻苯二甲酸二丙酯(b)的定量曲线Fig.8 Calibration curves of diethyl phthalate (a) and dipropyl phthalate (b)

2.3 实际样品检测

应用本研究建立的方法测定了购自本地超市和电商的6种纺织品，检测结果列于表2，仅1种样品中检测出己内酰胺，其他样品中均未检出上述有害物质。实际样品检测的质谱图示于图9。

图9 6种实际纺织品样品(纺织品1～6，a～f)的一级质谱图Fig.9 MS spectra of six real textile samples (sample 1-6, a-f)

表2 6种实际纺织品样品的检测结果Table 2 Screening results of six textile samples

为了验证方法的可靠性，取20 mg样品1，将其剪碎，置于试管中，加入500 μL甲醇，超声30 min，取少量样品溶液，采用nano-ESI离子源电离，QTRAP 4500质谱仪分析，对m/z114离子进行低能量碰撞诱导解离，碰撞能量为35 eV，比较其二级谱图与同样条件下19.5 mg/L己内酰胺标准溶液的二级谱图，结果示于图10。可见，二者的二级谱图非常接近，表明样品1中确实含有己内酰胺。

图10 标准溶液(a)和纺织品1提取液(b)的二级谱图Fig.10 MS/MS spectra of standard solution (a) and textile 1 (b)

3 结论

建立了基于微纳吸光材料的激光解吸附电离质谱法，并将其用于纺织品中6种有害物质的检测。该方法无需复杂的样品前处理过程，可在1 min之内完成检测，有效解决了传统的质谱检测方法操作繁琐、耗时冗长等问题，本方法有望应用于食品、化妆品、清洁剂等贸易产品的质谱快检以及人体、物体表面有害物质残留的检测。