超声辅助提取/单颗粒电感耦合等离子体质谱法测定防晒化妆品中的纳米二氧化钛

梁维新，刘 宁，郭鹏然*，严 冬

(1.广东省测试分析研究所 广东省化学危害应急检测技术重点实验室，广东 广州 510070； 2.安捷伦科技(中国)有限公司 安捷伦-中广测联合技术中心，广东 广州 510070)

防晒化妆品常利用纳米反光粒子在皮肤上形成覆盖层，通过反射和散射阻挡紫外线直接作用皮肤以达到物理防晒保护效果。纳米TiO2因良好的热稳定性、不溶性、成本低以及环境友好等特点，被广泛应用于防晒用品中[1]。据研究报道，纳米TiO2对人体健康会产生影响，其危害作用与纳米颗粒的使用剂量和粒径相关[2]。我国《化妆品安全技术规范》(2015年版)规定防晒用品中纳米TiO2的使用量不应超过总量的25%，但尚未确定纳米粒子的颗粒浓度分析方法及其粒径分布的表征方法。

目前纳米粒子的表征分析主要采用扫描/透射电子扫描显微镜技术(SEM/TEM/STEM)以及动态光散射技术(DLS)。电子显微镜技术可获得纳米粒子的粒径、表面形貌信息，但高的运行成本和长的分析时间制约了其广泛应用[3]；DLS可直接测量液体介质中粒子的粒径，但对于多分散体系的样品会产生较大的测定误差[4]。另外，将场流分离技术(F3)、流场流分离技术(F4)、尺寸排阻色谱法等与电感耦合等离子体质谱联用可实现不同粒径大小的纳米颗粒的分离与定性、定量分析，但这类方法的分析时间较长，稳定性较差[5]。Degueldre等[6-10]提出了一种高灵敏度的纳米颗粒物分析技术，即单颗粒电感耦合等离子体质谱法(Single particle ICP-MS,SP-ICP-MS)，通过时间分辨模式(TRA)和短停留时间同时实现了液体介质中纳米粒子的定性、定量分析和粒度分布表征，无需添加额外的联用设备，分析时间短，目前已应用于水体[11-12]、食品[13]、血液[14]等基质中纳米颗粒物的分析。虽然SP-ICP-MS在防晒用品中纳米颗粒的分析已有报道，但由于防晒用品中的TiO2被大量酯类、硅油等有机物包裹[15]，目前所采用的以Tx-100溶液作为提取剂的提取方法无法完全去除纳米粒子表面的上述物质，这些物质的存在降低了纳米粒子在水中的分散性，影响了测定准确性与稳定性，因此需开发合理的、适用于SP-ICP-MS法测定防晒化妆品中纳米TiO2的样品前处理方法。

本文优化了防晒化妆品中纳米TiO2的前处理步骤，采用乙醇与Tx-100混合溶液作为提取剂超声辅助提取，并与SP-ICP-MS法联用，建立了防晒化妆品中纳米TiO2的测定方法。可同时对防晒化妆品中的纳米TiO2进行准确定量及粒度表征分析。

1 实验部分

1.1 仪器与材料

三重四极杆电感耦合等离子体串联质谱仪(Agilent 8800)，扫描模式为单四极杆模式，其他仪器工作条件见表1。电子分析天平(BSA224S-CW)；超声发生器(KQ-500E)；马弗炉(SX2-12N)；电热恒温鼓风干燥箱(DGH-9076A)。

样品为市售4种不同品牌的防晒霜；40、60 nm TiO2颗粒购自上海麦克林生化科技有限公司。乙醇、乙酸乙酯、丙酮(分析纯，广州化学试剂厂)；Tx-100(分析纯，江苏强盛功能化学股份有限公司)；实验用水为去离子水(电阻率≥18.2 MΩ·cm)。

仪器工作条件见表1。

表1 ICP-MS/MS 仪器工作条件(SP-ICP-MS)Table 1 Operating conditions of ICP-MS/MS(SP-ICP-MS)

1.2 方法原理

SP-ICP-MS基于时间分辨模式(TRA)对纳米颗粒进行分析，当充分稀释的纳米颗粒溶液经进样系统进入等离子体后，溶液中的每个单纳米颗粒被电离形成一簇离子云，在短暂的停留时间(质量分析器上的驻留时间)内产生单个的强脉冲信号，脉冲信号的频率和强度分别与纳米颗粒的数量浓度和质量相关，因此可以提供纳米粒子的尺寸分布以及浓度等信息(图1)。

1.3 样品处理

SP-ICP-MS法：准确称取10 mg防晒化妆品试样于50 mL离心管中，以0.1% Tx-100+5% 乙醇混合溶液定容至50 mL，充分混匀后超声提取30 min，稀释一定倍数后进行纳米TiO2单颗粒测定。

灰化-ICP-MS法：称取10 mg样品置于50 mL瓷坩埚，在烘箱中于150 ℃烘干1 h并转移至马弗炉中，逐渐升高温度至600 ℃后，灰化2 h，冷却至室温。采用20 mL 10%的硝酸分3次将坩埚中的残渣转移至100 mL容量瓶中，以水定容至刻度，稀释一定倍数后测定样品中的钛含量。

图1 SP-ICP-MS方法原理图Fig.1 Schematic diagram of SP-ICP-MS method

1.4 单纳米颗粒浓度与粒度计算方法

Peters等[16]提供了一种纳米颗粒物浓度以及粒径的分布和计算方法。通过已知颗粒浓度的标准溶液在单位时间内检测到的脉冲信号数量以及样品流速计算传输效率，采用传输效率、标准离子响应值以及脉冲信号强度计算纳米颗粒的质量及其粒径。计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，Cp为颗粒数量浓度(个/L)；Np为单位时间内检测到的颗粒数(个/min)；ηn为传输效率；V为样品流速(mL/min)；Ip为样品中纳米粒子的信号强度(cps)；mp为纳米颗粒质量(ng)；RFION为离子响应强度(cps/(μg·L-1))；td为停留时间(s)；Mp为纳米粒子的摩尔质量；Ma为纳米粒子中待测元素的摩尔质量；dp为待测纳米粒子的粒径(nm)；ρp为纳米粒子的密度(g/mL)；Cm纳米粒子的质量浓度(ng/L)。

2 结果与讨论

2.1 停留时间

单颗粒电感耦合等离子体质谱法测定纳米粒子的原理是对单个纳米粒子在短暂的停留时间内产生的信号脉冲进行分析。当两个或更多的粒子同时进入等离子体，将会产生脉冲信号的叠加而影响测定结果，因此，停留时间短是确保只有1个纳米颗粒进入等离子体的关键因素。图2为不同停留时间下60 nm纳米TiO2的粒径分布图，结果显示随着停留时间的增加，出现较大粒径(≥120 nm)的可能性增大。这是由两个或以上的纳米粒子产生的脉冲信号叠加所致，故选择停留时间为3 ms。

2.2 纳米TiO2浓度的测定上限

考察了方法对纳米TiO2浓度的测定上限，研究了不同浓度的60 nm纳米TiO2与其产生的脉冲信号数量之间的关系，结果表明纳米粒子的数量浓度与脉冲信号的数量在较低浓度范围(1×106～4×107个/mL)内呈良好线性关系，相关系数(r2)为0.999 2。随着纳米粒子浓度的继续增大，相关系数降低，这是由于高浓度下两个或以上的纳米粒子同时进入等离子体的几率上升，脉冲信号发生了重合。因此溶液中纳米粒子浓度应控制在4×107个/mL以下。

2.3 样品提取溶剂的选择

图3 不同提取溶剂对防晒霜中TiO2提取效果的影响Fig.3 Effects of different solvents on extraction efficiencies of TiO2 from sunscreen

对比了0.1% Tx-100、0.1% Tx-100+5% 丙酮、0.1% Tx-100+5% 乙酸乙酯、0.1% Tx-100+1% 乙醇、0.1% Tx-100+5% 乙醇和0.1% Tx-100+10% 乙醇6种不同提取溶剂对防晒霜中纳米TiO2的提取效果(图3)，发现0.1% Tx-100+5% 乙醇溶剂的提取效果最佳，原因是防晒霜中含有大量酯类物质，这些物质影响了纳米TiO2在水中的分散性，加入5%乙醇可以达到较佳的破乳化效果，故实验采用0.1% Tx-100+5%乙醇作为提取溶剂。

为了评价提取溶剂的提取效果，分别采用SP-ICP-MS方法以及灰化-ICP-MS测定4种防晒霜中的纳米TiO2含量，SP-ICP-MS的测定结果与灰化-ICP-MS方法的测定结果接近，回收率为78.8%～83.4%，相对标准偏差(RSD)为5.4%～8.6%(表2)。说明该提取方法具有较好的提取效果。

表2 4种不同防晒霜中纳米TiO2的测定结果(n=6)Table 2 Results of nano-TiO2 in four different kinds of sunscreens(n=6)

*:content of nano-TiO2detected by ashing-ICP-MS is calculated from the concentration of Ti(灰化-ICP-MS中纳米TiO2含量由测定的Ti含量换算而来)；-:TiO2was not detected(未检出TiO2)

2.4 测定及计算方法的准确性

将5 mg的40 nm和60 nm纳米TiO2分别加至装有10 mL 0.1%Tx-100+5%乙醇溶剂的烧杯中，超声30 min，转至50 mL容量瓶中，用提取剂定容至刻度，稀释后测定，按照“1.4”计算方法对数据进行处理。表3为40、60 nm 纳米TiO2粒径的测定结果，其值与厂家标定的纳米粒子尺寸相符，表明本方法的准确性良好。

表3 纳米TiO2粒径的测定结果(n=3)Table 3 Determination result of nano-TiO2 particle sizes(n=3)

2.5 纳米TiO2数量浓度检出限以及纳米颗粒粒度检出限

单颗粒电感耦合等离子体质谱法的检出限可分为数量浓度检出限(LODconc)以及纳米颗粒粒度检出限(LODsize)。Laborda等[17]提出数量浓度检出限可根据传输效率(ηn)、样品流速(V)以及停留时间(td)计算：LODconc=3/(ηn×V×td),根据该式计算得本方法中nano-TiO2的数量浓度检出限为1×104个/mL。纳米颗粒粒度检出限LODsize由ICP-MS系统的灵敏度和区分粒子信号与背景噪声的能力决定，目前文献报道的LODsize计算大多采用高于平均背景强度的3倍标准偏差的信号值对应的相应粒径确定[18]，据此计算得本方法的LODsize为35 nm。

2.6 实际样品的测定

采用本方法对市售4种不同防晒产品进行测定，其中1～3号样品为厂商标注含有纳米TiO2的防晒霜，4号样品为厂商标注不含纳米TiO2的防晒霜。由图4可知，与出现大量脉冲信号的1号防晒霜相比，4号防晒霜未检出纳米TiO2的脉冲信号。防晒霜1～3中纳米TiO2的含量分别为1.3%、0.13%、0.21%。图5为防晒霜1、防晒霜2以及防晒霜3的粒径分布图，其平均粒径分别为55、43、42 nm。该测定结果与厂商产品说明相一致。

3 结 论

本文通过实验优化确定了样品萃取和测定条件，建立了超声辅助提取/单颗粒电感耦合等离子体质谱测定防晒化妆品中纳米TiO2的方法。方法的数量浓度检出限(LODconc)为1×104个/mL，纳米颗粒粒度检出限(LODsize)为35 nm。相对于传统的电子扫描显微镜表征方法，本方法准确度高、简便、快捷，可同时进行定量及粒度表征分析，适用于化妆品中纳米TiO2的快速准确测定。