超高效合相色譜法同時檢測塑料食品接觸材料中11種雙酚類化合物

邱月 李根容 龍梅 阮燕 譚超蘭 張璐 夏之寧

摘?要?建立了基于超高效合相色譜（Ultra performance convergence chromatography，UPC2）快速檢測塑料食品接觸材料中11種雙酚類化合物的分析方法。食品接觸塑料材料樣品用甲醇進行超聲萃取，過0.22 μm有機濾膜，采用超臨界CO2為主要流動相，甲醇為改性助溶劑，進行梯度洗脫，經ACQUITY UPC2 Torus DIOL色譜柱（150 mm×3.0 mm， 1.7 μm）分離，采用紫外檢測器進行檢測，外標法進行定量分析。在最優色譜條件下， 5 min內可實現11種雙酚類化合物的有效分離，11種目標化合物在各自濃度范圍內線性關系良好，標準曲線相關系數（R2）>0.998，3個加標水平（1.0、 25.0和50.0 mg/kg）下的回收率為75.7%～122.0%，相對標準偏差為0.6%～7.3%，檢出限（LODs）為0.1～0.3 mg/kg。本方法操作簡便、結果準確、綠色高效，可用于塑料食品接觸材料中11種雙酚類化合物的快速檢測。

關鍵詞?雙酚類化合物; 超高效合相色譜; 超聲萃取; 塑料食品接觸材料

1?引 言

雙酚類化合物（Bisphenols， BPs）是一類結構相似（具有兩個羥苯基）的物質，主要包括雙酚A（Bisphenol A， BPA）、雙酚S（Bisphenol S， BPS）、雙酚F（Bisphenol F， BPF）、雙酚AF（Bisphenol AF， BPAF）和四氯雙酚A（Tetrachlorobisphenol A， TCBPA）等。BPA是一種重要的化工原料，因其熱穩定性高、延展性好且價格低廉，被廣泛應用于聚碳酸酯等食品包裝材料的生產[1]。研究表明，BPA具有內分泌干擾性和擬雌激素活性，并具有致癌效應[2～4]。因此，歐盟、美國等均對食品接觸材料中BPA的遷移進行了嚴格限制[5]，我國國家標準GB 9685-2016中規定，BPA在食品或食品模擬物中的遷移限量為0.6 mg/kg[6]。近年來，一些與BPA結構和性能相似的物質（如BPS，BPF等）逐漸代替了BPA在實際生產中使用。但已有研究證明，BPS和BPF對人體的危害性與BPA類似，并且更易富集，在環境中不易降解[7～9]。因此，開發雙酚類化合物的檢測方法對保證食品安全具有重要意義。

目前，檢測雙酚類化合物的主要方法有液相色譜法（Liquid chromatography， LC）[10，11]、液相色譜-串聯質譜法（Liquid chromatography-tandem mass spectrometry， LC-MS）[12，13]和氣相色譜-串聯質譜法（Gas chromatography-tandem mass spectrometry， GC-MS）[14，15]等。由于大多數雙酚類化合物熱穩定性高，不易揮發，不適合直接采用GC或GC-MS法檢測，分析前通常需要進行衍生化處理，這類方法繁瑣耗時，且容易造成目標物質的損失[16，17]。LC-MS法靈敏度高、選擇性好、抗干擾能力強，是目前雙酚類物質最常用的檢測方法。但由于雙酚類化合物種類繁多，且結構相似，現有分析方法依然存在不少挑戰，主要包括：對結構相似物質分離效果差，可同時分析的雙酚化合物種類少[18，19]; 檢測時間較長（通常大于10 min），分析成本高[20，21]; 溶劑消耗量大，不符合檢測方法綠色環保的發展需求。因此，建立一種快速、高效、綠色的高通量分析方法用于雙酚類化合物的檢測非常必要。

近年來，超高效合相色譜法（Ultra performance convergence chromatography， UPC2）受到了廣泛關注。UPC2技術在傳統液相色譜法的基礎上，以超臨界CO2為主要流動相，粘度低，傳質快[22]; 同時，有機助劑的種類多， 極性可調范圍廣，既適用于分析非極性物質，也適用于強極性物質[23]; 此外，亞2 μm超高效色譜柱的填料技術為其提供了比傳統液相色譜更快的分離速度和更高的系統分辨率[24]; 加之以無毒的CO2為主要流動相，有機溶劑的消耗大大減少，節約了分析成本，是一種綠色環保的分離技術[25]。研究表明，UPC2技術更適合分析傳統液相色譜難以處理的同分異構體和結構類似物，已成功用于多種化合物的分離檢測，如脂肪酸[26]、維生素[27]、光引發劑[28]、鄰苯二甲酸酯[29]和紫外吸收劑[30]等。

本研究建立了一種快速、準確、高效的UPC2方法，用于檢測塑料食品接觸材料中的雙酚類化合物，在5 min內實現了11種雙酚類化合物的快速有效分離，為塑料食品接觸材料中雙酚類化合物的定性與定量分析提供了技術參考。

2?實驗方法

2.1?儀器與試劑

ACQUITY UPC2型超高效合相色譜儀（美國Waters公司），配紫外檢測器; N-EVAP-112型氮吹儀（美國Organomation公司）; BILON-2000CT超聲波清洗器（上海比朗儀器有限公司）。

雙酚類化合物標準品：雙酚A縮水甘油醚（Bisphenol A-diglycidyl ether， BADGE）、四甲基雙酚A（Tetramethylbisphenol A， TMBPA）、雙酚AF（BPAF）、四氯雙酚A（TCBPA）、四溴雙酚A（Tetrabromobisphenol A， TBBPA）、雙酚A（BPA）、雙酚F（BPF）、雙酚Z（Bisphenol Z， BPZ）、雙酚AP（Bisphenol AP， BPAP）、雙酚S（BPS）和雙酚BP（Bisphenol BP， BPBP）均購于德國 Dr.Ehrenstorfer公司。甲醇、乙腈、異丙醇均為色譜純（德國Merck公司）。CO2為食品級（99.99%，重慶同輝氣體有限公司）。

2.2?標準溶液配制

標準儲備液： 準確稱取11種雙酚類化合物標準物質各10.0 mg，用甲醇溶解并定容至10 mL，配成1000 mg/L的單標儲備液，于4℃保存。分別移取適量單標儲備液，用甲醇逐級稀釋并定容，分別配制成0.5、1.0、5.0、10.0、25.0和50.0 mg/L的混合標準工作溶液，現配現用。

2.3?樣品處理

將塑料食品接觸材料的樣品剪碎，準確稱取1.0 g待測樣品，置于25 mL具塞試管中，加入10 mL甲醇，在超聲條件下提取30 min后，將提取液于40℃氮吹濃縮至近干，再用甲醇復溶，并定容至1.0 mL， 用0.22 μm有機濾膜過濾，待測。

2.4?色譜條件

采用ACQUITY UPC2 Torus DIOL色譜柱（150 mm × 30 mm，1.7 μm）， 流動相A為超臨界CO2， 流動相B為甲醇。柱溫為35℃， 系統背壓12.41 MPa， 進樣體積為3 μL， 檢測波長為220 nm。梯度洗脫：0～1 min， 5%～9% B; 1～2 min， 9%～10% B; 2～2.5 min， 10%～20% B; 2.5～5 min，20% B; 5～5.5 min， 20%～5% B; 流速為1.3 mL/min。

3?結果與討論

3.1?分離條件的優化

3.1.1?色譜柱的選擇?本研究中測定的11種雙酚類化合物， 因結構非常相似，不易分離，而色譜柱固定相是影響色譜分離的關鍵因素。因此，選擇4種相同規格的非手性分離色譜柱（ACQUITY UPC2 Torus DIOL、ACQUITY UPC2 Torus DEA、ACQUITY UPC2 Torus 1-AA和ACQUITY UPC2 2-PIC）對11種雙酚類化合物的分離效果進行考察（圖1）。結果表明，采用ACQUITY UPC2 Torus 1-AA色譜柱分離時，色譜峰響應較低，分離度和峰形較差; 采用ACQUITY UPC2 Torus DEA和ACQUITY UPC2 2-PIC色譜柱分離時，峰形較好，但11種目標物未能全部檢出; 采用Torus DIOL色譜柱，11個色譜峰在5 min內實現基線分離，峰形尖銳且對稱性良好。因此，后續實驗選擇Torus DIOL色譜柱進行雙酚類化合物的分離。

3.1.2?流動相中助溶劑的選擇?UPC2采用超臨界CO2為主要流動相，通常加入少量有機助溶劑調節流動相的極性，以增強對目標物的溶解能力和洗脫能力，助溶劑的選擇對目標物的出峰時間、出峰順序和分離度均有重要影響[27，31]。選擇ACQUITY UPC2 Torus DIOL色譜柱，在背壓13.10 MPa、 柱溫35℃條件下，對比了甲醇、乙腈和異丙醇3種不同極性的助溶劑對11種雙酚類化合物分離效果的影響（圖2）。結果表明，助溶劑極性的增強有利于提高雙酚類化合物的分離度。當使用異丙醇和乙腈時，11種目標物未能全部出峰，部分色譜峰重疊、展寬明顯; 當選擇極性較大的甲醇作為助溶劑時，11種雙酚類化合物能夠在較短的時間內實現基線分離，且色譜峰峰形良好。因此，本研究選擇甲醇作為助溶劑。

3.1.3?系統背壓的選擇?UPC2在運行過程中，可通過控制系統背壓調節超臨界流體的狀態，從而提高對目標物的洗脫能力。當系統背壓升高時，CO2超臨界流體密度增大，柱壓升高，洗脫能力增強，對目標物的保留能力減弱，出峰時間提前。本研究以甲醇為有機助溶劑，在柱溫35℃條件下考察了11.72～13.79 MPa范圍內系統背壓對11種雙酚類化合物分離效果的影響（圖3）。結果表明，隨著背壓的增加，BPAF（峰3）和TCBPA（峰4）的分離度降低。綜合考慮分析速度和分離效果，選擇13.10 MPa為最佳系統背壓。

3.1.4?色譜柱溫度的選擇?色譜柱溫度是另一個影響CO2超臨界流體的重要因素。隨著色譜柱溫度升高，CO2超臨界流體的粘度降低，密度減小，對目標物的洗脫能力也隨之減弱，保留時間延長。考察了色譜柱溫度在20℃～55℃范圍內對11種雙酚類化合物分離的影響（圖4）。結果表明，隨著柱溫升高，目標物的保留時間逐漸延長。當溫度為25℃時，11種雙酚類化合物未能全部分離; 升高溫度至35℃時，11種目標物出峰完全，并在5 min內實現良好的基線分離; 繼續升高溫度， BPAF（峰3）和TCBPA（峰4）、BPS（峰10）和BPBP（峰11）的分離度逐漸降低。因此，選擇最佳色譜柱溫度為35℃。

3.2?方法性能評價

3.2.1?基質效應評估?由于不同塑料基質成分可能會影響檢測結果的準確性，考察了方法的基質效應。分別用空白PET塑料瓶、空白PC奶瓶、空白PE食品包裝袋的提取液和溶劑甲醇配制雙酚混合標準溶液，并繪制標準曲線，通過計算各基質溶液與甲醇中雙酚標準曲線的斜率比（KPET/K甲醇，KPC/K甲醇和KPE/K甲醇），得到11種雙酚類化合物的基質效應為90.3%～108.7%，表明本方法中塑料基質效應對檢測結果的影響較小[32]。

3.2.2?方法分析性能?配制濃度為0.5、 1.0、 5.0、 10.0、 25.0和50.0 mg/L的11種雙酚類化合物系列混合標準工作溶液，在優化的UPC2色譜條件下進行分析，以標準系列響應峰面積為縱坐標（y），濃度為橫坐標（x），建立線性回歸方程。選取空白PET塑料瓶樣品進行回收率和精密度測試，在溶劑提取階段加入11種雙酚類化合物的混合標準溶液，加標水平分別為1.0、25.0和50.0 mg/kg，每個濃度水平重復測試6次。對加標溶液進行逐級稀釋，分別采用3倍和10倍信噪比（S/N=3， 10）的方法計算得出方法的檢出限（LODs）和定量限（LOQs）。方法分析性能參數見表1。11種雙酚類化合物在各自濃度范圍內線性關系良好，線性相關系數（R2）均高于0.998，11種雙酚類化合物的LODs為0.1～0.3 mg/kg，LOQs為0.4～1.0 mg/kg。3個加標水平下的平均回收率為75.7%～122.0%，相對標準偏差為0.6%～7.3%。

3.3?實際樣品分析

采用本方法對5個塑料食品接觸材料樣品（PET塑料瓶、PC水杯、PC奶瓶、PE食品包裝袋和PE保鮮膜）中的雙酚類化合物進行檢測。結果表明，有兩個樣品檢出的雙酚類物質殘留。樣品1（PET塑料瓶）中僅發現BADGE，含量為4.791 mg/kg，樣品2（PC水杯）中檢出BADGE、TMBPA和BPAP，含量分別為2.632、 3.853和0.248 mg/kg。典型的樣品色譜圖如圖5所示。

上述結果表明， 本方法在5 min內即可實現11種雙酚類化合物的有效分離， 分析速度快、靈敏度和分離度高， 有機溶劑消耗量少， 能夠為食品接觸塑料中雙酚類化合物的分析提高新的參考方法。

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Determination of 11 Kinds of Bisphenols in Plastic Food Contact

Materials by Ultra-Performance Convergence Chromatography

QIU Yue*1，2， LI Gen-Rong1， LONG Mei1， RUAN Yan1， TAN Chao-Lan1， ZHANG Lu1， XIA Zhi-Ning2

1（Chongqing Academy of Metrology and Quality Inspection， Chongqing 401123， China）

2（College of Chemistry and Chemical Engineering， Chongqing University， Chongqing 400030， China）

Abstract?A method for rapid detection of 11 kinds of bisphenols in plastic food contact materials based on ultra-performance convergence chromatography （UPC2） was established. Plastic food contact material sample was extracted with methanol by ultrasonic treatment， followed by clean-up through a 0.22 μm organic membrane. The separation was conducted on ACQUITY UPC2 Torus DIOL chromatographic column （150 mm × 3.0 mm， 1.7 mm） with supercritical carbon dioxide as the main mobile phase and methanol as a modified co-solvent for gradient elution. The 11 kinds of bisphenols were analyzed by UV detector， and quantified by external standard method. The 11 kinds of bisphenols were separated within 5 min under the optimum conditions， and exhibited a good linearity with the standard curve correlation coefficients （R2） of not less than 0.998. The recoveries at three standard levels （1.0， 25.0 and 50.0 mg/kg） were 75.7%-122.0%， the relative standard deviation was 0.6%-7.3%， and the detection limits （LODs） were 0.1-0.3 mg/kg. This method is convenient， accurate， green and efficient， and can be used for the rapid detection of 11 kinds of bisphenols in plastic food contact materials.

Keywords?Bisphenols; Ultra-performance convergence chromatography; Ultrasonic extraction; Plastic food contact materials

（Received 21 June 2019; accepted 4 December 2019）

This work was supported by the Chongqing Scientific Research Institute Performance Incentive and Guidance Special Project （No. cstc2018jxj100007）.