顶空固相微萃取-气相色谱质谱快速测定聚酰胺环氧氯丙烷湿强剂中氯丙醇含量

张竞帆 赵世鑫 温建宇 高 君，*

（1.中轻纸品检验认证有限公司，北京，100020；2.国家纸张质量检验检测中心，北京，100020）

1,3-二氯-2-丙醇（1,3-DCP）和3-氯-1,2-丙二醇（3-MCPD）在纸和纸板中主要前体物质为环氧氯丙烷（epichlorohydrin，ECH），是一种形成聚酰胺环氧氯丙烷（polyamide-epichlorohydrin，PAE）树脂的单体[1]。PAE 树脂作为常用的湿强剂，以其独特的高湿强性能、不发黄、不含甲醛等优点，被广泛应用于纸和纸板的制造中，如纸基食品接触材料（food contact materials，FCM），以赋予纸和纸板所需的物理稳定性[2]。然而，PAE树脂中所含的ECH可能通过与氯离子反应产生1,3-DCP，或通过在水介质中水解产生3-MCPD，会引起潜在的健康风险，特别是纸和纸板在生产和使用过程中极易接触水[3]。由于1,3-DCP和3-MCPD 具有潜在的毒性和疑似致癌性，德国联邦风险评估研究所（BFR）对没有功能屏障的食品接触用纸和纸板的水萃取物中3-MCPD和1,3-DCP设定了限值（分别为12、2 µg/L）；GB 4806.8—2022《食品安全国家标准 食品接触材料用纸和纸板材料及制品》对10 g 样品在250 mL 水提取液中3-MCPD 和1,3-DCP 的限值分别设为12 µg/L和不得检出（检出限为2 µg/L）。

目前，纸和纸板领域有关氯丙醇的检测研究主要集中在成品端[1-2,4]，原材料湿强剂中1,3-DCP 和3-MCPD 的检测报道较少。李永辉等人[5]对环保型湿强剂与普通湿强剂中氯丙醇含量进行了测定，结果表明，普通湿强剂中1,3-DCP 和3-MCPD 的含量较环保湿强剂最高分别达1.02 万倍和7840 倍。现有的氯丙醇检测方法过程涉及液-液萃取、固相萃取、衍生化及脱水等步骤[6-7]，过程繁琐且检测成本高，相比之下，无需有机溶剂和衍生剂的快速检测方法更适合原材料端氯丙醇的筛查与控制。

顶空法用于氯丙醇的测定时，无需使用有机试剂和衍生剂，时间成本、经济成本及环保性均优于其他方法。Crews等人[8]采用顶空/低温捕获-气相色谱质谱，分析了酱油中1,3-DCP的含量，检出限为0.003 mg/kg；苗虹等人[9]采用手动顶空固相微萃取-气相色谱质谱，对酱油中1,3-DCP进行了测定，检出限为2 µg/kg；Wei等人[10]采用顶空固相微萃取气相色谱，检测了造纸PAE湿强剂中1,3-DCP的含量。然而，由于1,3-DCP沸点低且易挥发，易于检测，而3-MCPD沸点高、不易挥发，易导致色谱峰型差和灵敏度低，无法达到痕量分析的条件，不易直接检测，上述方法均缺少对3-MCPD的检测。若通过优化测试方法参数实现顶空法对1,3-DCP和3-MCPD的同时检测，则检测效率和成本均可大幅改善（相比于目前的固相萃取-衍生化-气相色谱质谱法，前处理时间可由6 h缩短至0.2 h）。本研究通过对顶空固相微萃取、气相色谱质谱仪相关参数进行优化，建立了应用于造纸PAE湿强剂中1,3-DCP和3-MCPD的全自动顶空固相微萃取气相色谱质谱（HS-SPME-GCMS）的检测方法，该方法简单、快速、灵敏度高，适用于原材料氯丙醇含量的非衍生化法快速检测。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 实验仪器及试剂

气相色谱质谱仪（8890-5977，美国Aglient Technology）；CTC 多功能气相色谱进样器（PAL RSI 85，瑞士思特斯分析仪器有限公司）；Milli-Q 纯水系统（法国默克）。

固相微萃取头（瑞士思特斯分析仪器有限公司）：聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS，7 µm/30 µm/100 µm）萃取头；二乙烯基苯/聚二甲基硅氧烷（Divinylbenzene/Polydimethylsiloxane，DVB/PDMS，65 µm）萃取头；二乙烯基苯/碳宽范围/聚二甲基硅氧烷（Divinylbenzene/Carbon Wide Range/Polydimethylsiloxane，DVB/CWR/PDMS，80 µm） 萃取头；氯化钠，国药集团化学试剂有限公司，分析纯。15 批次PAE 湿强剂样品分别来源于浙江邦成化工有限公司、浙江传化华洋化工有限公司、山东奥赛新材料有限公司、索理思（上海）化工有限公司及中国制浆造纸研究院有限公司，编号1#～15#。

色谱柱：DB-WAX 毛细管柱（30 mm×0.25 mm×0.25 µm）、HP-5MS 毛 细 管 柱（30 mm×0.25 mm×0.25 µm）、DB-624色谱柱（60 mm×0.32 mm×1.8 µm）。

1.1.2 标准物质

1,3-DCP标准品（纯度99.7%，上海安谱实验科技股份有限公司）；3-MCPD 标准品（纯度97.4%，上海安谱实验科技股份有限公司）；超纯水，实验室自制。

氯丙醇标准储备液（10 mg/mL）：分别称取1,3-DCP 标准品和3-MCPD 标准品各100 mg，用水溶解后转移至10 mL 容量瓶中，并用水定容至刻度线，根据需要配制标准工作溶液，此标准工作溶液现用现配。

1.2 实验方法

1.2.1 试样准备

量取2.0 mL PAE 湿强剂置于20 mL顶空瓶，加入1.2 g氯化钠，拧紧瓶盖。

1.2.2 固相微萃取固相微萃取时间为30 min、温度为30 ℃；样品解析时间为2 min；加热器转速为250 r/min。

1.2.3 色谱质谱条件

色谱柱为DB-WAX 毛细管柱（30 mm×0.25 mm×0.25 µm）；进样口温度250 ℃；分流模式选择不分流；进样量1 µL；升温程序60 ℃保持2 min，以速率8 ℃/min 升至200 ℃，保持0.5 min，后运行温度220 ℃，保持1 min；载气为氦气；恒流模式，流速为1.0 mL/min；质谱扫描模式选择离子监测；离子源为EI，温度230 ℃；四极杆温度150 ℃；定性及定量离子如表1 所示，空白基质1,3-DCP 和3-MCPD 提取离子流图及质谱图如图1所示。

图1 空白基质下1,3-DCP和3-MCPD提取离子流图及质谱图Fig.1 Ion flow and mass spectra of 1,3-DCP and 3-MCPD extracted from blank substrate

表1 定性及定量离子Table 1 Qualitative and quantitative ions

1.2.4 结果计算

分别以1,3-DCP、3-MCPD 的标准工作溶液响应值和对应的浓度点绘制标准曲线，通过外标法分别计算试样中1,3-DCP、3-MCPD的含量。

1.3 不同实验条件对3-MCPD响应的影响

考察3 种不同色谱柱（DB-WAX、HP-5MS、DB-624）、5 种不同萃取头（PDMS，7/30/100 µm；DVB/PDMS，65 µm；DVB/CWR/PDMS，80 µm）、湿强剂体积（1、2、3、4、5、8、10 mL）、固相微萃取时间（5、10、20、30、40、50 min）、解析时间（1、2、3、4、5 min）、固相微萃取温度（40、50、60、70、80、90 ℃）、NaCl 加入量（0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 g）、加热器转速（250、300、350、400、450、500 r/min）对3-MCPD 响应的影响，寻找3-MCPD 最佳质谱响应条件。

1.4 数据处理

使用SPSS 27.0对实验数据进行处理分析。

2 结果与讨论

2.1 不同实验条件对3-MCPD响应的影响

由于3-MCPD 高沸点和低挥发的性质，直接测试往往会导致色谱峰型差和灵敏度低，相比之下，1,3-DCP的沸点低且易挥发，因此本研究主要针对3-MCPD的响应值进行优化。

2.1.1 色谱柱和萃取头对3-MCPD响应的影响

本研究选取了3 种不同极性的色谱柱（DBWAX、HP-5MS、DB-624）进行3-MCPD 的测试，分别为极性、中极性和弱极性色谱柱。图2显示了不同色谱柱和萃取头对3-MCPD 响应值的影响。3-MCPD在3 种色谱柱上的响应如图2(a)所示，其中3-MCPD在DB-WAX 和HP-5MS 色谱柱上的响应值远高于在DB-624上的响应，而在DB-WAX和HP-5MS之间没有显著性差异（P>0.05），但由于3-MCPD 极性较强，其在弱极性色谱柱HP-5MS 上峰型差（表现为驼峰），因此选取DB-WAX进行后续优化实验。

图2 不同色谱柱和萃取头对3-MCPD响应值的影响Fig.2 Effect of chromatographic column and extraction head on 3-MCPD response

不同萃取头对3-MCPD 的响应影响如图2(b)所示，结果表明，DVB-CWR-PDMS 萃取头使3-MCPD 响应值达到最大，而3-MCPD 在不同膜厚PDMS 固相微萃取头（7、30、100 µm）的响应值无显著性差异（P>0.05），且响应值远小于其余2种萃取头，这是由于聚二甲基硅氧烷与3-MCPD 极性相差较大，因此后续选取DVB-CWR-PDMS萃取头进行优化实验。

2.1.2 液体体积和解析时间对3-MCPD响应的影响

在静态顶空分析中，最有效提高顶空分析灵敏度的方法是提高样品量，但由于被分析物质在气相浓度与其在初始样品中浓度的比值受被测物质的两相分配系数影响[11]，在响应值方面的表现也不同，同时还会受加热器转速等条件的影响。不同PAE 湿强剂液体体积对3-MCPD 响应的影响结果如图3(a)所示。从图3(a)可以看出，液体体积为2 mL 时，3-MCPD 响应值最高，且与液体体积为1 mL时3-MCPD的响应值具有显著性差异（P<0.05），因此选择2 mL 作为后续的液体体积进行实验。

图3 不同液体体积和解析时间对3-MCPD响应值的影响Fig.3 Effect of liquid volume and desorption time on 3-MCPD response

本方法气相进样口未设置冷阱进行富集，过长的解析时间可能会导致被测物由于无法聚焦，使长时间的解析条件下3-MCPD 响应下降。不同固相微萃取头解析时间对3-MCPD 响应的影响如图3(b)所示。从图3(b)可以看出，不同解析时间下，3-MCPD的响应之间均有显著性差异（P<0.05），在解析时间为2 min时，3-MCPD的响应值最高，因此选择2 min作为后续解析时间进行优化实验。

2.1.3 固相微萃取温度和时间对3-MCPD响应的影响

一般而言，提高顶空进样瓶的平衡温度将增加被分析物质的气-液分配系数，从而提高顶空分析的灵敏度[11]。但过高的顶空温度升高会导致顶空瓶中溶剂饱和蒸汽压呈指数上升，使被测物质在气相中的浓度降低，表现为3-MCPD 的响应值呈降低趋势。不同固相微萃取温度对3-MCPD 响应的影响如图4(a)所示。从图4(a)可以看出，当固相微萃取温度为60 ℃时，3-MCPD 响应达到最大，因此选择60 ℃作为后续优化实验的温度。

图4 不同固相微萃取时间和温度对3-MCPD响应值的影响Fig.4 Effect of solid-phase microextraction time and temperature on 3-MCPD response

不同固相微萃取时间对3-MCPD 响应的影响如图4(b)所示。从图4(b)可以看出，当时间为30 min时，3-MCPD 响应值达到最大，因此选择30 min 作为后续优化实验的条件。

综上所述，两种超声弹性成像技术指标的联合应用，可直观、定量地反映SAT急性期病灶的组织硬度，对其临床诊断及病程初步评估、病灶准确测量具有一定的实用价值，而对急性期同时合并甲状腺乳头状癌的检出及鉴别诊断可能有其局限性，提醒超声医师工作中应以重视。

2.1.4 NaCl加入量和加热器转速对3-MCPD响应的影响增加体系中的离子强度可以使极性组分在空气-水的气液分配系数升高，从而提高顶空分析的灵敏度。不同NaCl 加入量对3-MCPD 响应的影响如图5(a)所示。从图5(a)可以看出，当加入NaCl 质量为1.2 g时，3-MCPD 响应最大，因此后续选择NaCl 加入量1.2 g 进行最终加热器转速的优化实验。顶空分析中使用的电解质通常还有碳酸钾，而本研究在加入碳酸钾进行湿强剂氯丙醇测试时，发现1,3-DCP 无法被检出，可能是因为湿强剂的基质中某种物质与碳酸钾的结合阻止了1,3-DCP的挥发。

图5 不同NaCl加入量和加热器转速对3-MCPD响应值的影响Fig.5 Effects of NaCl addition and heater speed on 3-MCPD response

不同加热器转速对3-MCPD 响应的影响如图5(b)所示。从图5(b)可以看出，加热器转速为250 r/min时，3-MCPD 响应为最大，后续继续提高转速，3-MCPD的响应呈下降趋势。

2.2 方法学验证

2.2.1 标准曲线和检出限

根据上述优化实验条件，进行1,3-DCP和3-MCPD的标准工作溶液的配制，以标准工作溶液浓度响应为纵坐标，浓度为横坐标绘制标准曲线，同时按信噪比（S/N）为3 时，样品中1,3-DCP 和3-MCPD 的浓度作为检出限，标准曲线及检出限结果如表2所示。由表2可以看出，1,3-DCP和3-MCPD的响应与浓度在本方法下呈良好的线性关系，相关系数（r）均大于0.999；1,3-DCP和3-MCPD的检出限分别为0.0001 mg/L和0.1 mg/L。

表2 标准曲线和检出限结果Table 2 Standard curve and detection limit results

2.2.2 加标回收率和精密度

选取PAE 湿强剂样品7#、14#进行加标回收率的测定，同时进行7次重复测试以评价精密度，结果如表3 所示。从表3 可以看出，湿强剂样品中1,3-DCP加标回收率范围在95%～110%，3-MCPD 加标回收率范围在96%～113%，重复性测试结果显示相对标准偏差（RSD）范围在3.3%～5.7%，表明方法的精密度良好。

表3 加标回收率和精密度结果Table 3 Standard recovery and precision results

采用本方法与GB 4806.8—2022 附录C 的固相萃取-衍生化-气相色谱质谱法[5]进行方法比对，测试相同的PAE 湿强剂样品，比对结果如表4 所示。从表4 可以看出，采用本方法对PAE 湿强剂中1,3-DCP 和3-MCPD检测结果与固相萃取-衍生化-气相色谱质谱法检测结果之间的相对偏差均不超过10%，表明本方法准确度良好，可实现PAE湿强剂样品快速、准确检测。

表4 PAE湿强剂中氯丙醇检测方法比对结果Table 4 Comparison results of wet strength agent chloropropanol

3 结 论

本研究采用DVB-CWR-PDMS 萃取头，利用全自动顶空固相微萃取-气相色谱质谱仪系统，通过优化取样量、萃取温度、萃取时间、加热器转速、解析时间及NaCl加入量的参数条件，以增强待测物响应值，同时进行线性范围、加标回收率及检出限的方法学验证，建立了造纸用PAE 湿强剂中2种高关注氯丙醇物质（1,3-DCP 和3-MCPD）的快速测试方法，其中全自动顶空固相微萃取-气相色谱质谱非衍生化法直接测试3-MCPD为首次报道。

3.1 优化后的固相微萃取条件为：取样量2 mL、萃取温度60℃、萃取时间30 min、加热器转速300 r/min、解析时间2 min及NaCl加入量1.2 g。

3.2 PAE湿强剂中1,3-二氯-2-丙醇和3-氯-1,2-丙二醇线性范围分别为0.01～0.1 mg/L 和1.0～10 mg/L、相关系数均大于0.999、加标回收率范围分别为95%～110%和96%～113%、检出限分别为0.0001 mg/L 和0.1 mg/L。

本方法简单、准确、灵敏度高、无需使用衍生剂，大幅缩短前处理时间和成本，适用于PAE 湿强剂样品中氯丙醇的快速测定。