气相色谱法测定电子烟烟液及气溶胶中双乙酰和乙酰丙酰

张霞，赵伟，张子龙，朱东来，吴俊，李寿波，李廷华，巩效伟，孙志勇，洪鎏

(云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明 650231)

近年来，电子烟等新型烟草制品在欧美市场迅速崛起，国际烟草行业巨头如英美烟草、帝国烟草、菲莫美国等纷纷投入巨资开发新型烟草制品市场，形成庞大的产业链集群［1］。欧盟和美国均出台了相应的法律法规，将电子烟纳入监管［2-4］，并明确了对产品的监管要求。英国、美国、法国、中国均出台了相应的标准［5-8］，其中美国电子烟烟液制造标准协会(AEMSA)在电子液体制造标准（E-Liquid Manufacturing Standards Version 2.0）中将双乙酰和乙酰丙酰归为电子烟烟液的禁用物质；英国电子烟行业协会（ECITA）在PAS 54115: 2015 标准中将双乙酰和乙酰丙酰归为电子烟烟液的受控物质；法国电子烟标准XPD-90-300-2 以及中国烟草总公司标准YQ-EL／T 1.2-2017 中均明确了电子烟烟液双乙酰的限量要求（22 μg／mL）。双乙酰和乙酰丙酰的挥发性强，在烟液加热雾化过程中，易从烟液转移至气溶胶中，因此准确测定电子烟烟液和气溶胶中双乙酰和乙酰丙酰的含量十分必要。

双乙酰能提供黄油和奶油特征香味，天然存在于食物中，也可作为合成调味剂用于黄油、焦糖、可可、咖啡、乳制品和含酒精的饮料等食品中。乙酰丙酰和双乙酰有着相似的香味性质和特征。根据文献调研，双乙酰和乙酰丙酰在一些甜味烟液中尤其常见［9-10］，有报道称吸入这类物质会对肺部产生潜在的毒性，可能引发闭塞性细支气管炎，其中，可引起呼吸道疾病的相关数据促使许多监管机构提出了可接受的职业暴露限值［11-14］。

双乙酰和乙酰丙酰作为食品添加剂，目前已有相应的国家参考标准GB 23488-2009［15］和GB 28368-2012［16］，均规定了食品添加剂双乙酰和乙酰丙酰的要求、试验方法等，所用方法均为气相色谱法，但标准中针对的是添加剂本身，并不涉及前处理过程。电子烟烟液中的双乙酰测定方法报道有高效液相色谱法［17］，有关乙酰丙酰的研究则鲜有报道。由于双乙酰分子量较小且无发色团，液相色谱检测时一般需进行化学衍生，操作较麻烦。基于电子烟质量安全需求，笔者以电子烟烟液和气溶胶为检测对象，重点考虑前处理因素的影响，拟开发一种适宜的气相色谱分析方法（GC-FID）对电子烟烟液及气溶胶样品中的双乙酰和乙酰丙酰进行准确的定量 分析。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

气相色谱仪：Trace 1310 型，配备FID 检测器，美国赛默飞世尔科技公司。

吸烟机：SM450 直线型，英国斯茹林公司。

多管式旋涡混合器：Talboys 数显型，美国特朗纳公司。

电子天平：CP2245 型，感量为0.000 1 g，德国赛多利斯公司。

无水乙醇：色谱纯。

双乙酰标准品：纯度不小于98%，北京国药集团化学试剂有限公司。

乙酰丙酰标准品：纯度不小于98%，北京国药集团化学试剂有限公司。

电子烟液样品：20 种，编号为1#～20#，不同品牌，市售。

电子烟烟具：由可注油烟弹和电池杆组成，所含发热元件为镍铬发热丝，阻值为3.0 Ω(均采用万用表进行测试分选)，为了减少实验误差，以确保测试数据的稳定性，向每个烟弹中准确注入0.70 g 烟液。

1.2 标准溶液的配制

双乙酰、乙酰丙酰储备溶液：准确称取双乙酰、乙酰丙酰各0.1 g，置于100 mL 容量瓶中，用乙醇稀释定容，得双乙酰、乙酰丙酰质量浓度均为1 000 μg／mL 的双乙酰、乙酰丙酰储备工作溶液。

双乙酰、乙酰丙酰系列标准工作溶液：分别移取5、2、1、0.5、0.2、0.1、0.05 mL 双乙酰、乙酰丙酰储备工作溶液于7 只100 mL 容量瓶中，用乙醇稀释定容至标线，制备得到质量浓度均分别为50、20、10、5、2、1、0.5 μg／mL 的双乙酰、乙酰丙酰系列标准工作溶液。

分别取标准溶液2 mL 放入棕色进样瓶。

1.3 样品前处理

1.3.1 烟液样品

准确称取1.0 g（精确至0.000 1 g）电子烟液样品，置于50 mL 具塞离心管中，加入乙醇溶液并定容至20 mL，置于涡旋振荡器中，转速设置为1 500 r／min，振荡萃取10 min。取萃取液，经0.22 μm 有机相滤膜过滤后进行分析。

1.3.2 气溶胶样品

采用烟草科学研究合作中心（CORESTA）推荐的电子烟抽吸模式［18］，即抽吸容量为55 mL，抽吸频率为30 s／次，抽吸持续时间为3 s，抽吸曲线为方波。使用SM450 直线型吸烟机，分别抽吸一次性电子烟和可注油式电子烟，采用Ф44 mm 的剑桥滤片串联1 个吸收瓶（加入10 mL 乙醇），并将吸收瓶置于冰、水混合物组成的冷阱捕集装置中，捕集气溶胶总粒相物，每50 口气溶胶为一个样品。抽吸结束后，将吸收瓶中吸收液转移至50 mL 具塞离心管中，采用吸收液清洗吸收瓶管，清洗液一并合入离心管中，最后用萃取液定容至20 mL，然后将剑桥滤片剪碎置入其中，涡旋振荡转速设置为1 500 r／min，萃取10 min。取萃取液，经0.22 μm 有机相滤膜过滤后进行分析。

1.4 仪器工作条件

色谱柱：DB-ALC1 色谱柱[30 m×0.32 mm，1.8 μm，安捷伦科技（中国）有限公司]；程序升温方式：初始温度为60℃，保持2 min，以4℃／min速率升至100℃，以60℃／min 速率升至220℃，保持6 min，总运行时间为20 min；载气：氦气，流量为1.8 mL／min；进样口温度：240℃；进样体积：1 μL；进样方式：分流进样，分流比为20∶1；检测器：FID；检测器温度：250℃。

2 结果与讨论

2.1 色谱条件的优化

2.1.1 色谱柱

毛细管柱最大的优点是在较宽的温度范围内操作，这样既能保证待测组分良好分离，又能缩短分析时间。GB 23488-2009 对食品添加剂双乙酰的测定，选用的是固定相为PEG 20 000 毛细管柱；GB 28368-2012 对食品添加剂乙酰丙酰的测定，选用的固定相为聚乙二醇毛细管柱，两个毛细管柱均属于极性柱。也有文献报道采用HP-5MS、DB-1MS 等弱极性毛细管色谱柱对双乙酰进行分析检测［19］。电子烟烟液和气溶胶含有大量的甘油和丙二醇，充分考虑甘油和丙二醇的基质影响，对比了低极性HP-5MS 色谱柱、中等极性DB-ALC1 色谱柱和极性HP-INNOWAX 色谱柱对双乙酰、乙酰丙酰的分离效果。在电子烟烟液基质下，DB-ALC1 色谱柱对双乙酰和乙酰丙酰的分离效果较好，因此最终选择DB-ALC1 色谱柱。

2.1.2 升温程序

优化升温程序可实现目标物的良好分离。分别考察了3 种不同的升温程序，分离效果见图1。由图1(a)中可以看出，当初始温度较高时，目标物出峰时间快，但是双乙酰与干扰峰无法达到基线分离；由图1(b)中可以看出，当升温速率过高时，双乙酰的分离效果欠佳；由图1(c)中可以看出，双乙酰和乙酰丙酰的分离效果较好，因此最终选择的程序升温程序：初始温度为60℃，保持2 min，以4℃／min速率升至100℃，以60℃／min 速率升至220℃，保持6 min，总运行时间为20 min。

图1 样品溶液在不同升温程序下的气相色谱图

2.1.3 载气流量

在选定升温程序的基础之上，进一步考察了1.5、1.8、2.0 mL／min 3 个不同的载气流量对样品测定结果的影响，样品溶液的气相色谱图见图2。由图2 可知，在1.5 mL／min 的载气流量下，乙酰丙酰的色谱峰形较宽；与载气流量为1.8 mL／min 条件下的样品色谱谱图相比，载气流量为2.0 mL／min条件下的双乙酰与之后的干扰峰保留时间较为接近，分离效果稍差，因此最终选定的载气流量为1.8 mL／min。

图2 样品溶液在不同载气流量下的气相色谱图

2.1.4 色谱图

色谱条件优化后，标准溶液及电子烟液样品中双乙酰、乙酰丙酰的分离效果见图3、图4。

图3 标准溶液色谱图

图4 样品萃取液色谱图

由图3、图4 可知，标准溶液及电子烟液样品中双乙酰、乙酰丙酰的分离效果较好，能达到基线分离，满足分析检测的需要，因此样品分析最终选定的色谱条件见1.4。

2.2 样品前处理的优化

2.2.1 烟液萃取方式

双乙酰易溶于水、乙醇、乙醚，乙酰丙酰微溶于水，易溶于乙醇，考虑到两者的溶解性及化学试剂的安全性，优选无水乙醇作为萃取溶剂。准确称取1.0 g 电子烟液样品，准确加入20 mL 无水乙醇，分别采取超声萃取和涡旋振荡萃取两种方式进行处理，萃取时间统一固定为10 min，结果见表1。由表1可知，涡旋振荡萃取时，对目标物的萃取效果较好，因此选择涡旋振荡萃取方式。2.2.2 烟液萃取时间

经过前期的文献阅读，本人确定了自己的论文题目，再通过详细阅读和引用十篇有关于休闲体育、民间体育、课程开发的文献，确定文章的主要思路。

表1 不同萃取方式下双乙酰和乙酰丙酰的萃取效率μg／g

为了保证萃取完全，对萃取时间进行了考察。准确称取1.0 g 烟液样品，加入20 mL 乙醇萃取液，比较5、10、15、20、25 min 5 个不同萃取时间对样品中双乙酰和乙酰丙酰的萃取效率，结果见图5。由图5 可知，在10 min 内，随着萃取时间的增加，双乙酰和乙酰丙酰的含量逐渐增加。当萃取时间超过10 min，含量基本不变，表明萃取完全，因此选择萃取时间为10 min。

图5 不同萃取时间下双乙酰和乙酰丙酰的萃取效率

2.2.3 烟液萃取溶剂体积

为了保证萃取完全，对萃取溶剂体积进行了考察。准确称取1.0 g 烟液样品，涡旋振荡萃取时间为10 min，分别比较10、15、20、25、30 mL 萃取溶剂对样品中双乙酰和乙酰丙酰的萃取效率，结果见图6。由图6 可知，当萃取溶剂小于20 mL 时，随着萃取溶剂体积的增加，目标物含量逐渐增加。当萃取溶剂体积超过20 mL 时，目标物的含量基本不变，因此选择萃取溶剂体积为20 mL。

图6 不同萃取溶剂体积时双乙酰和乙酰丙酰的萃取效率

2.2.4 气溶胶样品捕集方式

考虑到双乙酰和乙酰丙酰的沸点及挥发性，选择市售烟液中双乙酰和乙酰丙酰浓度较高的2#烟液样品，加入烟具中，选用CORESTA 推荐的电子烟抽吸模式，分别采用剑桥滤片、剑桥滤片+1 个滤收瓶、剑桥滤片+2 个吸收瓶3 种捕集方式捕集50 口气溶胶样品。每个吸收瓶中加入10 mL 乙醇(萃取溶剂乙醇具有挥发性，在抽吸过程中采用冰水冷阱装置)。抽吸结束后，将吸收瓶中吸收液转移至50 mL 具塞离心管中，用吸收液清洗吸收瓶管，清洗液一并合入离心管，用乙醇定容至20 mL，然后将剑桥滤片剪碎置入其中，涡旋振荡萃取10 min，取滤液进行分析，测定结果见表2。

表2 不同捕集方式的双乙酰和乙酰丙酰测定结果 μg／50 口

由表2 可知，经过对3 种捕集方式得到的双乙酰和乙酰丙酰数据进行对比分析，表明仅采用剑桥滤片测得的目标物含量偏低，而剑桥滤片串联1 个吸收瓶即可完全捕集目标物，因此在抽吸试验时，选择剑桥滤片串联1 个吸收瓶的捕集法。

2.3 线性方程与检出限

按照1.4 仪器工作条件对系列标准工作溶液进行测定，纵坐标(y)为双乙酰和乙酰丙酰的色谱峰面积，横坐标(x)为双乙酰和乙酰丙酰的质量浓度，分别建立双乙酰和乙酰丙酰的标准工作曲线。采用最低浓度标准溶液连续进样10 次，计算标准偏差，以3 倍的标准偏差作为检出限，以10 倍标准偏差作为定量限，双乙酰和乙酰丙酰的线性范围、线性方程、相关系数、检出限和定量限见表3。

表3 线性范围、线性方程、相关系数、检出限和定量限

2.4 回收率与精密度

取不同浓度的3 个烟液样品(编号分别为R-1，R-2，R-3)和不同浓度的3 个气溶胶样品(编号分别为A-1，A-2，A-3)，按照实验方法加入低、中、高3 种浓度的双乙酰和乙酰丙酰标准溶液，平行测定6次，试验结果见表4。

表4 方法精密度和加标回收试验结果

由表4 可知，电子烟烟液样品中双乙酰和乙酰丙酰的平均回收率分别为97.0%～102.5%、95.0%～101.6%，测定结果的相对标准偏差分别为2.5%～2.7%、4.0%～4.3%；气溶胶样品中双乙酰和乙酰丙酰平均回收率分别为93.4%～102.3%、92.7%～101.5%，测定结果的相对标准偏差分别为3.1%～3.7%、4.1%～4.6%，表明该方法有较好的准确度和精密度。

2.5 样品分析结果

2.5.1 烟液样品

按照实验方法，对20 种市售电子烟液样品进行测定，测定结果见表5。由表5 可知，8 个样品未检出双乙酰和乙酰丙酰，7 个样品检出其中1 种，剩余5 个样品均检测出双乙酰和乙酰丙酰。双乙酰测定结果的含量范围为26.3～196.2 μg／g，乙酰丙酰的测定结果含量范围为24.6～367.8 μg／g。表明在某些口味的烟液中使用了双乙酰和乙酰丙酰作为香精进行烟液调配。

表5 电子烟烟液样品测定结果 μg／g

2.5.2 气溶胶样品

选择2.5.1 中被检出双乙酰和乙酰丙酰的5 个烟液样品(样品编号分别为1#、2#、5#、7#、12#)，分别准确称取0.70 g 加至电子烟烟具中，抽吸前将电子烟具充满电，称量并记录抽吸前后电子烟具质量。采用CORESTA 推荐的电子烟抽吸模式，按2.2.4 处理方式捕集50 口气溶胶样品，采用建立的气相色谱法进行分析。每个样品平行测试2 次，取平均值。试验数据见表6 中的实测浓度。为进一步研究气溶胶中双乙酰和乙酰丙酰释放量与烟液的关系，在测定气溶胶样品中双乙酰和乙酰丙酰的同时，考察了双乙酰和乙酰丙酰理论浓度与实测浓度之间的相关性。其中理论浓度是指根据抽吸前后烟液消耗量及烟液中双乙酰和乙酰丙酰的质量浓度计算出气溶胶中目标物的浓度，具体数据见表6 中的理论浓度。

表6 实测浓度与理论浓度 μg／50 口

对表6 中双乙酰和乙酰丙酰的理论浓度与实测浓度的相关性进行考察，分析结果见表7。

表7 理论浓度和实测浓度之间的相关性

由表7 可知，双乙酰的理论浓度(基于烟液消耗计算得出)和实测浓度之间具有较强的相关性(对于双乙酰r2=0.990 1，对于乙酰丙酰r2=0.994 7)，表明了双乙酰和乙酰丙酰挥发性较高，二者主要通过烟液雾化直接转移至气溶胶中。因此限定电子烟液中双乙酰和乙酰丙酰的含量，可以有效减少由它们带来的风险。

3 结语

建立了气相色谱法测定电子烟液和气溶胶中的双乙酰、乙酰丙酰的含量。气溶胶中双乙酰的理论浓度(基于烟液消耗计算得出)和实测浓度之间具有较强的相关性(对于双乙酰r2=0.990 1，对于乙酰丙酰r2=0.994 7)，表明双乙酰、乙酰丙酰通过烟液雾化直接转移至气溶胶中，因此限定电子烟液中双乙酰和乙酰丙酰的含量，可以减少由它们带来的风险。该方法准确度高，重现性好、检出限低，能满足现行电子烟样品的检测需求。