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在新冠肺炎(COVID-19) 疫情爆發期間，一次性聚丙烯口罩為我們提供了有效保護。據相關統計及估計，疫情大流行期間歐美有超過60%的人在公共場所佩戴口罩，在我國這一比例達到了90%；2020年全球每月消耗約1290億個口罩。考慮到口罩中的添加劑及副產物，以及大量微納米級的顆粒物，大量廢棄口罩導致的污染物的環境釋放以及長期佩戴口罩可能造成的健康影響引起了廣泛關注。

中國科學院生態環境研究中心環境分析與毒理研究組在口罩中污染物分析與識別方面開展了系統工作，取得重要進展。研究成果以“Disposable Polypropylene Face Masks: A Potential Source of Micro/Nanoparticles and Organic Contaminates in Humans"為題，發表于環境領域頂級期刊Environ Sci & Technol （2023, 57, 5739-5750）上（文末閱讀原文可查看）。

選取一次性醫用口罩(DMM)、外科口罩（MSM）和 (K)N95 口罩為研究對象：

表征了口罩中微納米顆粒的形狀、尺寸、數量以及化學組成；

使用GC-Orbitrap/MS，通過非靶向分析技術，在口罩中鑒定出了79種有機化合物，在口罩紡粘無紡布和熔噴布脫落的微納米顆粒上鑒定出了18種化合物；

 開展了初步健康風險評估。

△ 研究內容示意圖（點擊查看大圖）

01

口罩中有機化合物的篩查

針對佩戴口罩中的有機化合物，研究者首先提取了完整口罩中的有機化學物質。同時，收集口罩生產原材料（散裝紡粘無紡布和熔噴無紡布）中的微納米顆粒，提取顆粒上的有機化學物質。利用GC-Orbitrap/MS，在60,000分辨率下全掃描獲得高分辨數據。基于TraceFinder 5.0和Deconvolution軟件，結合保留指數進行非靶向分析，在整體口罩中初步檢測到79種化合物，包括苯衍生物16種、烷烴20種、酚類10種、鹵化物11種、萘類5種、酯類5種、聯苯類2種、酮類3種、醚類3種。在顆粒物檢出的18種化合物中，有 10種與口罩中檢出物重合。

TraceFinder軟件非靶向分析中，數據過濾條件包括精確質量偏差、信噪比、峰強度、離子重疊窗口、譜匹配參數、保留指數差值、標準品確認等。圖1以隨機樣品為例，展示了篩選過程中化合物數量的變化情況。

△圖1. 隨機抽取DMM、MSM 和 (K)N95 口罩中化合物數量隨過濾條件的變化（點擊查看大圖）

△圖 2.口罩中二丁基羥基甲苯(BHT）、2,4-二叔丁基苯酚（DTBP）和三（2,4-二叔丁基苯基）亞磷酸酯（TMS）在Tracefinder 數據處理軟件的光譜解卷積結果 （上圖）與其分析標準品的 EI質譜圖匹配（下圖）（點擊查看大圖）

02

去除背景

從采樣到測試整個過程都可能引入分析偽影。由于完全物理去除污染物無法實現，尤其是當背景和偽影峰重疊時。有效解決辦法是在分析過程始終正確采用程序空白。基于程序空白，數據處理過程中出現的任何背景可有效去除。

本文所有分析數據均附有程序空白。其中，從口罩原材料的顆粒中提取有機化合物的程序空白是對鋁箔進行清洗、提取的提取液。

GC-Orbitrap/MS配套的數據處理軟件可自動扣除背景空白，當樣品中色譜峰的響應比空白中峰響應高一定倍數時，便計入特征。

03

定性識別的置信度

在非靶向和疑似靶向分析中，即使是 HRMS，仍存在假陽性率高的問題。因此，定義報告化學注釋置信度的框架尤為重要。本研究基于Koelmel等人提出的置信框架（圖3）對所識別化合物結構的可信度進行注釋。口罩中共篩選出79種化合物，其中置信度為1的化合物4種，置信度為2的化合物70種，置信度為3的化合5種。

置信度1

有標準品。且在實驗室內部用相同方法測試，對比保留時間、EI 質譜和參考質量一致。

置信度2

沒有標準品，通過外部質譜庫檢索匹配到的唯一可能結構或母核相同的異構體，△RI、分子離子、EI譜圖匹配。

置信度3

沒有標準品，通過外部質譜庫檢索匹配到的暫定侯選物，△RI或分子離子或EI譜圖匹配。

置信度4

沒有標準品，外部譜庫無匹配結果，可得到唯一化學式或化學系列類別。

置信度5

沒有標準品。不能識別，但具有可重現的質譜圖。

△圖3. GC-HRMS非靶向分析的置信度框架

04

穩定性

在整個儀器分析過程中，每間隔 6-7 個樣品注入質控混標溶液（含10個濃度均為10 ng/mL的目標物和1個內標）對 GC-HRMS 儀器的穩定性進行監測，總共測試 11 次質控樣。計算每種化學品的絕對峰面積和內標校正峰面積的標準偏差，絕對峰面積RSD小于10% ，IS 校正峰面積RSD小于 4%，表明儀器的穩定性滿足分析要求。

△圖 4. 質控混標10 種化學品的絕對峰面積 (a) 

和 IS 校正峰面積 (b)（點擊查看大圖）

05

檢出率

鑒定出的79種化合物中，18 種化合物的檢出頻率≥80%，44 種化合物的檢測率低于20%，該特征在三類口罩中類似。

低檢出頻率的化學品可能與個性化設計、制造、包裝和儲存條件有關，例如，在僅有的2個印刷口罩樣本中檢測到了5種著色劑。高檢出頻率的化合物反映了口罩生產中原材料和標準工藝流程相關的風險。例如，香蘭素和二苯甲酮在口罩中的檢出率較高，它們分別被用作塑料生產中的光引發劑，這表明口罩中存在有意添加的化學物質（IASs）；此外，萘的高檢出頻率也說明非有意添加物(NIASs)的存在。這些有害物質或與工藝相關的未知化合物顯然不屬于常規檢測的清單化合物，其發現依賴于非靶向分析。GC-Orbitrap/MS具備高靈敏度、高選擇性、寬線性范圍、完善的工作流，非常適用于此類分析。

06

健康風險評估

以3種置信度為1的酚類為例進行初步的健康風險評估，發現計算出的暴露水平處于總允許暴露限值的1%以下，提示戴口罩造成的這些化合物相關的健康風險較低。當然，有些化學品即使在低暴露水平下也可能毒性很大，并且可能會發生復合暴露，因此需要進行詳細的健康風險評估。

GC-Orbitrap/MS實力非凡，對口罩這類重要的日用品開展非靶向分析，鑒定出79種置信度較高的化合物，發現了與原材料和生產工藝相關的添加劑和副產物。

結語

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中科院生態環境研究中心江桂斌課題組主要開展新污染物的環境轉化過程、毒理與健康效應研究，發展分析新技術、新儀器與新方法。研究成果發表在Nat Nanotechnol、Nat Commun、Chem Rev、Chem Soc Rev、Angew Chem Int Ed、Environ Health Perspect、 Environ Sci Technol等期刊。2021年課題組研制成功國際首臺高通量多功能成組毒理學分析系統，為環境中未知有毒污染物的篩查及復合效應等的研究提供了全新的技術手段和通用平臺。課題組成員包括多名杰青、優青，曾獲得國家自然科學獎、美國化學會ES&T杰出成就獎、長江學者成就獎、科學探索獎、中國分析測試協會科學技術獎、 國家環保總局科學技術獎、中國科學院杰出科技成就獎等。