頂空固相微萃取氣相色譜質譜法測定皮革中的富馬酸二甲酯

張愛玉 鄧旭山 陳濤 王際平

摘 要：為了檢測皮革中的富馬酸二甲酯，采用頂空固相微萃取（HS-SPME）氣相色譜質譜法（GC-MS），考察了萃取纖維涂層、平衡溫度、平衡時間、萃取時間、解吸溫度和時間對萃取效率的影響，確定最優的頂空條件，并評估該方法的性能。結果表明：最優的頂空條件為100 μm PDMS萃取纖維涂層，平衡溫度80 ℃，平衡時間15 min，萃取時間4 min，解吸溫度260 ℃，解吸時間1 min。該方法在0.05～10 mg/kg范圍內觀察到良好的線性，相關系數（R2）高于0.998，檢出限為0.023 mg/L，方法加標回收率范圍為99.48%～102.67%。該方法可以滿足皮革及其制品中的富馬酸二甲酯日常檢測需要。

關鍵詞：頂空;固相微萃取;氣相色譜質譜法;皮革;富馬酸二甲酯

中圖分類號：TS101.9;O657 文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）04-0086-05

Abstract： In order to detect dimethyl fumarate in leathers， headspace solid-phase microextraction （HS-SPME）-gas chromatography-mass spectrometry （GC-MS） was utilized. The effects of extraction fiber coating， equilibrium temperature， equilibrium time， extraction time， desorption temperature and time on the extraction efficiency were studied， the optimal headspace conditions were determined， and the performance of the method was evaluated. The optimum conditions were obtained as below： the fiber coating extraction at 100 μm PDMS， equilibrium temperature 80 °C， equilibrium time 15 min， extraction time 4 min， desorption temperature 260 °C and desorption time 1 min. This method showed a good linearity in the range of 0.05-10 mg/kg with a correlation coefficient （R2） of above 0.998. The limit of detection was 0.023 mg/L. The recycling rate of this method was in the range of 99.48%—106.27%. It can meet the daily analysis of dimethyl fumarate in leathers and its products.

Key words： headspace; solid-phase microextraction; gas chromatography-mass spectrometry; leathers; dimethyl fumarate

富馬酸二甲酯（DMF）是一種白色晶體，已發現它可作為霉菌生長抑制劑和強效殺菌劑[1]，主要用于防止皮革、紡織品、鞋類、家具、食品、水果和其他產品在溫暖潮濕的氣候下儲存或運輸過程中因霉菌而變質。皮革中的DMF主要添加在防霉劑和干燥劑中，用于皮革產品的防腐防霉，防霉劑和干燥劑中DMF以分子狀態進入微生物的細胞膜，抑制微生物細胞分裂和呼吸，抑制微生物的生長繁殖。當少量DMF接觸到皮膚后，會造成皮膚發癢、發紅和濕疹等，大量接觸易引發急性呼吸困難，DMF進入人體腸道和內臟器官后，也會造成腐蝕性損害[2]。動物試驗及體外試驗表明，DMF沒有致癌、生殖毒性和神經毒性[3]。2009年歐盟成員國明確規定DMF的含量在消費品及其部件中不得超過0.1 mg/kg，也規定了若產品已聲明含有DMF，將會禁止進入歐洲市場流通和銷售[4]。

據文獻報道，DMF的檢測主要采用氣相色譜（GC）、氣相色譜質譜聯用（GC-MS）和高效液相色譜（HPLC）[5]等。到目前為止，已經報道的皮革或其產品中DMF的測定，大多數是基于微波輔助萃取、超聲萃取和加速溶劑萃取，乙酸乙酯、乙腈、丙酮和甲醇是最常用于該方法的有機溶劑[6-10]。但實際生產中需要加入一些染料和助劑，增加了目標物從樣品基質中的凈化分離的難度，后續的萃取過程會消耗大量的有機溶劑，導致DMF的回收率下降，儀器的檢測靈敏度降低[11]。

因此，本研究使用頂空固相微萃取氣相色譜質譜法（HS-SPME-GC-MS）檢測皮革中DMF。該方法不需要消耗過多的有機溶劑，在HS-SPME模式下，進樣、萃取、濃縮、解吸和分析在一個程序中完成，結果準確，可以滿足皮革中DMF的檢測要求。從檢出限（LOD）、加標回收率和精密度等方面也驗證了該方法的可靠性。

1 實 驗

1.1 實驗儀器與試劑

實驗儀器：Agilent 7890-5977氣相色譜質譜聯用儀（美國安捷倫有限公司）：MPS全自動樣品處理平臺、聚四氟乙烯墊和20 mL頂空進樣瓶（德國Gerstel有限公司）：萃取纖維：65 μm PDMS/DVB、100 μm PDMS、85 μmCarboxen/PDMS、50/30 μm DVB/CAR/PDMS（美國Supelco公司）;ML104電子分析天平（稱量范圍120 g，精度0.1 mg，梅特勒托利多儀器上海有限公司）。

實驗試劑：富馬酸二甲酯標準品（純度99.0%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司），乙酸乙酯（色譜級，純度99.7%，上海麥克林生化科技有限公司）。

1.2 氣相色譜質譜條件

色譜柱：Agilent HP-5MS氣相毛細管柱（膜厚度0.50 μm，內徑30 m×0.25 mm）;升溫程序：50 ℃初始溫度下保持1 min，以10 ℃/min的速率升溫至150 ℃（保持3 min），最后以20 ℃/min升溫至250 ℃;載氣：高純氦（純度≥99.999%），恒定流量為1.0 mL/min;進樣方式：不分流進樣。

離子源溫度為230 ℃;四極桿溫度設定在150 ℃;色譜質譜接口溫度為280 ℃;溶劑延遲4.0 min;電離方式：電子轟擊（EI）模式，電離電壓為70 eV;質量掃描范圍50～300 amu;在SIM離子模式下定性、定量，定性離子（m/z）分別為59、85、113，定量離子（m/z）為113。

1.3 樣品前處理過程

選擇代表性的皮革樣品裁剪（0.5 cm×0.5 cm）并混合均勻，稱取0.3 g（精確至0.001 g）的皮革樣品轉移到20 mL頂空瓶中，用聚四氟乙烯墊密封，在MPS全自動樣品處理平臺中50 ℃下平衡5 min，在振蕩條件下將所用的萃取纖維插入頂空瓶中進行萃取1 min，再將萃取纖維移入GC進樣口中解吸，在230 ℃下解吸0.5 min，萃取物經色譜柱分離，進行氣相色譜質譜分析。所有萃取纖維均在第一次使用之前按照生產商的建議進行了預處理。

2 結果與討論

2.1 HS-SPME萃取條件的選擇

2.1.1 萃取纖維

HS-SPME是目標物在萃取纖維與待測樣品之間的動態平衡過程，萃取纖維與目標物的吸附量呈正相關，與平衡時間呈負相關。根據“相似相容”原理，選擇與目標物極性相似的萃取纖維對提高方法精確度很重要[12]。樣品前處理過程參照1.3，實驗選擇65 μm聚二甲基硅烷二乙烯苯（PDMS/DVB）、100 μm聚二甲基硅烷（PDMS）、85 μm的Carboxen聚二甲基硅烷（Carboxen/PDMS）和50/30 μm二乙烯苯Carboxen聚二甲基硅烷（DVB/CAR/PDMS）4種不同的萃取纖維，其他萃取條件參照1.3樣品前處理過程，通過峰面積比較纖維對皮革中DMF的萃取能力。由圖1可知，100 μm PDMS萃取纖維對萃取DMF具有更高的吸附性能，因此選擇100 μm PDMS作為萃取纖維進行后續實驗。

2.1.2 平衡溫度

平衡溫度是HS-SPME過程中的一個關鍵參數，溫度的升高可以加快目標物在各相之間的擴散速度。平衡溫度會影響Khs/os和Kf/hs的分配系數，一般情況下，會提高Khs/os、降低Kf/hs。

Khs/os=Chs/Cos（1）

Kf/hs=Cf/Chs（2）

式中：Khs/os和Kf/hs分別是原始樣品/頂空系統和頂空/纖維系統中分析物的分配系數，Chs、Cos和Cf分別是原始樣品、頂空和萃取纖維中目標物的濃度[13-14]。

選擇100 μm PDMS作為萃取纖維，根據1.2的氣相色譜質譜條件和1.3樣品前處理過程，圖2探究了平衡溫度（50～90 ℃）對萃取DMF的影響。由圖2可知，隨著平衡溫度從50 ℃增加到90 ℃，頂空瓶中DMF蒸氣壓增加，導致頂部空間中DMF的濃度增高，對DMF的萃取效率一直增加。但溫度高于90 ℃時，頂空瓶的瓶蓋容易破損，頂空瓶氣密性變差。考慮到頂空瓶的安全問題和后續頂空瓶的循環使用，因此選擇80 ℃作為后續試驗的溫度。

2.1.3 平衡時間

目標物從樣品中揮發到頂空空間中，需要相應的時間才能達到動態平衡過程，平衡時間與目標物的揮發特性有關，平衡時間越長，萃取纖維涂層對目標物的吸附量增多;但平衡時間過長，目標物可能會重新溶于待測樣品中，萃取纖維涂層中的目標物可能會被基質中其他分配系數大的物質解吸下來[15]，反而會降低對目標物萃取效率。選擇100 μm PDMS作為萃取纖維，平衡溫度為80 ℃，其他萃取條件參照1.3樣品前處理過程，對于實驗測定皮革中的DMF，考察了平衡時間（5～45 min）對萃取效率的影響。圖3的結果表明，隨著平衡時間從5 min增加到15 min，DMF峰面積增加，直到達到平穩狀態。當平衡時間15 min時，DMF的萃取效果可以滿足實驗需要。因此，后續實驗中選擇15 min為平衡時間。

2.1.4 萃取時間

萃取時間是HS-SPME系統中的一個重要參數，萃取時間受樣品溫度、性質、目標物的分配系數和攪拌方式影響。HS-SPME系統是目標物、樣品頂空體積和萃取纖維涂層之間的三相平衡，萃取纖維涂層對目標物的傳質是一個隨時間變化的平衡過程，在平衡條件下可以獲得最大的吸附量。但通常要花很長時間才能達到平衡，且多是在非平衡條件下完成的。根據非平衡體系理論，在萃取時間相同情況下，萃取量與樣品中目標物的濃度成正比;因此在實際測試中并不需要達到真正的熱力學平衡狀態，只要萃取時間內目標物的萃取效率能滿足靈敏度需求即可[16]。選擇100 μm PDMS作為萃取纖維，平衡溫度為80 ℃，平衡時間為15 min，其他萃取條件參照1.3樣品前處理過程，圖4考察了萃取時間（1～5 min）對DMF萃取效率的影響，為了節約時間又達到最大的萃取率，在下一步的實驗中選擇了4 min。

2.1.5 解吸條件

解吸溫度和時間是影響HS-SPME的另一個重要因素。萃取纖維涂層上的目標物未充分解吸，會影響下次實驗結果。氣相色譜進樣口的解吸溫度必須足夠高，才能充分解吸所有的目標物，但解吸溫度過高，會損壞萃取纖維的壽命，造成目標物之間的交叉污染。選擇100 μm PDMS作為萃取纖維，平衡溫度為80 ℃，平衡時間為15 min，萃取時間為4 min，其他萃取條件參照1.3樣品前處理過程，圖5為解吸時間在0.5 min到2 min對萃取DMF的影響，DMF的峰面積隨時間的增加解吸量略有增加，1 min對DMF的解吸是足夠的。圖6為解吸溫度在230 ℃到270 ℃對萃取DMF的影響，DMF的峰面積隨著解吸溫度從230 ℃到260 ℃升高而增加，但隨解吸溫度的進一步升高增加緩慢。可知，260 ℃足以完全解吸DMF，色譜圖沒有產生來自萃取纖維涂層的干擾峰，萃取溫度低于生產商推薦的使用最高溫度。而且，后續可以使用相同的萃取纖維進行DMF分析也不會影響萃取效率。在后續實驗中，將解吸時間定為1 min，解吸溫度為260 ℃。

2.2 DMF的氣相色譜質譜確證

驗證DMF標準物質的氣相色譜質譜條件，采用HP5MS色譜柱，DMF的總離子流圖如圖7所示，DMF的保留時間為7.606 min。對DMF的色譜峰分析，圖8為DMF的質譜圖，特征離子m/z=59，85，113。

2.3 線性范圍和檢出限

用乙酸乙酯將DMF標準品溶于棕色容量瓶中，逐級稀釋配置成0.05、0.1、0.5、1、10 mg/L的系列標準工作溶液。選取上述頂空條件進行測試，橫坐標為DMF的質量濃度，以峰面積為縱坐標，建立的標準曲線為y=13 134.794x-15 443.878，相關系數為0.998。結果表明，DMF在0.05～10 mg/kg的質量濃度范圍內線性良好，儀器檢出限為0.023 mg/L。

2.4 方法的回收率和精密度

按上述頂空條件，在陰性皮革樣品中添加3種不同質量濃度（0.5、5、50 mg/L）的DMF標準溶液，分別在3種質量濃度的標準溶液下各進行6次測定，計算出對應的加標回收率和相對標準偏差（RSD），結果見表1。通過測試結果可知，陰性皮革樣品中DMF的平均加標回收率為99.48%～102.67%，相對標準偏差為1.54%～5.03%。

2.5 實際樣品分析

為了測試已建立的HS-SPME氣相色譜質譜法對實際樣品中DMF的檢測，根據1.2氣相色譜質譜條件和2.1選擇的HS-SPME萃取條件，實驗選擇了市場購買的服裝革、箱用革、家具革、鞋底革四類皮革。一共8個樣品，有兩類皮革樣品測試為陽性，分別為家具革和箱用革，樣品中DMF的含量分別為0.31 mg/kg和0.12 mg/kg，均高于歐盟指令的檢測最低限0.1 mg/kg。

3 結 論

以100 μm PDMS為萃取纖維采用頂空固相微萃取（HS-SPME）氣相色譜質譜法測定皮革中的DMF，優化了樣品的萃取條件，并對該方法的精確性進行了研究。試驗表明：皮革樣品中DMF的平均加標回收率為99.48%～102.67%，相對標準偏差為1.54%～5.03%。本方法集進樣、萃取、濃縮、分析于一體，從皮革樣品中分析DMF操作簡單，不需要任何有毒有機溶劑，縮短了樣品的制樣時間，易實現自動化。

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