响应面优化-气相色谱串联质谱法测定塑胶跑道面层中4种新型增塑剂

GC-MS/MS Determination of Four Emerging Plasticizers in Plastic Track Surface with Response Surface Methodology

摘要

基于气相色谱-串联质谱法（GC-MS/MS）建立了测定塑胶跑道面层中4种新型增塑剂的检测方法。剪碎后的跑道面层样品经20 mL乙酸乙酯于62 ℃、180 W超声提取41 min，过0.22 μm聚四氟乙烯（PTFE）滤膜，目标物经TG-5SilMS色谱柱分离，在电子轰击源（EI）下进行选择反应监测（SRM），外标法定量。基于Box-bennken设计了响应曲面，得到超声提取法中超声温度、超声时间、超声功率的最佳值。结果表明：在0.05~2.00 mg/L线性范围内，4种新型增塑剂的相关系数（r ²）均大于0.999，检出限（LOD）为0.4~0.8 mg/kg，平均加标回收率为95.5%~114.5%，相对标准偏差（RSD）为2.3%~5.8%（n=6）。运用该方法对30批次塑胶跑道面层样品进行检测。结果23批次样品均检出新型增塑剂，其中对苯二甲酸二辛酯（DOTP）的检出率高达66.7%，最高检出浓度为6.3×10³ mg/kg。该方法简便、准确，适用于检测塑胶跑道面层中4种新型增塑剂。

关键词

对苯二甲酸二辛酯 / 气相色谱-串联质谱法 / 塑胶跑道面层 / 响应曲面法

Key words

Dioctyl terephthalate / GC-MS/MS / Plastic track surface / Response surface methodology

塑胶跑道面层主要以聚氨酯预聚体、扩链剂、三元乙丙橡胶/聚氨酯(EPDM/PU)颗粒、颜料、催化剂、无机填料等混合、加工、现场摊铺浇筑而成^[1-4]。为了提高塑胶跑道面层的柔韧性^[5]，会添加增塑剂进行改性。邻苯二甲酸酯类增塑剂作为内分泌干扰物^[6]，具有免疫毒性、生殖毒性、致畸性和致癌性^[5-10]，在塑料产品中的用量被限制。随着人们健康意识的提高，新型增塑剂的开发和应用研究越来越受到重视^[11-14]。但是，新型增塑剂同样存在安全隐患，研究表明，对苯二甲酸二辛酯(DOTP)具有明显的致癌和影响生育的作用^[15-16]，乙酰柠檬酸三丁酯(ATBC)可能导致体重增加^[17]，环己烷-1,2-二甲酸二异壬酯(DINCH)具有细胞毒性和基因毒性^[18]，偏苯三酸三辛酯(TOTM)具有肝毒性作用^[19]。《食品接触材料及制品用添加剂使用标准》(GB 9685—2016)对DOTP、DINCH特定迁移量的限量进行规定^[20]。目前，已报道的新型增塑剂的检测方法主要检测对象为食品^[21-22]、食品包装材料^[23-25]、津液^[18]、药品包装浸出物^[26-28]、可降解塑料^[29]。

为了更好掌握塑胶面层中DOTP、ATBC、DINCH、TOTM等新型增塑剂的添加量，本实验以阳性样品为对象，基于Box-Behnken设计(BBD)的响应曲面法(RSM)优化超声提取条件，结合气相色谱-串联质谱联用法(GC-MS/MS)建立一种同时测定塑胶跑道面层中4种新型增塑剂的检测方法。以空白样品为对象考察回收率、精密度、基质效应等，并使用该方法对实际样品进行分析。

1 实验部分

1.1 主要原料

甲苯、正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮，色谱纯，美国Honeywell公司；对苯二甲酸二辛酯(DOTP)、环己烷-1,2-二甲酸异壬酯(DINCH)，纯度98.0%，上海麦克林生化科技有限公司；偏苯三酸三辛酯(TOTM)，纯度97.0%，上海麦克林生化科技有限公司；乙酰柠檬酸三丁酯(ATBC)，纯度97.0%，阿拉丁试剂有限公司；聚四氟乙烯(PTFE)滤膜，0.22 μm，上海安谱实验科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

气相色谱-三重四极杆质谱联用仪(GC-MS/MS)，Trace1310-TSQ8000，美国Thermo Fisher公司；超声萃取仪，JM-10D，广州洁盟超声实业有限公司；实验筛，14目(1.40 mm)、20目(0.85 mm)，浙江上虞市肖金筛具厂。

1.3 标准工作溶液的配制

分别称取ATBC、DINCH、DOTP、TOTM标准品约50 mg（精确至0.1 mg）于玻璃烧杯中，用少量乙酸乙酯溶解标准品，转移至250 mL玻璃容量瓶中，并用乙酸乙酯定容，配制成质量浓度约为200 mg/L的混合标准储备液。准确移取适量混合标准储备液配制成质量浓度约为0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、1.50、2.00 mg/L的系列标准工作溶液。

1.4 样品制备

取塑胶跑道面层样品适量，剪成小碎片，分别过20目和14目实验筛，选取粒径在0.85~1.40 mm的颗粒^[30]，混合均匀，称取0.5 g（精确至0.000 1 g）混合均匀的塑胶跑道面层颗粒，于玻璃提取器中，加入20 mL乙酸乙酯，62 ℃，180 W超声提取41 min，冷却至室温后，取适量提取液过0.22 μm聚四氟乙烯(PTFE)滤膜，滤液供GC-MS/MS测试。

1.5 仪器条件

1.5.1 色谱条件

TG-5SilMS (30 m×0.25 mm×0.25 μm)毛细管色谱柱；进样模式为不分流进样；进样口温度为300 ℃；程序升温：90 ℃保持0 min，20 ℃/min到250 ℃，保持0 min，5 ℃/min到300 ℃，保持7 min；载气为高纯氦气( \ge99.999%)，流量为1.2 mL/min。

1.5.2 质谱条件

离子源为电子轰击源(EI)，电离能量70 eV，离子源温度300 ℃，传输线温度280 ℃，碰撞气为高纯氩气( \ge99.999%)，扫描模式选择反应监测模式(SRM)。表1为4种新型增塑剂的保留时间及质谱参数。

2 结果与讨论

2.1 仪器条件的优化

2.1.1 色谱柱

ATBC、DINCH、DOTP、TOTM为弱极性化合物，可在弱极性毛细管色谱柱上得到较好分离。本实验选用TG-5SilMS（弱等极性）毛细管色谱柱对目标化合物进行分离。

图1为4种新型增塑剂的总离子流图。从图1可以看出，使用TG-5SilMS毛细管色谱柱时，DINCH与DOTP未能分开，但定量、定性离子对无交叉干扰，可通过提取定量、定性离子对使其有效分离，不影响两者定量。ATBC、DOTP、TOTM的峰形尖锐且对称。

2.1.2 质谱条件

使用Trace1310-TSQ8000仪器自带的AutoSRM功能，选择目标化合物碎片强度较大的二级碎片离子作为子离子，确定目标化合物的定量离子对和定性离子对，并对每个离子对的最佳碰撞能进行优化，得到4种新型增塑剂最优的质谱条件（见表1）。

2.2 前处理条件的优化

2.2.1 单因素实验

以阳性样品为研究对象，考察了提取溶剂、液料比、提取时间、提取温度、提取功率等因素对4种新型增塑剂提取效果的影响。根据ATBC、DINCH、DOTP、TOTM结构与性质，考察了丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、甲苯、正己烷等5种不同极性溶剂对4种新型增塑剂提取效果的影响。图2为测试结果。从图2可以看出，乙酸乙酯和甲苯作为提取溶剂时，对4种新型增塑剂提取效果均比较理想，乙酸乙酯提取效果最佳，甲苯次之。考虑到甲苯为3类致癌物，最终确定毒性小的乙酸乙酯为最佳提取溶剂。

考察10、20、30、40、50、60 mL/g不同液料比对4种新型增塑剂提取效果的影响，图3为测试结果。从图3可以看出，液料比从10 mL/g增至40 mL/g，4种新型增塑剂的提取量随液料比增加而增大，液料比增至40 mL/g后，继续增大液料比，4种新型增塑剂的提取量随液料比增加而减小。液料比较大时，塑胶跑道面层溶出更多的杂质，影响4种新型增塑剂的测定^[31]。液料比较小时，提取溶剂对4种新型增塑剂的提取不够充分。选择液料比40 mL/g为最佳液料比，即0.5 g样品所需提取溶剂20 mL。

为了充分从塑胶跑道面层样品中提取出4种新型增塑剂，考察10、20、30、40、50、60 min不同提取时间对4种新型增塑剂提取效果的影响，图4为测试结果。从图4可以看出，提取时间从10 min增至40 min，4种新型增塑剂的提取量随提取时间增加而上升，提取时间达到40 min后，继续延长提取时间，4种新型增塑剂的提取量随提取时间的延长而下降，因此选定提取时间为40 min。

温度是影响超声提取效果的一个重要因素。温度升高，超声空化强度增强，但过高的温度会使得空化泡内蒸气压升高，引起冲击力下降，导致超声空化强度降低^[32]，空化强度强，超声提取效果好。考察了20、30、40、50、60、70 ℃不同提取温度对4种新型增塑剂提取效果的影响，图5为测试结果。从图5可以看出，提取温度从20 ℃升至60 ℃，4种新型增塑剂的提取量也逐渐上升，提取温度升高到60 ℃后，继续升高超声温度，4种新型增塑剂的提取量反而有所下降。因此，选定提取温度为60 ℃。

功率作为影响超声提取效果的重要因素之一。功率升高，声波强度增加，空化强度增强，提取效果增强，但过高的功率会使得空化泡过多，形成声波屏障，导致声波强度降低^[32]，从而导致提取效果的降低。因此，考察了90、120、150、180、210、240 W不同提取功率对4种新型增塑剂提取效果的影响，图6为测试结果。从图6可以看出，提取功率从90 W升至180 W，随着提取功率的不断升高，4种新型增塑剂的提取量也逐渐上升，提取功率升高到180 W后，继续升高超声功率，4种新型增塑剂的提取量反而有所下降。因此选定提取功率为180 W。

2.2.2 Box-behnken设计与结果分析

根据超声提取原理，影响超声提取效果的主要因素为超声时间、超声温度、超声功率，为了进一步优化4种新型增塑剂的提取工艺，同时考察因素间的交互影响，本研究根据单因素试验结果，选取提取时间、提取温度、提取功率进行三因素三水平Box-behnken设计，以提取时间(A)、提取温度(B)、提取功率(C)为自变量，4种新型增塑剂含量(Y)为响应值，选用中心复合模型（中心点设5次重复），运用Design-Expert 13软件进行BBD实验。改变变量提取时间(A)、提取温度(B)、提取功率(C)的水平，其余重复“1.4”节样品制备进行试验。表2为试验的BBD试验设计与结果。

利用Design-Expert 13软件对试验数据进行多元二次拟合，新型增塑剂含量与各因素变量的二次方程模型为：

Y=1 389.21+23.23A+21.72B+11.05C-11.50AB-1.38AC+14.45BC-102.75A ²-45.23B ²-74.70C ² (1)

表3为模型的方差分析。从表3可以看出，整体模型的P＜0.000 1（极显著），失拟项P=0.338 3＞0.05（不显著），表明此二次回归模型拟合度良好、可信度高；R ²为0.994 7，说明模型能解释99.47%的4种新型增塑剂提取量变化，R ² _Adj(0.987 9)-R ² _pre(0.951 0)=0.036 9＜0.2，用该模型分析和预测4种新型增塑剂的提取工艺是可行的。A、B、C、A ²、B ²和C ²项极显著(P＜0.01)，AB、BC项显著(P＜0.05)，各因素影响顺序为：提取时间＞提取温度＞提取功率。运用Design-Expert 13软件对表2试验数据进行响应面分析，图7为三因素交互影响对4种新型增塑剂含量的响应面图。从图7可以看出，4种新型增塑剂含量随提取时间、提取温度、提取功率的增大先升高后降低，表明提取时间、提取温度、提取功率3个因素对4种新型增塑剂含量的影响显著。等高线的弧度越大，影响越显著。提取时间与提取温度交互作用显著，提取时间与提取功率交互影响不显著，提取温度与提取功率交互作用显著。

2.2.3 验证实验

根据回归模型，利用Design-Expert 13软件的Numerical solutions功能，算出的超声提取的最优工艺参数条件：提取时间为40.99 min、提取温度为62.43 ℃、提取功率为182.89 W。4种新型增塑剂提取量的预测值为1 393.53 mg/kg。考虑试验的可操作性，选取提取时间41 min、提取温度62 ℃、提取功率180 W，4种新型增塑剂提取量为1 387.53 mg/kg (RSD=4.21%，n=3)，与理论预测值基本相符，由此所得的超声提取参数优化结果准确可靠，得到的提取条件具有实际应用价值。

2.3 基质效应的考察

以塑胶跑道面层空白样品为研究对象，对基质效应(ME)进行了考察。按照“1.4”节中样品制备进行实验，得到塑胶跑道面层基质空白提取液，选用基质空白提取液和溶剂乙酸乙酯分别配制4种新型增塑剂的标准曲线工作溶液，按照“1.5”节中仪器条件进行测定，并绘制标准曲线，ME的计算公式为^[33]：

ME=(K _基质-K _纯溶剂)/K _纯溶剂×100%(2)

式(2)中：K _基质为基质标准曲线的斜率；K _纯溶剂为纯溶剂标准曲线的斜率。

有文献^[7]表示，ME＜0为基质抑制效应，ME＞0为基质增强效应；|ME|＞50%为强基质效应，应采取补偿措施；20% \le|ME| \le50%为中等基质效应；|ME|＜20%为弱基质效应，可忽略或无须基质补偿措施。ATBC、DINCH、DOTP、TOTM的ME分别为13.86%、12.19%、9.01%、11.76%，存在基质增强效应，且|ME|均小于20%，故4种新型增塑剂在塑胶跑道面层样品中的ME对分析结果的影响可忽略不计，选用乙酸乙酯配制标准工作曲线能够满足筛查定量要求。

2.4 检出限、定量限、线性方程及线性范围

按照“1.3”节中标准溶液制备方法配制4种新型增塑剂的系列标准工作溶液，按照“1.5”节中仪器条件进行测试，以目标化合物质量浓度(x, mg/L)与定量离子对峰面积(y)拟合标准工作曲线。

表4为4种新型增塑剂的线性相关系数、检出限和定量限。从表4可以看出，线性相关系数r ²均大于0.999，4种新型增塑剂在线性浓度范围内线性良好。选取塑胶跑道面层空白样品进行加标，按照“1.4”节中样品制备进行处理后测试，分别以信噪比(3S/N，10S/N)确定新型增塑剂的方法检出限(LOD)与方法定量限(LOQ)，得到LOD为0.4~0.8 mg/kg，LOQ为0.8~2.0 mg/kg。

2.5 回收率与精密度

以塑胶跑道面层空白样品为对象，分别进行低、中、高3个浓度水平的加标试验，各浓度水平平行测定6次，表5为4种新型增塑剂的加标回收率和相对标准偏差。从表5可以看出，4种新型增塑剂的平均加标回收率范围为95.5%~114.5%，相对标准偏差(RSD，n=6)在2.3%~5.8%之间，表明方法的准确度与精密度均良好，可以满足实际样品的检测需求。

2.6 实际样品分析

采用本方法对30批次塑胶跑道面层样品中4种新型增塑剂进行检测，每批次样品平行测定两次，两次测试结果的绝对差值均小于其算术平均值的10%，重复性良好。结果表明，23批次检出新型增塑剂，DOTP检出20批次，检出率高达66.7%，浓度在(1.7~6.3)×10³ mg/kg之间；ATBC检出18批次，检出率为60.0%，浓度在(1.9~5.7)×10³ mg/kg之间；TOTM检出6批次，检出率为20.0%，浓度在1.7~241.7 mg/kg之间；DINCH检出4批次，检出率为13.3%，浓度在13.0~530.2 mg/kg之间。

3 结论

建立了超声波提取法结合GC-MS/MS测定塑胶跑道面层中4种新型增塑剂的检测方法。通过基于BBD的RSM优化超声提取4种新型增塑剂工艺，确定超声提取的最优条件为：提取时间41 min、提取温度62 ℃、提取功率180 W。本方法前处理简单、抗干扰能力强、准确度高、检出限低，可用于塑胶跑道面层中4种新型增塑剂的检测，并为塑胶跑道面层质量控制和安全监管提供技术支持。

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基金资助

重庆市科技局科研院所绩效激励引导专项(cstc2022jxjl50001)

重庆市市场监督管理局科研计划项目(CQSJKJ2021041)