GC-Orbitrap MS非靶向篩查進口兒童紡織品中未知化學危害物

劉雅慧，李紅艷，孔祥偉，王志娟，張 慶，馬 強，呂 慶

(1.中國檢驗檢疫科學研究院，工業與消費品安全研究所，國家市場監管重點實驗室(消費品質量安全檢測與風險評估)，北京 100176；2.浙江省產品質量安全科學研究院，浙江 杭州 310018；3.北京凱隆分析儀器有限公司，北京 101102)

近年來，我國紡織服裝產品進口規?？焖僭鲩L，已成為世界第二大進口國。同時，兒童消費市場持續擴大，消費觀念轉向追求品質化、品牌化的高端領域，特別是進口兒童紡織品頗受消費者青睞。兒童紡織品的質量安全，尤其是化學成分安全非常重要，使用不安全的產品給兒童帶來的危害是難以估量的[1]。紡織品原材料可能含有化學污染物，在加工、運輸、包裝、儲存等各環節都可能受到化學品的污染[2-3]。目前，涉及兒童紡織品的主要法規包括國際環保紡織協會的Oeko-Tex認證、服裝及鞋襪國際RSL管理工作組限制物質清單(AFIRM RSL)、美國服裝鞋類協會限制物質清單(AAFA RSL)、歐盟REACH法規、美國CPSIA法案、以及我國的紡織品強制性標準“國家紡織產品基本安全技術規范”[4]和“嬰幼兒及兒童紡織產品安全技術規范”[5]等。

當前，對紡織品的化學安全研究通常聚焦于法規中規定的特定目標物質，主要是檢測樣品中目標物質的含量以判定是否符合法規要求。對紡織品中鄰苯二甲酸酯[6]、有機錫[7]、有機磷阻燃劑[8]、芳香胺[9]、多環芳烴[10]、苯并噻唑[11]、偶氮染料[12]等多種物質的檢測方法已有報道。有研究[11-12]對兒童紡織品中的化學物質進行風險評估，以探究其可能給兒童健康帶來的危害。實際上，即使產品中的已知化學物質符合法規要求，但存在的其他未知化學物質仍可能會對兒童健康構成潛在危害。因此，有必要采用非靶向方法篩查兒童紡織品中潛在的化學物質，以更全面地排查產品中的化學風險。目前，已有研究利用液相色譜-高分辨質譜(LC-HRMS)對兒童服裝中特定類別的物質，如偶氮染料[12]，以及兒童口罩中熒光增白劑[13]進行非靶向篩查。

未知物的鑒定復雜且耗時，定性結果的準確可靠是非常關鍵的。如果同系物之間的譜圖相似或異構體碎片離子存在的差異較小，則低分辨質譜難以得到準確的鑒定結果[14-15]，而高分辨質譜(Orbitrap、TOF等)具有更高的分辨率、質量準確度、靈敏度和選擇性，是當前開展非靶向研究的有力工具[16-17]。氣相色譜-軌道阱高分辨質譜(GC-Orbitrap MS)集合了氣相色譜和高分辨質譜的優點，在分析未知小分子物質方面具有優勢[18-20]，如高達24萬的分辨率；超過30萬種物質的商業化標準譜庫；高分辨過濾值(HRF)，即碎片離子的實測值與標準譜庫中相應碎片離子元素組成相符的精確質量百分比；多種電離模式能提供豐富的質譜碎片信息；色譜保留指數(RI)可與譜庫中的標準物質進行對比。目前，該技術在環境、食品接觸材料等領域非靶向篩查的應用越來越多[17,20-23]，但尚未見在兒童紡織品中應用的報道。

本研究擬開發一種可靠的非靶向篩查方法，通過GC-Orbitrap MS快速準確地鑒定進口兒童紡織品中潛在的化學物質。根據鑒定物質的檢出率、毒性和響應強度，揭示進口兒童紡織品中具有較高風險的化學物質。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Q Exactive GC-Orbitrap型氣相色譜-四極桿-靜電場軌道阱質譜儀：美國Thermo Fisher公司產品；P300H超聲清洗機：德國Elma公司產品；甲醇(色譜純)：美國Fisher公司產品；C7～C40正構烷烴混合溶液：美國Sigma-Aldrich公司產品。

1.2 實驗條件

1.2.1色譜條件 HP-5MS色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；載氣：高純氦氣(99.999%)；進樣體積1 μL；EI電離模式下采用分流進樣，分流比20∶1；正化學電離(PCI)模式下采用不分流進樣；載氣流速1.0 mL/min；進樣口溫度280 ℃，傳輸線溫度250 ℃；柱箱升溫程序：初始溫度40 ℃，保持1 min，以8 ℃/min升至310 ℃，保持5 min。

1.2.2質譜條件 全掃描模式(full-scan)，質量掃描范圍m/z50～600，分辨率設為60 000 FWHM，分別在EI、PCI模式下檢測每個樣品。EI電離能量70 eV；PCI采用甲烷反應氣，流速1.5 mL/min；溶劑延遲3.5 min；離子源溫度280 ℃，傳輸線溫度250 ℃；C-trap和HCD碰撞氣為高純氮氣(99.999%)；C-trap最大目標容量(AGC target)1×106；最大注入時間200 ms；質量公差窗口5 ppm。

1.3 樣品前處理

將樣品剪成小于5 mm×5 mm的碎片，混合均勻，準確稱取(0.5±0.01) g樣品于具塞玻璃比色管中，加入20 mL甲醇，超聲提取30 min，取上層清液，待分析。

空白樣品：除不添加樣品外，其余操作與實際樣品處理步驟一致。

1.4 數據處理

使用Thermo ScientificTMTraceFinderTM4.1軟件進行數據采集和處理，通過譜圖解卷積得到未知物較為“純凈”的質譜圖，然后與NIST 2014標準譜庫進行對比。解卷積參數設置如下：TIC強度閾值2×106，質量數容許窗口范圍±5 ppm，信噪比閾值3，解卷積碎片離子匹配值99%，保留時間矯正窗口10 s。

篩查方法工作流程：首先，在EI模式下對樣品中檢出閾值2×106以上的未知峰扣除空白后進行分析；然后，按照4個步驟定性鑒定未知物。步驟1，基于綜合評分(檢索索引(SI)、高分辨過濾值(HRF)等)和色譜保留指數偏差(ΔRI)進行初步鑒定。SI值表示與NIST譜庫對比時實測譜圖與標準譜圖之間的正匹配度，HRF值和SI值越高，說明檢索結果的可靠性越高。樣品分析前，用相同的分離方法分析C7～C40正構烷烴，確定各烷烴的保留時間，計算未知物質的保留指數；通過與標準譜庫中所含化合物的保留指數進行比較，計算ΔRI，ΔRI值越小意味著結果越可靠。步驟2，通過采集PCI數據進一步確定未知物的分子離子峰和分子式，以解決多個候選物綜合評分相似時難以定性的問題。步驟3，通過比較質譜碎片離子細節上的微小差異，從較難區分的多個同分異構體候選物中鑒定出最可能的物質。步驟4，使用化學標準品進行驗證。最后，通過對樣品中鑒定出的物質進行分析，根據物質的檢出率、毒性和響應強度，篩選出產品中具有較高風險的物質。

2 結果與討論

2.1 基于綜合評分和保留指數的初步鑒定

基于綜合評分、SI值和HRF值對未知物的所有檢索結果排序。ΔRI是定性分析的重要參數，ΔRI≤50可以提高定性的可靠性。然而，有些化合物在NIST譜庫中沒有保留指數數據，因此無法獲得它們的ΔRI。理論上，當SI≥700，HRF≥90，綜合評分≥90，ΔRI≤50時，鑒定結果的準確性較高。樣品中未知物質的初步鑒定過程示于圖1。在保留時間12.732 min處，未知物的候選結果中，己內酰胺的綜合得分為94.6，SI=735，HRF=99.560 7，ΔRI=3，示于圖1b；其他24個候選結果因評價指標不符合要求而被排除。因此，該物質為己內酰胺的可能性較高。

2.2 通過化學電離鑒定未知物的分子式

EI作為一種硬電離模式，其缺點是準分子離子信號非常微弱，甚至無法檢測到。對于綜合評分相近的候選化合物，可利用化學電離(CI)獲得未知物的分子式?；瘜W電離是一種軟電離技術，以甲烷為反應氣體，通過PCI可得到化合物的準分子離子峰([M+H]+、[M-H]+和[M+C2H5]+)的精確質量，從而推斷化合物的分子式。某未知物的5種候選物質的信息示于圖2a，它們的綜合得分極為接近(95.6～95.7)，前2個物質的SI值和HRF值極為接近，所有候選物質均無ΔRI值可參考。但是這些候選物的分子式不同，所以可通過CI來確定。該未知物的EI和PCI譜圖示于圖2b、2c，僅憑EI譜圖很難確定m/z224.083 26是否為該物質的分子離子峰。PCI譜圖中[M+H]+的加合峰為m/z225.090 83，與理論精確質量m/z225.091 01相差-0.83 ppm，此外，由PCI常見的加合離子[M+C2H5]+m/z253.122 26(-0.18 ppm)可以驗證元素組成。因此，該未知物最可能的結果是1,3-二苯基-1,3-丙二酮(綜合評分=95.7，SI=787，HRF=99.497 9)。

注：a.樣品中的色譜峰列表；b.譜庫檢索按綜合評分排序的候選物質列表；c.物質的離子疊加圖；d.各碎片離子的豐度以及測量質量和理論質量之間的偏差；e.該物質的實測質譜圖與譜庫中理論質譜圖的對比圖1 利用Trace Finder軟件初步鑒定己內酰胺Fig.1 Identification of caprolactam using Trace Finder

圖2 檢索譜庫后按綜合評分排序的候選物質列表(a)，1,3-二苯基-1,3-丙二酮的EI(b)和PCI(c)譜圖Fig.2 List of substances sorted by comprehensive score after spectral library retrieval (a),EI (b) and PCI (c) mass spectra of dibenzoylmethane

2.3 通過比對碎片離子細節區分同分異構體

雖然化學電離模式下可以確定未知物的分子式，但當多個候選物質互為同分異構體時，難以鑒定未知物。例如，圖3a中，通過PCI確定某未知物的[M+H]+為m/z221.189 84，推測未知物的分子式為C15H24O，因此排除6個候選結果，用“××”標識；候選結果C的ΔRI=156，也被排除，用“×”標識；其余4個候選結果的綜合得分相近，候選結果A和B的ΔRI均小于10，F和H譜庫中未收錄ΔRI。在這種情況下，同分異構體的鑒別需通過碎片離子的細節比對來實現。

圖3b中，對于候選結果F來說，該物質標準譜圖中m/z57.070 00離子的豐度較高(73.5%)，而未知物實測譜圖中該離子的豐度較低(5.9%)；實測譜圖中檢出的m/z145.101 40離子在標準譜圖中不存在。候選結果H的情況與F類似，存在差異的碎片離子為m/z107.085 73、145.101 40、163.111 82。因此，候選結果F和H被排除，用“?”標識。候選結果B的實測譜圖中存在m/z161.096 22離子，而在標準譜圖中不存在，因此B被排除，用“?”標識。所以，該未知物最可能為2,6-二叔丁基對甲酚，用“√”標識。隨后通過標準品驗證證實了該結果是正確的。

2.4 實際樣品篩查

通過北京實體店和網絡的方式采集進口兒童服裝、紡織配飾(口水巾、手帕等)樣品共40件，按照上述方法共鑒定出48種物質，包括21種酯、8種酮、6種胺、4種醚、3種醇、3種酚以及3種其他類物質，詳細信息列于表1。各物質的綜合得分均大于93.8，SI>717，HRF>92.79，離子的精確質量偏差均在3 ppm以內。其中，26種物質的ΔRI<41，其余物質的保留指數未能獲得。對所有物質進行半定量分析，橫坐標代表物質，縱坐標代表樣品，五角星的大小代表物質在EI模式下提取基峰離子的峰面積，示于圖4?？梢?，檢出率超過10%的物質有鄰苯二甲酸二丁酯(17.5%)、2.4-甲苯二異氰酸酯(TDI)(12.5%)、棕櫚酸異丙酯(10%)和1,2,4-丁三醇(10%)，15種樣品中未檢出TIC閾值大于2×106的色譜峰。

注：a.譜庫檢索后按綜合評分排序的候選物質列表；b.候選化合物的實測質譜圖與理論質譜圖對比圖3 2,6-二叔丁基對甲酚的鑒定過程Fig.3 Identification of butylated hydroxytoluene

表1 進口兒童紡織品中鑒定出的化學物質列表Table 1 List of chemical substances identified in imported children’s textiles

續表1

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檢出率最高的鄰苯二甲酸二丁酯已被多個法規限制。在2個樣品中檢出了苯酚，國際癌癥研究機構IARC將其列為3類致癌物。

圖4 進口兒童紡織品中非靶向篩查結果Fig.4 Results of non-targeted screening in imported children’s textiles

2，4-甲苯二異氰酸酯(TDI)、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、4,4′-亞甲基雙(異氰酸苯酯)(MDI)屬于二異氰酸酯單體，對皮膚、眼睛和呼吸道有強烈的刺激作用。歐盟紡織品生態標簽2002/371/EC規定，紡織品中二異氰酸酯向大氣的年平均釋放量不得高于5 mg/kg。苯甲酸芐酯屬于致敏性芳香劑，雖然紡織品法規中沒有涉及，但是在歐盟玩具安全指令2009/48/EC中已被限制。磷酸三苯酯屬于磷系阻燃劑，被歐盟玩具標準EN 71-9限制。此外，N-甲基苯胺和N-甲基甲苯胺是環境優先污染物[24]；二(2-乙基己基)己二酸酯(DEHA)、間苯二甲酸二甲酯、對苯二甲酸二辛酯(DOTP)屬于增塑劑，有致畸性、致突變性和生態毒性；4-甲基二苯甲酮、1-羥基環己基苯基甲酮和光引發劑907均屬于紫外光引發劑，其中4-甲基二苯甲酮具有致癌、皮膚接觸毒性和生殖毒性[24]。

3 結論

本研究開發了一種基于GC-Orbitrap MS非靶向篩查進口兒童紡織品中潛在化學危害物質的分析方法。針對未知物定性分析中遇到的問題，列舉了具有不同定性難度的典型案例和解決方案，以盡可能保證未知物質鑒別的準確性。在實際樣品中共鑒定出48種物質，并對其毒性、檢出率和半定量結果進行分析。本研究為紡織品等產品的潛在化學危害物質的篩查提供了思路和途徑。今后將結合液相色譜-高分辨質譜開展更全面的篩查，并對已識別的高風險物質進行定量方法開發和風險評估，為評價進口兒童紡織品對兒童健康的影響和促進產品安全提供科學數據。