纺织品中致癌染料检测方法研究进展

文/刘钰成 黄宗雄

1 引言

染料指的是可以让某些物质着色的一类化合物，染料的应用范围较为广泛，如：纺织行业、印染行业、化妆品行业等。天然染料和合成染料是目前主要的染料来源。第一种合成染料于1857年被英国著名科学家W.H.Perkin发明，这意味着合成染料进入了生产应用的新时代。但在19世纪末期，德国医学家Rehn研究发现：在染料制造厂长期工作的45位工人中有4位工人患有癌症。Rehn通过对动物和临床病人的调查研究得出：某些染料会增加癌症的患病概率，这类染料就是可致癌染料。纺织品中存在的致癌染料如果长时间与人体直接接触会被人体日常的代谢产物还原降解最终通过皮肤被人体吸收，致癌染料被人体吸收后有可能导致人体细胞发生癌变或者诱发肿瘤的产生，对此国际社会规定禁止使用可致癌染料。

国内外也发布了许多有关致癌染料的检测标准，表1为国内外主要的致癌染料检测标准。从表1中可以看出目前国内标准检测致癌染料的种类远少于国际标准，对此今后可以在这些标准的基础上扩增致癌染料的种类。

表1 部分致癌染料检测标准

在新发布的GB/T 18885—2020《生态纺织品技术要求》中规定不得使用表2中的15种染料。而我国现行纺织品中致癌染料的检测标准仅囊括了15种中的9种，亟须开发检测其余6种致癌染料的检测方法来满足日常检测的要求。

表2 GB/T 18885—2020规定的不得使用的15种致癌染料信息

2 纺织品中致癌染料检测方法简介

色谱检测法作为目前检测纺织品中致癌染料的主要手段有着100多年的发展历史。最早的色谱法可以追溯至1938年的薄层色谱法(TLC)，该方法使用氧化铝作为吸附剂，在载玻片上进行圆心式分离。到了20世纪40年代，纸色谱法与分配色谱法横空出世；在20世纪50年代，气相色谱法（GC）被人们发明；而在60年代以后，分子排阻色谱法（SEC）与高效液相色谱法（HPLC）也相继出现。

目前，纺织品中致癌染料的检测方法主要有以下几种，分别为：高效液相色谱法(HPLC)、高效液相色谱质谱联用法（HPLC-MS）、气相色谱法（GC）、气相色谱质谱联用法（GC-MS）；但国内对于纺织品致癌染料的研究主要是以高效液相色谱质谱联用法（HPLC-MS）与高效液相色谱二极管阵列（HPLC-DAD）为主。

2.1 高效液相色谱法（HPLC）

高效液相色谱法是研究纺织品致癌染料中常用的方法之一，该仪器一般由高压输液泵系统、进样器系统、色谱柱系统、检测器系统与数据处理系统组成。其原理是以单一溶剂或混合溶剂作为载体，利用高压输液泵推动输液，待进样器将试样注入色谱柱时，色谱柱会对试样内的各种物质进行分离，同时将分离后的试样送入检测器中进行分析检测，最后在电子设备端显示试样的色谱分析图。其中高效液相色谱二极管阵列（HPLC-DAD）在纺织品致癌染料检测的相关研究中更是备受青睐，通过高效液相色谱与二极管阵列检测器的联用技术，可以得到一定范围内试样的吸光度变化趋势，得到该试样的三维谱图，通过三维谱图能更好地分析试样中的杂质与未知物。图1是采用三维液相色谱技术来检测中草药含有的有效化学物质研究，从图上可以看出，一种化学物质得到的三维液相色谱图类似一座高山，不同的化学物质就像一座座“山峰”耸立在“平地”上。“山峰”的位置和形状结合了测定物质的出峰时间和光谱吸收特性，能提高比二维色谱更多测定物质的细节信息，因此是一种比较有前景的分析测试技术，如应用到纺织品中致癌染料的检测，对与测定物质出峰时间相近的杂质的判别会更加准确。

图1 儿茶素和表儿茶素的三维液相色谱图[16]

液相色谱法检测纺织品中的致癌染料也存在一些问题，对于部分面料，致癌染料的萃取效率不高；化学性质接近的染料在色谱中难以分离。不过，卢坤等人利用乙腈与硫酸二氢四丁基铵的混合溶液对新增染料（溶剂黄1、溶剂黄2、溶剂黄34、酸性紫49）进行萃取并达到出色的萃取效果。而在丁友超等人的研究中发现采用吡啶与水的4∶3溶液能够萃取出天然纤维中的直接染料与分散染料，而对于腈纶或是混纺面料中碱性染料可以在吡啶水溶液中加入甲酸配制成吡啶/甲酸/水（70/5/25，v/v）溶液进行萃取；不仅如此，在色谱保留上丁友超等人使用磷酸二氢四丁基铵作为试剂，通过四丁基铵离子与阴离子染料的结合提升了酸性染料和直接染料的色谱保留程度从而提高了色谱柱的分离能力。

高效液相色谱法检测纺织品致癌染料拥有操作过程相对简单、检测结果容易分析、能够更好地将固体试样与液体试样分离等优势，但是也存在灵敏度有限；若检测出假阳性谱图时，将难以进行下一步的定性判定；对于致癌染料的同分异构体，该方法也难以精确识别该物质结构式等问题。

2.2 高效液相色谱质谱联用法（HPLC-MS）

高效液相色谱质谱联用法增加了质谱仪进行分子质量分析工作，如图2所示，该仪器相对于高效液相色谱仪增加了离子源、质量分析器、数据分析和处理等设备。离子源主要分为电喷雾离子源（ESI）、大气压化学电离源（APCI）、复合源（MM）3种形式，电喷雾离子源能够产生多电荷离子，因此可测量的分子量范围较大；大气压化学电离源属于气态电离方式，该方式以电荷转移的形式产生离子进行分析检测；复合源则是将以上两种电离方式结合，使得电离过程更加灵活且具有选择性。试样经过色谱柱的分离后进入质谱仪，经过离子源离子化后的试样被分离成各离子碎片并进入质量分析器中，最后通过检测器得到相应的质谱图。

图2 高效液相色谱质谱联用仪流程示意图

使用该方法检测致癌染料还应考虑不同化合物是否会对质谱的离子化造成干扰。Ding等人根据染料的电荷和检测模式把致癌染料进行分类研究来减少染料性质差异带来的干扰，但是在实际检测中面对未知样品无法判断其使用染料的具体化学性质，将其分类也有较大的难度。同时，染料信息数据库的不完整也是亟须完善的一方面，例如：欧盟生态纺织品标签Eco-Label的文章中将分散橙37与分散橙76视为同一种物质。在罗忻等人的文章中也提到不同数据库中同种物质的CAS编号存在差异，部分染料的CAS编号在SciFinder数据库中无法查询结构式与分子式等信息，或部分染料在数据库中的结构式与实际产品的结构式不一致。

高效液相色谱质谱联用法有更好的定量能力，对大分子试样的检测也有优势。但也存在着色谱与质谱的工作方式较难兼容等问题，比如：高效液相色谱应在高压环境下进行操作、试样与载液进入离子源将转变为气体形态、质量的范围没有严格的限制、缓冲溶液多以无机盐的形式存在等，而质谱仪则应在高真空的环境下运行、离子传输系统中限制了气体进入量、质量的测定范围取决于m/z以及质谱类型、需使用挥发性的缓冲盐溶液等。

2.3 气相色谱法（GC）

气相色谱仪通常由5种系统组合而成，分别是：气路系统、进样系统、色谱柱系统、温控与检测系统以及数据记录系统。其中，气路系统的目的是输送纯净、气流稳定的载气气体。进样系统通常由进样器、气化室、加热器等设备组成，这些设备在保证试样被瞬间气化时不发生分解或其他反应。色谱柱系统可将气化试样中的混合物分离并送往检测器，检测器根据其浓度或质量与时间的关系转变成电信号生成谱图。色谱柱对检测结果起到决定性的影响，如缺少维护或长期使用腐蚀性试样则有可能出现无峰、小峰、双峰、拖尾峰等现象。温度控制系统主要控制着进样口、气化室、色谱柱、检测器的温度，其控温方式有程序升温与恒温两种模式，程序升温是使温度在某一时间段有固定的变化趋势，该方法可使试样中沸点不同的分子在设定的温度下分离，这样对试样成分分析与节约分析时间都有很大的帮助，而恒温则是在分析过程中始终保持同一温度，该方法适用于单一或简单的试样分析。数据记录系统是将检测电信号进行数据处理绘制试样的色谱图。

该技术较为成熟且选择性强，对于相似度较高的化合物该方法能够表现出较好的分离能力。对同分异构体与同位素拥有不错的检测灵敏度。应用领域广，无论是在纺织、食品、药品分析等行业都能看到该方法的身影。不过高温气化试样的过程中易导致待测物质的分解，例如在GB/T 17592—2011《纺织品禁用偶氮染料的测定》中提到4-氨基偶氮苯经本方法处理后分解为苯胺或1，4-苯二胺，应重按GB/T 23344—2009进行测定。钱崇濂在其致癌染料的定性文章中提到以下的问题：1）对于一些复杂样品，使用气相色谱检测时容易出现色谱峰重叠等现象；2）对于沸点较高、分子量大、热稳定差的物质来说使用气相色谱检测可能无法使样品完全气化或待测物在高温环境下分解。因此，以气相色谱法研究致癌染料的文献较少。

2.4 气相色谱质谱联用法（GC-MS）

如图3所示，该方法中气相色谱主要是起进样作用，通常采用分流或不分流的进样结构。质谱仪中离子源将试样分子电离成离子进入质量分析器中，其中电子轰击源（EI）和化学电离源（CI）应用最广，电子轰击源的原理是通过灯丝发出的电子与试样分子碰撞反应生成离子，在离子聚焦形成离子束后进入后续的分析系统。化学电离源作为一种“软电离”手段利用带电荷的甲烷反应气与试样分子反应生成分子离子。质量分析器将离子的质量与电荷比进行区分得到以质荷比（m/z）为横坐标的谱图，四极杆质量分析器与离子阱质量分析器较为常见，四极杆质量分析器由四根平行的金属极棒排列而成，通过施加极性不同的电压让与四极杆匹配的离子通过且过滤其他离子；离子阱质量分析器利用磁场和电场的作用力储存气相离子，再以环形电极上的变频电压让离子稳定旋转并等待离子源产生的离子到达再依次进入检测器中。检测器主要有电子倍增管检测器、直接电检测器、闪烁检测器等，常见的电子倍增管检测器是受到质量分析器的离子撞击发出二次电子，同时二次电子连续撞击电极发生倍增，最后聚集形成离子束被检出。

图3 气相色谱质谱联用仪流程示意图

气相色谱质谱联用法拥有出色的检测灵敏度、可以有效分析同系物的同分异构体等优势使得该方法在纺织品中致癌染料的检测中广泛使用。海勇等人使用总离子流法完成了对致癌染料联苯胺的定性定量检测。张焱等人在研究禁用芳香胺过程中通过对柱极性、分流比、升温条件等对色谱的影响发现由于固定液分配系数的差异，禁用芳香胺染料在低极性毛细管柱中分离效果更佳，而在分流条件下的峰形更加明显，在分流比10∶1时效果最优，同时不同升温程序的设置也会对色谱分离效率造成较大影响。综上所述，气相色谱质谱联用法的检测条件比较严格复杂，容易受到杂质或试样性质的干扰。但是该方法在检测低沸点或者分子量小的物质时能够比液相色谱发挥得更加出色。

2.5 高效液相-串联质谱方法（HPLC-MS/MS）

如图4所示，高效液相-串联质谱方法是以高效液相色谱作为分离器，离子源能够将试样分子电离为离子进入串联质谱，经过离子源离子化后的试样在串联质谱中能够有更多的质谱扫描方式。最常用的扫描方式是多重反应检测模式（MRM），在该模式下，质谱1可以选择特定的母离子，母离子经碰撞池碰撞后进一步产生碎片离子并在质谱2中得到监测。MRM模式对于复杂基质样品来说优势巨大，通过电子倍增技术放大信号后可以得到很高的灵敏度。串联质谱技术提高了对高沸点、难挥发、热稳定性较差等化合物的定性定量能力，同时对于种类繁多与结构类似的致癌染料而言该方法也拥有较大的优势。但是，由于该设备较为昂贵且维护难度大，其普及率也相对更低。

图4 经典高效液相色谱-串联质谱原理图

丁友超、马强等建立了致癌染料采用高效液相-串联质谱技术分析的方法，采用该方法测定致癌染料，不仅可以大幅度改善液相色谱的分析速度（10多种致癌染料的色谱图能够在10min内走完），而且分离效率和灵敏度都能够满足日常检测的要求，该方法利用致癌染料的特征离子，保障了定性和定量分析的可靠性，避免假阳性现象的干扰。

3 纺织品中致癌染料检测方法的总结与展望

本文讨论了当前纺织品中致癌染料的检测方法，其中高效液相色谱与二极管阵列检测器联用得到的三维谱图能更好地分析试样中的杂质与未知物，提供比二维色谱更多分析物质的细节信息。如应用到纺织品中致癌染料的检测，对于测定物质出峰时间相近的杂质的判别会更加准确。高效液相色谱质谱联用法（HPLC-MS）与气相色谱质谱联用法（GC-MS）可通过色谱的出峰时间以及质谱谱图对分析物进行双重定性，是比较有前景的方法，未来在纺织品中致癌染料的检测中有广阔的应用前景。高效液相色谱-串联质谱能够对复杂基质中种类繁多、结构类似的致癌染料进行高选择性、高灵敏度分析，但是，由于该设备较为昂贵且维护难度大，其普及率也相对更低。

目前，纺织品中致癌染料的检测存在库数据信息混乱、面料萃取方法单一、标准方法存在局限等问题，当务之急应是完善统一的信息库，保障CAS编号和化学结构式的统一。其次，标准中可补充不同面料的最优萃取方案，提高脱色率。在仪器上，可探索新型仪器联用技术，发展多维谱图。此外，还应在完善国内标准的同时积极关注国外标准的研究趋势，取长补短使我国纺织品致癌染料的检测走向国际化。