吸光材料－激光解吸附離子化質譜用于化妝品中添加劑的快速分析

譚奧雷，馬瀟瀟

（清華大學 精密儀器系 精密測試技術及儀器國家重點實驗室，北京 100084）

隨著現代生活水平的不斷提高和人們對皮膚護理的逐漸重視，化妝品的種類和數量也在不斷增加和翻新。相關數據顯示：2020年中國化妝品的市場規模為5 000億元，較上一年增長9.5%，增幅位于非必需消費品前列［1］。在我國人均可支配收入不斷提高和消費不斷升級的時代背景下，可以預見化妝品市場還有很大的發展空間。為了提升化妝品的使用效果，延長保質期限，生產廠家常會在化妝品中添加對羥基苯乙酮［2］、樟腦衍生物［3］等添加劑。然而，有些添加劑的過量使用可能會對人體內分泌系統產生干擾，引發皮膚病［4－5］、性功能異常［6－7］等癥狀，對人體健康造成危害。

樟腦衍生物是一類具有較高紫外線吸收率的化合物，常用于輕工業、醫藥產品和日用化工等領域。在化妝品中，廠家會添加一定含量的樟腦衍生物，以保護人體皮膚免受紫外線的傷害［8－9］。隨著消費者防曬意識的逐漸提升和抗紫外市場的日益增長，樟腦衍生物的使用越來越頻繁。然而，相關研究表明，樟腦衍生物具有較強的胚胎毒性，其在化妝品中的濫用會干擾人體內分泌系統，對胎兒生長和發育造成不可逆的影響，如生長遲緩［10］，甚至致畸［11］等。

對羥基苯乙酮是一種從菊科植物等的莖、葉中提取的化合物，因其具有抗氧化和活性穩定作用，多用于香料的合成。對羥基苯乙酮可與傳統防腐劑如烷基二元醇、苯氧乙醇等配合使用，顯著延長化妝品的保質期限［12］，但過量接觸會使人體呼吸系統、皮膚等受到刺激［13］。環吡酮是一類廣泛使用的抗真菌劑，可用于治療皮膚真菌、放線菌等造成的感染，常被添加到乳液、搽劑等化妝品中以提升化妝品的抗菌能力。但環吡酮的不當使用可能會導致嚴重的過敏癥狀，如接觸性皮炎等［14－15］。

2015年，我國頒布的《化妝品安全技術規范》對化妝品中的防腐劑、防曬劑、著色劑等組分的含量作了具體規定［16］；歐盟發布的化妝品法規EC 1223/2009也明確了多種添加劑在化妝品中的最高用量，以確保消費者的生命健康安全［17］。因此，化妝品中添加劑含量的準確、高效測定對化妝品質量的監控至關重要。目前，廣泛用于化妝品中添加劑含量測定的國際標準方法包括高效液相色譜－質譜（HPLC－MS）法［18－19］、氣相色譜－質譜（GC－MS）法［20］等。此外，研究人員還針對不同化妝品開發了實時直接分析質譜（DART－MS）法［21］、紙噴霧（Paperspray）法［22－23］等敞開式離子化技術，在無需或僅需很少樣品預處理的條件下，實現了化妝品的原位、快速質譜分析［24］。這些新型質譜分析技術為化妝品添加劑的分析提供了更多手段。馬瀟瀟、歐陽證團隊［25］于2018年提出了吸光材料－激光解吸附離子化質譜（AR－LDI MS）技術用于小分子化合物的高靈敏度質譜分析，該方法的原理如圖1A所示：利用飛秒激光對金屬基材表面進行加工，形成吸光率較高的微/納米結構［26］；該結構可有效吸收激光能量，快速升溫，同時使表面的分析物發生爆炸性揮發和離子化［27］。與傳統的基質輔助激光解吸離子化（MALDI）質譜（圖1B）相比，AR－LDI MS可極大地降低小分子基質在低質量段所產生的背景噪聲干擾，提高分析靈敏度，因而也適合化妝品中添加劑的分析。

圖1 吸光材料－激光解吸附離子化（A）及基質輔助激光解吸離子化（B）的原理對比Fig.1 Principle comparison of antireflection surfaces laser desorption ionization（A）and matrix-assisted laser desorption ionization（B）

本研究利用AR－LDI MS技術，開發了快速檢測化妝品中環吡酮、對羥基苯乙酮、3-亞芐基樟腦和4-甲基芐亞基樟腦4種常見化妝品添加劑的方法。此方法操作簡單、用時較少、檢測精度高，可用于進出口貿易、質量安全檢測等場景中化妝品的高通量、高靈敏度篩查。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

MaXis Impact四極桿－飛行時間（Q－TOF）質譜儀（德國Bruker Daltonics公司）；Nd∶YAG激光器（頻率2 kHz、波長355 nm、最大脈沖能量10μJ，長春新產業光電技術有限公司）；表面吸光基板（銅和不銹鋼材質，清華大學材料學院）。

標準品：環吡酮、對羥基苯乙酮（上海Meryer公司），3-亞芐基樟腦、4-甲基芐亞基樟腦（美國Sigma－Aldrich公司），鄰苯二甲酸二甲酯（上海源葉生物科技有限公司），所有標準品純度均≥97%，并于實驗前將各標準品溶于甲醇，配制成含量為1 000 mg/kg的標準儲備溶液。乳液、防曬霜等購自當地超市。

1.2 實驗方法

稱取0.1 g待測樣品置于離心管中，加入0.9 mL甲醇，充分渦旋混合，將樣品稀釋10倍；隨后將離心管放入離心機中，在12 000 r/min、4℃條件下離心3 min；待上層清液與下層的絮狀不溶物完全分離后，用毛細移液槍頭吸取3μL上層清液，滴至吸光基板；將基板靜置1 min，待板上液體完全干燥后，將基板放置在離質譜進樣口5 mm左右的位置，并在基板和質譜進樣口之間施加2 kV的電壓和波長為355 nm、脈沖能量為10μJ的激光。在激光和電壓的共同作用下［17］，待測物從基板表面解吸附和離子化，進入質譜儀進行后續檢測。

2 結果與討論

2.1 表面吸光基板材質的選擇

常用于AR－LDI MS分析的表面吸光基板有多種材質可供選擇。實驗分別采用黃銅和不銹鋼兩種材質，利用飛秒激光脈沖對材質表面進行加工，形成吸光率較高的微/納米結構。該結構由間隔為35μm左右的微孔和孔表面6 nm左右的金屬納米粒子組成，可通過表面等離子共振的形式將激光能量轉化為內能，促進待測物的解吸和離子化。將含有相同濃度待測物的液體滴至上述兩種材質的基板上進行AR－LDI MS分析。比較兩者的譜圖可以發現（圖2A、B），不銹鋼基板對于分析物的解吸附和電離有更好的促進作用，且在濃度相同情況下，不銹鋼基板表面的被分析物信號更強、信噪比更高，有著更好的檢測效果；而利用黃銅基板對被分析物進行檢測的效果則相對較差。因此實驗選擇不銹鋼作為化妝品中添加劑快速分析的基板材質。

圖2 采用黃銅（A）及不銹鋼（B）作為基板材質時被分析物信噪比的差別Fig.2 Difference of signal-to-noise ratio of analyte when brass（A）and stainless steel（B）are used as substrate materials

2.2 激光脈沖能量與質譜毛細管電壓的選擇

在激光脈沖能量和質譜毛細管電壓的共同作用下，被分析物從基板表面解吸附并帶電，進入質譜儀中進行后續分析，所以需對激光脈沖能量和質譜毛細管電壓進行優化，以獲得更好的分析結果。其中激光脈沖能量可通過調節激光器的輸出電流進行調節，實驗所用的Nd∶YAG激光器最大脈沖能量為10μJ，此時對應的輸出電流為8 A。分別將激光器輸出電流設定在7～8 A之間，毛細管電壓設定在－2～－1 kV之間，測定了100 mg/kg 4-甲基芐亞基樟腦的質譜峰信號強度，結果如圖3所示。可以看出，激光脈沖能量和毛細管電壓的絕對值均與待測物信號強度呈正相關趨勢。需要注意的是，激光脈沖能量一方面受到激光器性能的限制；另一方面激光能量過高會使基板表面的損耗更嚴重。綜合考慮，選擇激光器輸出電流為8 A、脈沖能量為10μJ，毛細管電壓為－2 kV。

2.3 表面吸光基板和質譜進樣針間距的選擇

待測物從基板表面解吸附和電離后，需經過一段時間的飛行才能通過進樣針進入質譜進行質量檢測，所以表面吸光基板和質譜進樣針間距的選擇至關重要。以3 mm為間距，在2～20 mm范圍內選擇7個點，測定100 mg/kg 4-甲基芐亞基樟腦在此間距條件下的質譜峰信號強度，結果如圖3C所示。可以看出，基板與質譜進樣針之間的距離越短，則離子的損耗越小，檢測的靈敏度越高。但基板與進樣針之間距離過近會導致以下問題：在光路設計上，基板與進樣針的間距越小，對于光斑聚焦位置的精確度要求就越高，一旦光斑偏離進樣針，質譜信號急劇下降；此外基板與進樣針的間距過小還會導致光路不宜設計、基板容易觸碰進樣針等問題。綜合考慮，最終選擇5 mm作為實驗所用的間距。

圖3 4-甲基芐亞基樟腦信號強度隨激光輸出電流（A）、毛細管電壓（B）及基板與質譜進樣針間距（C）的變化曲線Fig.3 Variation curves of 4-methylbenzylidene camphor signal intensity with output current of laser（A），capillary voltage（B），and distance between substrate and mass spectrometry probe（C）

2.4 線性范圍的考察

以鄰苯二甲酸二甲酯作為內標，可以實現化妝品中樟腦衍生物的相對定量，為化妝品質量的判斷提供依據。固定標準儲備溶液中鄰苯二甲酸二甲酯的濃度為100 mg/kg，借助AD－LDI MS方法檢測待測樣品中不同含量（60、80、100、120、140 mg/kg）3-亞芐基樟腦和4-甲基芐亞基樟腦的峰面積比，考察其峰面積比（y）與含量（x，mg/kg）間的線性關系，得線性方程分別為y=0.606 4x和y=0.868 8x，相關系數（r2）分別為0.995 7和0.999 2。表明該方法在60～140 mg/kg內具有良好線性關系。

2.5 檢出限與回收率的測定

在優化條件下，利用AD－LDI MS技術考察環吡酮、對羥基苯乙酮、3-亞芐基樟腦和4-甲基芐亞基樟腦4種常見化妝品添加劑的檢出限（LOD）。首先對空白的乳液樣品進行測定，確定其中不含3-亞芐基樟腦和4-甲基芐亞基樟腦。將稀釋后的標準儲備溶液分別添加至空白乳液，制得添加劑含量分別為100、10、5、1 mg/kg陽性待測樣品，隨后進行AR－LDI MS分析。按照信噪比（S/N）為3計算得到檢出限分別為4 mg/kg和6 mg/kg。利用AR－LDI MS方法分別對添加對羥基苯乙酮、環吡酮的陽性待測樣品進行分析，測得其檢出限分別為40、10 mg/kg，耗時在5 min內。

準確配制3-亞芐基樟腦和4-甲基芐亞基樟腦含量為100 mg/kg的乳液，對樣品進行前處理，并采用方法的標準曲線進行定量分析，測得回收率為84.7%～93.2%，表明該方法具有較高的回收率。

2.6 實際樣品的檢測

為提升化妝品的香味、保存時間和抗菌效果，部分化妝品中可能同時含有以上添加劑的多種成分。選取空白乳液樣品進行測定，確定其不含上述添加劑。向其中加入20 mg/kg環吡酮、3-亞芐基樟腦和4-甲基芐亞基樟腦，用AR－LDI MS方法對3種添加劑進行同時測定，結果如圖4所示，可在一張譜圖中同時檢出3種化合物。對化妝品中樟腦衍生物的含量進行加標定量，比較測得值與實際添加值間的關系，測得回收率均在90%左右。表明該方法具有同時檢測實際化妝品中多種添加劑的能力。

圖4 利用AR－LDI MS法同時測定化妝品中的多種添加劑Fig.4 Simultaneous determination of various additives in cosmetics by AR－LDI MS

3 結 論

本文借助AR－LDI MS技術，建立了一種快速、高靈敏檢測化妝品中添加劑的質譜分析方法。該方法操作流程簡單，單個樣品的總分析時間不超過5 min，在化妝品快速、高通量篩查中有著較為廣泛的應用前景。本方法分析靈敏度高、定量能力好，可滿足各類化妝品添加劑的國標檢測要求，且吸光材料可反復多次使用，有望用于進出口貿易、質量安全檢測等場景中化妝品的高通量、高靈敏度篩查。