CN114814031A - 一种医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，包括如下步骤：取口罩样品中央部位，剪成碎片置于顶空瓶中，加入乙酸乙酯后迅速用铝盖及隔垫将瓶密封，置于顶空自动进样器，在顶空条件下，各目标物质快速转移至气态并达至顶空动态平衡，顶空定量环中的气体被引入至GC‑MS进行测定。本发明相比现有超声提取方法灵敏度大大提升，溶剂消耗显著降低。

Description

一种医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法
技术领域
本发明涉及一种化学物质的检测方法，特别是涉及一种医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法。
背景技术
作为一种简单但重要的个人防护装备，医用口罩被广泛用于保护人们免受病毒感染。医用口罩可分为一次性医用口罩、医用外科口罩和医用防护口罩(N95口罩)，其防护能力逐渐增强。医用口罩由口罩和张力带组成。前者主要包含三层：内层由亲肤材料(普通卫生纱布或无纺布)制成，中层由隔离过滤器(超细聚丙烯纤维熔喷材料)制成，外层由抗菌材料(超细聚丙烯纤维熔喷材料)制成。有关医用口罩的主要法规包括美国标准 ASTM F2100和行业指南以及FDA工作人员医用口罩上市前通知510(K)、欧洲标准 EN14683-2019、中国YY 0469-2011医用外科口罩和GB 19083-2010医用防护口罩。然而，除了消毒剂环氧乙烷除外，缺乏限制口罩中其他挥发性有害化学物质的强制性标准或监管文件。欧洲安全联盟ESF在其官方网站上发布了一份文件，规定防护口罩等个人防护设备必须符合 REACH法规的要求，该文件为口罩的化学品安全提供了一些指导，但目前尚未有匹配的检测方法。
口罩作为重要的防疫物资，其产品质量与人的健康安全息息相关。经调研发现人们对口罩的安全研究主要集中在其物理和生物指标上，包括细菌过滤效率、颗粒过滤效率、通气阻力、微生物指标、皮肤刺激性、迟发型超敏反应等。早期的研究工作往往是关于口罩的使用和防护。随后，一些研究人员开始关注口罩新材料和新功能。研究人员开始研究口罩替代、延长使用、再利用和消毒，以及戴口罩造成的微塑料吸入风险等。国内外很少有研究者对口罩的化学风险进行分析，现有的少量研究通常是针对口罩消毒和灭菌中使用的化学品(如环氧乙烷、二甲基二恶烷、过氧化氢、臭氧等)，对口罩所用原材料以及在生产、加工、包装和运输过程中可能引入的其他有害化学物质目前罕见报道。
本发明研究的14种化学物质，其中N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、乙苯、甲苯、二甲苯、1,4-二氯苯等在GB/T 18885-2020、Oeko-Tex Standard100、欧盟REACH法规高度关注物质清单中有着明确的限量规定。N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-烷基吡咯烷酮等常作为纺织行业的反应溶剂、稀释剂或柔顺剂，其对人体皮肤和黏膜均具有刺激性作用，长期接触可导致中枢神经系统机能障碍，并损伤肝、肾等重要脏器。环氧乙烷是口罩灭菌的主要方式，属于有毒物质。2-氯乙醇是一种刺激体表、具有急性毒性，有轻微的致突变性，具有产生胎儿毒性和致畸性改变的潜能，并对体内的几种器官系统造成损伤，包括肺、肾、中枢神经系统和心血管系统。己内酰胺具有较强的毒性，会对肝脏等器官造成损伤，是世界卫生组织致癌物清单中的四类致癌物。其余物质也具有一定程度的毒性危害。鉴于口罩与人体的密切接触和频繁使用，很有必要开发相应的定量方法，并对其化学风险进行评估。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种灵敏度高、操作简便的医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法。
本发明医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，包括如下步骤：
取口罩样品中央部位，剪成碎片置于顶空瓶中，加入乙酸乙酯后迅速用铝盖及隔垫将瓶密封，置于顶空自动进样器，在顶空条件下，各目标物质快速转移至气态并达至顶空动态平衡，顶空定量环中的气体被引入至GC-MS进行测定。
本发明所述的医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，其中，所述14种化学物质为环氧乙烷、环氧丙烷、甲苯、乙苯、对二甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、2-氯乙醇、N,N-二甲基乙酰胺、1,4-二氯苯、N-甲基吡咯烷酮、戊二酸二甲酯和己内酰胺。
本发明所述的医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，其中，所述顶空条件为：平衡温度130℃；平衡时间15min；辅助气压力75kPa；加压时间20s；定量环温度：140℃；传输线温度:155℃；充满定量环时间25s；进样时间30s。
本发明所述的医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，其中，所述GC-MS中的色谱条件：DB-WAX色谱柱，30m×0.25mm×0.25μm，载气为高纯氦气，纯度≥99.999％，流速1.2mL/min；分流模式，分流比为20:1，进样口温度230℃；程序升温：初始温度为 40℃，保持1min后以8℃/min升至230℃，保持10分钟。
本发明所述的医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，其中，所述GC-MS中的质谱条件为：离子源为EI源，电离能量70eV，传输线温度280℃，离子源温度230℃，四级杆温度150℃，扫描模式为SIM模式。
本发明所述的医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，其中，通过质谱全扫描模式进样检测，选择每个物质中质荷比较大、丰度较高的3个最具代表性的离子作为监测离子，并确定各物质定量和辅助定性离子，最终得到的质谱参数见表1：
表1 14种目标化合物的名称、色谱及质谱参数
Figure BDA0003624436220000031
带*为定量离子。
本发明所述的医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，具体包括如下步骤：取口罩样品中央部位，排除耳带和口罩边缘部分，剪成小于5mm×5mm的碎片，准确称取0.2 g置于20mL顶空瓶中，加入40μL乙酸乙酯后，迅速用铝盖及隔垫将瓶密封，置于顶空自动进样器；在顶空条件下，各目标物质快速转移至气态并达至顶空动态平衡，顶空定量环中的1mL气体被引入至GC-MS进行测定。
本发明医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法与现有技术不同之处在于：本发明医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法利用顶空热提取技术结合气相色谱-质谱，开发了医用口罩中14种化学物质(环氧乙烷、环氧丙烷、甲苯、乙苯、对二甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、2-氯乙醇、N,N-二甲基乙酰胺、1,4-二氯苯、N-甲基吡咯烷酮、戊二酸二甲酯、己内酰胺)高灵敏、低溶剂消耗的定量检测方法，考察并优化了色谱分离条件、质谱检测条件、顶空温度、顶空时间、辅助气压力和样品基质等关键参数。相比现有超声提取方法灵敏度大大提升，溶剂消耗显著降低。最后对51批次口罩产品的检测情况进行了统计分析。
下面结合附图对本发明的医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明方法中14种目标化合物的总离子流色谱图，各目标物峰序号与表1中一致；
图2为本发明方法中顶空平衡温度对14种目标物峰面积的影响(n＝3)；
图3为本发明方法中顶空平衡时间对14种目标物峰面积的影响(n＝3)；
图4为本发明方法中顶空加压压力对14种目标物峰面积的影响(n＝3)；
图5为本发明方法中口罩样品基质对方法的干扰情况(n＝3)。
具体实施方式
1实验部分
1.1仪器与试剂
7890B-5977A型气相色谱-质谱仪(美国Agilent公司)；HSS 86.50型顶空自动进样器(意大利Dani公司)，带1mL定量环；20mL顶空瓶，配铝盖及PTFE/silicon密封隔垫。
环氧乙烷标准溶液为浓度50mg/mL的甲醇溶液，购于Supelco公司。其余13种物质的标准品纯度均大于98％，购于百灵威、Sigma、Amethyst等公司；甲醇(色谱纯，美国Fisher)，乙酸乙酯(色谱纯，上海安谱)。
1.2标准溶液配制
环氧乙烷单标储备液：取1mL环氧乙烷标准溶液，用甲醇定容于25mL容量瓶，配制成2000mg/L的单标储备液。其余各物质称取标准品100mg，用甲醇溶解并定容于50mL容量瓶，配制成2000mg/L的单标储备液。分别移取适量的单标储备液，用乙酸乙酯为溶剂，配制成100mg/L混合标准储备液，4℃冷藏避光保存。使用时根据需要稀释至相应浓度的混合工作溶液。
1.3样品处理
取口罩样品中央部位(排除耳带和口罩边缘部分)，剪成小于5mm×5mm的碎片，准确称取0.2g置于20mL顶空瓶中，加入40μL乙酸乙酯后，迅速用铝盖及隔垫将瓶密封，置于顶空自动进样器。在特定的顶空条件下，各目标物质快速转移至气态并达至顶空动态平衡。顶空定量环中的1mL气体被引入至GC-MS进行测定。
1.4检测条件
顶空条件：平衡温度130℃；平衡时间15min；辅助气压力75kPa；加压时间20s；定量环温度：140℃；传输线温度:155℃；充满定量环时间25s；进样时间30s。
色谱条件：DB-WAX色谱柱(30m×0.25mm×0.25μm)，载气为高纯氦气(纯度≥99.999％)，流速1.2mL/min；分流模式，分流比为20:1，进样口温度230℃；程序升温：初始温度为40℃，保持1min后以8℃/min升至230℃，保持10分钟。
质谱条件：离子源为EI源，电离能量70eV，传输线温度280℃，离子源温度230℃，四级杆温度150℃，扫描模式为SIM模式。
2结果与讨论
2.1色谱-质谱检测条件优化
本发明涉及的14种化学物质有烷、醇、烷基苯、氯代苯、胺、酯、酮等多种类别，极性和沸点等性质各不相同。考察了非极性色谱柱DB-1MS(30m×0.25mm×0.25μm)、弱极性色谱柱HP-5MS(30m×0.25mm×0.25μm)、中等极性色谱柱DB-17MS(30m×0.25mm×0.25 μm)和强极性色谱柱DB-WAX(30m×0.25mm×0.25μm)等多种类型的色谱柱对14种物质的色谱分离情况。结果发现，在DB-1MS和HP-5MS色谱柱上，环氧乙烷和环氧丙烷响应较差。在DB-17MS色谱柱上，N-甲基吡咯烷酮、己内酰胺峰响应差。上述3种色谱柱均无法分离对二甲苯和间二甲苯、N-甲基吡咯烷酮和戊二酸二甲酯。DB-WAX柱对各目标物的响应较好，所有物质能实现有效分离，且色谱峰形尖锐对称。因此选用DB-WAX色谱柱进行后续研究， 14种物质的色谱分离图见图1。
通过质谱全扫描模式进样检测，选择每个物质中质荷比较大、丰度较高的3个最具代表性的离子作为监测离子，并确定各物质定量和辅助定性离子，最终得到的质谱参数见表1。
表1 14种目标化合物的名称、色谱及质谱参数
Figure BDA0003624436220000061
带*为定量离子。
2.2顶空进样条件优化
2.2.1顶空平衡温度
平衡温度直接决定有机物挥发以及达到动态平衡的快慢。通常，较高的温度对于化合物的挥发以及快速形成平衡是有利的，但是顶空装置加热温度有限，顶空瓶隔垫和传输线的耐受温度也有限。初步设定平衡时间和辅助气压力为10min和75kPa，考察平衡温度100℃、 110℃、120℃、130℃、和140℃的影响。称取0.2g空白口罩样品于顶空瓶中，加入40μL 5mg/L的混标溶液，迅速将瓶密封，按上述试验方法进行分析，平行测试三次取平均值，对所得的峰面积进行比较。由图2可见，在100℃～130℃区间内，随着平衡温度的升高，目标化合物的峰面积逐渐增大。而口罩样品的耐受温度有限，特别是中间层的熔喷布在140℃时发生部分熔合，其性状开始发生改变。为了保证方法的有效性和灵敏度，最优的平衡温度为130℃。
2.2.2顶空溶剂优化
在顶空溶剂方面，在同等检测条件下对常见溶剂丙酮、乙酸乙酯、正己烷、甲醇、乙腈、三氯甲烷、二氯甲烷等进行考察，反复优化后，选定乙酸乙酯作为顶空溶剂。原因如下：第一，乙酸乙酯的色谱峰保留时间介于环氧丙烷和甲苯之间，可以通过质谱溶剂延迟去除掉，不会影响待测物质的检测，其它溶剂或多或少会覆盖环氧乙烷、环氧丙烷、甲苯的色谱峰，对检测结果产生干扰。第二，添加乙酸乙酯后，各物质色谱峰形尖锐对称，其它溶剂通常会对环氧乙烷、环氧丙烷、2-氯乙醇的峰形产生影响，导致响应信号较差。第三，乙酸乙酯相比于甲醇、丙酮、乙腈、三氯甲烷等毒性更小，进样完成后的尾气释放到空气中，更为环保，对实验人员健康更有利。综合上述原因，选定乙酸乙酯作为顶空溶剂。
2.2.3顶空平衡时间
平衡时间与物质在两相间的动态平衡有关。传统的静态顶空以水为溶剂，平衡时间一般为30～50min。本方法中，微量的乙酸乙酯溶剂在130℃高温下瞬间气化，在瓶内形成稳定的气压，有利于待测物质大部分转移至气相，并迅速达到平衡。对5～30min顶空平衡时间进行了考察优化。由图3可见，当平衡温度和辅助气压力为130℃和75kPa时，各物质峰面积在 5～15min随时间逐渐增加，15min达到最高值，即实现顶空平衡。当时间大于15min时，峰面积随着时间延长而逐渐稳定或略微减小。最终选择平衡时间15min。
2.2.4辅助气压力
顶空瓶内的压力不足以充满定量环，通常需要加额外的辅助气(He或者N2)，而辅助气会影响瓶内挥发物的分压，即其在气相中的浓度。本发明将平衡温度和时间固定为130℃和15 min，考察辅助气压力对挥发性有机物响应的影响。由图4可见，当压力由55kPa增加至75kPa 时，目标物的峰面积略增，当辅助气压力由75kPa增加至125kPa时，各物质的峰面积明显逐渐减小，这可能是由于引入太多的辅助气导致瓶内待测物质的分压变小，因而响应值变小。本发明中最终确定的辅助气压力为75kPa。
2.2.5样品基质干扰情况
为了考察不同样品基质对检测结果的干扰情况，随机选择8个空白口罩样品。称取0.2g 样品于顶空瓶中，加40μL溶剂乙酸乙酯，迅速将瓶密封，并进行分析。由图5可见，各物质响应值在不同样品基质中的检测结果偏差较小，因此样品基质未有明显的干扰情况。
2.3标准曲线及检出限
以空白口罩为基质，分别加入40μL不同浓度的标准溶液，按试验方法进行测定，以得到的定量离子色谱峰的峰面积为纵坐标，对应各目标物的含量为横坐标作图，绘制标准工作曲线，以10倍信噪比计算方法的定量限。定量限和线性范围结果见表1。
2.4本发明相比于常规方法的优势
将该方法与常规的溶剂超声提取方法进行对比，超声法的样品处理条件如下：将口罩样品剪成5mm×5mm大小的碎片，准确称取0.5g置于25mL比色管中，加入20mL提取溶剂后，在室温下(20℃)超声提取20min。取上层清液，经0.22μm滤膜过滤后上机测定。仪器检测条件采用与本法相同的条件，以便于对比。两种方法检测各物质的定量限和线性范围见表2。由表2可见，采用本方法对各物质的定量限0.005mg/kg至0.2mg/kg，相比超声提取法定量限0.5mg/kg至5.0mg/kg，灵敏度提高了10～100倍不等。同时本方法也具有更宽的线性范围。结果表明本方法具有非常高的灵敏度，能够满足口罩中痕量化学物质的检测，而且本法操作非常简便，不需要进行任何富集、萃取、浓缩等额外操作。
在有机溶剂消耗方面，超声提取法检测一个样品通常需要消耗20mL～40mL有机溶剂，需使溶剂淹没样品后置于超声仪中提取其中化学物质。而本方法仅需消耗40μL即可实现单个样品中14种化学物质的定性和定量检测，溶剂消耗降低至常规超声法的1/500～1/1000。我们知道，有机溶剂对环境和人体健康是有危害性的，本发明方法大大降低口罩检测过程中的溶剂消耗，符合当前绿色环保的发展趋势。
表2本发明和常规超声提取法检测各物质的定量限和线性范围对比
Figure BDA0003624436220000081
2.5回收率和精密度
按照试验方法对空白口罩样品进行低、中、高3个浓度水平的加标回收试验，每个浓度水平测定6次，计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD)。由表3可知，口罩中目标物的回收率为85.7％～112.9％，测定值的RSD为1.0％～10.0％。
表3精密度和回收试验结果(n＝6)
Figure BDA0003624436220000091
2.6实际样品分析
应用本方法对从商场和电商平台采集的51批次医用口罩样品进行测定，结果见表4。除了环氧丙烷外，其余物质有不同程度检出。由于本方法具有超高的灵敏度，所以能够顺利检测出含量低至0.01mg/kg的样品。
表4口罩实际样品检测结果汇总
Figure BDA0003624436220000101
3结论
本发明建立的方法可用于快速测定医用口罩中的14种化学物质，该方法操作简单、灵敏度高、稳定性好、成本低且环境危害性小，填补了国内外口罩产品中新型有害化学物质检测方法空缺，且符合当前检测技术快速、环保的发展趋势。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
取口罩样品中央部位，剪成碎片置于顶空瓶中，加入乙酸乙酯后迅速用铝盖及隔垫将瓶密封，置于顶空自动进样器，在顶空条件下，各目标物质快速转移至气态并达至顶空动态平衡，顶空定量环中的气体被引入至GC-MS进行测定。
2.根据权利要求1所述的医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，其特征在于：所述14种化学物质为环氧乙烷、环氧丙烷、甲苯、乙苯、对二甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、2-氯乙醇、N,N-二甲基乙酰胺、1,4-二氯苯、N-甲基吡咯烷酮、戊二酸二甲酯和己内酰胺。
3.根据权利要求2所述的医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，其特征在于：所述顶空条件如下：平衡温度130℃；平衡时间15min；辅助气压力75kPa；加压时间20s；定量环温度：140℃；传输线温度:155℃；充满定量环时间25s；进样时间30s。
4.根据权利要求3所述的医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，其特征在于：所述GC-MS中的色谱条件如下：DB-WAX色谱柱，30m×0.25mm×0.25μm，载气为高纯氦气，纯度≥99.999％，流速1.2mL/min；分流模式，分流比为20:1，进样口温度230℃；程序升温：初始温度为40℃，保持1min后以8℃/min升至230℃，保持10分钟。
5.根据权利要求4所述的医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，其特征在于：所述GC-MS中的质谱条件如下：离子源为EI源，电离能量70eV，传输线温度280℃，离子源温度230℃，四级杆温度150℃，扫描模式为SIM模式。
6.根据权利要求5所述的医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，其特征在于：通过质谱全扫描模式进样检测，选择每个物质中质荷比较大、丰度较高的3个最具代表性的离子作为监测离子，并确定各物质定量和辅助定性离子，最终得到的质谱参数见表1：
表1 14种目标化合物的名称、色谱及质谱参数
Figure FDA0003624436210000021
带*为定量离子。
7.根据权利要求1所述的医用口罩中14种化学物质的高灵敏环保检测方法，其特征在于：具体包括如下步骤：取口罩样品中央部位，排除耳带和口罩边缘部分，剪成小于5mm×5mm的碎片，准确称取0.2g置于20mL顶空瓶中，加入40μL乙酸乙酯后，迅速用铝盖及隔垫将瓶密封，置于顶空自动进样器；在顶空条件下，各目标物质快速转移至气态并达至顶空动态平衡，顶空定量环中的1mL气体被引入至GC-MS进行测定。
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