基于SPME技术的环境烟草烟气标志物的环境行为探究

赵 恒，孙彤舟，王珊珊，陈 宏，周 斌

（复旦大学 环境科学与工程系 上海市大气颗粒物污染防治重点实验室，上海200433）

吸烟对公共场所的影响主要是环境烟草烟雾（Environment Tobacco Smoke，ETS，也称之为环境烟气）造成的环境污染以及相应的人体健康危害.ETS是由于烟草制品燃烧而产生的一种复杂化学混合物.其成分可达几千种之多，包含了气相和颗粒相物质.ETS主要来源于两种不同烟气，一是烟草制品直接燃烧时产生的测流烟气（约占总量的85%），二是由吸烟者呼出的主流烟气（约占总量的15%）［1］，这两种烟气与空气混合，经稀释和陈化后形成ETS.研究不同密闭环境下ETS的组成特点、ETS中烟气标志物的演变等特性，对于充分了解ETS的环境行为以及可能存在的健康效应至关重要.同时，也可为烟草企业、政府部门和社会民众如何适应和遵循世界卫生组织《烟草控制框架公约》的相关规定提供数据支持.

目前，关于ETS的研究主要集中在以下两个方面.一方面是研究ETS的人体健康效应，研究对象主要是非吸烟者.由于经过稀释和陈化（aging）作用，ETS在物理化学性质上与吸烟所产生的主流和测流烟气有所不同.根据某些有害物质（如尼古丁、苯并（a）芘、甲苯和一氧化碳，等）在香烟烟气中的含量较高而得出ETS有害的结论是不科学的.因此，目前关于ETS对人体健康的影响程度依然尚未有定论，这个问题始终是科学家和流行病学家争论的一个焦点.另一方面则主要集中在ETS的环境污染研究，主要是通过研究ETS的粒径分布及其所含分子标志物来确认某一环境是否受到ETS的污染以及受污染程度.

为此，美国国家调查委员会（National Research Council）对是否能够作为ETS标志物提出了以下4个方面的条件：（1）只跟吸烟有关系；（2）必须保证有足够的含量使得能够在吸烟少的地方也可以被检测到；（3）不同牌子的香烟释放的标志物相似；（4）吸烟所排放的主要污染物的比率在大众品牌的香烟和吸烟场所基本恒定.

尼古丁和3－乙烯基吡啶（3－EP）是目前研究较多的ETS标志物.尼古丁是一种存在于茄科植物（茄属）中的生物碱，会使人上瘾或产生依赖性，其在香烟中的浓度较高，是烟草的重要组成部分，也是最早用于指示吸烟环境和最常用的标志化合物之一.有研究发现，尼古丁在ETS的气相中占95%，颗粒物占5%［2］.但由于其具有稳定性差、吸附性大的问题，所以很难广泛的应用，因此把具有挥发性好并且只能够在气相中存在的良好特性的3－EP作为ETS标志物［3］.在不同的烟草中3－EP拥有相似的特性，因而被广泛的应用［4］.由于容易采集和检测，并且大量的存在于香烟的烟雾中，所以尼古丁和3－EP是评价吸烟环境最有效的标志物.人体吸入尼古丁后经过代谢作用分解产生中间产物的可替宁，可通过排泄物、体液、头发采集测定.可替宁的半衰期比尼古丁长，前者可达到（约18～20h），后者只有（1～3h），因此可替宁可以连续追踪.由于可替宁是尼古丁的人体代谢产物，因而成为ETS暴露调查中鉴别吸烟真实度的良好指标［5］.

ETS中有较多的2，5－二甲基肤喃，具有指示作用［6］.Ashley（1996）通过分析吸烟和非吸烟者的血液样品，认为2，5－二甲基肤喃可以用作吸烟标志物［7］.对于2，5－二甲基肤喃的来源目前还有没有定论，一些学者认为是来自烟草的本身，一些学者认为是烟草热分解的产物.Kavouras等（1998）认为，在城市的室内外环境中n［C21］～n［C33］正构烷烃具有ETS的特征；我们只能在气溶胶的颗粒相（＜1.5μm）中发现iso／trans iso－C29～C34支链烷烃，并且与烟草来源明显相关，因此，可以用于说明城市内外空气颗粒物和烟草颗粒物有关［8］.

近年来，芳香族化合物也被提出可以用作指示环境烟气［9］，例如Haefliger用双质谱（two－step laser mass spectrometry，L2MS）分析环境烟气中的PAHs，并以此区别于其他室内人为多环芳烃来源［10］.但是环境中PAHs的来源非常广泛，而且其主要来源是机动车尾气，特别是在城市大气环境中.因而还没有被确定为ETS的标志物.

目前，国外关于ETS的研究相对较多［2－9］，国内较少［11－14］.但是绝大多数的研究主要集中在某一类或几类化合物方面，研究的目标化合物或者标志物较少，很难对ETS中的可吸入悬浮颗粒物和烟气标志物进行全面准确地分析.本文介绍利用SPME技术，在自建的大体积烟雾箱内，对烟气中的尼古丁、3－EP和2，5－二甲基呋喃等在环境中的浓度变化过程进行研究，以便正确认识烟气中的这些标志物的环境行为.

1 材料与方法

1.1 固相微萃取（SPME）方法简介

固相微萃取（SPME）是一种广泛使用的样品前处理技术.这一方法是集萃取、浓缩、解吸、进样于一体的样品前处理新技术，它以固相萃取（SPE）为基础，保留了SPE的全部优点，排除了SPE需要柱填充物和使用有机溶剂进行解吸的缺点.SPME的基本原理是待测物质在介质相和（或）顶空相及萃取纤维相的分配平衡过程.在一定到条件下能够达到动态平衡的时候，待测物被吸附的量与样品的浓度成正比，因此做到定量分析.具体可由式（1）表达［4］.

式（1）中Kfs表示待测物在涂层和样品中的分配系数；n表示涂层中吸附量；C0表示样品中待测物质的初始浓度；Vs标志样品体积；Vf表示涂层的体积.当样品体积Vs＞＞KfsVf时，则可以得到近似的表达式（2）.

从表达式（2）中我们可以发现待涂层中吸附量，和初始浓度成正比，因此如果本实验保证萃取的待测物质量要远远小于测试环境中该物质的含量，则可以使用表达式（2）进行计算.采用顶空萃取法，在达到平衡时可以由（3）式表达：

式（3）中C0表示样品中待测物质的初始浓度；K1、K2分别为待测物质在涂层与顶空和顶空与样品之间的分配系数；V1，V2，V3分别为涂层溶液及顶空的体积.由于在实际情况中，样品通常是多组分的，因此K1、K2不但和同组分的浓度相关，而且还与其他组分的浓度有关.通常假设不同组分的浓度很低，可以忽略不计，因此与式（1）相比，还考虑了K2、V3.从式（3）中我们可以认为只要控制V1，V2，V3就能消除其对整个计算的影响，因此涂层中吸附量n与起始浓度C0成正比.

1.2 模拟用实验烟雾箱

以3cm×3cm的铝合金型材加工成一个1.0 m×1.0m×1.8m的长方体框架，框架前后底座的中间分别安装0.34m×0.80m和0.25m×1.0m的拉合式门，用以模拟办公室的前门后窗环境.为了尽量减少墙壁对ETS的吸附作用，用聚四氟乙烯带缠裹所有暴露的铝合金架，用黑色布基喷涂聚四氟乙烯的材料将铝合金框架完全包裹，留出门窗用透明聚四氟乙烯薄膜覆盖（以便实验过程中的观察），同时用聚四氟乙烯胶带密封使其形成密闭环境.在整体长方体烟雾箱的后窗侧右下角处开抽气孔，内部右上角处安装小型风扇用于使烟气充分混合，在前门侧门框顶部0.2m处的同一水平线上，间隔0.3m从左至右分别开两个香烟燃烧安放处及进气口（取样口）.烟雾箱结构示意图见图1.

1.3 实验用卷烟的预处理及烟气的产生

实验前，先将卷烟样品于温度（20±1）℃、相对湿度60%±2%环境下平衡48h，然后根据平均重量选出合适烟支，根据实验整体需求选出8支香烟，另外准备2支作为备用.

在模拟烟雾箱内，在不打开通风装置的情况下，每次实验点燃2只卷烟，1只点燃后迅速放置在烟雾箱内的燃烟处，用于产生侧流烟气，并立即密闭整个模拟箱，打开风扇.另外，实验者在模拟箱外吸入香烟，再从烟气进气口将香烟吹入模拟箱，用于产生主流烟气，每支卷烟各抽吸至距滤嘴2mm处取下，整个过程中一支香烟抽吸7次，每次抽吸间隔时间1min，整个过程结束后立即密闭燃烟口和烟气进气口.混气20min后，依据不同环境下的实验要求进行试验.

1.4 SPME萃取时间的优化

图1 烟雾箱结构示意图Fig.1 A sketch map of the smog chamber structure

由于SPME的萃取与温度、时间和位置有关，本实验需要模拟实际办公室环境，设备体积大，无法做到控温、控湿等条件，尤其是在通风的条件下，必须保证条件的一致.所以在实验的过程中，尽量挑选天气气温及各种环境要素较为稳定的时间进行检测.萃取时间的不同，会导致SPME的萃取效果的不同.在实验之前，将烟雾箱处理清洁，按照实验的步骤点燃两支烟进行吸、吐，主流和侧流烟气进入烟雾箱内，密闭后打开风扇，20min后，插入SPME按不同的时长依次进行萃取（20，30，40，50，60，70，80min）实验，每做一次萃取，立即插入GC－MS检测观察出峰高度.结束后用无水乙醇擦洗烟雾箱，并打开门、窗和风扇，进行清洁.完全清洁后（内部空气的测试结果恢复背景值），再进行下一个时长的萃取.

由图2对比实验结果可知，对于尼古丁、3－EP和2，5－二甲基呋喃，它们的起初峰高随萃取时间的升高而升高，在使用40min的时长萃取时，升高的速度减慢，在用50～60min以及以上的时长萃取时，峰面积开始变化微小，在80min的时长时有微量的下降.峰高稳定时对应的萃取时间即为采用的萃取时间，本实验最终确定SPME的萃取时间为50min最为合适.

图2 SPME萃取时间与峰面积关系测试Fig.2 Test of the relationship between extraction time and peak－area of nicotine，3－ethenalpyridine and 2，5－dimethylfuran

为控制变量，萃取位置统一选择模拟烟雾箱无门窗的光墙侧的中间，距离墙壁0.1m位置，ETS产生后，先混气至分布均匀.一旦开始实验，则关闭风扇，并且尽量保证周围环境的稳定.一组实验进行结束后，打开对流门窗及风扇，以无水乙醇擦洗，直至内部清洁，恢复到环境大气的本底值，再进行下一组实验.

1.5 ETS标记物是否可以检出的有效性

经过萃取时间优化实验和升温程序优化的测试，最终，所选用的萃取时间50min和40℃为始温，以5℃／min升温速率至180℃，再由180℃以10℃／min升至250℃的升温程序的测试结果证明：尼古丁、3－EP、2，5－二甲基呋喃均有出峰，如图3所示，出峰时间分别为：17.5，7.1，3.92min.

2 结果与讨论

图3 ETS气相部分标志物的出峰位置Fig.3 Peak position of marks of ETS in GC－MS detection

实验在3种不同的模拟条件下对ETS进行测量，3种模拟条件分别为对流通风条件，密闭条件和单边开窗条件.对流通风是在ETS产生并混合完毕，放置好萃取设备后，将烟雾箱相对而立的门和窗同时打开，进行连续的检测.密闭条件是在ETS产生并混合完毕后用聚四氟乙烯胶带将整个烟雾箱全部密闭，进行连续检测.单边通风条件是在ETS产生并混合完毕后，仅打开烟雾箱上的窗，并进行连续检测.需要注意的是，每种模拟实验的检测用时大约10h，所以尽量选在天气状况相近的日期的气温湿度较稳定的8：00～19：00.以下是GC－MS检测所得的积分数据.

2.1 对流通风条件下，ETS气相标志物的浓度变化规律

图4是在对流通风的条件下，ETS中，3－EP、尼古丁和2，5－二甲基呋喃的峰面积（积分值）降低的曲线图，以萃取编号（1，2，3，4，5分别为0，2，4，6，8h时的测试结果）为横坐标，峰面积为纵坐标.由图4可见3－EP与2，5－二甲基呋喃的曲线近似重合，可知在对流通风的情况下二者的含量降低速率相近，而尼古丁的曲线斜率一直高于3－EP和2，5－二甲基呋喃，说明在对流通风条件下，尼古丁的浓度的降速高于3－EP和2，5－二甲基呋喃，主要是尼古丁在扩散的同时还再进行分解.3－EP、尼古丁和2，5－二甲基呋喃3种标志物在开始4h内，浓度变化非常迅速，经过4h后，它们的浓度分别只是开始的1.6%，4.8%和1.56%.如果以它们的浓度降到各自的1／e所用的时间来表示它们在环境中的寿命，则在对流通风情况下，3－EP、尼古丁和2，5－二甲基呋喃的寿命分别是1.31，1.52h和1.32h.但是经过8h后，这3种标志物的浓度最终也没有归零.这主要是烟雾箱的壁对它们有个吸附再解吸附的过程，这种过程也就是“三手烟”的主要来源.

2.2 密闭条件下，ETS气相标志物的浓度变化规律

图4 对流通风条件下，ETS气相标志物浓度变化规律Fig.4 Temporal variation of nicotine，3－EP and 2，5－dimethylfuran in opening condition

图5是在密闭条件下ETS中3－EP、尼古丁和2，5－二甲基呋喃的积分数据变化曲线.由于在这种条件下，3种标志物的浓度减低较慢，因此，这次实验总共进行了6组，也就是测量到了第10h才结束.对比上一个对流通风条件实验结果，密闭条件下的曲线更近似于斜率较为一定的曲线，也就是说物质含量的降低速度比较平稳.在此图中尼古丁的浓度一直高于其他两者.经过4h，3－EP、尼古丁和2，5－二甲基呋喃的浓度分别是实验开始时的37.5%、58.2%和35.7%，即使经过10h后，它们的浓度仍然是开始浓度的9.3%、22.7%和8.3%.3种标志物在密闭环境中的寿命分别是3.52、7.18h和3.29h，明显高于开放对流条件下的寿命.

2.3 单边通风条件下，ETS气相标志物的浓度变化规律

图6是ETS中的3种标志物，在单边通风的条件下浓度变化的实验结果.从图6的整体来看，浓度变化的总体趋势基本与对流通风的情况时相似，降低的速率比对流通风要慢一些，明显高于密闭条件下的3种标志物的浓度变化速率.在单边通风条件下，经过4h后，3－EP、尼古丁和2，5－二甲基呋喃的浓度分别是实验开始时的2.8%、14.2%和2.7%.3种标志物在单边通风环境中的寿命分别是1.49，1.77h和1.44h.

对比对流通风条件、密闭条件和单边通风条件的3种实验结果，发现3－EP、尼古丁和2，5－二甲基呋喃3种ETS标志物的浓度随时间变化情况与实验设计时的设想相吻合，也就是，在对流通风时，烟气浓度减低的速率最快，密闭情况下，减低速率最慢，半通风情况下，减低速率居中.但单边通风模式下，烟气的扩散速率要明显高于密闭模式，接近对流通风模式.半通风条件下，3－EP、尼古丁和2，5－二甲基呋喃在烟雾箱内的寿命比较接近于对流通风条件下的寿命，远低于密闭条件下的寿命.从3种实验模式烟气标志物的浓度变化情况看，即使到实验结束时，3－EP、尼古丁和2，5－二甲基呋喃仍然有一定的浓度，说明实验用的烟雾箱的壁，尽管已经用吸附能力非常弱的聚四氟乙烯薄膜作材料，对烟气仍然有一定程度的吸附，这种吸附再解吸附的过程，是环境“三手烟”的主要来源，对生活和工作在这个环境里的人们有一定的健康影响.因此，对于公共场所开辟的吸烟专用区域，里面的墙面、家具表面等部位要经常清洗处理，以减少烟气对人体健康的危害.通风条件对吸烟场所里烟气浓度有至关重要的影响，即使是单边通风，也可以将烟气浓度大大降低，因此，对吸烟场所，必须加强通风措施.3种情况下，ETS中的尼古丁寿命都是最长的，所以，单从在环境中的存在时间角度来看，尼古丁对健康的维护要大于其他烟气成分.

利用固相微萃取（SPME）技术可以对环境烟气中的尼古丁、3－EP和2，5－二甲基呋喃3种标志物进行快速检测，通过对不同通风状况下的烟雾箱烟气实验发现，在1.8m3的用聚四氟乙烯烟雾箱里，在模拟门窗全开的对流通风条件下，烟气扩散速率最大，以上3种烟气成分的寿命分别是1.31，1.52h和1.32h.而在模拟门窗全部关闭的密闭烟雾箱条件下，烟气的扩散、转化最慢，上面3种标志物的寿命分别达到3.52h，7.18h和3.29h.在单开一面窗的半通风条件下，烟气的扩散和转化速率明显高于密闭条件下的扩散.但是无论是对流通风还是密闭条件下，经过8h～10h的扩散、转化后，在烟雾箱内，上述3种烟气标志物仍然存在一定的浓度，主要原因是烟雾箱的壁对烟气的吸附，然后再解吸附，将烟气成分释放出来，这也是“三手烟”的主要来源.比较3种烟气标志物，尼古丁在3种实验条件下的寿命均最长，说明尼古丁对环境的持续危害性最大.本次实验没有对空气流动的速率进行研究，无法定量知道空气对流对烟气的扩散影响作用，由于实际办公环境下，室内摆放的物品对于烟气成分的吸附各不相同，寿命也各不相同，所以在本实验条件下并不能模拟烟气成分实际变化规律以及“三手烟”的特征.同时，由于实验时在建筑物内的走廊里进行的，实验空间空气流动较为缓慢，因此，在开放和半开放条件下，烟雾箱里的烟气主要是通过扩散作用减低其浓度的.

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