顶空固相微萃取气相色谱质谱法测定皮革中的富马酸二甲酯

张爱玉 邓旭山 陈涛 王际平

摘 要：为了检测皮革中的富马酸二甲酯，采用顶空固相微萃取（HS-SPME）气相色谱质谱法（GC-MS），考察了萃取纤维涂层、平衡温度、平衡时间、萃取时间、解吸温度和时间对萃取效率的影响，确定最优的顶空条件，并评估该方法的性能。结果表明：最优的顶空条件为100 μm PDMS萃取纤维涂层，平衡温度80 ℃，平衡时间15 min，萃取时间4 min，解吸温度260 ℃，解吸时间1 min。该方法在0.05～10 mg/kg范围内观察到良好的线性，相关系数（R2）高于0.998，检出限为0.023 mg/L，方法加标回收率范围为99.48%～102.67%。该方法可以满足皮革及其制品中的富马酸二甲酯日常检测需要。

关键词：顶空;固相微萃取;气相色谱质谱法;皮革;富马酸二甲酯

中图分类号：TS101.9;O657 文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2021）04-0086-05

Abstract： In order to detect dimethyl fumarate in leathers， headspace solid-phase microextraction （HS-SPME）-gas chromatography-mass spectrometry （GC-MS） was utilized. The effects of extraction fiber coating， equilibrium temperature， equilibrium time， extraction time， desorption temperature and time on the extraction efficiency were studied， the optimal headspace conditions were determined， and the performance of the method was evaluated. The optimum conditions were obtained as below： the fiber coating extraction at 100 μm PDMS， equilibrium temperature 80 °C， equilibrium time 15 min， extraction time 4 min， desorption temperature 260 °C and desorption time 1 min. This method showed a good linearity in the range of 0.05-10 mg/kg with a correlation coefficient （R2） of above 0.998. The limit of detection was 0.023 mg/L. The recycling rate of this method was in the range of 99.48%—106.27%. It can meet the daily analysis of dimethyl fumarate in leathers and its products.

Key words： headspace; solid-phase microextraction; gas chromatography-mass spectrometry; leathers; dimethyl fumarate

富馬酸二甲酯（DMF）是一种白色晶体，已发现它可作为霉菌生长抑制剂和强效杀菌剂[1]，主要用于防止皮革、纺织品、鞋类、家具、食品、水果和其他产品在温暖潮湿的气候下储存或运输过程中因霉菌而变质。皮革中的DMF主要添加在防霉剂和干燥剂中，用于皮革产品的防腐防霉，防霉剂和干燥剂中DMF以分子状态进入微生物的细胞膜，抑制微生物细胞分裂和呼吸，抑制微生物的生长繁殖。当少量DMF接触到皮肤后，会造成皮肤发痒、发红和湿疹等，大量接触易引发急性呼吸困难，DMF进入人体肠道和内脏器官后，也会造成腐蚀性损害[2]。动物试验及体外试验表明，DMF没有致癌、生殖毒性和神经毒性[3]。2009年欧盟成员国明确规定DMF的含量在消费品及其部件中不得超过0.1 mg/kg，也规定了若产品已声明含有DMF，将会禁止进入欧洲市场流通和销售[4]。

据文献报道，DMF的检测主要采用气相色谱（GC）、气相色谱质谱联用（GC-MS）和高效液相色谱（HPLC）[5]等。到目前为止，已经报道的皮革或其产品中DMF的测定，大多数是基于微波辅助萃取、超声萃取和加速溶剂萃取，乙酸乙酯、乙腈、丙酮和甲醇是最常用于该方法的有机溶剂[6-10]。但实际生产中需要加入一些染料和助剂，增加了目标物从样品基质中的净化分离的难度，后续的萃取过程会消耗大量的有机溶剂，导致DMF的回收率下降，仪器的检测灵敏度降低[11]。

因此，本研究使用顶空固相微萃取气相色谱质谱法（HS-SPME-GC-MS）检测皮革中DMF。该方法不需要消耗过多的有机溶剂，在HS-SPME模式下，进样、萃取、浓缩、解吸和分析在一个程序中完成，结果准确，可以满足皮革中DMF的检测要求。从检出限（LOD）、加标回收率和精密度等方面也验证了该方法的可靠性。

1 实 验

1.1 实验仪器与试剂

实验仪器：Agilent 7890-5977气相色谱质谱联用仪（美国安捷伦有限公司）：MPS全自动样品处理平台、聚四氟乙烯垫和20 mL顶空进样瓶（德国Gerstel有限公司）：萃取纤维：65 μm PDMS/DVB、100 μm PDMS、85 μmCarboxen/PDMS、50/30 μm DVB/CAR/PDMS（美国Supelco公司）;ML104电子分析天平（称量范围120 g，精度0.1 mg，梅特勒托利多仪器上海有限公司）。

实验试剂：富马酸二甲酯标准品（纯度99.0%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司），乙酸乙酯（色谱级，纯度99.7%，上海麦克林生化科技有限公司）。

1.2 气相色谱质谱条件

色谱柱：Agilent HP-5MS气相毛细管柱（膜厚度0.50 μm，内径30 m×0.25 mm）;升温程序：50 ℃初始温度下保持1 min，以10 ℃/min的速率升温至150 ℃（保持3 min），最后以20 ℃/min升温至250 ℃;载气：高纯氦（纯度≥99.999%），恒定流量为1.0 mL/min;进样方式：不分流进样。

离子源温度为230 ℃;四极杆温度设定在150 ℃;色谱质谱接口温度为280 ℃;溶剂延迟4.0 min;电离方式：电子轰击（EI）模式，电离电压为70 eV;质量扫描范围50～300 amu;在SIM离子模式下定性、定量，定性离子（m/z）分别为59、85、113，定量离子（m/z）为113。

1.3 样品前处理过程

选择代表性的皮革样品裁剪（0.5 cm×0.5 cm）并混合均匀，称取0.3 g（精确至0.001 g）的皮革样品转移到20 mL顶空瓶中，用聚四氟乙烯垫密封，在MPS全自动样品处理平台中50 ℃下平衡5 min，在振荡条件下将所用的萃取纤维插入顶空瓶中进行萃取1 min，再将萃取纤维移入GC进样口中解吸，在230 ℃下解吸0.5 min，萃取物经色谱柱分离，进行气相色谱质谱分析。所有萃取纤维均在第一次使用之前按照生产商的建议进行了预处理。

2 结果与讨论

2.1 HS-SPME萃取条件的选择

2.1.1 萃取纤维

HS-SPME是目标物在萃取纤维与待测样品之间的动态平衡过程，萃取纤维与目标物的吸附量呈正相关，与平衡时间呈负相关。根据“相似相容”原理，选择与目标物极性相似的萃取纤维对提高方法精确度很重要[12]。样品前处理过程参照1.3，实验选择65 μm聚二甲基硅烷二乙烯苯（PDMS/DVB）、100 μm聚二甲基硅烷（PDMS）、85 μm的Carboxen聚二甲基硅烷（Carboxen/PDMS）和50/30 μm二乙烯苯Carboxen聚二甲基硅烷（DVB/CAR/PDMS）4种不同的萃取纤维，其他萃取条件参照1.3样品前处理过程，通过峰面积比较纤维对皮革中DMF的萃取能力。由图1可知，100 μm PDMS萃取纤维对萃取DMF具有更高的吸附性能，因此选择100 μm PDMS作为萃取纤维进行后续实验。

2.1.2 平衡温度

平衡温度是HS-SPME过程中的一个关键参数，温度的升高可以加快目标物在各相之间的扩散速度。平衡温度会影响Khs/os和Kf/hs的分配系数，一般情况下，会提高Khs/os、降低Kf/hs。

Khs/os=Chs/Cos（1）

Kf/hs=Cf/Chs（2）

式中：Khs/os和Kf/hs分别是原始样品/顶空系统和顶空/纤维系统中分析物的分配系数，Chs、Cos和Cf分别是原始样品、顶空和萃取纤维中目标物的濃度[13-14]。

选择100 μm PDMS作为萃取纤维，根据1.2的气相色谱质谱条件和1.3样品前处理过程，图2探究了平衡温度（50～90 ℃）对萃取DMF的影响。由图2可知，随着平衡温度从50 ℃增加到90 ℃，顶空瓶中DMF蒸气压增加，导致顶部空间中DMF的浓度增高，对DMF的萃取效率一直增加。但温度高于90 ℃时，顶空瓶的瓶盖容易破损，顶空瓶气密性变差。考虑到顶空瓶的安全问题和后续顶空瓶的循环使用，因此选择80 ℃作为后续试验的温度。

2.1.3 平衡时间

目标物从样品中挥发到顶空空间中，需要相应的时间才能达到动态平衡过程，平衡时间与目标物的挥发特性有关，平衡时间越长，萃取纤维涂层对目标物的吸附量增多;但平衡时间过长，目标物可能会重新溶于待测样品中，萃取纤维涂层中的目标物可能会被基质中其他分配系数大的物质解吸下来[15]，反而会降低对目标物萃取效率。选择100 μm PDMS作为萃取纤维，平衡温度为80 ℃，其他萃取条件参照1.3样品前处理过程，对于实验测定皮革中的DMF，考察了平衡时间（5～45 min）对萃取效率的影响。图3的结果表明，随着平衡时间从5 min增加到15 min，DMF峰面积增加，直到达到平稳状态。当平衡时间15 min时，DMF的萃取效果可以满足实验需要。因此，后续实验中选择15 min为平衡时间。

2.1.4 萃取时间

萃取时间是HS-SPME系统中的一个重要参数，萃取时间受样品温度、性质、目标物的分配系数和搅拌方式影响。HS-SPME系统是目标物、样品顶空体积和萃取纤维涂层之间的三相平衡，萃取纤维涂层对目标物的传质是一个随时间变化的平衡过程，在平衡条件下可以获得最大的吸附量。但通常要花很长时间才能达到平衡，且多是在非平衡条件下完成的。根据非平衡体系理论，在萃取时间相同情况下，萃取量与样品中目标物的浓度成正比;因此在实际测试中并不需要达到真正的热力学平衡状态，只要萃取时间内目标物的萃取效率能满足灵敏度需求即可[16]。选择100 μm PDMS作为萃取纤维，平衡温度为80 ℃，平衡时间为15 min，其他萃取条件参照1.3样品前处理过程，图4考察了萃取时间（1～5 min）对DMF萃取效率的影响，为了节约时间又达到最大的萃取率，在下一步的实验中选择了4 min。

2.1.5 解吸条件

解吸温度和时间是影响HS-SPME的另一个重要因素。萃取纤维涂层上的目标物未充分解吸，会影响下次实验结果。气相色谱进样口的解吸温度必须足够高，才能充分解吸所有的目标物，但解吸温度过高，会损坏萃取纤维的寿命，造成目标物之间的交叉污染。选择100 μm PDMS作为萃取纤维，平衡温度为80 ℃，平衡时间为15 min，萃取时间为4 min，其他萃取条件参照1.3样品前处理过程，图5为解吸时间在0.5 min到2 min对萃取DMF的影响，DMF的峰面积随时间的增加解吸量略有增加，1 min对DMF的解吸是足够的。图6为解吸温度在230 ℃到270 ℃对萃取DMF的影响，DMF的峰面积随着解吸温度从230 ℃到260 ℃升高而增加，但随解吸温度的进一步升高增加缓慢。可知，260 ℃足以完全解吸DMF，色谱图没有产生来自萃取纤维涂层的干扰峰，萃取温度低于生产商推荐的使用最高温度。而且，后续可以使用相同的萃取纤维进行DMF分析也不会影响萃取效率。在后续实验中，将解吸时间定为1 min，解吸温度为260 ℃。

2.2 DMF的气相色谱质谱确证

验证DMF标准物质的气相色谱质谱条件，采用HP5MS色谱柱，DMF的总离子流图如图7所示，DMF的保留时间为7.606 min。对DMF的色谱峰分析，图8为DMF的质谱图，特征离子m/z=59，85，113。

2.3 线性范围和检出限

用乙酸乙酯将DMF标准品溶于棕色容量瓶中，逐级稀释配置成0.05、0.1、0.5、1、10 mg/L的系列标准工作溶液。选取上述顶空条件进行测试，横坐标为DMF的质量浓度，以峰面积为纵坐标，建立的标准曲线为y=13 134.794x-15 443.878，相关系数为0.998。结果表明，DMF在0.05～10 mg/kg的质量浓度范围内线性良好，仪器检出限为0.023 mg/L。

2.4 方法的回收率和精密度

按上述顶空条件，在阴性皮革样品中添加3种不同质量浓度（0.5、5、50 mg/L）的DMF标准溶液，分别在3种质量浓度的标准溶液下各进行6次测定，计算出对应的加标回收率和相对标准偏差（RSD），结果见表1。通过测试结果可知，阴性皮革样品中DMF的平均加标回收率为99.48%～102.67%，相对标准偏差为1.54%～5.03%。

2.5 实际样品分析

为了测试已建立的HS-SPME气相色谱质谱法对实际样品中DMF的检测，根据1.2气相色谱质谱条件和2.1选择的HS-SPME萃取条件，实验选择了市场购买的服装革、箱用革、家具革、鞋底革四类皮革。一共8个样品，有两类皮革样品测试为阳性，分别为家具革和箱用革，样品中DMF的含量分别为0.31 mg/kg和0.12 mg/kg，均高于欧盟指令的检测最低限0.1 mg/kg。

3 结 论

以100 μm PDMS为萃取纤维采用顶空固相微萃取（HS-SPME）气相色谱质谱法测定皮革中的DMF，优化了样品的萃取条件，并对该方法的精确性进行了研究。试验表明：皮革样品中DMF的平均加标回收率为99.48%～102.67%，相对标准偏差为1.54%～5.03%。本方法集进样、萃取、浓缩、分析于一体，从皮革样品中分析DMF操作简单，不需要任何有毒有机溶剂，缩短了样品的制样时间，易实现自动化。

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