超高效合相色谱法同时检测塑料食品接触材料中11种双酚类化合物

    邱月 李根容 龙梅 阮燕 谭超兰 张璐 夏之宁

    

    

    

    摘?要?建立了基于超高效合相色谱（Ultra performance convergence chromatography，UPC2）快速检测塑料食品接触材料中11种双酚类化合物的分析方法。食品接触塑料材料样品用甲醇进行超声萃取，过0.22 μm有机滤膜，采用超临界CO2为主要流动相，甲醇为改性助溶剂，进行梯度洗脱，经ACQUITY UPC2 Torus DIOL色谱柱（150 mm×3.0 mm， 1.7 μm）分离，采用紫外检测器进行检测，外标法进行定量分析。在最优色谱条件下， 5 min内可实现11种双酚类化合物的有效分离，11种目标化合物在各自浓度范围内线性关系良好，标准曲线相关系数（R2）>0.998，3个加标水平（1.0、 25.0和50.0 mg/kg）下的回收率为75.7%～122.0%，相对标准偏差为0.6%～7.3%，检出限（LODs）为0.1～0.3 mg/kg。本方法操作简便、结果准确、绿色高效，可用于塑料食品接触材料中11种双酚类化合物的快速检测。

    关键词?双酚类化合物; 超高效合相色谱; 超声萃取; 塑料食品接触材料

    1?引 言

    双酚类化合物（Bisphenols， BPs）是一类结构相似（具有两个羟苯基）的物质，主要包括双酚A（Bisphenol A， BPA）、双酚S（Bisphenol S， BPS）、双酚F（Bisphenol F， BPF）、双酚AF（Bisphenol AF， BPAF）和四氯双酚A（Tetrachlorobisphenol A， TCBPA）等。BPA是一种重要的化工原料，因其热稳定性高、延展性好且价格低廉，被广泛应用于聚碳酸酯等食品包装材料的生产[1]。研究表明，BPA具有内分泌干扰性和拟雌激素活性，并具有致癌效应[2～4]。因此，欧盟、美国等均对食品接触材料中BPA的迁移进行了严格限制[5]，我国国家标准GB 9685-2016中规定，BPA在食品或食品模拟物中的迁移限量为0.6 mg/kg[6]。近年来，一些与BPA结构和性能相似的物质（如BPS，BPF等）逐渐代替了BPA在实际生产中使用。但已有研究证明，BPS和BPF对人体的危害性与BPA类似，并且更易富集，在环境中不易降解[7～9]。因此，开发双酚类化合物的检测方法对保证食品安全具有重要意义。

    目前，检测双酚类化合物的主要方法有液相色谱法（Liquid chromatography， LC）[10，11]、液相色谱-串联质谱法（Liquid chromatography-tandem mass spectrometry， LC-MS）[12，13]和气相色谱-串联质谱法（Gas chromatography-tandem mass spectrometry， GC-MS）[14，15]等。由于大多数双酚类化合物热稳定性高，不易挥发，不适合直接采用GC或GC-MS法检测，分析前通常需要进行衍生化处理，这类方法繁琐耗时，且容易造成目标物质的损失[16，17]。LC-MS法灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强，是目前双酚类物质最常用的检测方法。但由于双酚类化合物种类繁多，且结构相似，现有分析方法依然存在不少挑战，主要包括：对结构相似物质分离效果差，可同时分析的双酚化合物种类少[18，19]; 检测时间较长（通常大于10 min），分析成本高[20，21]; 溶剂消耗量大，不符合检测方法绿色环保的发展需求。因此，建立一种快速、高效、绿色的高通量分析方法用于双酚类化合物的检测非常必要。

    近年来，超高效合相色谱法（Ultra performance convergence chromatography， UPC2）受到了广泛关注。UPC2技術在传统液相色谱法的基础上，以超临界CO2为主要流动相，粘度低，传质快[22]; 同时，有机助剂的种类多， 极性可调范围广，既适用于分析非极性物质，也适用于强极性物质[23]; 此外，亚2 μm超高效色谱柱的填料技术为其提供了比传统液相色谱更快的分离速度和更高的系统分辨率[24]; 加之以无毒的CO2为主要流动相，有机溶剂的消耗大大减少，节约了分析成本，是一种绿色环保的分离技术[25]。研究表明，UPC2技术更适合分析传统液相色谱难以处理的同分异构体和结构类似物，已成功用于多种化合物的分离检测，如脂肪酸[26]、维生素[27]、光引发剂[28]、邻苯二甲酸酯[29]和紫外吸收剂[30]等。

    本研究建立了一种快速、准确、高效的UPC2方法，用于检测塑料食品接触材料中的双酚类化合物，在5 min内实现了11种双酚类化合物的快速有效分离，为塑料食品接触材料中双酚类化合物的定性与定量分析提供了技术参考。

    2?实验方法

    2.1?仪器与试剂

    ACQUITY UPC2型超高效合相色谱仪（美国Waters公司），配紫外检测器; N-EVAP-112型氮吹仪（美国Organomation公司）; BILON-2000CT超声波清洗器（上海比朗仪器有限公司）。

    双酚类化合物标准品：双酚A缩水甘油醚（Bisphenol A-diglycidyl ether， BADGE）、四甲基双酚A（Tetramethylbisphenol A， TMBPA）、双酚AF（BPAF）、四氯双酚A（TCBPA）、四溴双酚A（Tetrabromobisphenol A， TBBPA）、双酚A（BPA）、双酚F（BPF）、双酚Z（Bisphenol Z， BPZ）、双酚AP（Bisphenol AP， BPAP）、双酚S（BPS）和双酚BP（Bisphenol BP， BPBP）均购于德国 Dr.Ehrenstorfer公司。甲醇、乙腈、异丙醇均为色谱纯（德国Merck公司）。CO2为食品级（99.99%，重庆同辉气体有限公司）。

    2.2?标准溶液配制

    标准储备液： 准确称取11种双酚类化合物标准物质各10.0 mg，用甲醇溶解并定容至10 mL，配成1000 mg/L的单标储备液，于4℃保存。分别移取适量单标储备液，用甲醇逐级稀释并定容，分别配制成0.5、1.0、5.0、10.0、25.0和50.0 mg/L的混合标准工作溶液，现配现用。

    2.3?样品处理

    将塑料食品接触材料的样品剪碎，准确称取1.0 g待测样品，置于25 mL具塞试管中，加入10 mL甲醇，在超声条件下提取30 min后，将提取液于40℃氮吹浓缩至近干，再用甲醇复溶，并定容至1.0 mL， 用0.22 μm有机滤膜过滤，待测。

    2.4?色谱条件

    采用ACQUITY UPC2 Torus DIOL色谱柱（150 mm × 30 mm，1.7 μm）， 流动相A为超临界CO2， 流动相B为甲醇。柱温为35℃， 系统背压12.41 MPa， 进样体积为3 μL， 检测波长为220 nm。梯度洗脱：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; 流速为1.3 mL/min。

    3?结果与讨论

    3.1?分离条件的优化

    3.1.1?色谱柱的选择?本研究中测定的11种双酚类化合物， 因结构非常相似，不易分离，而色谱柱固定相是影响色谱分离的关键因素。因此，选择4种相同规格的非手性分离色谱柱（ACQUITY UPC2 Torus DIOL、ACQUITY UPC2 Torus DEA、ACQUITY UPC2 Torus 1-AA和ACQUITY UPC2 2-PIC）对11种双酚类化合物的分离效果进行考察（图1）。结果表明，采用ACQUITY UPC2 Torus 1-AA色谱柱分离时，色谱峰响应较低，分离度和峰形较差; 采用ACQUITY UPC2 Torus DEA和ACQUITY UPC2 2-PIC色谱柱分离时，峰形较好，但11种目标物未能全部检出; 采用Torus DIOL色谱柱，11个色谱峰在5 min内实现基线分离，峰形尖锐且对称性良好。因此，后续实验选择Torus DIOL色谱柱进行双酚类化合物的分离。

    3.1.2?流动相中助溶剂的选择?UPC2采用超临界CO2为主要流动相，通常加入少量有机助溶剂调节流动相的极性，以增强对目标物的溶解能力和洗脱能力，助溶剂的选择对目标物的出峰时间、出峰顺序和分离度均有重要影响[27，31]。选择ACQUITY UPC2 Torus DIOL色谱柱，在背压13.10 MPa、 柱温35℃条件下，对比了甲醇、乙腈和异丙醇3种不同极性的助溶剂对11种双酚类化合物分离效果的影响（图2）。结果表明，助溶剂极性的增强有利于提高双酚类化合物的分离度。当使用异丙醇和乙腈时，11种目标物未能全部出峰，部分色谱峰重叠、展宽明显; 当选择极性较大的甲醇作为助溶剂时，11种双酚类化合物能够在较短的时间内实现基线分离，且色谱峰峰形良好。因此，本研究选择甲醇作为助溶剂。

    3.1.3?系统背压的选择?UPC2在运行过程中，可通过控制系统背压调节超临界流体的状态，从而提高对目标物的洗脱能力。当系统背压升高时，CO2超临界流体密度增大，柱压升高，洗脱能力增强，对目标物的保留能力减弱，出峰时间提前。本研究以甲醇为有机助溶剂，在柱温35℃条件下考察了11.72～13.79 MPa范围内系统背压对11种双酚类化合物分离效果的影响（图3）。结果表明，随着背压的增加，BPAF（峰3）和TCBPA（峰4）的分离度降低。综合考虑分析速度和分离效果，选择13.10 MPa为最佳系统背压。

    3.1.4?色谱柱温度的选择?色谱柱溫度是另一个影响CO2超临界流体的重要因素。随着色谱柱温度升高，CO2超临界流体的粘度降低，密度减小，对目标物的洗脱能力也随之减弱，保留时间延长。考察了色谱柱温度在20℃～55℃范围内对11种双酚类化合物分离的影响（图4）。结果表明，随着柱温升高，目标物的保留时间逐渐延长。当温度为25℃时，11种双酚类化合物未能全部分离; 升高温度至35℃时，11种目标物出峰完全，并在5 min内实现良好的基线分离; 继续升高温度， BPAF（峰3）和TCBPA（峰4）、BPS（峰10）和BPBP（峰11）的分离度逐渐降低。因此，选择最佳色谱柱温度为35℃。

    3.2?方法性能评价

    3.2.1?基质效应评估?由于不同塑料基质成分可能会影响检测结果的准确性，考察了方法的基质效应。分别用空白PET塑料瓶、空白PC奶瓶、空白PE食品包装袋的提取液和溶剂甲醇配制双酚混合标准溶液，并绘制标准曲线，通过计算各基质溶液与甲醇中双酚标准曲线的斜率比（KPET/K甲醇，KPC/K甲醇和KPE/K甲醇），得到11种双酚类化合物的基质效应为90.3%～108.7%，表明本方法中塑料基质效应对检测结果的影响较小[32]。

    3.2.2?方法分析性能?配制浓度为0.5、 1.0、 5.0、 10.0、 25.0和50.0 mg/L的11种双酚类化合物系列混合标准工作溶液，在优化的UPC2色谱条件下进行分析，以标准系列响应峰面积为纵坐标（y），浓度为横坐标（x），建立线性回归方程。选取空白PET塑料瓶样品进行回收率和精密度测试，在溶剂提取阶段加入11种双酚类化合物的混合标准溶液，加标水平分别为1.0、25.0和50.0 mg/kg，每个浓度水平重复测试6次。对加标溶液进行逐级稀释，分别采用3倍和10倍信噪比（S/N=3， 10）的方法计算得出方法的检出限（LODs）和定量限（LOQs）。方法分析性能参数见表1。11种双酚类化合物在各自浓度范围内线性关系良好，线性相关系数（R2）均高于0.998，11种双酚类化合物的LODs为0.1～0.3 mg/kg，LOQs为0.4～1.0 mg/kg。3个加标水平下的平均回收率为75.7%～122.0%，相对标准偏差为0.6%～7.3%。

    3.3?實际样品分析

    采用本方法对5个塑料食品接触材料样品（PET塑料瓶、PC水杯、PC奶瓶、PE食品包装袋和PE保鲜膜）中的双酚类化合物进行检测。结果表明，有两个样品检出的双酚类物质残留。样品1（PET塑料瓶）中仅发现BADGE，含量为4.791 mg/kg，样品2（PC水杯）中检出BADGE、TMBPA和BPAP，含量分别为2.632、 3.853和0.248 mg/kg。典型的样品色谱图如图5所示。

    上述结果表明， 本方法在5 min内即可实现11种双酚类化合物的有效分离， 分析速度快、灵敏度和分离度高， 有机溶剂消耗量少， 能够为食品接触塑料中双酚类化合物的分析提高新的参考方法。

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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）.