頂空固相微萃取-氣相色譜質譜快速測定聚酰胺環氧氯丙烷濕強劑中氯丙醇含量

張競帆 趙世鑫 溫建宇 高 君，*

（1.中輕紙品檢驗認證有限公司，北京，100020；2.國家紙張質量檢驗檢測中心，北京，100020）

1,3-二氯-2-丙醇（1,3-DCP）和3-氯-1,2-丙二醇（3-MCPD）在紙和紙板中主要前體物質為環氧氯丙烷（epichlorohydrin，ECH），是一種形成聚酰胺環氧氯丙烷（polyamide-epichlorohydrin，PAE）樹脂的單體[1]。PAE 樹脂作為常用的濕強劑，以其獨特的高濕強性能、不發黃、不含甲醛等優點，被廣泛應用于紙和紙板的制造中，如紙基食品接觸材料（food contact materials，FCM），以賦予紙和紙板所需的物理穩定性[2]。然而，PAE樹脂中所含的ECH可能通過與氯離子反應產生1,3-DCP，或通過在水介質中水解產生3-MCPD，會引起潛在的健康風險，特別是紙和紙板在生產和使用過程中極易接觸水[3]。由于1,3-DCP和3-MCPD 具有潛在的毒性和疑似致癌性，德國聯邦風險評估研究所（BFR）對沒有功能屏障的食品接觸用紙和紙板的水萃取物中3-MCPD和1,3-DCP設定了限值（分別為12、2 μg/L）；GB 4806.8—2022《食品安全國家標準 食品接觸材料用紙和紙板材料及制品》對10 g 樣品在250 mL 水提取液中3-MCPD 和1,3-DCP 的限值分別設為12 μg/L和不得檢出（檢出限為2 μg/L）。

目前，紙和紙板領域有關氯丙醇的檢測研究主要集中在成品端[1-2,4]，原材料濕強劑中1,3-DCP 和3-MCPD 的檢測報道較少。李永輝等人[5]對環保型濕強劑與普通濕強劑中氯丙醇含量進行了測定，結果表明，普通濕強劑中1,3-DCP 和3-MCPD 的含量較環保濕強劑最高分別達1.02 萬倍和7840 倍。現有的氯丙醇檢測方法過程涉及液-液萃取、固相萃取、衍生化及脫水等步驟[6-7]，過程繁瑣且檢測成本高，相比之下，無需有機溶劑和衍生劑的快速檢測方法更適合原材料端氯丙醇的篩查與控制。

頂空法用于氯丙醇的測定時，無需使用有機試劑和衍生劑，時間成本、經濟成本及環保性均優于其他方法。Crews等人[8]采用頂空/低溫捕獲-氣相色譜質譜，分析了醬油中1,3-DCP的含量，檢出限為0.003 mg/kg；苗虹等人[9]采用手動頂空固相微萃取-氣相色譜質譜，對醬油中1,3-DCP進行了測定，檢出限為2 μg/kg；Wei等人[10]采用頂空固相微萃取氣相色譜，檢測了造紙PAE濕強劑中1,3-DCP的含量。然而，由于1,3-DCP沸點低且易揮發，易于檢測，而3-MCPD沸點高、不易揮發，易導致色譜峰型差和靈敏度低，無法達到痕量分析的條件，不易直接檢測，上述方法均缺少對3-MCPD的檢測。若通過優化測試方法參數實現頂空法對1,3-DCP和3-MCPD的同時檢測，則檢測效率和成本均可大幅改善（相比于目前的固相萃取-衍生化-氣相色譜質譜法，前處理時間可由6 h縮短至0.2 h）。本研究通過對頂空固相微萃取、氣相色譜質譜儀相關參數進行優化，建立了應用于造紙PAE濕強劑中1,3-DCP和3-MCPD的全自動頂空固相微萃取氣相色譜質譜（HS-SPME-GCMS）的檢測方法，該方法簡單、快速、靈敏度高，適用于原材料氯丙醇含量的非衍生化法快速檢測。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 實驗儀器及試劑

氣相色譜質譜儀（8890-5977，美國Aglient Technology）；CTC 多功能氣相色譜進樣器（PAL RSI 85，瑞士思特斯分析儀器有限公司）；Milli-Q 純水系統（法國默克）。

固相微萃取頭（瑞士思特斯分析儀器有限公司）：聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS，7 μm/30 μm/100 μm）萃取頭；二乙烯基苯/聚二甲基硅氧烷（Divinylbenzene/Polydimethylsiloxane，DVB/PDMS，65 μm）萃取頭；二乙烯基苯/碳寬范圍/聚二甲基硅氧烷（Divinylbenzene/Carbon Wide Range/Polydimethylsiloxane，DVB/CWR/PDMS，80 μm） 萃取頭；氯化鈉，國藥集團化學試劑有限公司，分析純。15 批次PAE 濕強劑樣品分別來源于浙江邦成化工有限公司、浙江傳化華洋化工有限公司、山東奧賽新材料有限公司、索理思（上海）化工有限公司及中國制漿造紙研究院有限公司，編號1#～15#。

色譜柱：DB-WAX 毛細管柱（30 mm×0.25 mm×0.25 μm）、HP-5MS 毛 細 管 柱（30 mm×0.25 mm×0.25 μm）、DB-624色譜柱（60 mm×0.32 mm×1.8 μm）。

1.1.2 標準物質

1,3-DCP標準品（純度99.7%，上海安譜實驗科技股份有限公司）；3-MCPD 標準品（純度97.4%，上海安譜實驗科技股份有限公司）；超純水，實驗室自制。

氯丙醇標準儲備液（10 mg/mL）：分別稱取1,3-DCP 標準品和3-MCPD 標準品各100 mg，用水溶解后轉移至10 mL 容量瓶中，并用水定容至刻度線，根據需要配制標準工作溶液，此標準工作溶液現用現配。

1.2 實驗方法

1.2.1 試樣準備

量取2.0 mL PAE 濕強劑置于20 mL頂空瓶，加入1.2 g氯化鈉，擰緊瓶蓋。

1.2.2 固相微萃取固相微萃取時間為30 min、溫度為30 ℃；樣品解析時間為2 min；加熱器轉速為250 r/min。

1.2.3 色譜質譜條件

色譜柱為DB-WAX 毛細管柱（30 mm×0.25 mm×0.25 μm）；進樣口溫度250 ℃；分流模式選擇不分流；進樣量1 μL；升溫程序60 ℃保持2 min，以速率8 ℃/min 升至200 ℃，保持0.5 min，后運行溫度220 ℃，保持1 min；載氣為氦氣；恒流模式，流速為1.0 mL/min；質譜掃描模式選擇離子監測；離子源為EI，溫度230 ℃；四極桿溫度150 ℃；定性及定量離子如表1 所示，空白基質1,3-DCP 和3-MCPD 提取離子流圖及質譜圖如圖1所示。

圖1 空白基質下1,3-DCP和3-MCPD提取離子流圖及質譜圖Fig.1 Ion flow and mass spectra of 1,3-DCP and 3-MCPD extracted from blank substrate

表1 定性及定量離子Table 1 Qualitative and quantitative ions

1.2.4 結果計算

分別以1,3-DCP、3-MCPD 的標準工作溶液響應值和對應的濃度點繪制標準曲線，通過外標法分別計算試樣中1,3-DCP、3-MCPD的含量。

1.3 不同實驗條件對3-MCPD響應的影響

考察3 種不同色譜柱（DB-WAX、HP-5MS、DB-624）、5 種不同萃取頭（PDMS，7/30/100 μm；DVB/PDMS，65 μm；DVB/CWR/PDMS，80 μm）、濕強劑體積（1、2、3、4、5、8、10 mL）、固相微萃取時間（5、10、20、30、40、50 min）、解析時間（1、2、3、4、5 min）、固相微萃取溫度（40、50、60、70、80、90 ℃）、NaCl 加入量（0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 g）、加熱器轉速（250、300、350、400、450、500 r/min）對3-MCPD 響應的影響，尋找3-MCPD 最佳質譜響應條件。

1.4 數據處理

使用SPSS 27.0對實驗數據進行處理分析。

2 結果與討論

2.1 不同實驗條件對3-MCPD響應的影響

由于3-MCPD 高沸點和低揮發的性質，直接測試往往會導致色譜峰型差和靈敏度低，相比之下，1,3-DCP的沸點低且易揮發，因此本研究主要針對3-MCPD的響應值進行優化。

2.1.1 色譜柱和萃取頭對3-MCPD響應的影響

本研究選取了3 種不同極性的色譜柱（DBWAX、HP-5MS、DB-624）進行3-MCPD 的測試，分別為極性、中極性和弱極性色譜柱。圖2顯示了不同色譜柱和萃取頭對3-MCPD 響應值的影響。3-MCPD在3 種色譜柱上的響應如圖2(a)所示，其中3-MCPD在DB-WAX 和HP-5MS 色譜柱上的響應值遠高于在DB-624上的響應，而在DB-WAX和HP-5MS之間沒有顯著性差異（P>0.05），但由于3-MCPD 極性較強，其在弱極性色譜柱HP-5MS 上峰型差（表現為駝峰），因此選取DB-WAX進行后續優化實驗。

圖2 不同色譜柱和萃取頭對3-MCPD響應值的影響Fig.2 Effect of chromatographic column and extraction head on 3-MCPD response

不同萃取頭對3-MCPD 的響應影響如圖2(b)所示，結果表明，DVB-CWR-PDMS 萃取頭使3-MCPD 響應值達到最大，而3-MCPD 在不同膜厚PDMS 固相微萃取頭（7、30、100 μm）的響應值無顯著性差異（P>0.05），且響應值遠小于其余2種萃取頭，這是由于聚二甲基硅氧烷與3-MCPD 極性相差較大，因此后續選取DVB-CWR-PDMS萃取頭進行優化實驗。

2.1.2 液體體積和解析時間對3-MCPD響應的影響

在靜態頂空分析中，最有效提高頂空分析靈敏度的方法是提高樣品量，但由于被分析物質在氣相濃度與其在初始樣品中濃度的比值受被測物質的兩相分配系數影響[11]，在響應值方面的表現也不同，同時還會受加熱器轉速等條件的影響。不同PAE 濕強劑液體體積對3-MCPD 響應的影響結果如圖3(a)所示。從圖3(a)可以看出，液體體積為2 mL 時，3-MCPD 響應值最高，且與液體體積為1 mL時3-MCPD的響應值具有顯著性差異（P<0.05），因此選擇2 mL 作為后續的液體體積進行實驗。

圖3 不同液體體積和解析時間對3-MCPD響應值的影響Fig.3 Effect of liquid volume and desorption time on 3-MCPD response

本方法氣相進樣口未設置冷阱進行富集，過長的解析時間可能會導致被測物由于無法聚焦，使長時間的解析條件下3-MCPD 響應下降。不同固相微萃取頭解析時間對3-MCPD 響應的影響如圖3(b)所示。從圖3(b)可以看出，不同解析時間下，3-MCPD的響應之間均有顯著性差異（P<0.05），在解析時間為2 min時，3-MCPD的響應值最高，因此選擇2 min作為后續解析時間進行優化實驗。

2.1.3 固相微萃取溫度和時間對3-MCPD響應的影響

一般而言，提高頂空進樣瓶的平衡溫度將增加被分析物質的氣-液分配系數，從而提高頂空分析的靈敏度[11]。但過高的頂空溫度升高會導致頂空瓶中溶劑飽和蒸汽壓呈指數上升，使被測物質在氣相中的濃度降低，表現為3-MCPD 的響應值呈降低趨勢。不同固相微萃取溫度對3-MCPD 響應的影響如圖4(a)所示。從圖4(a)可以看出，當固相微萃取溫度為60 ℃時，3-MCPD 響應達到最大，因此選擇60 ℃作為后續優化實驗的溫度。

圖4 不同固相微萃取時間和溫度對3-MCPD響應值的影響Fig.4 Effect of solid-phase microextraction time and temperature on 3-MCPD response

不同固相微萃取時間對3-MCPD 響應的影響如圖4(b)所示。從圖4(b)可以看出，當時間為30 min時，3-MCPD 響應值達到最大，因此選擇30 min 作為后續優化實驗的條件。

綜上所述，兩種超聲彈性成像技術指標的聯合應用，可直觀、定量地反映SAT急性期病灶的組織硬度，對其臨床診斷及病程初步評估、病灶準確測量具有一定的實用價值，而對急性期同時合并甲狀腺乳頭狀癌的檢出及鑒別診斷可能有其局限性，提醒超聲醫師工作中應以重視。

2.1.4 NaCl加入量和加熱器轉速對3-MCPD響應的影響增加體系中的離子強度可以使極性組分在空氣-水的氣液分配系數升高，從而提高頂空分析的靈敏度。不同NaCl 加入量對3-MCPD 響應的影響如圖5(a)所示。從圖5(a)可以看出，當加入NaCl 質量為1.2 g時，3-MCPD 響應最大，因此后續選擇NaCl 加入量1.2 g 進行最終加熱器轉速的優化實驗。頂空分析中使用的電解質通常還有碳酸鉀，而本研究在加入碳酸鉀進行濕強劑氯丙醇測試時，發現1,3-DCP 無法被檢出，可能是因為濕強劑的基質中某種物質與碳酸鉀的結合阻止了1,3-DCP的揮發。

圖5 不同NaCl加入量和加熱器轉速對3-MCPD響應值的影響Fig.5 Effects of NaCl addition and heater speed on 3-MCPD response

不同加熱器轉速對3-MCPD 響應的影響如圖5(b)所示。從圖5(b)可以看出，加熱器轉速為250 r/min時，3-MCPD 響應為最大，后續繼續提高轉速，3-MCPD的響應呈下降趨勢。

2.2 方法學驗證

2.2.1 標準曲線和檢出限

根據上述優化實驗條件，進行1,3-DCP和3-MCPD的標準工作溶液的配制，以標準工作溶液濃度響應為縱坐標，濃度為橫坐標繪制標準曲線，同時按信噪比（S/N）為3 時，樣品中1,3-DCP 和3-MCPD 的濃度作為檢出限，標準曲線及檢出限結果如表2所示。由表2可以看出，1,3-DCP和3-MCPD的響應與濃度在本方法下呈良好的線性關系，相關系數（r）均大于0.999；1,3-DCP和3-MCPD的檢出限分別為0.0001 mg/L和0.1 mg/L。

表2 標準曲線和檢出限結果Table 2 Standard curve and detection limit results

2.2.2 加標回收率和精密度

選取PAE 濕強劑樣品7#、14#進行加標回收率的測定，同時進行7次重復測試以評價精密度，結果如表3 所示。從表3 可以看出，濕強劑樣品中1,3-DCP加標回收率范圍在95%～110%，3-MCPD 加標回收率范圍在96%～113%，重復性測試結果顯示相對標準偏差（RSD）范圍在3.3%～5.7%，表明方法的精密度良好。

表3 加標回收率和精密度結果Table 3 Standard recovery and precision results

采用本方法與GB 4806.8—2022 附錄C 的固相萃取-衍生化-氣相色譜質譜法[5]進行方法比對，測試相同的PAE 濕強劑樣品，比對結果如表4 所示。從表4 可以看出，采用本方法對PAE 濕強劑中1,3-DCP 和3-MCPD檢測結果與固相萃取-衍生化-氣相色譜質譜法檢測結果之間的相對偏差均不超過10%，表明本方法準確度良好，可實現PAE濕強劑樣品快速、準確檢測。

表4 PAE濕強劑中氯丙醇檢測方法比對結果Table 4 Comparison results of wet strength agent chloropropanol

3 結 論

本研究采用DVB-CWR-PDMS 萃取頭，利用全自動頂空固相微萃取-氣相色譜質譜儀系統，通過優化取樣量、萃取溫度、萃取時間、加熱器轉速、解析時間及NaCl加入量的參數條件，以增強待測物響應值，同時進行線性范圍、加標回收率及檢出限的方法學驗證，建立了造紙用PAE 濕強劑中2種高關注氯丙醇物質（1,3-DCP 和3-MCPD）的快速測試方法，其中全自動頂空固相微萃取-氣相色譜質譜非衍生化法直接測試3-MCPD為首次報道。

3.1 優化后的固相微萃取條件為：取樣量2 mL、萃取溫度60℃、萃取時間30 min、加熱器轉速300 r/min、解析時間2 min及NaCl加入量1.2 g。

3.2 PAE濕強劑中1,3-二氯-2-丙醇和3-氯-1,2-丙二醇線性范圍分別為0.01～0.1 mg/L 和1.0～10 mg/L、相關系數均大于0.999、加標回收率范圍分別為95%～110%和96%～113%、檢出限分別為0.0001 mg/L 和0.1 mg/L。

本方法簡單、準確、靈敏度高、無需使用衍生劑，大幅縮短前處理時間和成本，適用于PAE 濕強劑樣品中氯丙醇的快速測定。