高分辨率精確質譜非靶標分析塑料食品接觸材料遷移化合物綜述

■ 文/上海市質量監(jiān)督檢驗技術研究院 李潔君，張麗媛，王永香

0 引 言

近年來，食品接觸材料（Food Contact Materials，FCMs）的生產和使用有所增加。三分之一以上的食品接觸材料是由塑料制成的，通常是通過將不同的聚合物膠粘結合在一起來制作[1]。在食品包裝中使用多層材料時，由于擴散和分配過程，遷移不僅會從食品包裝的內側（食品接觸面）發(fā)生，而且還會從食品包裝內層發(fā)生[2-3]。

在歐盟法規(guī)10/2011中[4]中對于與食品接觸的塑料材料安全使用有具體規(guī)定，該法規(guī)規(guī)定了肯定列表。這些授權用于制作塑料的化合物（＞ 150種化合物）就是所謂的有意添加物質（Intentionally Added Substances，IAS）；其他未出現在允許成分列表中化合物通常稱為非故意添加物質（Non-Intentionally Added Substances，NIAS）。

FCMs中添加IAS以增強其性能，比如抗氧化劑、光穩(wěn)定劑和表面活性劑。Alin[6]和Burman[7]等分別對抗氧化劑降解產物進行研究。聚乙氧基壬基酚是生產塑料瓶常用清潔劑中的表面活性劑[8-9]。偶氮顏料本身是用于配制油墨的有意添加物質，用于印刷油墨的偶氮顏料中存在伯芳族胺和β-萘酚，這2種化學物質作為雜質存在于偶氮顏料和最終油墨配方中，因此伯芳族胺、β-萘酚是非故意添加物質[10-11]。使用頻率較高的聚氨酯粘合劑一般是通過多元醇和二異氰酸酯單體的聚合反應制成，若粘合劑未被正確固化或組分未被正確混合，會造成聚合反應的不完全，并且剩余的未聚合芳族異氰酸酯會與水反應形成伯芳族胺[12]，形成新的非故意添加物質就是伯芳族胺[13]。環(huán)氧漆可能含有雙酚A和雙酚A二縮水甘油醚，雙酚A二縮水甘油醚可以與食物蛋白反應形成副產物也是非故意添加物質[14]。污染物也屬于非故意添加物質，污染物有可能遷移到食品中，因而需要將污染物包括在風險評估中[15]。到目前為止，在食品遷移研究中已經報道了一些非故意添加物質，例如雙酚A（BisPhenol A，BPA）、雙酚A二縮水甘油醚（Bisphenol A DiGlycidyl Ether, BADGE）和相關化合物、紫外線墨水光引發(fā)劑(UV-Ink Photoinitiatiors)、全氟化合物（PerFluorinated Compounds，PFCs）、鄰苯二甲酸酯、芳香族胺（Primary Aromatic Amines，PAAs），上述非故意添加物質的表征已在一些綜述文章中進行了詳盡表述[2,16-17]。Gallart-Ayala等人[16]綜述了從2009年至2013年使用液相色譜—質譜聯(lián)用（Liquid Chromatography Mass Spectrometry，LC-MS）分析FCMs中鄰苯二甲酸鹽、雙酚A和相關化合物。之后，Nerin等人[18]和Sanchis等人[17]分別在2013年和2017年綜述了有關應用高分辨率精確質譜（High Resolution Accurate Mass Spectrometry，HRAMS）分析揮發(fā)性和非揮發(fā)性化合物。

對食品接觸材料中遷移出的化合物進行定性和定量分析仍然具有挑戰(zhàn)性，是一個值得高度關注的問題，為了確保食品的質量和安全。為了分析從食品接觸材料中遷移出的化合物，歐盟法規(guī)10/2011[4]建立了標準化測試方法，適用于與食品直接接觸的所有塑料。通常對塑料食品接觸材料中遷移出的未知化合物的表征是非常困難。遷移出的化合物由于濃度很低、成分的信息不完整，缺少分析標準以及許多此類化合物并未包含在化學、光譜數據庫中。根據食品接觸材料遷移出的化合物的物理化學特性選擇合適的分離和測定方法， 氣相色譜法（Gas Chromatography，GC）是最適合分析極性較低的揮發(fā)性和半揮發(fā)性遷移化合物的分析技術，而液相色譜法（Liquid Chromatography，LC）是最常用于分析熱不穩(wěn)定和非揮發(fā)性化合物的分析技術。GC和LC均可以連接不同的質量分析儀分析從FCMs遷移出的化合物。低分辨率質譜儀是三重四極桿質譜、離子阱質譜[19-21]；高分辨率質譜儀是飛行時間質譜[22-24]。低分辨率質譜結合商業(yè)/內部質譜庫分析目標化合物。分析包括NIAS在內的未知遷移化合物，需要使用高分辨率質譜儀和非靶標分析法。HRAMS是分析FCMs中非常強大的應用技術。HRAMS可在全掃描模式下提供準確的質量測定。通過選擇不同的數據采集模式，可以根據母離子和碎片離子提供的圖譜信息，鑒定未知化合物的化學結構。

這篇綜述概述了用HRAMS分析來自塑料食FCMs的未知遷移化合物。由于近年來對FCMs日益關注，發(fā)表的相關論文數量很多，因此著重選擇了一些關于FCMs非靶標分析法的論文。

1 非靶標分析法中的分析儀器和數據采集模式

到目前為止，使用HRAMS分析塑料食品包裝材料中未知遷移化合物的大多數研究都是非靶標分析法[3,22-34]，相關主題總共17篇論文中，有15篇使用LC進行分析[3,22-25,28-31,33,34]，而僅有5篇使用GC進行分析[23,26,27,30,32]，其中有3篇同時使用了兩種分析技術GC和LC，旨在盡可能多地分析從塑料FCMs遷移出的物質（揮發(fā)性和非揮發(fā)性物質）[23,30,31]。

關于電離源，電噴霧電離（ElectroSpray Ionization，ESI）的正離子模式是 LC中非靶標分析法分析塑料FCMs遷移化合物的最常用的技術，而電子撞擊（Electron Impact，EI）和大氣壓化學電離（Atmospheric Pressure Chemical Ionization，APCI）在GC中同樣適用。Canellas等人于2012年發(fā)表了應用APCI電離源與高分辨率質量分析儀相結合以分析FCMs中的NIAS的論文，這項工作探索了FCMs領域中新技術氣相色譜—大氣壓化學電離—四極飛行時間質譜（Gas Chromatography- Atmospheric Pressure Chemical Ionization- Quadrupole Time-Of-Flight Mass Spectrometry，GC-(APCI)-QTOF-MS）的潛力。在當前的其他工作中，采用非靶標分析法結合三種電離源（ESI、EI和APCI），用以分析來自塑料嬰兒奶瓶的未知遷移化合物。采用液相色譜—電噴霧電離—四極飛行時間質譜（Liquid Chromatography- Electrospray Ionization-Quadrupole Time-Of-Flight Mass Spectrometry，LC-ESIQTOF-MS）全掃描數據以正負離子模式采集，以便檢測具有不同電離條件的化合物[40-42]。電離源（EI、APCI和ESI +/-）互補使用可以對FCMs進行有效且寬范圍的非靶標分析，從而獲得母離子（或質子化分子）的準確質量數據，還可以獲得碎片的信息。

目前兩種高分辨率質量分析儀用于分析從塑料FCMs釋放的遷移化合物：四極飛行時間質譜（Quadrupole Time-Of-Flight，Q-TOF）和四極桿靜電場軌道阱質譜（Quadrupole-Orbitrap，Q-Orbitrap）。這兩種高分辨率質量分析儀交替使用不僅比單一使用一種高分辨率質量分析（TOF/Orbitrap）得到更多的碎片信息，還能得到其他結構信息，并確保分析更多的未知化合物。因此，高分辨率質量分析儀交替使用是非靶標分析法最常用的方法。Q-TOF在塑料FCMs領域的應用比Q-Orbitrap多， 這可能與Orbitrap是目前市場上一種更昂貴、更新的質譜儀有關。有關HRAMS技術應用的大多數研究基于非靶標分析法[3,23-34]。采用LC/GC-HRAMS靶標分析從塑料FCMs遷移出的化合物，這方面的研究很少[17,35-38]。

非靶標分析法可以采用兩種不同的數據采集模式：數據依賴采集(Data Dependent Acquisition，DDA)和與數據非依賴采集（Data Independent Acquisition，DIA）。在DDA模式下，儀器使用預定的規(guī)則進行數據收集，在分析模式之間切換，切換由觀察到的母離子的強度自動控制，也可以使用其他附加條件（例如同位素模式等）來完成。在DIA模式下，在選定質荷比（mass to charge ratio，m/z）范圍內的所有離子在串聯(lián)質譜的第二階段進行破碎和分析，以便檢測盡可能多的未知化合物。質譜（Mass Spectrometry，MS）和串聯(lián)質譜（Tandem Mass Spectrometry，MS/MS）之間的切換會自動執(zhí)行，以獲得所有母離子的碎片，一次色譜運行可同時獲得未知化合物的MS和MS/MS的數據。與其他采集方法相比，DIA模式在分析未知化合物方面具有顯著優(yōu)勢，這是因為它可以全面檢測所有可檢測到的峰，并獲取相應的MS/MS譜圖，而無需在進樣前設置任何質量過濾器或強度閾值。目前發(fā)表的大多數用于分析塑料FCMs中未知遷移化合物的非靶標分析法都是采用DIA模式（見表1）。相反，非靶標分析應用DDA較少[37-39]，分析了接觸食品的聚酯罐頭中29種非揮發(fā)性低聚物[39]。

images/BZ_48_1289_463_1441_660.png分析儀器數據采集 數據處理 表征出遷移化合物參考文獻聚碳酸酯食品接觸塑料UPLC-(ESI+/-)-QOrbitrap全掃描質譜模式和多級質譜模式依賴采集強度閾值5×104;自建數據庫；用模擬物比較同位素模式；現有的化學數據庫IAS：著色劑、塑料添加劑（抗氧化劑、紫外線吸收劑、穩(wěn)定劑、增白劑）NIAS：BPA-聚碳酸酯降解產物[37]可重復使用的塑料容器UPLC-(ESI+/-)-QOrbitrap全掃描質譜模式和多級質譜模式依賴采集主要檢測信號，質量誤差≤2ppm；用模擬物比較同位素模式;現有的化學數據庫;通過重建全掃描色譜圖中可見的最具代表性的分子離子的質譜圖譜進行鑒定IAS：BPA，著色劑NIAS：聚碳酸酯降解產物和未反應的分子[36]含有丙烯酸粘合劑用于食品包裝的多層層壓板（聚丙烯/醋酸纖維素/對苯二甲酸乙二酯）GC-(APCI)-QTOF-MS APCI探針(30 V)全掃描多級質譜模式非依賴采集（碰撞能量梯度：20-40 V）質量掃描范圍45-350 Da；色譜峰解卷積；空白和樣品的數據比較；母離子和碎片離子的精確質量（質量誤差:15 mDa）；保留時間±0.2 min NIAS：己醇-2-乙基、 乙酸-2-乙基己酯、 正丁酸-2-乙基己酯；2，4，7，9-四甲基-5-癸炔-4，7-二醇; 2，4，7，9-四甲基-5-癸炔-4，7-二醇乙氧基化物[29]直接接觸食品的自動粘貼標（對苯二甲酸乙二酯）GC-(APCI)-QTOF-MS APCI探針（30 V） 全掃描多級質譜模式非依賴采集（碰撞能量梯度：20-40 V）質量掃描范圍45-450 Da；色譜峰解卷積；母離子的精確質量（質量誤差: 3 mDa，同位素模式）；用標準物質表征NIAS：甲基-3-(3，5-二叔丁基-4羥苯基)丙酸甲酯和二環(huán)己基膦基異構體[30]多層包裝材料UPLC-(ESI+/-)-QTOF-MS全掃描多級質譜模式非依賴采集(碰撞能量梯度：5-30 V)質量掃描范圍10-1200 Da；在確定粘合劑成分后使用包裝材料進行遷移研究；母離子和碎片離子的精確質量（質量誤差：3 mDa)；用標準物質表征IAS：己二酸、2-甲基-2H-異噻唑-3-酮、1，2-苯并異噻唑-3-(2H)- 酮NIAS：其他成分之間反應產生的新形成的內酯[31]

images/BZ_49_179_463_331_660.png分析儀器數據采集 數據處理 表征出遷移化合物參考文獻由低密度聚乙烯、對苯二甲酸乙二酯、雙向拉伸聚丙烯、聚乳酸塑料薄膜制備的多層材料UPLC-(ESI+/-)-QTOF-MS全掃描多級質譜模式非依賴采集（碰撞能量：4 V和碰撞能量梯度坡：5-30 V質量掃描范圍10-1200 Da；空白數據與遷移數據之間的比較；母離子和碎片離子的精確質量（質量誤差：3mDa)IAS：表面活性劑NIAS：甲基丙烯酸甲酯的丙二酸衍生物[32]聚乙烯和尼龍2種材料的多層塑料包裝LC-(ESI+)-QTOF-MS DIA全掃描采集模式（碰撞能量：35±15 V）色譜峰解卷積；控制過濾器（比率x10）；選擇最豐富的化合物（信號強度≥1×106）；母離子和碎片離子的精確質量(質量誤差＜2ppm)IAS：己內酰胺、聚合物的添加劑NIAS：己內酰胺低聚物和原料副產物（主要是聚氨酯膠粘劑產生的環(huán)狀低聚物）[23]多層包裝材料（聚乙烯/鋁和聚乙烯/乙烯-乙烯醇共聚物/聚乙烯/鋁）UPLC-(ESI+)-QTOF-MS全掃描多級質譜模式非依賴采集（碰撞能量梯度：20-40 V質量掃描范圍50-1200 Da;空白數據與樣品數據之間的比較；母離子和碎片離子的精確質量NIAS：潛在遷移物質、環(huán)狀化合物[24]具有抗菌功能的新型活性納米材料-氧化鋅納米顆粒與聚丙烯的組合GC-(EI)-QTOF-MS EI探針(70 V)；全掃描多級質譜模式非依賴采集。質量掃描范圍45-550 Da;色譜峰解卷積；自建數據庫（60種化學物質），包括添加劑、單體、聚合物生產中使用的原料和鄰苯二甲酸酯NIAS：鄰苯二甲酸二乙酯 [33]具有抗菌功能的新型活性納米材料-氧化鋅納米顆粒與聚丙烯的組合UPLC-(ESI+)-QTOF-MS全離子多級質譜模式非依賴采集（破碎電壓360 V）質量掃描范圍50-1100 Da；自建數據庫；母離子的精確質量(誤差 ＜5 ppm)；質譜相似度≥75%；自建數據庫(60種化學物質)，包括添加劑、單體、聚合物生產中使用的原料和鄰苯二甲酸酯NIAS：2，4，6-三氨基-1，3，5-三嗪、(2E)-3-苯基丙-2-烯醛[33]

聚酯罐涂料UPLC-(ESI+/-)-QOrbitrap全掃描質譜模式和多級質譜模式依賴采集強度閾值2×104；自建數據庫包含單體、低聚物和添加劑IAS：單體和添加劑；-NIAS：低聚物[38]

images/BZ_50_215_463_366_660.png分析儀器數據采集 數據處理 表征出遷移化合物參考文獻2個含有聚氨酯粘合劑的多層袋UPLC-(ESI+/-)-QTOF-MS全掃描多級質譜模式非依賴采集(碰撞能量：4 V和碰撞能量梯度：15-30 V）遷移研究：分析從多層材料遷移到食品模擬物中的化合物；母離子和碎片離子的精確質量；用標準物質表征IAS：己內酰胺及其低聚物、增塑劑（乙酰檸檬酸三丁酯）、抗氧化劑、潤滑劑（單十三烷酸甘油酯和其他衍生物）NIAS：來自聚氨酯膠黏劑的低聚物酯[27]

在DIA模式中，使用多級質譜模式是從2012年到至今報道最多的方法（見表1）。使用多級質譜模式記錄數據，不需要進行任何預先選擇，在同一運行過程中，多級質譜的數據采集可以在低碰撞能量梯度、高碰撞能量梯度下進行，以便獲得盡可能多的質譜信息，低能量譜提供了母離子的信息，而高能量譜提供了碎片離子的信息。Onghema等人[32]使用4 V低碰撞能量和25 V～40 V高碰撞能量梯度，用于分析塑料嬰兒奶瓶中的未知遷移化合物，在這項研究中，觀察到當使用低碰撞能量時，只產生有限的碎片信息，相比之下，高碰撞能量碎片信息明顯增多。

2 塑料食品接觸材料的安全性評估

在歐盟內部，食品接觸材料的安全性受到歐盟法規(guī)EC 1935/2004[43]和EU(2011)[4]的監(jiān)管，EU (2011)[4]專門針對塑料材質。對于IAS，必須進行一套毒性試驗，只有當被確定為安全的，并在歐洲食品安全管理局授權物質清單上注冊才可以被使用[4]。允許在食品接觸材料中使用的授權物質清單中不包括NIAS。2011年，歐盟提出NIAS被允許在最后的塑料制品中使用，但應由制造商按照國際公認的科學原理進行風險評估。然而沒有指南指導NIAS應如何分析和評估或制造商應該遵循何種方法來證明NIAS的安全性[44]。

FCMs研究的主要挑戰(zhàn)之一是NIAS的安全性評價。大多數NIAS沒有毒理數據，也沒有關于NIAS安全性評估的具體準則，因而需要一種評估NIAS安全性的方法[45]。問題是如何評價這些NIAS的安全性，因為沒有分析標準，只能進行理論評價。

當已知NIAS的化學結構時，可選擇使用毒物學關注閾值（Threshold of Toxicological Concern，TTC）方法；當接觸量很低時，這種方法可用于評估NIAS的潛在毒性。在沒有毒理學數據的情況下，TTC概念是一個實用的風險評估工具，它被認為對人類健康沒有明顯風險的人類接觸水平[46,47]。TTC方法目前被歐盟接受使用[48,49]，也被美國接受使用[50]。

盡管2011年的一項研究報告稱，在體外試驗中大多數經過測試的塑料FCMs的提取物顯示出雌激素活性，目前還沒有對FCMs的內分泌干擾特性進行常規(guī)評估[51]。

在這類研究中，將影響導向分析與HRAMS結合起來，可能是一種有效的方法，優(yōu)先確定對健康有潛在不利影響的遷移化合物。該方法尚未在任何塑料FCMs的遷移化合物的非靶標分析法中進行過探索，但在食品接觸材料紙和紙板中非靶標分析法的研究中得到了應用[52]。

3 結 論

盡管分析來自塑料FCMs的未知遷移化合物非常復雜，但基于HRAMS的質譜技術最新進展，促進了分析發(fā)展。

在分離技術方面，在過去的幾年里，HRAMS在LC中用于非靶向分析的應用有一個明顯的趨勢，ESI+是最廣泛使用的電離源。在GC分析方面，EI和APCI同樣適用于非靶標分析法。

關于非靶標分析法分析FCMs中未知遷移化合物的不同數據采集模式，目前DIA模式比DDA模式更常用。

GC-(EI)-HRAMS分析未知遷移化合物通常比LCHRAMS更容易，這是因為可以使用大型質譜數據庫來分析。

最后，簡要討論了FCMs安全性評估。大多數NIAS沒有毒性數據。在缺乏數據和分析標準的情況下，一些研究采用了TTC理論評價方法來評價這些材料的安全性。