超高效液相色谱-线性离子阱/静电场轨道阱高分辨质谱法快速检测化妆品中22种功效成分

熊陈思慧, 定天明, 刘 杰, 易 鸥, 丁晓萍*, 谢 云

(1. 湖北中医药大学药学院, 湖北 武汉 430065; 2. 湖北省药品监督检验研究院,湖北 武汉 430075; 3. 武汉美之修行信息科技有限公司, 湖北 武汉 437000)

近年来,含有美白祛斑、抗衰单体成分和植物原料的化妆品受到了广大消费者的青睐,尤其是植物活性成分,因符合消费者天然的护肤理念,越来越多的商家将产品研发重心倾向于植物护肤和单体活性成分联合使用[1]。植物成分在皮肤美白、保湿、抗衰老、防晒、抗炎以及化妆品的防腐抑菌等方面发挥着重要作用,例如苦参、红景天、人参、积雪草、茶叶等提取物,具有美白祛斑、抗炎、抑菌、抗皱等作用[2]。此外,还有一些单体功效成分,在一定浓度范围内具有明显的保湿、美白祛斑、抗氧化作用,例如烟酰胺、抗坏血酸葡糖苷、咖啡因、泛醇[3]。化妆品因配方不同而植物提取物添加量各异,如何检测化妆品中植物提取物的添加量,进而与产品的相应功效关联,目前尚无相关标准方法。此外,因微量添加无法检测而存在的产品标签虚假标示因缺乏技术支撑而难以判定。

目前,化妆品中单体功效成分和植物活性成分的检测方法已有报道[4-6]。HPLC方法已被用于单体功效成分烟酰胺、抗坏血酸葡糖苷、咖啡因等的检测[7,8]。LC-MS/MS方法被用于检测茶叶、甘草提取物等样品中的功效成分[9,10]。然而,LC-MS/MS适用于已知目标物的分析,在没有标准品和短时间内难以建立检测方法的情况下,很难快速完成检测。而兼具离子阱和高分辨质谱平行检测能力的线性离子阱/静电场轨道阱高分辨质谱检测系统(LTQ/Orbitrap MS),可以通过目标成分的一级精确质量数和二级碎片离子定性,无需对照品即可完成快速筛查和确证。

鉴于此,本研究运用超高效液相色谱(UHPLC)-LTQ/Orbitrap MS方法,采用全扫模式,建立了水、乳、霜基质类化妆品中22种功效成分的检测方法,为化妆品中功效成分的检测提供技术支持,更好地服务于化妆品监管工作。

1 实验部分

1.1 仪器与装置

Thermo U3000液相色谱仪,Thermo Scientific LTQ-Orbitrap XL组合式高分辨质谱仪,Thermo ST16台式离心机均购自美国Thermo Fisher公司;Vortex-Genic2旋涡混合器(美国Scientific Industries公司); Hyper Sonic DT-A超声波清洗仪(鼎泰恒胜公司); 45位N-EVAP氮吹仪(美国Organomation公司); Milli-Q A10超纯水机(美国Millipore公司); Mettler Toledo电子天平(梅特勒-托利多(上海)公司)。

1.2 主要材料与试剂

甲醇、乙腈(色谱纯,Merck公司);甲酸(色谱纯,阿拉丁公司)。

对照品:表没食子儿茶素(批号PF200906-11,纯度98.8%, CAS No. 970-74-1),甘草酸(批号Q5640050,纯度99.8%, CAS No. 1405-86-3),毛蕊花糖苷(批号F2190020,纯度98.4%, CAS No. 61276-17-3)购于上海安谱实验科技股份有限公司;表儿茶素没食子酸酯(批号PF201115-07,纯度98.74%, CAS No. 1257-08-5),咖啡因(批号SM201023-13,纯度100%, CAS No. 58-08-2),泛醇(批号SM190124-02,纯度98.30%, CAS No. 81-13-0),抗坏血酸葡糖苷(批号YT201008-15,纯度99.08%, CAS No. 129499-78-1),虎杖苷(批号PS210713-05,纯度99.87%, CAS No. 27208-80-6),黄芪甲苷(批号PF200906-11,纯度99.06%, CAS No. 84687-43-4)购于美国Stanford Chemicals公司;苦参碱(批号110805-202010,纯度98.7%, CAS No. 519-02-8),氧化苦参碱(批号110780-201909,纯度92.9%, CAS No. 16837-52-8),烟酰胺(批号100115-202005,纯度99.9%, CAS No. 98-92-0),短葶山麦冬皂苷C(批号111908-201102, CAS No. 130551-41-6),山麦冬皂苷B(批号111907-201804, CAS No. 87425-34-1),甘草次酸(批号110723-201715,纯度99.6%, CAS No. 471-53-4),甘草苷(批号111610-201908,纯度95.0%, CAS No. 551-15-5),大黄素(批号110756-201913,纯度96.0%, CAS No. 518-82-1),积雪草苷(批号110892-202006,纯度93.8%, CAS No. 16830-15-2),羟基积雪草苷(批号110893-202105, 纯度为93.7%, CAS No. 34540-22-2),人参皂苷Rb1(批号110704-202129,纯度94.3%, CAS No. 41753-43-9),人参皂苷Re(批号110754-202129,纯度96.0%, CAS No. 52286-59-6)购于中国食品药品检定研究院;麦冬皂苷D(批号G21O11L128330,纯度98.0%, CAS No. 41753-53-3)购于源叶生物科技有限公司。

1.3 标准溶液的配制

精密称取各对照品约5 mg用于配制标准溶液。抗坏血酸葡糖苷置于10 mL容量瓶中,用纯水溶解,再用甲醇定容;甘草酸置于另一10 mL容量瓶,用甲醇溶解后定容;两种标准溶液需临用新配。另将大黄素和泛醇置于同一10 mL容量瓶中,用甲醇溶解后定容;其他对照品置于同一10 mL容量瓶中,用甲醇溶解后定容;所有储备液保存于-20 ℃ 的冰箱中。

精密量取适量4种标准储备液,置于10 mL容量瓶中,用甲醇定容,得到质量浓度约为100 g/L的混合标准溶液,临用时,再用甲醇逐级稀释成所需质量浓度的混合标准溶液。

1.4 样品溶液的制备

准确称取样品约0.2 g置于5 mL容量瓶中,加入甲醇定容至5 mL,涡旋1 min,超声提取15 min,离心,取出上清液,部分样品需要在40 ℃氮吹后复溶到1 mL,再经0.22 μm微孔滤膜过滤到进样小瓶中,待测。

部分样品中待测物质含量因超出线性范围,采用甲醇稀释后进行测定。

1.5 仪器分析

1.5.1液相色谱条件

色谱柱:Xtimate UHPLC C18 (100 mm×2. 1 mm, 1. 8 μm,美国Welch公司);流动相:0.1%(v/v)甲酸水溶液(A)和乙腈(B);梯度洗脱程序:0～5 min, 5%B～8%B; 5～25 min, 8%B～60%B; 25～35 min, 60%B～80%B; 35～36 min, 80%B～5%B; 36～45 min, 5%B;流速:0. 3 mL/min;进样量:5 μL;柱温:30 ℃。

1.5.2质谱条件

电喷雾离子源(ESI)正离子模式;鞘气(N2)和辅助气(Ar)流速分别为40和10 arb (arbitrary unit);毛细管温度300 ℃;离子源电压2. 5 kV,电流100 μA;一级质谱质量扫描范围为m/z100～1 300,分辨率为60 000;多级质谱采用高能碰撞诱导解离(HCD)模式,依赖一级质谱扫描中的第1到第4强峰,分辨率15 000; HCD裂解能量为归一化能量35%。22种功效成分的质谱分析参数见表1。

表 1 22种功效成分的UHPLC-LTQ/Orbitrap MS分析参数Table 1 Analytical parameters of the 22 functional components using ultra-high performance liquid chromatography-linear ion trap/orbitrap high resolution mass spectrometry (UHPLC-LTQ/Orbitrap MS)

2 结果与讨论

2.1 植物提取物和单体成分的选择

采用美丽修行大数据平台,对化妆品中使用频次较高的植物提取物和单体功效成分进行分析和统计(见图1),发现甘草类(光果甘草根茎叶、甘草根、胀果甘草根)、麦冬根、人参根、黄芪根、虎杖根、苦参根、地黄根、积雪草、茶叶提取物与烟酰胺、泛醇、咖啡因、抗坏血酸葡糖苷等单体成分在化妆品中使用较多,因此,本研究选择含有上述植物提取物和单体功效成分的产品为研究对象。

图 1 截至2021年12月美丽修行数据库中单体功效成分和植物提取物在化妆品中的历史使用次数Fig. 1 Statistical frequencies of functional monomer components and plant extracts applied in cosmetics obtained from Beauty Evolution database before December, 2021

鉴于植物提取物中成分复杂,根据文献[11]报道和2020年版《中国药典》中各药材的检测指标,积雪草提取物(Centellaasiaticaextract)的功效成分为积雪草苷和羟基积雪草苷;甘草类(光果甘草根茎叶、甘草根、胀果甘草根)提取物(licorice extract)的功效成分为甘草次酸、甘草酸、甘草苷[12];麦冬提取物(Ophiopogonjaponicusroot extract)的功效成分为麦冬皂苷D、山麦冬皂苷B,短葶山麦冬皂苷C[13];茶叶(茶)提取物(tea extract)的功效成分为咖啡因、表没食子儿茶素、表儿茶素没食子酸酯[14];人参根提取物(ginseng extract)的功效成分为人参皂苷Re和人参皂苷Rb1[15];膜荚黄芪根提取物(Astragalusmembranaceusroot extract)的功效成分为黄芪甲苷[16];虎杖根提取物(Polygonumcuspidatumroot extract)的功效成分为大黄素和虎杖苷[17];苦参根提取物(Sophoraangustifollaroot extract)的功效成分为苦参碱和氧化苦参碱[18];地黄根提取物(Rehmanniaglutinosaroot extract)的功效成分为毛蕊花糖苷[19],选择上述植物中代表性成分对产品中添加的植物提取物进行筛查和检测。考虑到化妆品中植物提取物添加量低,选择植物提取物在外包装标签标示靠前的54批产品作为检测样品,其中水剂25批、乳剂19批,霜膏基质10批。

2.2 UHPLC-LTQ/Orbitrap MS分析条件的选择

首先考察了甲醇-0.1%甲酸水溶液、乙腈-0.1%甲酸水溶液两种流动相在相同梯度洗脱条件下,对物质分离的影响。结果表明,乙腈-0.1%甲酸水溶液作为流动相,能够较好地分离各物质成分,且峰形和分辨率较好。

在1.5.1节色谱条件下,优化干燥气温度、流速以及离子源温度等质谱参数。采用全扫模式可以获得各物质较好的峰形。在正、负离子模式下,采用归一化能量为30%、35%、40%和45%高能碰撞解离,获取二级碎片离子,结果表明在正离子模式下,归一化碰撞能量为35%时,多数化合物碎片离子丰富,便于确定目标成分。各物质的总离子流图及提取离子色谱图见图2。

图 2 22种功效成分的总离子流图及提取离子色谱图Fig. 2 Total ion current chromatogram and extracted ion chromatograms of the 22 functional components Peak identifications: 1. nicotianamine; 2. ascorbyl glucoside; 3. matrine; 4. oxymatrine; 5. D-panthenol; 6. epigallocatechin; 7. caffeine; 8. acteoside; 9. epicatechin gallate, 10. polydatin; 11. liquiritin; 12. ginsenoside Re; 13. madecassoside; 14. asiaticoside; 15. ginsenoside Rb1; 16. astragaloside A; 17. glycyrrhizinic acid; 18. liriope muscari baily saponin C; 19. emodine; 20. ophiopogonin D; 21. liriopesides B; 22. glycyrrhetic acid.

2.3 样品前处理条件的优化

以水、乳、霜为样品基质,分别选用不同体积分数的甲醇(20%、50%、80%、100%)水溶液进行提取,以加标回收率为指标考察提取效果。结果表明,采用甲醇-水体系时,当甲醇体积分数降低到50%时,提取液乳化现象严重,加入饱和氯化钠溶液且增加离心速率较难消除乳化效应,在乳、霜基质中100%甲醇的净化效果优于80%甲醇。根据功效成分的溶解性及回收率的结果,100%甲醇提取22种功效成分均能得到理想的提取效果。因此,本试验确定提取液为甲醇。

2.4 方法学评价

2.4.1线性关系和检出限

考察了混合标准溶液中各目标化合物的线性关系,以目标化合物的含量(x, mg/kg)和准分子离子峰面积(y)绘制标准曲线。各化合物的线性方程、相关系数(R2)、线性范围见表2。结果表明,各化合物的线性关系良好。由于高分辨质谱的基线噪声较低,以S/N方法计算出的检出限可能与方法的实际检测值存在差别,本研究采用混合标准溶液逐级稀释至仪器能检出的最低含量作为各化合物的检出限(见表2),定量限根据检出限经实测确定。

表 2 22种成分的回归方程、相关系数、线性范围、检出限、定量限Table 2 Regression equations, correlation coefficients (R2), linear ranges, limits of detection (LODs), and limits of quantification (LOQs) for the 22 functional components

2.4.2方法回收率和精密度

精密称取乳剂、霜膏基质和水剂的空白样品0.2 g,分别添加低、中、高3个质量浓度水平的22种成分的混合标准溶液,根据建立的检测方法进行加标回收试验。每个质量浓度重复测定3次,计算回收率和相对标准偏差(RSD),水、乳、霜3种基质的加标回收率分别为63.2%～116.3%、63.6%～125.1%、68.9%～119.4%, RSD分别为0.18%～9.9%、0.78%～10.3%、0.78%～10.9%,结果表明,在3个不同水平下加标回收率均能满足实验要求。通过对乳剂加标回收率的结果分析,发现甘草苷、黄芪甲苷、短葶山麦冬皂苷C、麦冬皂苷D的回收率超过120%,对于这4种物质的测定采用了基质标准曲线对基质干扰问题进行校正,结果发现其加标回收率为84.6%～113.4%, RSD为1.1%～4.9%,表明在乳剂中几种成分存在一定的基质干扰。

选择线性范围内中浓度的混合标准溶液添加到水、乳、霜空白样品中,在相同条件下平行处理6份,以6次测定的峰面积计算方法精密度,水剂中22种成分的RSD为0.96%～6.4%,乳剂中22种成分的RSD为1.4%～6.7%,霜膏基质中22种成分的RSD为2.0%～10.5%。

2.5 样品测定结果

按照所建立方法测定了2.1节所述的54批样品,均未检出地黄根提取物、虎杖根提取物、麦冬根提取物的代表物质,另6种植物提取物和4种单体功效成分检测结果见表3。

54批样品检测结果发现,17批标示烟酰胺、4批标示咖啡因、6批标示苦参根提取物的样品均检出相应功效成分;11批标示泛醇的样品有1批未检出;7批标示抗坏血酸葡糖苷的样品有3批未检出;21批标示甘草类提取物(光果甘草根茎叶、甘草根、胀果甘草根)的样品有9批未检出相应功效成分;21批标示积雪草提取物的样品有11批未检出相应功效成分;13批标示茶(茶叶)提取物的样品有8批未检出相应功效成分;12批人参根提取物的样品有11批未检出相应功效成分;6批膜荚黄芪根提取物的样品有5批未检出相应功效成分。

综上所述,单体功效成分基本能够检出,而植物提取物的功效成分存在多批次未检出。由于目前植物提取物原料缺乏基于功效成分的检测方法和标准,导致无法对产品标示植物提取物进行质量控制,因此,建立基于功效物质的植物提取物原料及产品的检测方法及标准,为进一步规范市场行为、更好地服务化妆品监管,具有一定的意义。

3 结论

本研究建立了化妆品中22种功效成分的超高效液相色谱-线性离子阱/静电场轨道阱质谱检测方法,研究结果表明该方法灵敏、准确,重复性好,能够高效筛查和检测化妆品中22种功效成分,为化妆品中植物提取物和单体功效成分的检测以及化妆品监管工作提供了一种技术手段。