江桂斌院士团队ES&T | 口罩中细颗粒物/有机污染物的识别与风险评估

在新冠肺炎(COVID-19) 疫情爆发期间，一次性聚丙烯口罩为我们提供了有效保护。据相关统计及估计，疫情大流行期间欧美有超过60%的人在公共场所佩戴口罩，在我国这一比例达到了90%；2020年全球每月消耗约1290亿个口罩。考虑到口罩中的添加剂及副产物，以及大量微纳米级的颗粒物，大量废弃口罩导致的污染物的环境释放以及长期佩戴口罩可能造成的健康影响引起了广泛关注。

中国科学院生态环境研究中心环境分析与毒理研究组在口罩中污染物分析与识别方面开展了系统工作，取得重要进展。研究成果以“Disposable Polypropylene Face Masks: A Potential Source of Micro/Nanoparticles and Organic Contaminates in Humans"为题，发表于环境领域顶级期刊Environ Sci & Technol （2023, 57, 5739-5750）上（文末阅读原文可查看）。

选取一次性医用口罩(DMM)、外科口罩（MSM）和 (K)N95 口罩为研究对象：

表征了口罩中微纳米颗粒的形状、尺寸、数量以及化学组成；

使用GC-Orbitrap/MS，通过非靶向分析技术，在口罩中鉴定出了79种有机化合物，在口罩纺粘无纺布和熔喷布脱落的微纳米颗粒上鉴定出了18种化合物；

 开展了初步健康风险评估。

△ 研究内容示意图（点击查看大图）

01

口罩中有机化合物的筛查

针对佩戴口罩中的有机化合物，研究者首先提取了完整口罩中的有机化学物质。同时，收集口罩生产原材料（散装纺粘无纺布和熔喷无纺布）中的微纳米颗粒，提取颗粒上的有机化学物质。利用GC-Orbitrap/MS，在60,000分辨率下全扫描获得高分辨数据。基于TraceFinder 5.0和Deconvolution软件，结合保留指数进行非靶向分析，在整体口罩中初步检测到79种化合物，包括苯衍生物16种、烷烃20种、酚类10种、卤化物11种、萘类5种、酯类5种、联苯类2种、酮类3种、醚类3种。在颗粒物检出的18种化合物中，有 10种与口罩中检出物重合。

TraceFinder软件非靶向分析中，数据过滤条件包括精确质量偏差、信噪比、峰强度、离子重叠窗口、谱匹配参数、保留指数差值、标准品确认等。图1以随机样品为例，展示了筛选过程中化合物数量的变化情况。

△图1. 随机抽取DMM、MSM 和 (K)N95 口罩中化合物数量随过滤条件的变化（点击查看大图）

△图 2.口罩中二丁基羟基甲苯(BHT）、2,4-二叔丁基苯酚（DTBP）和三（2,4-二叔丁基苯基）亚磷酸酯（TMS）在Tracefinder 数据处理软件的光谱解卷积结果 （上图）与其分析标准品的 EI质谱图匹配（下图）（点击查看大图）

02

去除背景

从采样到测试整个过程都可能引入分析伪影。由于完全物理去除污染物无法实现，尤其是当背景和伪影峰重叠时。有效解决办法是在分析过程始终正确采用程序空白。基于程序空白，数据处理过程中出现的任何背景可有效去除。

本文所有分析数据均附有程序空白。其中，从口罩原材料的颗粒中提取有机化合物的程序空白是对铝箔进行清洗、提取的提取液。

GC-Orbitrap/MS配套的数据处理软件可自动扣除背景空白，当样品中色谱峰的响应比空白中峰响应高一定倍数时，便计入特征。

03

定性识别的置信度

在非靶向和疑似靶向分析中，即使是 HRMS，仍存在假阳性率高的问题。因此，定义报告化学注释置信度的框架尤为重要。本研究基于Koelmel等人提出的置信框架（图3）对所识别化合物结构的可信度进行注释。口罩中共筛选出79种化合物，其中置信度为1的化合物4种，置信度为2的化合物70种，置信度为3的化合5种。

置信度1

有标准品。且在实验室内部用相同方法测试，对比保留时间、EI 质谱和参考质量一致。

置信度2

没有标准品，通过外部质谱库检索匹配到的唯一可能结构或母核相同的异构体，△RI、分子离子、EI谱图匹配。

置信度3

没有标准品，通过外部质谱库检索匹配到的暂定侯选物，△RI或分子离子或EI谱图匹配。

置信度4

没有标准品，外部谱库无匹配结果，可得到唯一化学式或化学系列类别。

置信度5

没有标准品。不能识别，但具有可重现的质谱图。

△图3. GC-HRMS非靶向分析的置信度框架

04

稳定性

在整个仪器分析过程中，每间隔 6-7 个样品注入质控混标溶液（含10个浓度均为10 ng/mL的目标物和1个内标）对 GC-HRMS 仪器的稳定性进行监测，总共测试 11 次质控样。计算每种化学品的绝对峰面积和内标校正峰面积的标准偏差，绝对峰面积RSD小于10% ，IS 校正峰面积RSD小于 4%，表明仪器的稳定性满足分析要求。

△图 4. 质控混标10 种化学品的绝对峰面积 (a) 

和 IS 校正峰面积 (b)（点击查看大图）

05

检出率

鉴定出的79种化合物中，18 种化合物的检出频率≥80%，44 种化合物的检测率低于20%，该特征在三类口罩中类似。

低检出频率的化学品可能与个性化设计、制造、包装和储存条件有关，例如，在仅有的2个印刷口罩样本中检测到了5种着色剂。高检出频率的化合物反映了口罩生产中原材料和标准工艺流程相关的风险。例如，香兰素和二苯甲酮在口罩中的检出率较高，它们分别被用作塑料生产中的光引发剂，这表明口罩中存在有意添加的化学物质（IASs）；此外，萘的高检出频率也说明非有意添加物(NIASs)的存在。这些有害物质或与工艺相关的未知化合物显然不属于常规检测的清单化合物，其发现依赖于非靶向分析。GC-Orbitrap/MS具备高灵敏度、高选择性、宽线性范围、完善的工作流，非常适用于此类分析。

06

健康风险评估

以3种置信度为1的酚类为例进行初步的健康风险评估，发现计算出的暴露水平处于总允许暴露限值的1%以下，提示戴口罩造成的这些化合物相关的健康风险较低。当然，有些化学品即使在低暴露水平下也可能毒性很大，并且可能会发生复合暴露，因此需要进行详细的健康风险评估。

GC-Orbitrap/MS实力非凡，对口罩这类重要的日用品开展非靶向分析，鉴定出79种置信度较高的化合物，发现了与原材料和生产工艺相关的添加剂和副产物。

结语

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中科院生态环境研究中心江桂斌课题组主要开展新污染物的环境转化过程、毒理与健康效应研究，发展分析新技术、新仪器与新方法。研究成果发表在Nat Nanotechnol、Nat Commun、Chem Rev、Chem Soc Rev、Angew Chem Int Ed、Environ Health Perspect、 Environ Sci Technol等期刊。2021年课题组研制成功国际首台高通量多功能成组毒理学分析系统，为环境中未知有毒污染物的筛查及复合效应等的研究提供了全新的技术手段和通用平台。课题组成员包括多名杰青、优青，曾获得国家自然科学奖、美国化学会ES&T杰出成就奖、长江学者成就奖、科学探索奖、中国分析测试协会科学技术奖、 国家环保总局科学技术奖、中国科学院杰出科技成就奖等。