气相色谱-串联质谱法同时测定硅橡胶餐具中21种硅氧烷类化合物的残留量

董 犇，张子豪，曾 莹，王 晶，钟怀宁，廖满生，刘中勇，陈 胜，蔡汶静，李 丹,*，郑建国

（1.广州海关技术中心，广东 广州 510623；2.中国检验认证集团广东有限公司，广东 广州 510623）

硅氧烷是一类含有(R2SiO)x结构的有机化合物，其主链通过（—Si—O—Si—）键构成，R代表甲基、苯基等取代基团[1]。当R基团全部被甲基取代，硅氧烷的主链结构可分为环型甲基硅氧烷（图1a）和线型甲基硅氧烷（图1b），分别用Ln和Dn表示（n为硅原子数）[2]。硅氧烷中的Si—O键不仅具有共价键性质，而且还有离子键的性质，因而其键能比一般有机化合物中的C—C和C—O的键能大[3-4]。此外Si—O—Si的键角较大，键长较长，因此硅氧烷链即使在较大温度范围内也可多方向自由旋转，因此硅氧烷对热和化学试剂稳定，且不被水润湿，具有耐高温、耐高氧化、耐臭氧、耐紫外辐射与生理惰性等特点，突出的耐老化性能、优异的疏水性与电绝缘性，使其广泛应用于耐热材料、耐腐蚀材料、食品接触材料、化妆品等领域[5-7]。

图1 环型甲基硅氧烷（a）和线型甲基硅氧烷（b）的化学式Fig.1 Cyclic methylsiloxane (a) and linear methylsiloxane (b)

硅橡胶是由硅氧烷聚合得到的，其主链由—Si—O—Si—交替构成，侧链通过—C—Si—C—连有2 个有机基团[8-9]。硅橡胶不仅保持了硅氧烷的特性和优点，而且还具有易脱模、稳定性好等特点，是高温烘焙食品用模具的优良选择[10]，作为餐具也受到了消费者的广泛青睐。随着人们对硅橡胶耐高温和耐油性能要求的提高，不同的取代基团也被逐渐引入到硅橡胶的侧链中，得到苯基、三氟丙基和腈基等硅橡胶。过去消费者一直认为硅橡胶材料及制品无毒无害。然而，近年来国内外的研究人员发现硅橡胶食品接触材料在使用过程中残留的硅氧烷及其低聚物可能会迁移到与其接触的食品中，给食品安全带来潜在风险[11-12]。

随着对硅橡胶研究和应用的日益深入，人们逐渐认识到硅橡胶制品中的某些硅氧烷类化合物属于生殖毒性物质[12]，其能在生物体内富集，导致生育能力受到损害。毒理学研究表明，低分子质量的硅氧烷化合物对哺乳动物的多种生理过程有直接或间接的毒性作用[13-15]。也有研究表明环三至环六的聚二烃基硅氧烷类化合物具有内分泌干扰作用[15-16]，对免疫系统[17]、肝脏、呼吸系统及神经系统均有不利影响[13]，还有可能引起慢性中毒甚至增加致癌几率。欧盟将环四聚二烃基硅氧烷定义为第3类对生殖有毒的物质。美国环保署也将环四至环六的聚二烃基硅氧烷定义为“高产量化学品”，还将其列入斯德哥尔摩持久性有机污染物约审议清单[18]。2009年《加拿大政府公报》先后将链状三聚二烃基硅氧烷和链状四聚二烃基硅氧烷等10 个有机硅化合物列为“有生物积累性、对非人类生物有毒”的化学物质[19]。2016年3月，欧盟社会经济分析委员会召开全体会议，做出了限制环四环五的聚二烃基硅氧烷投放的决定，欧盟与加拿大一致将低分子质量的甲基硅氧烷列为优先污染物。

硅橡胶中残留硅氧烷主要来源于生产过程中残留的原料和中间体。如环三聚二烃基硅氧烷（D3）、环四聚二烃基硅氧烷（D4）[20]、环五聚二烃基硅氧烷（D5）、环六聚二烃基硅氧烷（D6）、环七聚二烃基硅氧烷（D7）等甲基硅氧烷是生产硅橡胶的主要原料或中间体，在制备硅橡胶制品的过程中，部分硅氧烷单体反应不完全，生成的硅氧烷低聚物会残留在硅橡胶制品中，在使用过程中可能会迁移到食品基质中[8,21-22]。其次来源于硅橡胶老化过程释放出的硅氧烷化合物。在硅橡胶在使用过程中，使用性能随时间发生衰减的现象为硅橡胶的老化过程[22-24]。在高温使用过程中硅橡胶主要发生热氧老化[25]，此时主链上硅氧键会发生断裂、重排，从而生成一些如D3、D4、D5、D6以及线型硅氧烷和高环体等低分子硅氧烷，这些生成的硅氧烷会迁移到食品中[26-27]。对硅橡胶类食品接触材料中硅氧烷类化合物迁移量或残留量的检测已有文献报道[10-11,20]。目前硅橡胶类食品接触材料中硅氧烷类化合物的测定方法主要有液相色谱法、气相色谱法[28]和气相色谱-质谱法[7,29-30]，检测物质主要为甲基取代的环三聚硅氧烷、环四聚硅氧烷、环五聚硅氧烷和环六聚硅氧烷4 种化合物。近几年由于对硅橡胶工业研究的逐渐深入和检测技术的提高，研究同时检测多种合成硅橡胶残留甲基硅氧烷单体化合物的方法越来越多[31-34]。但对于同时测定一系列的链状甲基取代硅氧烷类化合物，聚合度从短碳链C3到长碳链C9等环状甲基取代硅氧烷类化合物，鲜见环状烯基取代硅氧烷类化合物、环状芳基取代硅氧烷类化合物等合成硅橡胶的残留单体物质的分析检测方法的相关标准或报道。现有方法对以上多种硅氧烷化合物的检测已无法满足日益严格的法规或食品安全标准要求，尤其无法满足硅橡胶制品的食品接触材料中多种残留硅氧烷单体化合物含量的检测要求，而且国内外尚无关于硅橡胶制品中多种残留硅氧烷类化合物测定的国际、国家、行业标准。因此，亟需建立一种简单高效、准确度高并且能同时测定硅橡胶餐具中多种硅氧烷类化合物残留量的检测方法。

气相色谱-串联质谱（gas chromatography-tandem mass spectrometry，GC-MS/MS）法不仅具有气相色谱的分离效果好、灵敏度高等优点，同时还具有选择性好、检出限低等优点。实验采用GC-MS/MS法，对硅橡胶餐具中21 种硅氧烷类在乙酸乙酯溶液中的提取量进行研究，建立的方法具有快速灵敏、检出限低、选择性好等优点，具有广泛的应用前景。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

硅橡胶餐具均由某供应商提供。

21 种硅氧烷类化合物（纯度≥98%） 德国Dr.Ehrenstorfer公司；3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷内标标准品（纯度≥98%） 上海安谱实验科技有限公司；乙酸乙酯（色谱纯） 德国Fisher公司。

1.2 仪器与设备

GC-MS/MS仪、 7890B-7000C三重四极杆串联质谱（带MassHunter软件数据处理系统） 美国安捷伦公司；分析天平（感量0.1 mg） 瑞士Mettler Toledo公司；有机微孔滤膜（0.2 µm） 天津津腾实验设备有限公司；AS 7240BT可控温型超声仪 天津奥特赛恩斯公司。

1.3 方法

1.3.1 色谱条件

色谱柱：ZB-5HT INFERNO石英毛细管柱（15 m×0.25 mm，0.10 µm）；升温程序：初温35 ℃保持3 min，以8 ℃/min升温至110 ℃，再以30 ℃/min速率升至350 ℃保持5 min；进样口温度300 ℃；载气氦气，流速1.2 mL/min；进样量1 µL；进样方式：不分流进样。分流出口吹扫流量50 mL/min，吹扫时间1 min。

1.3.2 质谱条件

离子源：电子电离（electron ionization，EI）源；电离能量70 eV；离子源温度230 ℃；四极杆质量分析器温度150 ℃；传输线温度320 ℃；溶剂延迟1 min；检测方式：多反应监测（multiple reaction monitoring，MRM）模式；运行时间25 min（后运行1 min）；质量扫描范围m/z35～750。

1.3.3 标准溶液的配制

1.3.3.1 标准储备溶液与标准中间溶液

准确称取21 种硅氧烷类化合物标准品各0.010 0 g，分别置于21 个10 mL棕色容量瓶中，用乙酸乙酯溶解稀释至刻度，混匀。各标准储备溶液的质量浓度为1 000 mg/L。

准确移取各硅氧烷类化合物标准储备溶液100 μL于同一个10 mL棕色容量瓶中，用乙酸乙酯定容至刻度，得到质量浓度10 mg/L混合标准中间液。

1.3.3.2 内标化合物标准储备溶液与中间溶液

准确称取3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷标准品0.010 0 g，置于10 mL棕色容量瓶中，用乙酸乙酯溶解、混匀并稀释至刻度；溶液的质量浓度为1 000 mg/L。

准确移取内标化合物标准储备溶液100 μL到10 mL棕色容量瓶中，用乙酸乙酯定容至刻度，得到质量浓度10 mg/L内标化合物标准中间溶液。

1.3.4 标准工作溶液的配制

准确移取50、100、250、500、1 000、2 500 μL的硅氧烷类化合物混合标准中间液于6 个10 mL容量瓶中，分别向其中加入500 μL 10 mg/L内标标准中间液，乙酸乙酯定容至刻度，摇匀后得到含内标质量浓度为0.5 mg/L的硅氧烷类化合物系列标准工作溶液，质量浓度分别为0.05、0.1、0.25、0.5、1.0、2.5 mg/L。

1.3.5 试样制备

1.3.5.1 试样的预处理

称取约2.00～4.00 g硅橡胶样品，将样品用剪刀剪成5 mm×5 mm×5 mm的小块，装入预先准备好的冷冻粉碎钢瓶内，用液氮冷冻粉碎样品3 min，直至样品呈100～200 μm颗粒大小的粉末状固体。

1.3.5.2 试样的提取

称取2.0 g（准确至0.1 mg）硅橡胶冷冻粉碎样品，置于洁净的25 mL旋盖瓶中，加入10 mL乙酸乙酯和500 μL内标标准中间液。（40±5）℃密封超声萃取30 min，冷却至室温后过滤，用2 份5 mL乙酸乙酯冲洗样品，合并洗涤液，转移至50 mL圆底烧瓶，经45 ℃、3.6×103psi真空度旋转蒸发浓缩提取液至5 mL，转移至10 mL容量瓶中，乙酸乙酯定容至刻度。经0.2 µm滤膜过滤后供GC-MS/MS进样。

1.3.5.3 空白试样的制备

按上述操作过程进行方法空白试样的制备。

1.3.6 GC-MS/MS分析及阳性结果确证

使用GC-MS/MS条件测定试样和标准工作溶液，若样品的质量色谱峰保留时间与标准品一致，所有选择离子对均应出现，则根据定性选择离子对的种类及其相对丰度比，对其进行阳性确证。定性时，其相对丰度允许偏差不超过表1规定的范围，则可判定样品中存在对应的被测物。

表1 阳性结果确证时相对离子丰度比的最大允许偏差Table 1 Maximum allowable deviation of relative ion abundance ratio for confirmation of positive results

对空白试液和方法空白样品依次进样，扣除空白本底后，得到各硅氧烷类化合物的色谱峰面积，每个溶液平行进样2 次，计算峰面积平均值。在试样和标准工作溶液的整个测定过程中确保操作条件一致。采用内标法定量。

2 结果与分析

2.1 样品萃取溶剂的选择

硅氧烷类化合物能溶于乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮、正己烷和环己烷等有机溶剂中。取一定量含有D3、D4、D5、L6和D3A共5 种硅氧烷的阳性样品，冷冻粉碎后分别用乙酸乙酯、正己烷、二氯甲烷、丙酮、环己烷进行超声提取，提取的5 种硅氧烷总量回收率与5 种硅氧烷在不同溶剂中各自回收率结果见表2与图2。二氯甲烷对硅氧烷有熔融分解作用，溶解出的硅氧烷片段会对目标物产生干扰；其他4 种溶剂中正己烷对线型的L6提取效率较高，但正己烷与环己烷对含有多苯基的环硅氧烷提取效率不高，影响硅氧烷总量提取回收率；其余两个溶剂中乙酸乙酯的提取效率略高于丙酮。5 种不同物质在几种溶剂的萃取效率比较中，因D3和D4本身容易挥发，导致回收率偏低，考虑到提取时需要加热超声提取，最终选择沸点较高的乙酸乙酯作为提取溶剂。

表2 硅氧烷类化合物萃取溶剂选择Table 2 Effect of extraction solvents on total recovery of siloxane compounds

图2 4种萃取溶剂对不同硅氧烷类化合物的萃取效率Fig.2 Extraction efficiencies of four different solvents for different siloxane compounds

2.2 超声提取时间与温度的选择

取上述经冷冻粉碎处理后的阳性硅橡胶样品，用乙酸乙酯作为提取溶剂，分别考察15、30、45、60 min提取时间和30、40、50、60 ℃提取温度下，5 种硅氧烷类化合物的提取效率。结果表明，提取时间在30 min以上时，样品中硅氧烷类化合物浓度趋于稳定；在提取温度大于40 ℃时，分子质量较低的硅氧烷类化合物D3、D4H、L3浓度有所下降，且温度较高时不利于乙酸乙酯的提取。最终选择萃取时间为30 min，萃取温度为40 ℃时进行实验。

2.3 色谱柱的选择

考虑到目标硅氧烷类化合物既有D3、D4H等的低沸点组分，也有D3A、D4A等高沸点组分，出峰时间较长，且化合物结构均为对称性良好的低极性化合物，因此选择甲基、苯基官能团键合相的DB-1（30 m×0.25 mm，0.25 µm）、DB-5MS UI（30 m×0.25 mm，0.25 µm）、DB-35MS（30 m×0.25 mm，0.25 µm）、ZB-5HT（15 m×0.25 mm，0.1 µm）、ZB-35HT（15 m×0.25 mm，0.1 µm）5 种温度适用范围较宽且均为中等极性的色谱柱，结果表明，目标化合物在5 种色谱柱上均能分离，在15 m的（5%苯基）甲基聚硅氧烷和（35%苯基）甲基聚硅氧烷色谱柱在上也有较理想的分离效果，但由于长色谱柱的分离时间较长，因此最终选ZB-5HT（15 m×0.25 mm，0.1 µm）色谱柱，既节约时间，也可获得很好的分离效果。

2.4 进样口温度优化

考虑到目标硅氧烷类存在D4P、D5P、D4A等高沸点的化合物。在确定以上萃取和分离条件后，用分子质量最大的D4A的标准工作溶液对进样口温度进行优化，结果见表3。随着进样口温度的升高，D4A峰面积逐渐增大，在280～300 ℃之间达到最大，高于300 ℃，随着进样口温度的升高，峰面积变化不大。因此，选择300 ℃为最佳进样口温度。

表3 进样口温度选择Table 3 Effect of inlet temperature on peak area of D4A

2.5 质谱条件的选择

将21 种硅氧烷类化合物和内标物标准溶液逐个在EI全扫描模式下进行一级质谱扫描，发现低质量数环状与链状硅氧烷类化合物易于形成丢失—CH3的分子离子峰[M-15]+，如图3a所示的D3 [222-15]+（M=207），L4[240-15]+（M=225），如图3b和3c所示的D5[370-15]+（M=355）和D6[444-15]+（M=429）；高质量数的环状和链状硅氧烷类化合物除易于形成丢失—CH3的分子离子峰[M-15]+外，还易于形成聚合数更低更稳定的分子离子峰，如D7的主要分子离子峰[281]+，如图3d所示的D8分子离子峰[355]+，L6的分子离子峰[221]+；其次，含有苯基的硅氧烷类化合物更易于形成丢失—C6H5的分子离子峰，如D3P与D4P。分别选取以上各物质的质谱图中响应强度较大的离子为母离子，以5～60 eV的碰撞能量进行子离子模式扫描，结果表明，21 种硅氧烷类化合物中，环状硅氧烷类化合物均易于形成[CH3SiO2]+（M=75）的子离子，链状硅氧烷类化合物均易于形成[C2H5SiO]+（M=73）的子离子；21 种硅氧烷类化合物优化后的MRM参数见表4。

表4 21 种硅氧烷类化合物MRM数据采集信息Table 4 MRM data acquisition information of 21 siloxane compounds

图3 D3（a）、D5（b）、D6（c）和 D8（d）在EI-MS下的全扫描一级质谱图Fig.3 Primary mass spectrum of D3 (a), D5 (b), D6 (c) and D8 (d)

2.6 21 种硅氧烷类化合物测试的总离子流图

在以上优化后的实验条件下，21 种硅氧烷类化合物的GC-MS/MS MRM总离子流图如图4所示。

图4 21种硅氧烷类化合物在ZB-5HT色谱柱上的GC-MS/MS MRM总离子流图Fig.4 MRM total ion current chromatograms of 21 siloxane compounds on a ZB-5HT column

2.7 标准工作曲线线性关系

按照优化后的测试条件，对标准工作溶液（0.05～2.50 mg/L）进行检测，以峰面积（Y）对21 种硅氧烷类化合物质量浓度（X）制作标准工作曲线Y=aX+b。结果表明，其质量浓度与响应值有良好的线性关系，线性方程及相关系数见表5。21 种硅氧烷类化合物的线性范围广，其中D3P、D4P、D5P这3 种物质因含有几种同分异构体色谱峰，导致相关系数相对较低。所有物质的线性相关系数均不小于0.995 1，能很好地满足测试工作的需要。

表5 21 种硅氧烷类化合物的线性关系Table 5 Regression equations, correlation coefficients, detection limits and quantitative limits of 21 siloxane compounds

2.8 检出限与定量限测定结果

根据21 种硅氧烷类化合物在GC-MS/MS检测的灵敏度测定检出限、定量限。用上述带有空白样品基质的乙酸乙酯提取液配制成质量浓度为0.05～0.50 mg/L的系列标准溶液，按照优化后的测试条件测试，以3 倍信噪比作为检出限，并用得到的检出限通过7 次重复实验的标准偏差验证检出限的有效性，有效性=标准偏差SMDL×系数T（n-1，1-α=0.99），其中，当重复次数为7、置信度为99%时，T为3.143，计算得到数值不大于信噪比得到的检出限时成立。以10 倍信噪比作为定量限，根据信噪比结果可知，部分物质检出限和定量限可以更低，但不同仪器的灵敏度不同，因此未必均能达到非常低的水平，基于最不灵敏的化合物的检出限和定量限进行统一规定，这样更能体现标准的普适性，在操作上也更便捷。因此本方法中除D3P、D4P、D5P之外其余硅氧烷化合物的检出限均为0.05 mg/L，定量限均为0.10 mg/L。对定量限0.10 mg/L进行精密度及回收率的实验，由表6可知，定量限满足回收率与精密度要求。

表6 21 种硅氧烷类化合物的回收率和精密度Table 6 Recoveries and precision of 21 siloxane compounds in spiked samples

续表6

2.9 方法的回收率和精密度实验结果

采用空白样品加标的方式进行21 种硅氧烷类化合物的回收率实验。分别于3 个本底不含硅氧烷类化合物的空白样品加入一定量标准品，按1.3.5.2节方法提取，使最终21 种目标物的质量浓度分别为0.10、0.50、2.50 mg/L，对3 个加标样品进行测定，每个添加量样品单独测定6 次，进行回收率和精密度实验，结果详见表6。本方法测定硅橡胶制品中21 种硅氧烷类化合物的加标回收率在91.3%～107.8%之间，相对标准偏差均低于5.0%，表明本方法具有良好的回收率和精密度。

2.10 实际样品测试结果

利用本方法对10 款市售硅橡胶餐具样品进行测试。测试结果表明，有6 款样品检出化合物D3、D6和D7[35]，其残留量分别在0.45～1.87、0.57～1.80 mg/kg和0.68～1.98 mg/kg之间，其余硅氧烷类化合物未检出。以上结果表明本方法可用于实际样品的检测。

3 结 论

本实验采用GC-MS/MS法建立了硅橡胶耐热材料及制品中21 种硅氧烷类化合物残留量的分析方法。21 种硅氧烷类化合物在0.05～2.50 mg/L质量浓度范围内线性关系良好，仅D3P、D4P和D5P检出限为0.20 mg/kg，其余化合物检出限均为0.05 mg/kg。添加量为0.1、0.5、5.0 mg/L时，21 种化合物的加标回收率为91.3%～107.8%，相对标准偏差均低于5.0%。研究结果表明该方法具有灵敏度和准确度高、操作简单、抗干扰能力强等优点，能够满足硅橡胶耐热材料及制品中21 种硅氧烷类化合物残留量的日常检测需求。