拭子喷雾电离-四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱法快速筛查化妆品中19种防晒剂

闫萌萌，回相宜，郭兴洲，陈 萌，雷海民，厉 欣，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.中国医学科学院北京协和医学院药物研究所，天然药物活性物质与功能国家重点实验室，北京 100050)

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，化妆品因其清洁、保护、美化、修饰等功效，成为满足人们日常需求的必需消费品。我国化妆品产业在消费需求的推动下不断发展壮大，已成为全球第二大化妆品消费市场。据国家统计局数据显示，2020年我国化妆品类社会消费品零售总额达3 400亿元，同比增长9.5%。

近年来，由于大气臭氧层的破坏和污染，阳光中到达地面的紫外线显著增加，直接威胁到人体健康。皮肤是人体最大的器官，健康的皮肤不仅可以抵御外界不良环境或有害物质的侵扰，也是爱美人士美丽自信的基础。防晒化妆品是在化妆品中添加防晒剂，利用其对紫外线的反射、散射或吸收等原理实现对皮肤的紫外防护。正确使用防晒化妆品可使皮肤得到持续有效的保护，受到消费者的青睐。作为防晒功效成分的防晒剂，最初仅用于防晒化妆品，现已逐渐添加于保湿日霜、化妆水、护发产品等不同类型化妆品中。按照防晒机制，防晒剂可分为化学性紫外线吸收剂和物理性紫外线屏蔽剂。其中，化学性紫外线吸收剂又称有机防晒剂，可选择性吸收紫外线从而起到防晒作用。

为保护消费者的健康安全，维护消费者的知情权，促进企业自律和政府监管，根据《化妆品监督管理条例》、《消费品使用说明 化妆品通用标签》等管理规定，所有在我国境内生产或进口销售的化妆品，在销售包装的可视面上应标注化妆品全部成分的真实名称[1]。防晒化妆品作为特殊用途化妆品，需要通过理化、微生物、毒理学、人体安全性和功效性检验，并经过严格审批程序才能上市。防晒化妆品更应基于真实、准确、规范等原则，将产品中加入的全部成分真实地加以标注，不得隐瞒某些故意添加的成分或标注实际不含有的成分。尽管如此，在监管部门开展的化妆品监督抽检中，发现部分防晒化妆品仍存在防晒剂成分标注不全或不实的问题。

目前，化妆品中防晒剂的检测方法有电化学法[2-3]、气相色谱法[4]、高效液相色谱法[5-12]、薄层色谱法[13-14]、超临界流体色谱法[15]、胶束电动色谱法[16-17]、气相色谱-质谱法[18-21]和液相色谱-质谱法[22-23]等。其中，色谱-质谱法专属性强、准确度高，可以实现对多组分的分析检测，提高对待测化合物的筛查准确度。但常规的色谱-质谱联用技术不仅需要进行色谱分离，而且需要繁琐耗时的样品前处理过程，无法满足快速检测和高通量筛查的需求。原位电离质谱(ambient ionization mass spectrometry, AIMS)提供了一种无需样品制备和色谱分离便可直接分析样品的快速、简便、高效的方法[24]。从代表性的解吸电喷雾电离(desorption electrospray ionization, DESI)[25]和实时直接分析(direct analysis in real time, DART)[26]开始，已有一系列原位电离方法先后问世，用于快速化学分析和成像等领域，也有将原位电离质谱用于化妆品快速检测的研究报道[27-30]，包括化妆品中防晒剂的检测[21]。拭子喷雾电离(swab touch spray ionization)[31]是一种新型原位电离技术，通过拭子蘸取少量样品，在拭子尖端滴加少许溶剂进行溶解萃取，通过施加高压后产生带电液滴，进而引入质谱仪进行分析检测。拭子喷雾电离可将采样、萃取和电离整合为一步完成，实现简便快速的在线分析，已应用于生命健康[31-33]、毒品检测[34-35]、物证鉴定[36]、公共安全[37-38]等领域。

本研究拟采用拭子喷雾电离结合四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱(Q/Orbitrap HRMS)，开发防晒化妆品中防晒剂组分的快速精准筛查方法，为产品质量管控和政府监督管理提供科学依据和技术支撑。

1 实验部分

1.1 仪器与装置

铝制手柄再生纤维素纤维拭子：意大利COPAN Diagnostics公司产品；Q Exactive Focus四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱仪：美国Thermo Fisher Scientific公司产品，配有TraceFinder 4.1、Xcalibur 4.1和mzVault 1.0软件系统；XS105分析天平：瑞士Mettler Toledo公司产品。

1.2 药品与试剂

甲醇、乙腈、四氢呋喃、丙酮、异丙醇：均为色谱纯，美国Thermo Fisher Scientific公司产品；二苯酮-1(BZ1)、二苯酮-2(BZ2)、二苯酮-3(BZ3)、二苯酮-6(BZ6)、二苯酮-8(BZ8)、双-乙基己氧苯酚甲氧苯基三嗪(BEMT)、二乙基己基丁酰胺基三嗪酮(DEBT)、乙基己基三嗪酮(EHT)、水杨酸乙基己酯(EHS)、胡莫柳酯(HMS)、亚甲基双-苯并三唑基四甲基丁基酚(MBBT)、二甲基PABA乙基己酯(EHDP)、二乙氨羟苯甲酰基苯甲酸己酯(DHHB)、丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)：均为北京百灵威科技有限公司产品；二苯酮-10(BZ10)、苯基苯并咪唑磺酸(PBSA)、对甲氧基肉桂酸异戊酯(IMC)：均为北京伊诺凯科技有限公司产品；二苯酮-5(BZ5)、苯基二苯并咪唑四磺酸酯二钠(PDTA)：均为上海安谱实验科技股份有限公司产品。以上标准品除苯基二苯并咪唑四磺酸酯二钠纯度为91.9%外，其余标准品纯度均高于95%。19种防晒剂包含二苯酮类、三嗪类、水杨酸酯类、氨基苯甲酸酯类、肉桂酸酯类等，具体信息列于表1。

表1 19种防晒剂的基本信息Table 1 Basic information of the nineteen UV filters

1.3 标准溶液的配制

分别精密称取各10 mg(精确至0.1 mg)防晒剂标准品至10 mL容量瓶中，用甲醇-乙腈混合溶剂(4∶1,V/V)溶解并定容至刻度，配制成1 000 mg/L标准储备溶液。分别量取各0.5 mL标准储备溶液至10 mL容量瓶中，用上述混合溶剂定容至刻度，配制成50 mg/L混合标准储备溶液，于4 ℃保存。

1.4 拭子喷雾电离条件

以拭子轻轻蘸取少许化妆品样品，垂直固定于距质谱仪锥孔水平距离0.8 cm、垂直距离0.5 cm处。向拭子蘸取样品处滴加30 μL甲醇-乙腈混合溶剂(4∶1,V/V)，并通过拭子的导电铝柄施加5.0 kV电压使之产生带电液滴喷雾，四极杆/静电场轨道阱质谱仪检测。

1.5 四极杆/静电场轨道阱质谱条件

离子传输管温度320 °C，透镜电压50 V，无需鞘气与辅助气，一级全扫描(full scan)与平行反应监测模式(PRM)同时进行。一级全扫描模式参数：正、负离子交替扫描，扫描分辨率70 000，质量扫描范围m/z100～1 000，自动增益控制1×106，离子最大注入时间100 ms；平行反应监测模式参数：扫描分辨率35 000，前体离子隔离窗口m/z3，自动增益控制5×104，离子最大注入时间30 ms，各防晒剂的碰撞能量列于表2。

2 结果与讨论

2.1 拭子喷雾电离条件优化

对喷雾溶剂、喷雾电压、拭子摆放位置等拭子喷雾电离条件进行优化。根据19种防晒剂醇水分配系数的大小，选择二苯酮-2、二乙基己基丁酰胺基三嗪酮、水杨酸乙基己酯、二乙氨羟苯甲酰基苯甲酸己酯、丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷等5种防晒剂作为代表性目标化合物进行实验条件优化。

2.1.1喷雾溶剂的优化 选用滴加到拭子上的喷雾溶剂，一方面对化妆品样品中的防晒剂组分起萃取作用，不同化合物极性不同，基于相似相溶原理，不同溶剂对其萃取效率不同；另一方面，喷雾溶剂将辅助目标物离子化，19种防晒剂的化学性质各异，分别适用于正、负离子模式。本研究考察了甲醇、乙腈、四氢呋喃、丙酮及异丙醇5种喷雾溶剂，结果示于图1a。对于二苯酮-2、二乙基己基丁酰胺基三嗪酮和水杨酸乙基己酯3种负离子模式检测的防晒剂而言，乙腈作为喷雾溶剂得到的信号响应最高；而对于二乙氨羟苯甲酰基苯甲酸己酯和丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷2种正离子模式检测的防晒剂来说，甲醇作为喷雾溶剂的效果最佳。因此，进一步研究了不同比例的甲醇-乙腈混合溶剂(4∶1、3∶2、2∶3和1∶4，V/V)作为喷雾溶剂对信号强度的影响，结果示于图1b。在正离子模式下，丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷的响应值随着混合溶剂中甲醇比例的减少而降低；二乙氨羟苯甲酰基苯甲酸己酯虽受溶剂比例影响较小，但也呈现出递减趋势。在负离子模式下，二乙基己基丁酰胺基三嗪酮的最优喷雾溶剂为甲醇-乙腈溶剂(4∶1，V/V)；水杨酸乙基己酯在各混合溶剂中没有明显的变化趋势，但当甲醇-乙腈的体积比为4∶1时，其响应值较好；二苯酮-2随甲醇-乙腈比例的变化，信号呈现一定的变化趋势，即乙腈的比例越高，其响应值越好，甲醇对其影响较小。综合比较，选择甲醇-乙腈混合溶剂的最佳体积比为4∶1。

图1 喷雾溶剂(a)和甲醇-乙腈比例(b)对信号强度的影响(n=3)Fig.1 Effects of spray solvent (a) and methanol-acetonitrile ratio (b) on signal intensities (n=3)

2.1.2喷雾电压的优化 喷雾电压对喷雾过程和离子化效果有重要影响，喷雾电压过高或过低都会抑制目标化合物的信号响应。由于防晒剂目标化合物在喷雾电压低于3.5 kV时基本无响应，高于6.5 kV时响应值显著降低，因此，本实验考察了3.5～6.5 kV范围内，5种防晒剂的信号随喷雾电压的变化趋势，示于图2a。最终选择喷雾电压为5.0 kV。

图2 喷雾电压(a)、水平距离(b)和垂直距离(c)对信号强度的影响(n=3)Fig.2 Effects of spray voltage (a), horizontal distance (b), and vertical distance (c) on signal intensities (n=3)

2.1.3拭子摆放位置的优化 拭子的铝柄外接高压后，喷雾溶剂会在拭子尖端形成电喷雾，在质谱仪内部真空的作用下，质谱锥孔附近会形成一定程度的负压，促使带电液滴进入质谱仪。拭子的摆放位置会对目标化合物的信号响应产生影响，从拭子与锥孔之间的水平距离和垂直距离进行优化，结果分别示于图2b，2c。可见，拭子距离锥孔太近或太远均会导致目标化合物的响应值降低，最终选择将拭子摆放于距锥孔水平0.8 cm、垂直0.5 cm的位置上。

2.2 质谱条件优化和筛查策略

19种防晒剂化合物的化学结构和性质不同，可分别在正、负离子模式下得到质谱信号响应。其中，双-乙基己氧苯酚甲氧苯基三嗪、二甲基PABA乙基己酯、二乙氨羟苯甲酰基苯甲酸己酯、对甲氧基肉桂酸异戊酯和丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷可在正离子模式下产生较高丰度的准分子离子峰[M+H]+，其余防晒剂可在负离子模式下生成[M-H]-、[M-Na]-、[M-2Na]2-等准分子离子。静电场轨道阱质谱分析器可设置不同分辨率(17 500、35 000和70 000 FWHM)，分辨率的选择需要综合考虑准确度和灵敏度两个因素。分辨率越高，可以更好地区分目标化合物与其他质量数相近的组分，但分辨率过高，会降低扫描速度和检测灵敏度。综合考虑，本研究将一级全扫描模式下的质量分辨率设置为70 000 FWHM，平行反应监测模式下的质量分辨率设置为35 000 FWHM。将19种防晒剂的准分子离子作为前体离子进行二级质谱分析，对各化合物的碰撞能量进行详细优化，以便获得具有较高强度和丰富碎片的二级质谱图。在上述分辨率条件及碰撞能量下，19种防晒剂化合物的一级全扫描前体离子质量偏差均小于3×10-6，二级碎片子离子的质量偏差均小于5×10-6，列于表2。按照优化的质谱条件，采集19种防晒剂的一级全扫描和二级质谱数据，采用TraceFinder 4.1和mzVault 1.0软件建立精确质量数据库和筛查图谱库。在检测实际样品时，无需标准品，可直接调用精确质量数据库和筛查图谱库的相关信息进行比对确证，实现化妆品中防晒剂组分的快速精准筛查。

本研究采用的拭子喷雾电离与纸喷雾电离、电喷雾电离的机理相似[35,37]，即通过选择适宜的喷雾溶剂并施加电压，可在拭子尖端产生带电液滴，携带目标分析物进入质谱仪[32,34]。本研究分别以电喷雾电离和拭子喷雾电离作为电离源，采集防晒剂的一级及二级质谱信息。结果表明，防晒剂在两种电离方式下的特征质谱峰相似。5种代表性防晒剂的二级质谱图示于图3。

注：a.BZ2；b.DEBT；c.EHS；d.DHHB；e.BMDM图3 5种防晒剂的二级质谱图Fig.3 MS/MS spectra of the five UV filters

2.3 方法检出限与重复性

向经测定不含待测物的空白化妆品样品中添加一定浓度的防晒剂目标物质制备成阳性样品，按照优化的拭子喷雾电离和质谱条件进行测定，以各防晒剂组分丰度最高的二级质谱碎片离子估算方法的检出限(S/N=3)，19种防晒剂化合物的方法检出限介于0.01～2.0 mg/kg之间。以空白化妆品样品为基质，分别添加19种防晒剂目标化合物方法检出限的1、5和10倍3个浓度水平的标准溶液，每个添加水平平行测定6次，19种防晒剂的重复性在1.4%～9.9%之间，结果列于表3。

表3 19种防晒剂的方法检出限和重复性(n=6)Table 3 Limits of detection (LODs) and repeatability of the nineteen UV filters (n=6)

续表3

2.4 实际样品分析

应用本方法对市售的20件防晒类化妆品进行筛查，发现部分样品存在检出的防晒剂成分与产品标签标识不符的情况。其中，1件样品未检出标签标识的防晒剂成分(亚甲基双-苯并三唑基四甲基丁基酚)，另1件样品检出了标签未标识的防晒剂成分(二苯酮-3和二乙氨羟苯甲酰基苯甲酸己酯)。

3 结论

本研究建立了拭子喷雾电离与四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱联用法快速筛查化妆品中19种防晒剂，分别对拭子喷雾电离中的喷雾溶剂、喷雾电压、拭子摆放位置等参数进行优化。在优化的条件下，19种防晒剂的方法检出限介于0.01～2.0 mg/kg之间，在不同添加水平下，本方法的重复性良好，相对标准偏差在1.4%～9.9%之间，且单个样品的检测时间小于1 min。通过对市售防晒化妆品样品的检测，证实了该方法操作简便、准确可靠，适用于化妆品中防晒剂的快速筛查检测。