常压敞开式离子化-离子迁移谱法快速筛查玩具中14种致癌致敏染料

吕悦广，郭项雨，马 强*，白 桦，孟宪双，胡明珠，马龙华，吴 青，何裕建，杨镜奎*

(1.中国检验检疫科学研究院，北京 100176；2.中国科学院大学 化学与化工学院，北京 101407；3.Excellims Corporation,Acton,MA 01720,USA)

研究报告

常压敞开式离子化-离子迁移谱法快速筛查玩具中14种致癌致敏染料

吕悦广1,2，郭项雨1，马 强1*，白 桦1，孟宪双1，胡明珠1，马龙华3，吴 青3，何裕建2，杨镜奎2*

(1.中国检验检疫科学研究院，北京 100176；2.中国科学院大学 化学与化工学院，北京 101407；3.Excellims Corporation,Acton,MA 01720,USA)

采用常压敞开式离子化结合离子迁移谱技术，研究建立了蜡笔、水贴纸、橡皮泥等玩具样品中14种致癌致敏染料的快速筛查方法。无需繁琐的样品前处理过程，玩具样品经纸喷雾或萃取纳升喷雾，将上样、萃取、电离等步骤集成为一步实现，并在16 ms内完成了离子迁移谱分析检测。同时还对疑似阳性样品建立了超高效液相色谱-串联质谱的确证方法。14种致癌致敏染料的检出限为0.5～2 mg/kg。该方法流程便捷、快速高效，适用于玩具样品的现场快速筛查。

纸喷雾；萃取纳升喷雾；离子迁移谱；玩具；致癌致敏染料

玩具是指设计或预定供14岁以下儿童玩耍时使用的所有产品和材料，我国是全球最大的玩具生产国和出口国[1]。玩具丰富了广大儿童的生活，但由于儿童皮肤敏感且防范意识缺乏，在正常使用玩具或可预见的合理滥用下，玩具产品中可能存在的有毒有害物质可通过吞咽、舔食、皮肤接触、眼睛接触、吸入等方式进入儿童体内，进而对儿童健康造成危害。例如，在部分玩具染色过程中，染料分子通过吸附、扩散等多种化学或物理处理，从染液转移到被染物上使之染色[2]。目前已证实存在多种可诱发人体癌变或引起人体皮肤、黏膜或呼吸道过敏的致癌和致敏染料。鉴于致癌致敏染料的严重危害，许多国家和世界权威组织相继颁布了严格的法律法规进行限制。如欧洲标准化委员会制订的EN 71玩具安全标准规定，分散蓝1等致癌致敏染料在玩具产品中不得检出[3]。

目前，致癌致敏染料的检测方法主要有离子对色谱法[4]、高效液相色谱法[5]、液相色谱-质谱法[6-7]、气相色谱-质谱法[8]以及超高效液相色谱-质谱法[9]。上述方法各有优点，但无法同时满足灵敏度、选择性和分析通量的要求，且仪器体积大、质量重、操作繁琐，无法满足现场快速筛查的需求。近年来，离子迁移谱由于运行成本低、操作简单、分析时间短、灵敏度高等优点，已发展成为一种现场快速检测技术，并广泛应用于车站、机场、海关等地区的毒品检测[10]、爆炸物检测[11]、食品安全[12]等领域。萃取纳升喷雾[13]、纸喷雾[14]等常压敞开式离子化技术因具有无需预处理、分析速度快、成本低、操作简单等特点，现已应用于化妆品[14]、血样[16]、生物样品[17-18]等的分析。本文建立了一种萃取纳升喷雾及纸喷雾电离技术结合离子迁移谱快速筛查不同种类玩具中14种致癌和致敏染料的现场快筛技术，为我国玩具产品质量安全检测提供了一种简单、快速的新方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

P-1000型微电极拉制仪、硼硅酸盐玻璃毛细管(外径1.5 mm、内径0.86 mm、长10 cm，美国Sutter公司)；ESW-M15P型电极夹持器(美国Warner Instruments公司)；GA2100型便携式离子迁移谱(美国Excellims公司)：配有离子栅门控制器、空气过滤装置(含硫酸钙和分子筛)、高分辨率离子迁移分析器、VisIon仪器控制与数据处理系统，使用前用色氨酸和柠檬酸分别在正、负离子模式下对仪器进行校正；Acquity超高效液相色谱仪、Quattro micro API三重四极杆质谱仪、MassLynx数据处理系统(美国Waters公司)；Milli-Q超纯水器(美国Millipore公司)。

分散橙3(纯度95%)、溶剂黄3(纯度99%)购自美国Acros公司；酸性红26(纯度84%)、碱性红9(纯度95%)、分散蓝3(纯度20%)、碱性紫3(纯度80%)、分散蓝124(纯度70%)、溶剂黄2(纯度95%)购自德国Dr.Ehrenstorfer公司；分散蓝1(纯度30%)、溶剂黄1(纯度99%)、分散蓝106(纯度95%)、分散黄3(纯度30%)、分散红1(纯度95%)、分散橙37(纯度95%)购自美国Sigma公司，14种染料的标准品均为市售最高纯度，各种染料标准品用甲醇配制成1 000 mg/L标准储备液，使用时根据需要以甲醇稀释成混合标准工作液。二氯甲烷、甲醇、异丙醇、乙腈、甲酸(色谱纯)购自美国Fisher公司；Grade 3MM型色谱纸(厚度0.34 mm)购自美国Whatman公司。

1.2 实验步骤

1.2.1 蜡笔样品 将Grade 3MM型色谱纸剪成三角形纸片(底部宽0.5 cm、高0.75 cm、顶角30°)，将待测蜡笔样品在纸片上轻轻涂抹，即将样品加载至纸片上。将纸片通过金属夹连接至离子迁移谱仪的高压电源并施加3.5 kV电压，在纸片上滴加20 μL体积比为80∶20∶1的二氯甲烷-甲醇-甲酸萃取溶剂，实现对蜡笔样品中待测组分的萃取、迁移和喷雾，并采用离子迁移谱进行实时检测。

1.2.2 水贴纸样品 将Grade 3MM型色谱纸剪成三角形纸片(底部宽0.5 cm、高0.75 cm、顶角30°)，将待测水贴纸样品拓印至纸片上。将纸片通过金属夹连接至离子迁移谱仪的高压电源并施加3.5 kV电压，在纸片上滴加20 μL体积比为60∶40∶0.5的异丙醇-乙腈-甲酸萃取溶剂，实现对水贴纸样品中待测组分的萃取、迁移和喷雾，并采用离子迁移谱进行实时检测。

1.2.3 橡皮泥样品 将橡皮泥样品放入一次性注射器中，从其前端挤出长1 cm、直径约0.5 mm的细条并在空气中静置1 min，然后用镊子夹取放入硼硅酸盐玻璃毛细管(长5 cm、外径1.5 mm、内径0.86 mm、尖端10 μm)，毛细管中预先注入10 μL体积比为100∶0.3的甲醇-甲酸萃取溶剂，插入金属微电极，连接至离子迁移谱仪的高压电源并施加3.0 kV高压，实现对橡皮泥样品中待测组分的萃取、迁移和喷雾，并采用离子迁移谱进行实时检测。玩具中致癌致敏染料快速筛查的实验过程如图1所示。

图1 常压敞开式离子化-离子迁移谱法快速筛查玩具中14种致癌致敏染料的实验流程

1.3 离子迁移谱条件

迁移管电压：8 000 V；迁移管温度：180 ℃；进样口温度：180 ℃；漂移气流速：1.50 L/min；迁移谱宽：40 ms；数据采集速率：200 000 s-1；Bradbury-Nielsen离子门脉冲宽度：75 μs；Bradbury-Nielsen离子门电压：30 V；排气泵抽速：0.60 L/min。14种致癌致敏染料的分子式、分子量、离子化方式、迁移时间及检出限见表1。

表1 14种致癌致敏染料的分子式、分子量、离子化方式、迁移时间及检出限

1.4 超高效液相色谱-串联质谱确证条件

Waters Acquity UPLC BEH C18色谱柱(1.7 μm,2.1 mm×50 mm)；流动相：乙腈(A)和5 mmol/L乙酸铵溶液(pH 5.0，B)；梯度洗脱程序：0～2 min，28%～40% A；2～6 min，40% A；6～9 min，40%～95% A；9～9.5 min，95% A；9.5～10 min，95%～28% A；流速：0.3 mL/min；柱温：30 ℃；样品室温度：20 ℃；进样量：5 μL。

电喷雾离子源；毛细管电压：3.5 kV；射频透镜电压：0.1 V；离子源温度：120 ℃；去溶剂气温度：350 ℃；去溶剂气流量：600 L/h；锥孔气流量：50 L/h；光电倍增器电压：650 V；碰撞气体为氩气，碰撞气压3.2×10-3mbar；多反应监测模式检测，14种致癌致敏染料的质谱分析参数见表2。

表2 14种致癌致敏染料的质谱分析参数

2 结果与讨论

2.1 萃取溶剂、喷雾电压及纸基的优化

萃取溶剂的性质对萃取及电喷雾过程有重要影响，萃取溶剂的选择应兼顾萃取效果和离子化能力。本实验分别对水、甲醇、无水乙醇、异丙醇、丙酮、四氢呋喃、二氯甲烷、乙腈等溶剂进行了考察，确定了纸喷雾和萃取纳升喷雾两种常压敞开式离子化方法中的最佳萃取溶剂。对于纸喷雾电离分析的蜡笔样品，采用体积比为80∶20∶1的二氯甲烷-甲醇-甲酸溶液作为萃取溶剂；对于纸喷雾电离分析的水贴纸样品，采用体积比为60∶40∶0.5的异丙醇-乙腈-甲酸溶液作为萃取溶剂；对于纳升萃取喷雾电离分析的橡皮泥样品，采用体积比为100∶0.3的甲醇-甲酸溶液作为萃取溶剂。经考察，喷雾电压对样品离子化程度也具有显著影响，喷雾电压过高或过低均会抑制待测物的响应值，14种染料在纸喷雾和纳升萃取喷雾电离方式下的最优喷雾电压略有差异，综合考虑14种染料的电离方式、喷雾电压及响应值，对纸喷雾采用3.5 kV、纳升萃取喷雾采用3.0 kV作为本方法的喷雾电压。

图2 14种致癌致敏染料的离子迁移谱图Fig.2 Ion mobility spectra of the 14 carcinogenic and sensitizing colorants the peak numbers denoted were the same as those in Table 1

在此基础上，考察了Grade 1、Grade 3MM、Grade 17和 Grade 31ET 4种色谱纸对玩具样品中各种染料萃取和迁移效率的影响。由于纸基的主要组成为纤维素，其表面有大量羟基，14种染料的化学性质各异，不同纸基与各种染料的结合程度不同，从而导致分离及离子化效率有差异。研究表明，Grade 3MM色谱纸对14种致癌致敏染料的总体响应值最高。14种染料的离子迁移谱图见图2。

2.2 进样口与迁移管温度的优化

离子迁移谱分析检测中，仪器参数对待测物的响应灵敏度有显著影响，在多种组分同时进样分析时，通过仪器参数的设置可以提高各组分之间的分离度。除了喷雾电压之外，进样口温度和迁移管温度也是重要的仪器参数。为了避免热交换或其它因素导致的离子迁移时间重现性差的问题，迁移管温度和进样口温度的设置应尽量保持一致，因此本实验将这两项参数设为相同数值，比较了各组分在不同温度(160～200 ℃)时的响应强度。结果表明，在一定范围内提高迁移管和进样口温度能减小离子峰的半峰宽和位置漂移，分析原因为:温度升高可以降低空气湿度和环境温度对离子信号的干扰。但温度太高会造成系统不稳定，引发的离子扩散及碰撞损失也更严重，反而导致离子信号减弱。经考察，绝大多数染料在180 ℃时信号最强，因此，本方法最终确定迁移管和进样口温度均为180 ℃。

2.3 漂移气流速的优化

漂移气种类和流速会影响离子峰的分辨率和响应强度。课题组前期研究工作[19]表明，采用空气作为漂移气能较好地分离各组分，且响应强度高、价格低。本实验考察了漂移气流速(0.50～2.00 L/min)对14种致癌致敏染料分离效果和响应强度的影响，确定最佳流速为1.50 L/min。

2.4 方法检出限

在经测定不含有14种致癌致敏染料的玩具样品中添加一定浓度的待测染料组分，按照本方法进行分析测定，每种常压敞开式离子化方式平行试验6次，以S/N=3估算方法的检出限(LOD)，14种致癌致敏染料的LOD为0.5～2 mg/kg(表1)。

2.5 超高效液相色谱-串联质谱确证

建立了超高效液相色谱-串联质谱确证方法对疑似阳性样品进行确证。14种染料的前体离子和产物离子及质谱分析参数见表2。若样品中目标化合物的离子相对丰度与浓度相当的标准溶液的相对丰度一致，且相对丰度偏差不超过表2中对应的允许偏差，则判定样品中含有相应的染料组分。

2.6 实际样品的筛查

应用本实验建立的筛查方法，对40件购自本地超市及电商平台的蜡笔、水贴纸、橡皮泥样品进行筛查检测，结果表明，所测样品均未检出上述14种致癌致敏染料。

3 结 论

本研究采用纸喷雾和纳升萃取喷雾两种常压敞开式离子化方式结合离子迁移谱技术，建立了玩具中14种致癌致敏染料的快速筛查方法。样品无需前处理，且可在16 ms内完成分析。方法准确、简便、快速，适用于玩具产品的现场快速筛查检测。对疑似阳性样品可采用超高效液相色谱-串联质谱法进行确证。筛查方法与确证方法相互辅助，在确保检测结果准确性的同时可极大提高工作效率。

[1] Liu X,Pei F.StandardSci.(刘霞,裴菲.标准科学)， 2014,6(4):24-29.

[2] Liu J,Wang Y Y.WorldStandardization&QualityManagement(刘瑾,王益谊.世界标准化与质量管理)，2008,(11):53-59.

[3] EN 71-9-2005.Safety of Toys-Part 9:Organic Chemical Compounds-Requirement.

[4] Ding Y C,Cai J H,Yang J F,Cao X Z,Yang A N.Printing&Dyeing(丁友超,蔡建和,杨锦富,曹锡忠,杨安南.印染),2008,34(15):38-41.

[5] GB/T 20382-2006.Textiles-Determination of Carcinogenic Dyestuffs.National Standards of the People's Republic of China(纺织品 致癌染料的测定.中华人民共和国国家标准).

[6] GB/T 20383-2006.Textiles-Determination of Allergenous Disperse Dyestuffs.National Standards of the People's Republic of China(纺织品 致敏性分散染料的测定.中华人民共和国国家标准).

[7] DIN 54321-2005.Textiles-Detection of Disperse Dyestuffs.

[8] GB/T 17592-2006.Textiles-Determination of the Banned Azo Colourants.National Standards of the People's Republic of China(纺织品 禁用偶氮染料的测定.中华人民共和国国家标准).

[9] Ma Q,Bai H,Wang C,Zhang Q,Ma W,Zhou X,Dong Y Y,Wang B L.Chin.J.Anal.Chem.(马强,白桦,王超,张庆,马薇,周新,董益阳,王宝麟.分析化学),2010,38(1):51-56.

[10] Dussy F E,Berchtold C,Briellmann T A,Lang C,Steiger R,Bovens M.ForensicSci.Int.,2008,177(2/3):105-111.

[11] Najarro M,Dávila M M,Staymates M,Fletcher R,Gillen G.Analyst,2012,137(11):2614-2622.

[12] Jafari M T,Khayamian T,Shaer V,Zarei N.Anal.Chim.Acta,2007,581(1):147-153.

[13] Ren Y,Liu J J,Li L F,Morgan N.McLuckey,Ouyang Z.Anal.Methods,2013,5(23):6686-6692.

[14] Wang H,Liu J J,Cooks R G,Ouyang Z.Angew.Chem.Int.Ed.,2010,49(5):877-880.

[15] Ma Q,Bai H ,Li W T,Wang C,Li X S,Cooks R G,Ouyang Z.Anal.Chim.Acta,2016,912:65-73.

[16] Yang Q,Wang H,Maas J D,Chappell W J,Manicke N E,Cooks R G,Ouyang Z.Int.J.MassSpectrom.,2012,312(2):201-207.

[17] Ren Y,Wang H,Liu J J,Zhang Z P,McLuckey M N,Ouyang Z.Chromatographia,2013,76(9):1339-1346.

[18] Zhang Z P,Xu W,Manicke N E,Cooks R G,Ouyang Z.Anal.Chem.,2012,84(2):931-938.

[19] Meng X S,Ma Q,Ma L H,Chen L H,Han C,Bai H,Wu Q.Chin.J.Chromatogr.(孟宪双,马强,马龙华,陈丽华,韩超,白桦,吴青.色谱)，2016,34(6):596-601.

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Rapid Screening of 14 Carcinogenic and Sensitizing Colorants in Toys Using Ambient Ionization and Ion Mobility Spectrometry

LÜ Yue-guang1,2,GUO Xiang-yu1,MA Qiang1*,BAI Hua1,MENG Xian-shuang1,HU Ming-zhu1,MA Long-hua3,WU Qing3,HE Yu-jian2,YANG Jing-kui2*

(1.Chinese Academy of Inspection and Quarantine,Beijing 100176,China;2.School of Chemistry and Chemical Engineering,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 101407,China;3.Excellims Corporation, Acton,MA 01720,USA)

A rapid analytical method was developed for the screening of 14 carcinogenic and sensitizing colorants in toys(e.g.crayon,temporary tattoo sticker and modeling clay) using ionization coupled with ion mobility spectrometry.Without any tedious pretreatment,sampling,extraction and ionization were integrated by paper spray or extraction nano-electrospray.The instrumental analysis time for a single ion mobility spectrometry run was less than 16 ms.The suspicious positive samples were subjected to further verification by ultra-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry(UPLC-MS/MS).The limits of detection(LODs) for the 14 carcinogenic and sensitizing colorants in toys ranged from 0.5 mg/kg to 2 mg/kg.The established method is simple,convenient and suitable for rapid,on-site screening of toy products.

paper spray;extraction nano-electrospray;ion mobility spectrometry;toys;carcinogenic and sensitizing colorants

2017-04-08；

2017-05-03

国家重点研发计划(2016YFF0203704；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(2016JK004)

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.08.001

O657.7；F767.4

A

1004-4957(2017)08-0949-06

*通讯作者：马 强，博士，副研究员，研究方向：产品质量安全检测技术研究，Tel：010-53897463，E-mail：maqiang@caiq.gov.cn 杨镜奎，博士，教授，研究方向：有机合成及结构与性能研究，Tel：010-69672535，E-mail：jkyang@ucas.ac.cn