吸光材料－激光解吸附离子化质谱用于化妆品中添加剂的快速分析

谭奥雷，马潇潇

（清华大学 精密仪器系 精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084）

随着现代生活水平的不断提高和人们对皮肤护理的逐渐重视，化妆品的种类和数量也在不断增加和翻新。相关数据显示：2020年中国化妆品的市场规模为5 000亿元，较上一年增长9.5%，增幅位于非必需消费品前列［1］。在我国人均可支配收入不断提高和消费不断升级的时代背景下，可以预见化妆品市场还有很大的发展空间。为了提升化妆品的使用效果，延长保质期限，生产厂家常会在化妆品中添加对羟基苯乙酮［2］、樟脑衍生物［3］等添加剂。然而，有些添加剂的过量使用可能会对人体内分泌系统产生干扰，引发皮肤病［4－5］、性功能异常［6－7］等症状，对人体健康造成危害。

樟脑衍生物是一类具有较高紫外线吸收率的化合物，常用于轻工业、医药产品和日用化工等领域。在化妆品中，厂家会添加一定含量的樟脑衍生物，以保护人体皮肤免受紫外线的伤害［8－9］。随着消费者防晒意识的逐渐提升和抗紫外市场的日益增长，樟脑衍生物的使用越来越频繁。然而，相关研究表明，樟脑衍生物具有较强的胚胎毒性，其在化妆品中的滥用会干扰人体内分泌系统，对胎儿生长和发育造成不可逆的影响，如生长迟缓［10］，甚至致畸［11］等。

对羟基苯乙酮是一种从菊科植物等的茎、叶中提取的化合物，因其具有抗氧化和活性稳定作用，多用于香料的合成。对羟基苯乙酮可与传统防腐剂如烷基二元醇、苯氧乙醇等配合使用，显著延长化妆品的保质期限［12］，但过量接触会使人体呼吸系统、皮肤等受到刺激［13］。环吡酮是一类广泛使用的抗真菌剂，可用于治疗皮肤真菌、放线菌等造成的感染，常被添加到乳液、搽剂等化妆品中以提升化妆品的抗菌能力。但环吡酮的不当使用可能会导致严重的过敏症状，如接触性皮炎等［14－15］。

2015年，我国颁布的《化妆品安全技术规范》对化妆品中的防腐剂、防晒剂、着色剂等组分的含量作了具体规定［16］；欧盟发布的化妆品法规EC 1223/2009也明确了多种添加剂在化妆品中的最高用量，以确保消费者的生命健康安全［17］。因此，化妆品中添加剂含量的准确、高效测定对化妆品质量的监控至关重要。目前，广泛用于化妆品中添加剂含量测定的国际标准方法包括高效液相色谱－质谱（HPLC－MS）法［18－19］、气相色谱－质谱（GC－MS）法［20］等。此外，研究人员还针对不同化妆品开发了实时直接分析质谱（DART－MS）法［21］、纸喷雾（Paperspray）法［22－23］等敞开式离子化技术，在无需或仅需很少样品预处理的条件下，实现了化妆品的原位、快速质谱分析［24］。这些新型质谱分析技术为化妆品添加剂的分析提供了更多手段。马潇潇、欧阳证团队［25］于2018年提出了吸光材料－激光解吸附离子化质谱（AR－LDI MS）技术用于小分子化合物的高灵敏度质谱分析，该方法的原理如图1A所示：利用飞秒激光对金属基材表面进行加工，形成吸光率较高的微/纳米结构［26］；该结构可有效吸收激光能量，快速升温，同时使表面的分析物发生爆炸性挥发和离子化［27］。与传统的基质辅助激光解吸离子化（MALDI）质谱（图1B）相比，AR－LDI MS可极大地降低小分子基质在低质量段所产生的背景噪声干扰，提高分析灵敏度，因而也适合化妆品中添加剂的分析。

图1 吸光材料－激光解吸附离子化（A）及基质辅助激光解吸离子化（B）的原理对比Fig.1 Principle comparison of antireflection surfaces laser desorption ionization（A）and matrix-assisted laser desorption ionization（B）

本研究利用AR－LDI MS技术，开发了快速检测化妆品中环吡酮、对羟基苯乙酮、3-亚苄基樟脑和4-甲基苄亚基樟脑4种常见化妆品添加剂的方法。此方法操作简单、用时较少、检测精度高，可用于进出口贸易、质量安全检测等场景中化妆品的高通量、高灵敏度筛查。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

MaXis Impact四极杆－飞行时间（Q－TOF）质谱仪（德国Bruker Daltonics公司）；Nd∶YAG激光器（频率2 kHz、波长355 nm、最大脉冲能量10μJ，长春新产业光电技术有限公司）；表面吸光基板（铜和不锈钢材质，清华大学材料学院）。

标准品：环吡酮、对羟基苯乙酮（上海Meryer公司），3-亚苄基樟脑、4-甲基苄亚基樟脑（美国Sigma－Aldrich公司），邻苯二甲酸二甲酯（上海源叶生物科技有限公司），所有标准品纯度均≥97%，并于实验前将各标准品溶于甲醇，配制成含量为1 000 mg/kg的标准储备溶液。乳液、防晒霜等购自当地超市。

1.2 实验方法

称取0.1 g待测样品置于离心管中，加入0.9 mL甲醇，充分涡旋混合，将样品稀释10倍；随后将离心管放入离心机中，在12 000 r/min、4℃条件下离心3 min；待上层清液与下层的絮状不溶物完全分离后，用毛细移液枪头吸取3μL上层清液，滴至吸光基板；将基板静置1 min，待板上液体完全干燥后，将基板放置在离质谱进样口5 mm左右的位置，并在基板和质谱进样口之间施加2 kV的电压和波长为355 nm、脉冲能量为10μJ的激光。在激光和电压的共同作用下［17］，待测物从基板表面解吸附和离子化，进入质谱仪进行后续检测。

2 结果与讨论

2.1 表面吸光基板材质的选择

常用于AR－LDI MS分析的表面吸光基板有多种材质可供选择。实验分别采用黄铜和不锈钢两种材质，利用飞秒激光脉冲对材质表面进行加工，形成吸光率较高的微/纳米结构。该结构由间隔为35μm左右的微孔和孔表面6 nm左右的金属纳米粒子组成，可通过表面等离子共振的形式将激光能量转化为内能，促进待测物的解吸和离子化。将含有相同浓度待测物的液体滴至上述两种材质的基板上进行AR－LDI MS分析。比较两者的谱图可以发现（图2A、B），不锈钢基板对于分析物的解吸附和电离有更好的促进作用，且在浓度相同情况下，不锈钢基板表面的被分析物信号更强、信噪比更高，有着更好的检测效果；而利用黄铜基板对被分析物进行检测的效果则相对较差。因此实验选择不锈钢作为化妆品中添加剂快速分析的基板材质。

图2 采用黄铜（A）及不锈钢（B）作为基板材质时被分析物信噪比的差别Fig.2 Difference of signal-to-noise ratio of analyte when brass（A）and stainless steel（B）are used as substrate materials

2.2 激光脉冲能量与质谱毛细管电压的选择

在激光脉冲能量和质谱毛细管电压的共同作用下，被分析物从基板表面解吸附并带电，进入质谱仪中进行后续分析，所以需对激光脉冲能量和质谱毛细管电压进行优化，以获得更好的分析结果。其中激光脉冲能量可通过调节激光器的输出电流进行调节，实验所用的Nd∶YAG激光器最大脉冲能量为10μJ，此时对应的输出电流为8 A。分别将激光器输出电流设定在7～8 A之间，毛细管电压设定在－2～－1 kV之间，测定了100 mg/kg 4-甲基苄亚基樟脑的质谱峰信号强度，结果如图3所示。可以看出，激光脉冲能量和毛细管电压的绝对值均与待测物信号强度呈正相关趋势。需要注意的是，激光脉冲能量一方面受到激光器性能的限制；另一方面激光能量过高会使基板表面的损耗更严重。综合考虑，选择激光器输出电流为8 A、脉冲能量为10μJ，毛细管电压为－2 kV。

2.3 表面吸光基板和质谱进样针间距的选择

待测物从基板表面解吸附和电离后，需经过一段时间的飞行才能通过进样针进入质谱进行质量检测，所以表面吸光基板和质谱进样针间距的选择至关重要。以3 mm为间距，在2～20 mm范围内选择7个点，测定100 mg/kg 4-甲基苄亚基樟脑在此间距条件下的质谱峰信号强度，结果如图3C所示。可以看出，基板与质谱进样针之间的距离越短，则离子的损耗越小，检测的灵敏度越高。但基板与进样针之间距离过近会导致以下问题：在光路设计上，基板与进样针的间距越小，对于光斑聚焦位置的精确度要求就越高，一旦光斑偏离进样针，质谱信号急剧下降；此外基板与进样针的间距过小还会导致光路不宜设计、基板容易触碰进样针等问题。综合考虑，最终选择5 mm作为实验所用的间距。

图3 4-甲基苄亚基樟脑信号强度随激光输出电流（A）、毛细管电压（B）及基板与质谱进样针间距（C）的变化曲线Fig.3 Variation curves of 4-methylbenzylidene camphor signal intensity with output current of laser（A），capillary voltage（B），and distance between substrate and mass spectrometry probe（C）

2.4 线性范围的考察

以邻苯二甲酸二甲酯作为内标，可以实现化妆品中樟脑衍生物的相对定量，为化妆品质量的判断提供依据。固定标准储备溶液中邻苯二甲酸二甲酯的浓度为100 mg/kg，借助AD－LDI MS方法检测待测样品中不同含量（60、80、100、120、140 mg/kg）3-亚苄基樟脑和4-甲基苄亚基樟脑的峰面积比，考察其峰面积比（y）与含量（x，mg/kg）间的线性关系，得线性方程分别为y=0.606 4x和y=0.868 8x，相关系数（r2）分别为0.995 7和0.999 2。表明该方法在60～140 mg/kg内具有良好线性关系。

2.5 检出限与回收率的测定

在优化条件下，利用AD－LDI MS技术考察环吡酮、对羟基苯乙酮、3-亚苄基樟脑和4-甲基苄亚基樟脑4种常见化妆品添加剂的检出限（LOD）。首先对空白的乳液样品进行测定，确定其中不含3-亚苄基樟脑和4-甲基苄亚基樟脑。将稀释后的标准储备溶液分别添加至空白乳液，制得添加剂含量分别为100、10、5、1 mg/kg阳性待测样品，随后进行AR－LDI MS分析。按照信噪比（S/N）为3计算得到检出限分别为4 mg/kg和6 mg/kg。利用AR－LDI MS方法分别对添加对羟基苯乙酮、环吡酮的阳性待测样品进行分析，测得其检出限分别为40、10 mg/kg，耗时在5 min内。

准确配制3-亚苄基樟脑和4-甲基苄亚基樟脑含量为100 mg/kg的乳液，对样品进行前处理，并采用方法的标准曲线进行定量分析，测得回收率为84.7%～93.2%，表明该方法具有较高的回收率。

2.6 实际样品的检测

为提升化妆品的香味、保存时间和抗菌效果，部分化妆品中可能同时含有以上添加剂的多种成分。选取空白乳液样品进行测定，确定其不含上述添加剂。向其中加入20 mg/kg环吡酮、3-亚苄基樟脑和4-甲基苄亚基樟脑，用AR－LDI MS方法对3种添加剂进行同时测定，结果如图4所示，可在一张谱图中同时检出3种化合物。对化妆品中樟脑衍生物的含量进行加标定量，比较测得值与实际添加值间的关系，测得回收率均在90%左右。表明该方法具有同时检测实际化妆品中多种添加剂的能力。

图4 利用AR－LDI MS法同时测定化妆品中的多种添加剂Fig.4 Simultaneous determination of various additives in cosmetics by AR－LDI MS

3 结 论

本文借助AR－LDI MS技术，建立了一种快速、高灵敏检测化妆品中添加剂的质谱分析方法。该方法操作流程简单，单个样品的总分析时间不超过5 min，在化妆品快速、高通量筛查中有着较为广泛的应用前景。本方法分析灵敏度高、定量能力好，可满足各类化妆品添加剂的国标检测要求，且吸光材料可反复多次使用，有望用于进出口贸易、质量安全检测等场景中化妆品的高通量、高灵敏度筛查。