顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术用于纸浆和纸中矿物油烃类的快速无溶剂筛查

《Journal of Chromatography Open》：Rapid Solvent-Free Screening of Mineral Oil Hydrocarbons in Pulp and Paper by Headspace Solid-Phase Microextraction coupled with Gas Chromatography–Mass Spectrometry

　　

矿物油烃类（Mineral Oil Hydrocarbons, MOH），分为矿物油饱和烃（Mineral Oil Saturated Hydrocarbons, MOSH）和矿物油芳香烃（Mineral Oil Aromatic Hydrocarbons, MOAH），是食品和食品接触材料中备受关注的一类污染物。纸和纸板包装材料，特别是使用再生纤维的材料，被认为是MOH污染的重要来源。目前，MOH分析的标准方法为溶剂萃取后采用在线高效液相色谱-气相色谱-火焰离子化检测（HPLC–GC–FID）进行检测，该方法可靠但耗时耗力、设备昂贵且需要专业知识。因此，研究人员评估了顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS–SPME–GC–MS）作为一种快速、无溶剂的筛查方法，用于纸浆和纸中MOH污染的检测。研究对10份来自不同生产批次的纸浆样品和3份纸样品进行了分析，比较了两种方法的结果，并进行了方法验证。HS–SPME–GC–MS测定的MOH浓度（C₁₀-C₃₅范围）为<88.9至531 ± 80 mg kg^-1，而HPLC–GC–FID的结果为12 ± 2至359 ± 40 mg kg^-1，两种方法具有良好的一致性。该筛查方法的线性工作范围可达450 mg kg^-1，检出限（Limit of Detection, LOD）为27.5 mg kg^-1，定量限（Limit of Quantification, LOQ）为88.9 mg kg^-1。尽管HS–SPME方法存在一定局限性和进一步优化空间，但其能够提供可靠的半定量MOH水平估计，同时还可筛查非有意添加物质（Non-Intentionally Added Substances, NIAS）。经AGREEprep评估，该方法具有更低的环境影响，可作为纸浆和纸基质中MOH污染评估的合适补充筛查工具。

本研究发表于《Journal of Chromatography Open》，旨在开发一种快速、环境友好的MOH筛查方法，以补充现有的标准检测技术。

研究背景与问题：MOH作为食品和食品接触材料中的污染物已受到超过二十年的关注。欧洲食品安全局（European Food Safety Authority, EFSA）的风险评估表明，MOSH可能在肝脏、脾脏和淋巴结等组织中累积，但目前认为不构成健康风险；而某些MOAH结构，特别是含三个或更多芳香环的化合物，则具有潜在的基因毒性和致癌性。纸和纸板包装材料是MOH污染的重要来源，主要源于胶印油墨或回收印刷纤维（如报纸）的使用。在回收过程中，不同质量和用途的纤维混合在一起，MOH污染无法完全去除，会扩散至整个材料并最终进入再生产品。包装中的MOH可通过气相迁移至食品，即使不直接接触也可通过多层包装发生迁移。目前，欧盟仅法国对食品包装材料中的MOH引入了监管限值，但预计2026年将出台关于食品中MOAH最大限量的欧盟法规。同时，欧盟包装和包装废弃物法规（(EU) 2025/40）设定的回收目标意味着再生纤维将继续在纸基包装中发挥重要作用，因此快速、实用的筛查工具对于支持常规监测至关重要。

现有HPLC–GC–FID方法虽然能够实现MOSH和MOAH的可靠分离与定量，但存在设备成本高、方法设置复杂、数据解读需要专业知识、样品通量有限、样品制备劳动强度大、需要相对大量溶剂等缺点，不适用于高通量筛查。因此，研究人员开展了HS–SPME–GC–MS方法的开发与应用研究，以评估其作为快速、无溶剂、易于自动化的筛查方法的可行性。

研究结论与意义：HS–SPME–GC–MS方法能够提供可靠的MOH半定量估计，与标准HPLC–GC–FID方法具有良好的一致性，同时还可筛查NIAS，具有更低的环境影响。该方法可作为纸浆和纸基质中MOH污染评估的补充筛查工具。

关键技术方法：研究采用10份来自再生木质纤维素原料的湿纸浆样品（经冻干处理）、1份干漂白原生纸浆作为空白对照，以及3份来自再生、原生或混合原料的纸和纸板样品。方法开发阶段评估了五种SPME萃取纤维（2 cm DVB/CAR/PDMS、1 cm 65 μm PDMS/DVB、100 μm PDMS、7 μm PDMS和85 μm PA）在不同萃取温度（80°C、120°C、140°C、160°C）和时间（10、20、30 min）下的性能，最终选定1 cm 65 μm PDMS/DVB纤维，在120°C下萃取20 min，解吸5 min，搅拌速率250 rpm。GC-MS分析使用Shimadzu GCMS-QP2010 Plus，配备Rxi-5 ms色谱柱（30 m × 0.25 mm × 0.25 μm），程序升温从60°C开始，以15°C min^-1升至340°C，载气为氦气（1.20 mL min^-1），质谱采用电子电离（EI）模式，全扫描采集（m/z 35–500）。方法验证采用标准加入法，以MOSH/MOAH参考油对原生纸浆进行加标，浓度范围50–500 mg kg^-1。参考方法为在线HPLC–GC–FID，样品经1:1（v/v）乙醇/正己烷混合溶剂萃取2 h后分析。环境友好性采用AGREEprep工具进行评估。

研究结果：

样品选择说明：方法最初应用于从纸浆生产工艺直接获得的湿纸浆样品。由于材料有限且需避免样品损失，对整个纸浆材料进行了额外的干燥步骤。这些干燥步骤同时应用于LC-GC-FID和HS–SPME–GC–MS分析的样品，因此不会影响结果的可比性（均以干物质计算）。后续研究中仅使用干燥材料和成品纸产品。纳入方法比较的样品包括初始纸浆样品和3种额外的纸和纸板材料，以覆盖更广泛的矿物油污染和纤维素基质范围。

方法开发：研究人员评估了五种SPME纤维对n-烷烃标准品的萃取性能。85 μm PA纤维可萃取C₁₃-C₃₀范围的n-烷烃，但对非极性化合物灵敏度较差；50/30 μm DVB/CAR/PDMS对挥发性组分灵敏度高，但仅能萃取至C₂₈；7 μm PDMS省略了挥发性组分，从C₁₇开始萃取，对高沸点化合物有较高亲和力，但需要更高萃取温度，而140°C或160°C会导致基质热降解；65 μm PDMS/DVB和100 μm PDMS均可萃取C₁₂-C₃₀范围，但PDMS/DVB对目标范围灵敏度更优。萃取温度低于120°C时挥发不充分，10 min萃取响应明显较低，20 min与30 min无显著差异，表明20 min内达到平衡。最终选择120°C萃取20 min作为充分挥发与避免热降解之间的折中。对MOSH/MOAH标准混合物的验证表明，除 perylene（挥发性有限）外，所有化合物均显示令人满意的萃取和检测行为。样品量评估表明，超过25 mg的样品量可能导致高污染样品的纤维过载和检测器饱和。

标准加入实验：以MOSH/MOAH参考油对原生纸浆进行加标，浓度50–500 mg kg^-1，线性范围内（R2 = 0.9909）浓度依赖性信号响应稳定，最大线性范围达450 mg kg^-1。表观回收率为34%–97%，符合HS–SPME作为非穷尽萃取技术的特点。加标样品在室温储存4天和10天后的孵育实验显示无显著差异，表明MOH未被样品基质显著吸附。校准方法确定的LOD为27.5 mg kg^-1，LOQ为88.9 mg kg^-1，相对标准偏差为9.95%。该LOD和LOQ高于JRC指南中10 mg kg^-1的目标LOQ，原因是采用了校准方法、相对较高的首个校准值（50 mg kg^-1）以及用于标准加入实验的原始材料中的背景污染，存在进一步优化以降低检测限的潜力。

HS–SPME–GC–MS与在线HPLC–GC–FID的比较：13份样品（10份纸浆、3份纸）的对比分析显示，HS–SPME–GC–MS测定的MOH范围为<88.9至531 ± 80 mg kg^-1，HPLC–GC–FID为12 ± 2至359 ± 40 mg kg^-1。三次测定的相对标准偏差为1%–16%，平均RSD为10%，表明方法重复性良好。两种方法之间未观察到系统性偏差，差异范围为-27%至+48%。双侧配对t检验（置信度95%，p = 0.126）表明两种方法无统计学显著差异。HPLC–GC–FID色谱图显示纸浆样品的UCM驼峰位于C₁₆-C₅₀，最大值在C₂₅-C₃₀之间。HS–SPME–GC–MS的UCM驼峰主要在C₁₄-C₃₀范围内。与HPLC–GC–FID相比，HS–SPME方法对高沸点化合物（C₃₀-C₃₅）存在歧视效应，且由于未扣除叠加峰，可能高估真实MOH含量，这在纸样品1和2中尤为明显，额外的涂层可能贡献了非MOH挥发性化合物。

MS作为MOSH/MOAH分析检测器的讨论：FID因其对烃类的均匀响应、宽线性范围以及稳健性和重复性，被视为MOH定量的参考检测方法。MS响应则高度依赖于分子结构，EI电离效率随分子结构、支化度和芳香性变化显著，使UCM的积分MS信号不能直接对应明确的质量浓度，这给MOSH/MOAH的绝对定量带来固有限制。但MS可提供结构和组成信息，更易识别干扰物（如MOAH中的萜烯、树脂相关烃类），并允许筛查所有存在的物质，对识别NIAS尤为重要。例如，原生纤维纸样品2的HS–SPME结果高于LC-GC-FID，色谱图显示驼峰上有明显的树脂衍生化合物峰（m/z 239, 257, 275）；再生纸样品1则显示典型的邻苯二甲酸酯峰（m/z 149）和二异丙基萘（Diisopropylnaphthalene, DIPN）峰（m/z 197, 212）。MS还适用于未知组成样品的筛查，如涂布或多层包装材料的分析，这些材料可能含有蜡、施胶剂、胶黏剂等未知成分，常规方法可能损坏LC-GC-FID的色谱柱，而HS–SPME可安全提供基本信息。

HS–SPME用于MOSH/MOAH分析的讨论：与溶剂萃取相比，HS–SPME具有无溶剂、可自动化、样品消耗低、制备简便等优点，优先萃取挥发性和半挥发性烃类，通常覆盖至C₃₀左右。高分子量MOH因蒸气压低、顶空转移有限而在HS–SPME中代表性不足。但对于纸和纸板材料，JRC指南建议报告至C₃₅即可，因为研究表明气相迁移至干食品约至C₂₄，直接接触时≥C₃₅的扩散可忽略。食品基质（特别是脂肪和油）对高分子量MOH溶解度更高，且基质复杂，需要LC预分离以去除干扰，因此HS–SPME适用于纸和纸板的筛查，但对食品、脂肪和油的适用性明显受限。

样品制备的环境友好性评估：通过AGREEprep工具比较两种样品制备方法的环境影响。关键差异包括：HS–SPME不使用正己烷溶剂（有害物质）；HS–SPME废物产生量显著降低（3.2 g vs 33.1 g）；HS–SPME样品通量更高（12样品 h^-1 vs 1.47样品 h^-1）；HS–SPME手动步骤少且后续自动化（<2步 vs >6步部分自动化）。溶剂萃取的绿色度评分为0.26，HS–SPME为0.60，通过改用丙酮稀释内标（提高操作者安全性）和使用GC-FID代替GC-MS（改善分析后配置）可进一步提高评分。

研究结论：HS–SPME–GC–MS作为一种快速、无溶剂的筛查方法，在C₁₀-C₃₅范围内与标准HPLC–GC–FID方法具有良好的一致性，尽管存在对高沸点化合物的歧视和因叠加峰导致的高估问题。方法在450 mg kg^-1以下呈线性响应，半定量数据可靠，环境影响更低。未来工作应关注方法的常规适用性、MOSH和MOAH分别半定量的可能性，以及更广泛纸和纸板样品的应用。