化妆品样品前处理与检测技术研究进展

郭项雨,陈 萌,2,孟宪双,吕悦广,3,张 楠,4,连显会,4,王 春,5,高海燕,6,马 强*

(1.中国检验检疫科学研究院,北京 100176;2.北京中医药大学中药学院,北京 102488;3.中国科学院大学化学科学学院,北京 100049;4.大连理工大学生命与医药学院,辽宁 盘锦 124221;5.南京农业大学资源与环境科学学院,江苏 南京 210095;6.内蒙古自治区产品质量检验研究院,内蒙古 呼和浩特 010070)

随着国民经济的持续发展和人民生活水平的不断提升,化妆品因其清洁、修饰、健护、美化等作用,逐渐成为生活中必不可少的一部分。人们对化妆品需求量的与日俱增推动了化妆品行业的迅猛发展。我国目前已是全球第三大化妆品消费国,仅次于欧盟和美国。在化妆品市场蓬勃发展的进程中呈现了诸多典型变化:从天然提取到化学合成,原料逐渐多样化;从护理到美化,用途逐渐多元化。化妆品安全性越来越受到广大消费者的高度关注,这也对化妆品质量安全检测技术提出了更高的要求。传统的检测技术存在前处理过程有机试剂消耗量大、检测通量低、分析周期长等诸多弊端,随着人们环保意识的增强和绿色化学理念的兴起,开发环境友好的前处理技术和高通量快速检测技术逐渐成为科研人员关注的研究方向,相关报道也日益增多。本文综述了近年来在化妆品样品前处理技术和检测技术领域的研究进展,以期为化妆品领域的相关科研和检验人员等提供技术参考。

1 样品前处理技术

传统样品前处理技术溶剂消耗量大,对环境危害严重,已不能满足绿色化学发展的要求,如何减少甚至避免有机试剂的使用已成为样品前处理领域研究的重点。近年来报道的基质固相分散、分散液液微萃取、固相微萃取等前处理技术具有试剂消耗量小、操作简便、环境友好等优势,符合绿色化学发展的趋势,已成为科研人员关注的焦点。此外,超分子溶剂、低共熔溶剂、离子液体等新型萃取溶剂具有环境友好、萃取效率高、稳定可靠等优势,也促进了绿色前处理技术的进一步发展。

1.1 基质固相分散技术

基质固相分散(matrix solid phase dispersion,MSPD)是将待处理样品与分散剂研磨混匀后,转移至注射器或者空柱管中按压,然后采用溶剂进行洗脱,对洗脱液进样检测分析[1]。分散剂的选择对于基质固相分散至关重要,典型的分散剂是反相吸附剂,如十八烷基键合硅胶,此外还包括非键合相吸附剂,如硅镁型吸附剂、砂石、二氧化硅等。近年来还出现了一些新型分散剂,如具有优异吸附性能的碳纳米管、分子印迹聚合物等。基质固相分散过程中,全部样品实现了完全破碎并分散为很小的颗粒,为后续的洗脱步骤提供了较大的表面积,大幅提高了提取效率。此外,基质固相分散还可与其他萃取方式结合提高萃取效率,如超声波辅助基质固相分散(ultrasonically assisted matrix solid phase dispersion,UA-MSPD)、涡旋辅助基质固相分散(vortex assisted matrix solid phase dispersion,VA-MSPD)、磁力辅助基质固相分散萃取(magnetically assisted matrix solid phase dispersion,MA-MSPD)等[2]。基质固相分散不需要复杂的仪器设备,具有简单灵活、提取条件温和、溶剂用量少等优势[3],已被广泛应用于生物样品[4-6]、食品样品[7,8]及环境样品[9-11]等诸多领域,尤其在处理黏性、半固体及固体样品方面具有较大优势。近年来,该技术成功应用于化妆品中防腐剂、增塑剂、香料过敏原、合成麝香、着色剂等组分的检测分析。例如,Sanchez-Prado等[12]将基质固相分散用于检测驻留型和非驻留型化妆品中的多种防腐剂,研究人员称取0.5 g化妆品样品置于研钵中,然后加入1 g干燥剂(无水硫酸钠)以及2 g作为分散剂的弗洛里硅土,用研杵轻轻研磨使其混合均匀。最终得到的均质混合物被转移至固相萃取空柱管中,空柱管中提前放有20 μm孔径的聚丙烯材质筛板和0.5 g弗洛里硅土(对萃取液做进一步的净化),将另一个筛板置于混合物样品上方,并用柱塞压紧以排除空气,加入5 mL正己烷-丙酮(1∶1,v/v)进行洗脱,收集洗脱液于离心管中,经过衍生化之后通过气相色谱-质谱进行检测。目标物质回收率为88%～110%,相对标准偏差小于10%。Llompart等[13]建立了基质固相分散与气相色谱-质谱法结合对化妆品中的18种增塑剂和7种多环麝香化合物进行了检测。研究人员称取0.1 g化妆品样品,与0.2 g无水硫酸钠以及0.4 g弗洛里硅土研磨混合均匀,装填在底部含有0.1 g弗洛里硅土的玻璃巴斯德吸管中,用1 mL乙酸乙酯进行洗脱,收集洗脱液,用气相色谱-质谱进行检测。所有目标物质加标回收率为85%～105%,相对标准偏差小于8%。基质固相分散技术在化妆品检测中的典型应用见表1。

表1 基质固相分散技术在化妆品检测中的应用Table 1 Application of matrix solid phase dispersion for the analysis of cosmetics

1.2 分散液液微萃取技术

分散液液微萃取(dispersive liquid-liquid microextraction,DLLME)[22]是将分散剂和萃取剂通过微量进样器快速注入样品溶液中,在分散剂的作用下,萃取剂形成萃取微滴均匀分散在水相溶液中,基于目标分析物在样品溶液和萃取剂之间分配平衡过程进行萃取[23],目标分析物被萃取到萃取剂微滴后离心,对沉积相进行检测分析[24]。分散液液微萃取对目标物的萃取效率受到多种因素的影响,最主要是萃取剂的选择。萃取剂应当密度比水大,便于萃取完成后离心分离,通常选择氯苯、氯仿、四氯化碳、氯化苯及四氯乙烯等卤代烃作为萃取剂。根据“相似相溶”原理,萃取剂还需与分析物性质相匹配,以提高萃取效率,萃取剂体积通常为5～100 μL。分散剂的选择也很重要,常用的分散剂包括甲醇、乙醇、乙腈、丙酮以及四氢呋喃等,体积为0.5～1.5 mL。此外,分散液液微萃取还受萃取时间、离子强度等因素的影响[23]。分散液液微萃取集成了取样、提取和分离等步骤,具有操作简单、快速、富集效率高、有机溶剂用量少,前处理过程成本低等优势,已广泛应用于环境水样[25-27]、生物样品[28,29]、食品[30-34]、药品[35,36]等领域,在化妆品检测中也得到了较为广泛的应用[37]。例如,Xue等[38]采用分散液液微萃取对化妆品样品中的7种防腐剂化合物进行萃取,样品溶液中依次加入0.5 g氯化钠、0.5 mL异丙醇作为分散剂、50 μL氯仿作为萃取剂进行萃取,得到的液体在6 000 r/min的速度下离心5 min,移取下层溶液氮吹至干,然后用甲醇-水(20∶80,v/v)溶液复溶,最终的样品溶液通过毛细管电泳进行检测,测定加标回收率为71.1%～112.6%。此外,分散液液微萃取还可与其他带有辅助功能的萃取方式相结合以提高萃取效果,如超声雾化[39]、磁力搅拌[40]、微波辅助[41]等。分散液液微萃取在化妆品检测中的典型应用见表2。

1.3 固相微萃取技术

固相微萃取(solid phase microextraction,SPME)通常是将少量聚合物材料涂覆在熔融石英纤维(或其他材料)制成的细杆上,在使用过程中,目标组分在样品基体和纤维涂层之间进行分配,纤维涂层选择性保留目标组分,然后将保留在纤维针涂层中的目标物脱附,用于后续分析[52]。根据不同的操作方式,固相微萃取可分为直接固相微萃取(direct solid phase microextraction,D-SPME)和顶空固相微萃取(headspace-solid phase microextraction,HS-SPME)。前者是将含有吸附涂层的基质直接浸没于样品中进行萃取;后者是将萃取探头固定于样品的上方萃取样品中的挥发性成分,操作更为简单,避免了复杂样品对实验结果的干扰。固相微萃取中的吸附涂层对萃取效果发挥着重要的作用,常见的商品化萃取涂层有聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)、二乙烯苯(divinylbenzene,DVB)、聚酰胺(polyamide,PA)等。此外,碳纳米材料[53,54]和离子液体[55]等新型萃取涂层的开发及应用也日益增多。固相微萃取是真正的无溶剂萃取技术,只需要少量样品,灵敏度却很高,样品制备简单快速,可用于现场实时分析或活体分析,已广泛应用于食品[56-59]、环境[60,61]、生物标志物的分析[62,63]、化妆品等诸多领域。Alvarez-Rivera等[19]开发了一种基于固相微萃取-气相色谱-串联质谱(SPME-GC-MS/MS)的方法分析化妆品中苯甲酸酯、对羟基苯甲酸酯和三氯生的光解产物。他们将6 mL质量浓度为100 μg/L的防腐剂水溶液经光辐照后,转移至10 mL玻璃瓶中,并加入1.2 g氯化钠,采用DVB/CAR/PDMS纤维涂层,在25 ℃水浴下直接进行固相微萃取,之后通过GC-MS/MS进行解吸及分析,方法线性良好(相关系数R2>0.996 4),回收率大于80%。Yang等[64]将超临界流体萃取原位衍生化与在线顶空固相微萃取结合,通过气相色谱-质谱联用技术,开发了化妆品中常见抗氧化剂的分析测定方法,首先用超临界二氧化碳在13 840 kPa的压强下从化妆品基质中提取抗氧化剂,然后用超临界流体在55 ℃下静态萃取10 min后进行15 min的动态萃取。紧接着用甲硅烷基化试剂N,O-双(三甲基甲硅烷基)三氟乙酰胺和0.1%(体积分数)三甲基氯硅烷原位衍生萃取剂。最后将产物吸附在顶部空间中的聚丙烯酸酯SPME纤维上,分析线性范围为10～1 000 ng/g,RSD值低于7.8%,检测限范围为0.5～8.3 ng/g,此结果远优于仅使用SPME富集化妆品中的抗氧化剂分析所获得的结果。固相微萃取在化妆品中的应用见表3。

表2 分散液液微萃取在化妆品检测中的应用Table 2 Application of dispersive liquid-liquid microextraction for the analysis of cosmetics

[C6MIM][PF6]:1-hexyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate;ACN-Tr-114:acetonitrile-Triton X-114;-:not mentioned.

表3 固相微萃取在化妆品检测中的应用Table 3 Application of solid phase microextraction for the analysis of cosmetics

1.4 新型萃取溶剂在化妆品前处理中的应用

离子液体(ionic liquids,ILs)是指在室温或接近室温状态时,完全以有机阳离子和无机或有机阴离子构成的液体。离子液体是一种新型溶剂,具有很多优良的特性:通常情况下离子液体的蒸气压为零,并且不易挥发;有比较稳定、较宽的电化学电位窗口和较好的化学稳定性;缺点是具有较大的黏度和密度[69],因此也限制了其应用,并且其生产成本较高,价格较为昂贵。在萃取分离过程中,离子液体由于其液态范围宽,不挥发,结构可调控,对目标物具有一定的选择性,被认为是一种环境友好型的绿色溶剂,在化妆品样品检测领域得到了广泛的应用。成敏敏等[70]利用微波辅助离子液体液液微萃取水溶性化妆品中的3种对羟基苯甲酸酯类防腐剂,检出限为0.6～1.2 μg/L,相对标准偏差为4.9%～5.1%。

低共熔溶剂(deep eutectic solvent)通常是由一定化学计量比的季铵盐和氢键给体(如酰胺、羧酸和多元醇等化合物)组合而成的低共熔混合物,在物理化学性质方面与离子液体极其相似[71]。但与离子液体相比,低共熔溶剂的制备过程比较简单,且合成原料均为比较常见的化合物,有望实现大规模工业化生产。低共熔溶剂具有合成容易、价格低廉、环境友好、挥发性低、溶解能力强、可生物降解、结构可设计等优势,被认为是一种绿色溶剂,在化妆品样品前处理中可以作为一种优良的萃取剂。Yilmaz等[72]利用低共熔溶剂液相微萃取技术萃取化妆品中的罗丹明B,方法检出限为2.2 μg/L,回收率为97%～110%,相对标准偏差为2.3%。

超分子溶剂(supramolecular solvent,SUPRAS)通常是由含亲水基和疏水基的两亲性分子在水溶性有机溶剂作用下分散在水相中,通过疏水相互作用按照一定的顺序排列形成大分子,再聚集成纳米或微米级的三维聚合物,从水相中分离后得到[73]。超分子溶剂特有的物理化学性质使其在替代传统有机提取溶剂方面具有很大的优势,主要包括:超分子溶剂特有的囊泡结构可以阻碍大分子物质的通过,达到萃取与净化兼顾的效果;可以通过调整超分子溶剂中两亲物质的疏水性或极性基团来调节溶剂的性质,使其适用于萃取不同极性的化合物;具有的不挥发性和不可燃性实现了更加安全的分析过程等。超分子溶剂制备简单,可萃取极性不同的分析物,集萃取和净化于一体,是一种绿色环保的萃取技术,特别适用于化妆品前处理过程。Yildiz等[74]将基质固相分散与超分子溶剂萃取相结合,采用高效液相色谱成功实现了乳剂类化妆品样品中防腐剂的检测,检出限为0.03～0.04 μg/g,回收率为86%～102%,相对标准偏差为3.1%～5.2%。

此外,新型萃取溶剂还有双相萃取溶剂,萃取过程可在常温下进行,可同时实现萃取和分离。李玲等[75]采用异丙醇-硫酸铵-水双水相体系高效提取化妆品中的苯系物,得到苯系物的回收率为81.1%～98.2%,检出限为1.1～3.9 ng/g,相对标准偏差为1.74%～4.99%。新型萃取溶剂在化妆品检测技术中的应用见表4。

表4 新型萃取溶剂在化妆品检测中的应用Table 4 Application of new extraction solvent for the analysis of cosmetics

THF:tetrahydrofuran;-:not mentioned.

2 化妆品质量安全检测技术

随着全球经济一体化进程的加速,各国间跨境贸易量逐年增大,化妆品产品进出口量逐年攀升。为保障化妆品产品的安全性、促进产业高质量发展,化妆品产品的检测通量大幅增长。检测通量的增加不断推动检测技术的发展,传统的化妆品检测技术(如毛细管电泳、液相色谱法、液相色谱-串联三重四极杆质谱法、气相色谱法、气相色谱-质谱法等)[82-85]受仪器条件的制约,分辨率低,检测通量低,检测周期长,已不能满足现实需求,高通量检测技术和现场快速检测技术的开发逐渐成为科研人员研究的重点。

2.1 高通量检测技术

目前,化妆品高通量快速检测中应用较多的高分辨质谱技术主要包括飞行时间质谱(time of flight mass spectrometry,TOF MS)和静电场轨道阱质谱(Orbitrap mass spectrometry,Orbitrap MS),二者可在单次分析中同时进行定性和定量分析,是化学危害物质高通量检测中极具潜力的技术手段。

2.1.1飞行时间质谱检测技术

飞行时间质谱是利用动能相同而质荷比(mass-to-charge ratio,m/z)不同的离子在恒定电场中运动,经过恒定距离所需时间不同的原理对物质成分或结构进行分析的一种技术。2014年,马强等[86]针对不同基质类型的化妆品样品(膏霜、水剂、香波、散粉和唇膏)采用相应的前处理方法萃取和净化后,建立了化妆品中18种香豆素类化合物的超高效液相色谱-四极杆-飞行时间质谱(UHPLC-Q-TOF MS)分析方法。谢文缄等[87]采用UHPLC-Q-TOF MS技术对育发类化妆品中的4种植物功效成分(槲皮苷、何首乌苷、芦丁和柚皮苷)进行了分析测定,获得的精确质量相对偏差较小,可保证鉴定的准确性。罗辉泰等[88]针对化妆品中86种糖皮质激素成分建立了一种同位素稀释-液相色谱-飞行时间质谱分析方法。

表5 高分辨质谱技术在化妆品检测中的应用Table 5 Applications of high resolution mass spectrometry technology for the analysis of cosmetics

UPLC-Q-TOF MS:ultra high performance liquid chromatography coupled with quadrupole time-of-flight mass spectrometry;UPLC-LTQ Orbitrap MS:ultra high performance liquid chromatography coupled with linear ion trap quadrupole Orbitrap mass spectrometry;-:not mentioned.

2.1.2静电场轨道阱质谱检测技术

静电场轨道阱质谱是通过使离子围绕一个中心电极的轨道旋转而捕获离子的质量分析装置[89]。王凤美等[90]采用超高效液相色谱-线性离子阱/静电场轨道阱质谱技术针对化妆品中的36种抗生素(硝基咪唑类、磺胺类、喹诺酮类)进行了筛查测定。36种抗生素的精确质量相对偏差小于5×10-6,线性相关系数大于0.994,方法检出限均≤10 μg/kg,方法的加标回收率为54.15%～117.55%,相对标准偏差为1.19%～13.25%。李兆永等[91]针对化妆品中14种邻苯二甲酸酯类增塑剂,通过正离子模式全扫描分析,获得了提取物中邻苯二甲酸酯类化合物的母离子和主要碎片离子精确质量数等信息,实现了对化妆品中邻苯二甲酸酯类塑化剂的快速筛查;Meng等[92]采用超高效液相色谱-四极杆-静电场轨道阱质谱技术针对化妆品中非法添加的100种违禁成分,包括39种抗生素、40种糖皮质激素、9种雄激素、8种孕激素和4种抗真菌药物建立了高通量筛查方法。高分辨质谱技术在化妆品检测中的典型应用案例见表5。

2.2 现场快速检测技术

原位电离(ambient ionization,AI)[99]技术具有样品需求量小、前处理简单、溶剂消耗少、分析速度快、可现场快速检测等诸多优势,已成功应用于公共安全、消费品质量安全等诸多领域[100,101],原位电离技术可与便携式质谱或离子迁移谱等设备联用,实现现场快速检测,是当下分析测试领域研究的焦点和发展趋势。

2.2.1原位电离质谱技术

在化妆品质量安全方面,已经开发了实时直接分析(direct analysis in real time,DART)[102]、纸喷雾(paper spray,PS)[103]和萃取纳升喷雾(extraction nano-electrospray)等多种原位电离质谱的现场快速检测方法。Ma[104]等采用纸喷雾技术和萃取纳升喷雾技术与小型便携式质谱仪联用,建立了不同基质类型化妆品中危害物质的现场快速检测方法,定量限为5～30 μg/kg。另外,中性解吸萃取电喷雾电离(neutral desorption extraction electrospray ionization,ND-EESI)[105]是一种可快速、高通量进行样品分析的原位电离技术,最大的优势是能够有效减少离子抑制,避免基质干扰及额外的化学污染[106]。Ding[107]等采用中性解吸萃取电喷雾电离技术建立了牙膏中二甘醇的快检方法,检出限可达0.000 02%。除此之外,基于等离子体的原位电离技术以实时直接分析、介质阻挡放电电离(dielectric barrier discharge ionization,DBDI)[108]及低温等离子体探针(low temperature plasma probe,LTP)解吸电离[109]最具代表性,其中实时直接分析离子化和低温等离子体探针解吸电离已经应用到化妆品快速检测中。Self[110]采用实时直接分析技术快速筛查牙膏中二甘醇和乙二醇,可达到与传统气相色谱法相近的灵敏度。

2.2.2原位电离离子迁移谱技术

原位电离技术除了与质谱相结合外,也有学者[111-113]将其与离子迁移谱联用,开发化妆品中违禁添加物质的现场快速筛查方法。离子迁移谱(ion mobility spectrometry,IMS)是一种根据大气压下样品分子离子在迁移管内特征迁移时间的差别,完成对不同物质的识别与检测的技术,具有操作简单,快速灵敏,检测成本低等优点,已被广泛应用于车站、机场、海关等场所。孟宪双等[111]、郭项雨等[112]、闫萌萌等[113]分别采用纳升萃取喷雾和纸喷雾原位电离技术,结合离子迁移谱,建立了化妆品中8种抗生素、3种卤代水杨酰苯胺类防腐剂和5种禁用香豆素类化合物的快速筛查方法,离子迁移谱分析周期不超过20 ms,单个样品分析周期不超过30 s,最低检出限可达1 μg/kg。原位电离技术在化妆品快检领域的应用实例见表6。

表6 原位电离技术在化妆品检测中的应用Table 6 Application of ambient ionization technology for the analysis of cosmetics

表6 (续)Table 6 (Continued)

PABA:para aminobenzoic acid;ND-EESI:neutral desorption extractive electrospray;DART:direct analysis in real time;LTP:low temperature plasma;LIT:linear ion trap;IMS:ion mobility spectrometry;TOF:time of flight.

3 展望

化妆品质量安全关乎企业的发展和消费者的切身利益,开发快速、有效的化妆品质量安全检测技术是保障化妆品质量的基石。在检测的前处理过程中,传统的萃取方法因消耗大量有机化学试剂,对环境污染严重,检测成本高。随着绿色化学的兴起及发展,基质固相分散萃取、分散液液微萃取、固相微萃取等环境友好型的萃取技术无需或者只需少量有机试剂即可完成萃取过程,并且萃取方法稳定可靠,已成为当前科研人员研究的重点。然而,其存在的缺点也不容忽视,如基质固相分散萃取由于其样品需求量小,洗脱过程中样品成分与目标物不能完全分离,容易受到基质干扰,导致检出限较高,对于痕量物质的检测还存在一定难度;分散液液微萃取仍以有机溶剂为萃取剂,并且具有一定的毒性,选择性较差,容易降低目标物在萃取剂中的分配系数;固相微萃取仪器价格昂贵,涂层种类有限,因此选择性较差。尽管如此,随着萃取理论研究的深入及应用的拓展,它们有望成为未来化妆品危害物质萃取过程常见的萃取方法。此外,随着研究的深入,超分子溶剂、低共熔溶剂、离子液体等新型萃取溶剂的开发及应用也将进一步推动绿色化学的发展,并在化妆品萃取技术中发挥越来越重要的作用。

同时,随着大国间贸易量的增加,检测通量大幅提升,开发高通量检测技术和现场快速检测技术已成为当下化妆品检测领域研究的热点。与传统低分辨串联四极杆质谱相比,高分辨质谱仪器参数设定简单,灵敏度更高,并且具备回溯性数据挖掘功能,实现了同时针对靶标定量分析和非靶标高通量筛查功能。另外,原位电离技术凭借其绿色、经济、快速、可现场检测等优势已成为当前分析测试领域研究的热点。与便携式分析仪器耦合进行现场快速检测可大大缩短分析周期,提高工作效率,在化妆品贸易通关,市场监管部门开展现场快速检测领域将大有作为。开发基于原位电离技术的现场快速检测方法也将成为化妆品检测标准制定人员的研究方向。