溶剂配比与工作电压对电子烟气溶胶主要成分释放量的影响

张霞，李廷华，张涛，沈艳飞，李寿波，洪鎏，吴俊，韩熠，陈永宽，朱东来

云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南昆明 650231

电子烟[1]又名电子尼古丁（烟碱）传送系统（Electronic nicotine delivery systems, 简称ENDS），是通过电加热雾化烟液形成烟雾（气溶胶）供消费者吸食的产品或装置。绝大多数电子烟含有烟碱，但也有少数电子烟不含烟碱[2]。由于电子烟在生理、心理感受及吸食方式等方面比较接近传统卷烟，受到了广大消费者的青睐，因此已成为新型烟草制品的主流产品之一。

电子烟有害成分释放量低于传统卷烟[3-4]，但长期使用电子烟同样会导致烟碱致瘾性以及一系列的健康问题[5]，长期吸食电子烟会使血浆中烟碱的浓度升高[6-8]。因此，研究影响电子烟烟碱释放量的因素对了解电子烟烟碱的递送规律具有重要意义。烟雾量作为电子烟产品的一个重要感官评价指标[9-11]，主要取决于气溶胶中1,2-丙二醇和丙三醇的量。

目前已有文献[12-14]报道了抽吸行为、工作电压和烟碱浓度对于电子烟烟碱释放量的影响。也有文献[15]报道了抽吸参数、加热功率和雾化剂配比对电子烟气溶胶中烟碱释放量的影响。这些文献均指出工作电压和雾化剂配比对烟碱释放量均有一定程度的影响，但是综合评价溶剂配比与工作电压对气溶胶中主要成分（1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱）释放量的影响，目前鲜有报道。因此本文选用可填充烟液式烟弹，采用电子烟吸烟机，系统研究溶剂配比与工作电压对电子烟气溶胶中主要成分释放量的综合影响，旨在为电子烟产品设计及安全性评价提供参考。

1 材料与方法

1.1 仪器、试剂与材料

CETI8 V3.0电子烟吸烟机（英国斯茹林(Cerulean)公司）；Trace 1310 气相色谱仪配备FID检测器（美国Thermo fisher）；HY-8调速振荡器（常州国华电器有限公司）；CP2245电子天平（感量：0.0001 g，德国Sartorius公司）。

异丙醇（色谱纯，美国Dikma公司）；烟碱（纯度＞99%，加拿大TRC公司）；2-甲基喹啉（纯度＞99%，加拿大TRC公司）； 1,2-丙二醇（分析纯，纯度＞99.8%，北京百灵威公司）；丙三醇（分析纯，纯度＞99%，天津致远化学试剂有限公司）；1,3-丁二醇（纯度＞99%，加拿大TRC公司）。

调压试验用可填充烟液式烟弹，所含发热元件为镍铬发热丝，阻值3.0 Ω（均采用万用表进行测试分选）。采用直流电源（兆信，型号PS-305D）代替可调压电池杆实现输出电压调节，直流电源与烟弹的连接线和烟弹串联阻值为3.5Ω。实验过程中选定的电压设定值分别为3.7V、4.5V、5.3V、6.1V。

电子烟烟液样品：为减少实验误差确保测试数据的稳定性，每个烟弹中准确注入0.70g烟液。烟液样品为自主配制的不同溶剂质量配比、相同烟碱浓度的样品，1,2-丙二醇和丙三醇的配比分别为2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2，烟碱浓度均为10mg/g。

1.2 实验方法和条件

1.2.1 气溶胶总粒相物的捕集

采用Coresta推荐的电子烟抽吸模式（抽吸容量55mL，抽吸频率30s，抽吸持续时间3s，抽吸曲线为方波）[15]。

使用CETI8 V3.0电子烟吸烟机抽吸可注油烟弹电子烟，采用Ф44 mm的剑桥滤片捕集气溶胶总粒相物，每20口或10口气溶胶粒相物收集在一张滤片上，为保证实验结果具有可比性，将不同工作电压下烟弹的抽吸口数统一确定为20口。

1.2.2 气溶胶中主要成分分析样品制备

将捕集电子烟气溶胶的剑桥滤片置于50 mL三角瓶中，加入20 mL含内标的萃取溶液（内标物2-甲基喹啉的浓度为0.2 mg/mL，1,3-丁二醇的浓度为1.0 mg/mL），室温下机械振荡20 min，取1 mL萃取液到2 mL色谱瓶中即可进行GC-FID 分析。

1.3 气相色谱分析条件

参照文献[14]中的实验条件，具体如下：美国Thermo fisher公司Trace 1310气相色谱仪配备FID检测器，色谱柱为DB-ALC1（30m×0.32mm,1.8µm）；程序升温，初温100℃（保持1min），以15℃/min的速率升至130℃，以40℃/ min的速率升至220℃，保持10 min；进样口温度为250℃，进样体积为1µL，分流进样，分流比50:1；载气为氦气，载气流速1.8 mL/min，恒流模式；FID检测器温度275℃，空气流速450 mL/min；氢气流速40 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 不同溶剂配比的选择

国际市场销售的各品牌烟液其溶剂均为1,2-丙二醇（PG）和丙三醇（VG）的混合液。主要品牌烟液产品的溶剂配比见表1。基于表1的调研结果可以发现，在市售烟液中PG:VG最高为76:24，最低为20:80。为了便于开展实验、分析数据，本文拟定7种不同的PG、VG配比，其质量比分别为2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2。同时结合所选烟具的工作电压范围选择了中等烟碱浓度作为研究对象，在7种不同溶剂配比的烟液中均添加最终浓度为10 mg/g的烟碱作为实验样品，研究7种不同溶剂配比的烟液在不同电压下对气溶胶中烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇释放量的影响。

表1 不同溶剂配比的烟液产品示例Tab. 1 Samples of e-liquids with different PG-VG ratios

2.2 不同电压下抽吸电子烟产生气溶胶中主要成分释放量

在3.7V、4.5V、5.3V、6.1V这几个电压梯度变化下，7种不同1,2-丙二醇和丙三醇配比的烟液加热雾化后产生的气溶胶中的主要成分（包括烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇）释放量值见表2。从表2中数据可以看出，气溶胶中烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇的释放量分布范围分别是 7.87 ～ 51.77 μg/口、169.52 ～ 3707.47μg/口、510.16 ～ 2582.54 μg/口，跨度非常大。

表2 不同溶剂配比的烟液在不同电压雾化产生的气溶胶中主要成分释放量Tab.2 Release amount of main components of aerosol produced by atomization of e-liquid with different PG-VG ratios under different working voltages µg/puff

2.3 烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇的相关性分析结果

对表2的数据进行深入的Pearson 相关性分析，明确烟碱与1,2-丙二醇、丙 三醇的相关性，具体分析结果见表3。从表3可以看出，烟碱与1,2-丙二醇呈显著正相关，相关系数高达0.898，气溶胶中1,2-丙二醇释放量越高则烟碱的释放量也越高，而烟碱与丙三醇之间的相关性不显著，这与文献报道[11]一致，说明1,2-丙二醇对烟碱递送起关键作用，烟碱很可能是被1,2-丙二醇包裹或夹带着由烟液向气溶胶中递送，因此不同的溶剂配比对烟碱的释放量也会存在一定的影响。

表3 烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇的相关性分析结果Tab.3 Correlation analysis of nicotine, 1,2-propylene glycol and glycerol

2.4 溶剂配比与工作电压两因素对气溶胶中主要成分释放量影响比较分析

通过方差分析可以了解各因素对指标的影响程度，为深入了解溶剂配比与工作电压两种因素对气溶胶中主要成分释放量的影响程度，对表2中的数据进行了两因素方差分析-效应估计，具体结果见表4。结果表明工作电压和溶剂配比对气溶胶中烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇释放量均有显著影响。

根据文献[17-19]可知 偏η2能直观地看出每个因素对总体变异的贡献，而偏η2能看出某个因素与误差的关系，因此本文选择根据偏 η2来评判两种因素的影响程度，从表3中可以看出对于烟碱来说，工作电压和溶剂配比的偏η2分别为0.930、0.889，表明工作电压对于气溶胶中烟碱释放量的影响要略大于溶剂配比；对于1,2-丙二醇来说，工作电压和溶剂配比的偏η2分别为0.722、0.897，表明溶剂配比对于气溶胶中1,2-丙二醇释放量的影响要大于工作电压；对于丙三醇来说，工作电压和溶剂配比的偏η2分别为0.846、0.818，表明工作电压对气溶胶中丙三醇释放量的影响要大于溶剂配比。分析原因可能是1,2-丙二醇沸点较低，容易发生雾化从烟液转移至气溶胶中，因此电子烟液中的溶剂配比对于1,2-丙二醇影响更大。而甘油沸点较高，需要较高的温度才能雾化，工作电压与加热温度直接相关，因此工作电压对于丙三醇的影响更大。

根据本文的研究结果并结合文献[14]的相关结论，可以形成以下建议：在产品研发过程中如果需要调整气溶胶的烟碱释放量，可以采取改变烟液中烟碱浓度、工作电压（即加热功率）、溶剂配比等方式。

表4 工作电压和溶剂配比对气溶胶主要成分释放量影响的方差分析Tab.4 Variance analysis of effects of working voltage and PG-VG ratio on the release amount of main components of e-cigarette aerosol

2.5 不同溶剂配比对主要成分释放稳定性的影响

选定3种不同溶剂配比（PG:VG）的烟液在同一工作电压下的烟碱释放量进行分析，每20口为一个样品，共抽吸100口，考察不同溶剂配比对烟碱释放稳定性的影响。结果见图1-图3。从图中的结果可以看出在同一工作电压下，3种溶剂配比的烟液在同一电压下抽吸相同口数烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇释放量差异均较小，总体来说释放较稳定，说明溶剂配比对于3种主要成分释放量的稳定性影响不显著。

图1 不同PG-VG配比烟液每抽吸20口的烟碱释放量Fig.1 Release amount of nicotine per 20 puffs of e-liquid WITH different PG-VG ratios

图2 不同PG-VG配比烟液每抽吸20口的1,2-丙二醇释放量Fig.2 Release amount of 1,2-propylene glycol per 20 puffs of e-liquid different PG-VG ratios

2.6 不同工作电压对主要成分释放稳定性的影响

选定一种固定溶剂配比（PG:VG=4:6）的烟液在不同工作电压（3.7V、4.5V、5.3V、6.1V）下的烟碱释放量进行分析，每20口为一个样品，共抽吸100口，考察不同溶剂配比对烟碱释放稳定性的影响。结果见图4-图6。从图中的结果可以看出该种烟液在不同电压下抽吸相同口数烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇释放量差异均较小，总体来说释放较稳定，说明工作电压对于3种主要成分释放量的稳定性影响不显著。

图3 不同PG-VG配比烟液每抽吸20口的丙三醇释放量Fig.3 Release amount of glycerol per 20 puffs of e-liquid with different PG-VG ratios

图4 不同工作电压下每抽吸20口的烟碱释放量Fig.4 Release amount of nicotine release per 20 puffs under different voltages

图5 不同工作电压下每抽吸20口1,2-丙二醇释放量Fig.5 Release amount of 1,2-propylene glycol per 20 puffs under different voltages

图6 不同工作电压下每抽吸20口丙三醇释放量Fig.6 Release amount of glycerol per 20 puffs under different voltages

3 结论

本文以可填充烟液式电子烟为研究对象，研究了溶剂配比和工作电压对电子烟气溶胶中烟碱及雾化剂释放量的影响规律，结果表明：不同电压下气溶胶中烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇的释放量分布范围跨度非常大；烟碱与1,2-丙二醇呈显著正相关，相关系数高达0.898，而烟碱与丙三醇之间的相关性不显著；工作电压、溶剂配比对气溶胶中主要成分的释放量均有显著性影响，通过比较η2发现工作电压对于烟碱和丙三醇的释放量的影响要略大于溶剂配比，而溶剂配比对于1,2-丙二醇释放量的影响要大于工作电压。这些规律性结果对于电子烟烟具开发、烟液开发以及产品安全评价都具有重要意义。

[1]Trtchounian A, Williams M, Talbot P. Conventional and electronic cigarettes(e-cigarettes)have different smoking characteristics[J].Nicotine and Tobacco Research,2010,12(9):905-912.

[2]李保江.全球电子烟市场发展、主要争议及政府管制[J].中国烟草学报，2014，20(4): 101-107.LI Baojiang.A global perspective on electronic cigarette’s future development and related controversial and regulatory issues[J].Acta TabacariaSinica, 2014,20(4):101-107.

[3]Cressey D. Regulation stacks up for e-cigarettes[J].Nature，2013，501（7468）：473.

[4]Rana T, Gearld A L. Comparison of select analytes inaerosol from e-cigarettes with smoke from conventionalcigarettes and with ambient air[J]. RegulatoryToxicology and Pharmacology，2014，70(3)：704-710.

[5]Grana RA, Ling PM, Benowitz N, Glantz S. Electronic cigarettes.Circulation. 2014;129: e490–e492.

[6]Bullen C, McRobbie H, Thornley S, Glover M, Lin R, LaugesenM.Effect of an electronic nicotine delivery device (e cigarette) on desire to smoke and withdrawal, user preferences and nicotine delivery: randomised crossover trial. Tob Control. 2010;19:98–103.

[7]Vansickel AR, Cobb CO, Weaver MF, Eissenberg TE. A clinical laboratory model for evaluating the acute effects of electronic“cigarettes”:nicotine delivery profile and cardiovascular and subjective effects. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 2010;19:1945–1953.

[8]Vansickel AR, Eissenberg T. Electronic cigarettes: effective nicotine delivery after acute administration. Nicotine Tob Res.2013;15:267–270.

[9]影响电子烟烟雾大小的因素[N/OL]. 烟草在线.2015-04-01.http://www.tobaccochina.com/revision/cigarette/wu/20154/2015331163035_668373.shtml.The factors affecting the aerosol mass of electronic cigarette. [N/OL]. Tobacco online.2015-04-01. http://www.tobaccochina.com/revision/cigarette/wu/20154/2015331163035_668373.shtml.

[10]Amy McQueen, Stephanie Tower, Walton Sumner. Interviews with “Vapers”:Implications for future research with electronic cigarettes[J]. Nicotine&Tobacco Research,2011,13(9):860-867.

[11]张霞, 韩熠, 李寿波,等. 基于气溶胶粒径分布测定电子烟烟雾量[J]. 中国烟草学报, 2016, 22(4):1-7.ZHANG Xia, HAN Yi, LI Shoubo, et al. Determination of aerosol mass generated by electronic cigarette based on aerosol particle size distribution [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2016,22(4):1-7.

[12]Talih S, Balhas Z, Eissenberg T, et al. Effects of user puff topography,device voltage, and liquid nicotine concentration on electronic cigarette nicotine yield: Measurements and model Predictions[J]. Nicotine &Tobacco Research, 2015, 17(2): 150-157.

[13]El-Hellani A, Salman R, Ei-Hage R, et al. Nicotine and carbonyl emissions from popular electronic cigarette products: Correlation to liquid composition and design characteristics[J]. Nicotine &Tobacco Research, 2016. doi: 10.1093/ntr/ntw280.

[14]张霞, 朱东来, 李寿波, 等. 电子烟工作电压对气溶胶中关键成分释放量的影响[J]. 烟草科技, 2017, 50(9):42-48.ZHANG Xia, ZHU Donglai, LI Shoubo, et al. Effects of device voltage on release of key aerosol components in e-cigarette[J].Tobacco Science & Technology, 2017, 50(9):42-48. DOI:10.16135/j.issn1002–0861.2016.0566

[15]段沅杏，杨威，田永峰，等. 电子烟抽吸参数、电池功率、雾化剂配比对气溶胶中烟碱释放量的影响研究[J]. 中国烟草学报，2017,23（5）：9-14.DUAN Yuanxing, YANG Wei, TIAN Yongfeng, et al. Eff ects of vaping parameters, battery power and e-liquid composition on nicotine yield in electronic cigarette aerosol [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2017,23(5)

[16]Coresta Recommended Method No 81, Routine analyticalmachine for e-cigarette aerosol generation and collection-definitions and standard conditions.

[17]Timothy R. Levine, Craig R.Hullett. Eta squared, partial eta squared, and misreporting of effect size in communication research[J].Human Communication Research,2002,28(4):612-625.

[18]Pierce C A， Block R A，Aguinis H. Cautionary note onreporting eta-squared values from multifactor designs[J]. Educational and Psychological Measurement，2004，64（6）：916-924.

[19]张涛，苏明亮，赵伟，等. 制丝工艺参数对9种主流烟气成分释放量的影响[J].烟草科技，2014（8）：32-37.Zhang Tao, Su Mingliang, Zhao Wei, et al. Effects of Five Primary Processing Parameters on Deliveries of Nine Components in Mainstream Cigarette Smoke[J]. Tobacco Science & Technology,2014(8):32-37.