GC-Orbitrap MS非靶向筛查进口儿童纺织品中未知化学危害物

刘雅慧，李红艳，孔祥伟，王志娟，张 庆，马 强，吕 庆

(1.中国检验检疫科学研究院，工业与消费品安全研究所，国家市场监管重点实验室(消费品质量安全检测与风险评估)，北京 100176；2.浙江省产品质量安全科学研究院，浙江 杭州 310018；3.北京凯隆分析仪器有限公司，北京 101102)

近年来，我国纺织服装产品进口规模快速增长，已成为世界第二大进口国。同时，儿童消费市场持续扩大，消费观念转向追求品质化、品牌化的高端领域，特别是进口儿童纺织品颇受消费者青睐。儿童纺织品的质量安全，尤其是化学成分安全非常重要，使用不安全的产品给儿童带来的危害是难以估量的[1]。纺织品原材料可能含有化学污染物，在加工、运输、包装、储存等各环节都可能受到化学品的污染[2-3]。目前，涉及儿童纺织品的主要法规包括国际环保纺织协会的Oeko-Tex认证、服装及鞋袜国际RSL管理工作组限制物质清单(AFIRM RSL)、美国服装鞋类协会限制物质清单(AAFA RSL)、欧盟REACH法规、美国CPSIA法案、以及我国的纺织品强制性标准“国家纺织产品基本安全技术规范”[4]和“婴幼儿及儿童纺织产品安全技术规范”[5]等。

当前，对纺织品的化学安全研究通常聚焦于法规中规定的特定目标物质，主要是检测样品中目标物质的含量以判定是否符合法规要求。对纺织品中邻苯二甲酸酯[6]、有机锡[7]、有机磷阻燃剂[8]、芳香胺[9]、多环芳烃[10]、苯并噻唑[11]、偶氮染料[12]等多种物质的检测方法已有报道。有研究[11-12]对儿童纺织品中的化学物质进行风险评估，以探究其可能给儿童健康带来的危害。实际上，即使产品中的已知化学物质符合法规要求，但存在的其他未知化学物质仍可能会对儿童健康构成潜在危害。因此，有必要采用非靶向方法筛查儿童纺织品中潜在的化学物质，以更全面地排查产品中的化学风险。目前，已有研究利用液相色谱-高分辨质谱(LC-HRMS)对儿童服装中特定类别的物质，如偶氮染料[12]，以及儿童口罩中荧光增白剂[13]进行非靶向筛查。

未知物的鉴定复杂且耗时，定性结果的准确可靠是非常关键的。如果同系物之间的谱图相似或异构体碎片离子存在的差异较小，则低分辨质谱难以得到准确的鉴定结果[14-15]，而高分辨质谱(Orbitrap、TOF等)具有更高的分辨率、质量准确度、灵敏度和选择性，是当前开展非靶向研究的有力工具[16-17]。气相色谱-轨道阱高分辨质谱(GC-Orbitrap MS)集合了气相色谱和高分辨质谱的优点，在分析未知小分子物质方面具有优势[18-20]，如高达24万的分辨率；超过30万种物质的商业化标准谱库；高分辨过滤值(HRF)，即碎片离子的实测值与标准谱库中相应碎片离子元素组成相符的精确质量百分比；多种电离模式能提供丰富的质谱碎片信息；色谱保留指数(RI)可与谱库中的标准物质进行对比。目前，该技术在环境、食品接触材料等领域非靶向筛查的应用越来越多[17,20-23]，但尚未见在儿童纺织品中应用的报道。

本研究拟开发一种可靠的非靶向筛查方法，通过GC-Orbitrap MS快速准确地鉴定进口儿童纺织品中潜在的化学物质。根据鉴定物质的检出率、毒性和响应强度，揭示进口儿童纺织品中具有较高风险的化学物质。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Q Exactive GC-Orbitrap型气相色谱-四极杆-静电场轨道阱质谱仪：美国Thermo Fisher公司产品；P300H超声清洗机：德国Elma公司产品；甲醇(色谱纯)：美国Fisher公司产品；C7～C40正构烷烃混合溶液：美国Sigma-Aldrich公司产品。

1.2 实验条件

1.2.1色谱条件 HP-5MS色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；载气：高纯氦气(99.999%)；进样体积1 μL；EI电离模式下采用分流进样，分流比20∶1；正化学电离(PCI)模式下采用不分流进样；载气流速1.0 mL/min；进样口温度280 ℃，传输线温度250 ℃；柱箱升温程序：初始温度40 ℃，保持1 min，以8 ℃/min升至310 ℃，保持5 min。

1.2.2质谱条件 全扫描模式(full-scan)，质量扫描范围m/z50～600，分辨率设为60 000 FWHM，分别在EI、PCI模式下检测每个样品。EI电离能量70 eV；PCI采用甲烷反应气，流速1.5 mL/min；溶剂延迟3.5 min；离子源温度280 ℃，传输线温度250 ℃；C-trap和HCD碰撞气为高纯氮气(99.999%)；C-trap最大目标容量(AGC target)1×106；最大注入时间200 ms；质量公差窗口5 ppm。

1.3 样品前处理

将样品剪成小于5 mm×5 mm的碎片，混合均匀，准确称取(0.5±0.01) g样品于具塞玻璃比色管中，加入20 mL甲醇，超声提取30 min，取上层清液，待分析。

空白样品：除不添加样品外，其余操作与实际样品处理步骤一致。

1.4 数据处理

使用Thermo ScientificTMTraceFinderTM4.1软件进行数据采集和处理，通过谱图解卷积得到未知物较为“纯净”的质谱图，然后与NIST 2014标准谱库进行对比。解卷积参数设置如下：TIC强度阈值2×106，质量数容许窗口范围±5 ppm，信噪比阈值3，解卷积碎片离子匹配值99%，保留时间矫正窗口10 s。

筛查方法工作流程：首先，在EI模式下对样品中检出阈值2×106以上的未知峰扣除空白后进行分析；然后，按照4个步骤定性鉴定未知物。步骤1，基于综合评分(检索索引(SI)、高分辨过滤值(HRF)等)和色谱保留指数偏差(ΔRI)进行初步鉴定。SI值表示与NIST谱库对比时实测谱图与标准谱图之间的正匹配度，HRF值和SI值越高，说明检索结果的可靠性越高。样品分析前，用相同的分离方法分析C7～C40正构烷烃，确定各烷烃的保留时间，计算未知物质的保留指数；通过与标准谱库中所含化合物的保留指数进行比较，计算ΔRI，ΔRI值越小意味着结果越可靠。步骤2，通过采集PCI数据进一步确定未知物的分子离子峰和分子式，以解决多个候选物综合评分相似时难以定性的问题。步骤3，通过比较质谱碎片离子细节上的微小差异，从较难区分的多个同分异构体候选物中鉴定出最可能的物质。步骤4，使用化学标准品进行验证。最后，通过对样品中鉴定出的物质进行分析，根据物质的检出率、毒性和响应强度，筛选出产品中具有较高风险的物质。

2 结果与讨论

2.1 基于综合评分和保留指数的初步鉴定

基于综合评分、SI值和HRF值对未知物的所有检索结果排序。ΔRI是定性分析的重要参数，ΔRI≤50可以提高定性的可靠性。然而，有些化合物在NIST谱库中没有保留指数数据，因此无法获得它们的ΔRI。理论上，当SI≥700，HRF≥90，综合评分≥90，ΔRI≤50时，鉴定结果的准确性较高。样品中未知物质的初步鉴定过程示于图1。在保留时间12.732 min处，未知物的候选结果中，己内酰胺的综合得分为94.6，SI=735，HRF=99.560 7，ΔRI=3，示于图1b；其他24个候选结果因评价指标不符合要求而被排除。因此，该物质为己内酰胺的可能性较高。

2.2 通过化学电离鉴定未知物的分子式

EI作为一种硬电离模式，其缺点是准分子离子信号非常微弱，甚至无法检测到。对于综合评分相近的候选化合物，可利用化学电离(CI)获得未知物的分子式。化学电离是一种软电离技术，以甲烷为反应气体，通过PCI可得到化合物的准分子离子峰([M+H]+、[M-H]+和[M+C2H5]+)的精确质量，从而推断化合物的分子式。某未知物的5种候选物质的信息示于图2a，它们的综合得分极为接近(95.6～95.7)，前2个物质的SI值和HRF值极为接近，所有候选物质均无ΔRI值可参考。但是这些候选物的分子式不同，所以可通过CI来确定。该未知物的EI和PCI谱图示于图2b、2c，仅凭EI谱图很难确定m/z224.083 26是否为该物质的分子离子峰。PCI谱图中[M+H]+的加合峰为m/z225.090 83，与理论精确质量m/z225.091 01相差-0.83 ppm，此外，由PCI常见的加合离子[M+C2H5]+m/z253.122 26(-0.18 ppm)可以验证元素组成。因此，该未知物最可能的结果是1,3-二苯基-1,3-丙二酮(综合评分=95.7，SI=787，HRF=99.497 9)。

注：a.样品中的色谱峰列表；b.谱库检索按综合评分排序的候选物质列表；c.物质的离子叠加图；d.各碎片离子的丰度以及测量质量和理论质量之间的偏差；e.该物质的实测质谱图与谱库中理论质谱图的对比图1 利用Trace Finder软件初步鉴定己内酰胺Fig.1 Identification of caprolactam using Trace Finder

图2 检索谱库后按综合评分排序的候选物质列表(a)，1,3-二苯基-1,3-丙二酮的EI(b)和PCI(c)谱图Fig.2 List of substances sorted by comprehensive score after spectral library retrieval (a),EI (b) and PCI (c) mass spectra of dibenzoylmethane

2.3 通过比对碎片离子细节区分同分异构体

虽然化学电离模式下可以确定未知物的分子式，但当多个候选物质互为同分异构体时，难以鉴定未知物。例如，图3a中，通过PCI确定某未知物的[M+H]+为m/z221.189 84，推测未知物的分子式为C15H24O，因此排除6个候选结果，用“××”标识；候选结果C的ΔRI=156，也被排除，用“×”标识；其余4个候选结果的综合得分相近，候选结果A和B的ΔRI均小于10，F和H谱库中未收录ΔRI。在这种情况下，同分异构体的鉴别需通过碎片离子的细节比对来实现。

图3b中，对于候选结果F来说，该物质标准谱图中m/z57.070 00离子的丰度较高(73.5%)，而未知物实测谱图中该离子的丰度较低(5.9%)；实测谱图中检出的m/z145.101 40离子在标准谱图中不存在。候选结果H的情况与F类似，存在差异的碎片离子为m/z107.085 73、145.101 40、163.111 82。因此，候选结果F和H被排除，用“?”标识。候选结果B的实测谱图中存在m/z161.096 22离子，而在标准谱图中不存在，因此B被排除，用“?”标识。所以，该未知物最可能为2,6-二叔丁基对甲酚，用“√”标识。随后通过标准品验证证实了该结果是正确的。

2.4 实际样品筛查

通过北京实体店和网络的方式采集进口儿童服装、纺织配饰(口水巾、手帕等)样品共40件，按照上述方法共鉴定出48种物质，包括21种酯、8种酮、6种胺、4种醚、3种醇、3种酚以及3种其他类物质，详细信息列于表1。各物质的综合得分均大于93.8，SI>717，HRF>92.79，离子的精确质量偏差均在3 ppm以内。其中，26种物质的ΔRI<41，其余物质的保留指数未能获得。对所有物质进行半定量分析，横坐标代表物质，纵坐标代表样品，五角星的大小代表物质在EI模式下提取基峰离子的峰面积，示于图4。可见，检出率超过10%的物质有邻苯二甲酸二丁酯(17.5%)、2.4-甲苯二异氰酸酯(TDI)(12.5%)、棕榈酸异丙酯(10%)和1,2,4-丁三醇(10%)，15种样品中未检出TIC阈值大于2×106的色谱峰。

注：a.谱库检索后按综合评分排序的候选物质列表；b.候选化合物的实测质谱图与理论质谱图对比图3 2,6-二叔丁基对甲酚的鉴定过程Fig.3 Identification of butylated hydroxytoluene

表1 进口儿童纺织品中鉴定出的化学物质列表Table 1 List of chemical substances identified in imported children’s textiles

续表1

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检出率最高的邻苯二甲酸二丁酯已被多个法规限制。在2个样品中检出了苯酚，国际癌症研究机构IARC将其列为3类致癌物。

图4 进口儿童纺织品中非靶向筛查结果Fig.4 Results of non-targeted screening in imported children’s textiles

2，4-甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、4,4′-亚甲基双(异氰酸苯酯)(MDI)属于二异氰酸酯单体，对皮肤、眼睛和呼吸道有强烈的刺激作用。欧盟纺织品生态标签2002/371/EC规定，纺织品中二异氰酸酯向大气的年平均释放量不得高于5 mg/kg。苯甲酸苄酯属于致敏性芳香剂，虽然纺织品法规中没有涉及，但是在欧盟玩具安全指令2009/48/EC中已被限制。磷酸三苯酯属于磷系阻燃剂，被欧盟玩具标准EN 71-9限制。此外，N-甲基苯胺和N-甲基甲苯胺是环境优先污染物[24]；二(2-乙基己基)己二酸酯(DEHA)、间苯二甲酸二甲酯、对苯二甲酸二辛酯(DOTP)属于增塑剂，有致畸性、致突变性和生态毒性；4-甲基二苯甲酮、1-羟基环己基苯基甲酮和光引发剂907均属于紫外光引发剂，其中4-甲基二苯甲酮具有致癌、皮肤接触毒性和生殖毒性[24]。

3 结论

本研究开发了一种基于GC-Orbitrap MS非靶向筛查进口儿童纺织品中潜在化学危害物质的分析方法。针对未知物定性分析中遇到的问题，列举了具有不同定性难度的典型案例和解决方案，以尽可能保证未知物质鉴别的准确性。在实际样品中共鉴定出48种物质，并对其毒性、检出率和半定量结果进行分析。本研究为纺织品等产品的潜在化学危害物质的筛查提供了思路和途径。今后将结合液相色谱-高分辨质谱开展更全面的筛查，并对已识别的高风险物质进行定量方法开发和风险评估，为评价进口儿童纺织品对儿童健康的影响和促进产品安全提供科学数据。