两种电子烟气溶胶中1,2-丙二醇、丙三醇、烟碱及甲醛的逐口释放行为

黄 平，黄建国，文雅萍，孙建华，尹新强，代远刚，郭小义，王志国，龚淑果*

1.湖南中烟工业有限责任公司技术中心，长沙市劳动中路386号 410007 2.湖南师范大学化学化工学院，长沙市岳麓区麓山路286号 410081

目前，新型烟草制品主要有无烟气烟草制品、加热不燃烧卷烟和电子烟，与传统烟草制品相比，新型烟草制品大大减少了吸烟对消费者及周围人群的危害［1-2]。电阻丝雾化电子烟是由智能芯片控制电流输出，致使电阻丝发热，将电子烟烟液雾化供消费者吸食，是目前世界上使用范围最广、产品种类最多的一种电子烟。

当前对电阻丝雾化电子烟的研究最多，气溶胶分析主要涉及烟雾量分析、粒径分析、烟气主成分分析、安全性分析等多个方面［3-7]。李寿波等［3]基于电子烟气溶胶光学特性建立了利用透光率定量表征烟雾量的方法，利用烟雾量测试系统考察了不同抽吸参数、烟液溶剂、工作电压和电阻对烟雾量的影响。王诗太等［4]采用电子低压冲击仪分别测试了常见醇类溶剂在相同雾化条件下的烟雾颗粒粒径分布，研究了烟液中1,2-丙二醇和丙三醇的配比对电子烟雾化气溶胶粒径分布的影响。韩敬美等［5]研究了电子烟气溶胶中关键成分的逐口释放规律，发现电子烟气溶胶中烟碱、甘油和丙二醇的逐口释放量与抽吸口序之间存在一定相关性。段沅杏等［6]建立了同时检测电子烟烟气释放物中1,2-丙二醇、1,3-丁二醇、丙三醇、二甘醇和三甘醇的GC-MS方法，并测定了16种电子烟样品。Jensen等［7]对覆盖有丙二醇或甘油的线圈进行加热后，使用NMR光谱分析其产物，检测出缩水甘油、丙烯醇、二羟基丙酮、丙烯醛和乳醛等物质。从国内外的电子烟气溶胶安全性研究文献和电子烟产品准入法规中可以发现，气溶胶中的羰基化合物最受关注。近几年，将超声波技术应用于电子烟的雾化，形成了超声波雾化电子烟。超声波雾化电子烟因雾化时温度较低，产生的羰基物量小于传统电阻丝雾化电子烟，对吸烟者危害更小。作为一种新型的电子烟雾化技术，尚未见相关的研究报道。因此，以超声波雾化电子烟和电阻丝雾化电子烟为研究对象，利用转盘型吸烟机进行烟气逐口抽吸和滤片捕集，研究两种电子烟烟气主成分的逐口释放情况，旨在了解电子烟烟气成分的逐口释放行为和探索雾化机理，为该类产品的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

一次性注液式电子烟（简称电阻丝雾化电子烟）及配套电池（电阻丝电阻约3.15Ω，电池电压3.7 V，深圳市合元科技有限公司）；超声波雾化电子烟及配套电池（功率12～15 W，深圳市湘元科技有限公司）。

RM20H转盘型吸烟机（配置逐口捕集单元，德国Borgwaldt KC公司）；7890A气相色谱仪+FID检测器、1260高效液相色谱仪+DAD检测器（美国Agilent公司）；BSA224S-CW电子天平（感量0.000 1 g，德国Sartorius公司）；Milli-Q50超纯水仪（美国Millipore公司）；HY-6双层调速振荡仪（常州国华电器有限公司）；44 mm剑桥滤片（德国Borgwaldt KC公司）。

1.2 方法

1.2.1 吸烟机改造

转盘型吸烟机的改造参照文献［8]的方法进行，去掉烟灰收集托盘，增加器具的承载及夹持部件，在操作软件上禁用传统卷烟的上烟、点火等模块，保留抽吸功能。

1.2.2 电子烟液中1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的检测

配制烟碱质量分数为10 mg/g，1,2-丙二醇（PG）与丙三醇（VG）质量比为3∶7、5∶5、7∶3的3种电子烟液，分别注入两种电子烟中。参照文献［8]的方法检测3种电子烟液中1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的质量分数。

1.2.3 电子烟抽吸

又到一年冬供时，甘肃、青海、西藏近千万人口今冬明春能否温暖过好日子？天然气资源能否充沛保障？“保供峰值期每天1800万立方米天然气外输量不打折扣。”青海油田给出了铿锵有力的答案。

参照文献［5]的方法抽吸电子烟，抽吸曲线为方形波，抽吸容量为55 mL，抽吸持续时间为3 s，间隔时间为30 s。每种电子烟液准备10支电子烟，将每支电子烟的15口抽吸分别累积捕集在不同滤片上，即每张滤片上捕集相同抽吸口序的电子烟气溶胶（共10口）。

1.2.4 电子烟气溶胶中1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的检测

参照文献［8]的方法检测电子烟气溶胶中1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱。

1.2.5 甲醛的检测

参照行业标准［9]的方法检测电子烟气溶胶中的甲醛。

2 结果与讨论

2.1 雾化器工作方式

2.1.1 电阻丝加热雾化器

电子烟液经过电阻丝缠绕的导油棉时，受热汽化后冷凝产生烟雾，通过气流到达抽吸者的口腔或肺中［5]，电阻丝的加热温度和电子烟液的配比是影响雾化的主要因素。

2.1.2 超声波雾化器

导油棉上的电子烟液受雾化片高频振荡的影响，液滴挣脱表面张力形成烟雾，通过气流到达抽吸者的口腔或肺中，雾化片振荡频率、雾化片振荡时的温度、电子烟液配比及表面张力（1,2-丙二醇和丙三醇的表面张力与黏度成正线性相关）是影响雾化的主要因素。一般情况下，表面张力和黏度随着温度的升高而降低。

2.2 考察指标的选择

采用转盘型吸烟机对电子烟进行逐口抽吸时，由于滤嘴夹持器到剑桥滤片之间有一段金属通道，此通道对烟雾有冷凝作用。在不清楚烟雾中各组分冷凝效果的情况下，不宜考察1,2-丙二醇和丙三醇比例的逐口变化情况，而适宜考察气溶胶捕集量和捕集物中主要组分质量分数的逐口变化情况。

2.3 电子烟液组分的质量分数

配制的烟碱质量分数为10 mg/g、PG与VG质量比为3∶7、5∶5、7∶3的3种电子烟液的组分分析结果如表1所示。

2.4 气溶胶捕集量的逐口变化

以抽吸前后捕集器的质量差作为气溶胶捕集量（ACM），计算得到1支电子烟对应不同抽吸口数序号的捕集量。由图1可以看出，①超声波雾化电子烟的气溶胶捕集量高于电阻丝雾化电子烟。②随电子烟液中1,2-丙二醇比例的增大，电阻丝雾化电子烟气溶胶捕集量也逐渐增加，而1,2-丙二醇和丙三醇比例为5∶5和7∶3的超声波雾化电子烟气溶胶捕集量基本相同且最高。③随抽吸口数序号的增大，电阻丝雾化电子烟气溶胶捕集量变化不大；而超声波雾化电子烟气溶胶捕集量逐渐增加，前2口增加幅度最大，第11口后，增加的趋势变平缓。可能是振荡时产生的热量由雾化片中心逐渐传递到导油棉的烟液中，使烟液的表面张力变小，从而促使气溶胶捕集量逐渐增加。

2.5 烟碱释放量的逐口变化

烟气中烟碱的逐口抽吸分析结果如图2所示。可以看出，随抽吸口数序号的增大，电阻丝雾化电子烟烟碱释放量变化不大；而超声波雾化电子烟烟碱释放量逐渐增加，第9口后，烟碱释放量增加的趋势变平缓。

2.6 1,2-丙二醇的逐口释放

2.6.1 1,2-丙二醇释放量的逐口变化

烟气中1,2-丙二醇的逐口抽吸分析结果如图3所示。可以看出，随抽吸口数序号的增大，电阻丝雾化电子烟1,2-丙二醇释放量变化不大；而超声波雾化电子烟1,2-丙二醇释放量整体上逐渐增加，第9口后，1,2-丙二醇释放量增加的趋势变平缓。

2.6.2 1,2-丙二醇所占比例的逐口变化

将同样条件下1,2-丙二醇释放量与气溶胶捕集量的比值称为1,2-丙二醇所占比例。烟气中1,2-丙二醇所占比例的逐口抽吸分析结果如图4所示。可以看出，随抽吸口数序号的增大，电阻丝雾化电子烟1,2-丙二醇所占比例变化不大；而超声波雾化电子烟1,2-丙二醇所占比例第1口最大，并且超过了1,2-丙二醇在电子烟液中的比例，从第2口开始，1,2-丙二醇所占比例的变化趋于平稳。产生这种现象的原因可能是第1口的雾化以超声波振荡为主，雾化片产生的热量还未传递至烟液，使表面张力相对较小的1,2-丙二醇更多地雾化出来。

2.7 丙三醇的逐口释放

2.7.1 丙三醇释放量的逐口变化

烟气中丙三醇的逐口抽吸分析结果如图5所示。可以看出，随着抽吸口数序号的增大，电阻丝雾化电子烟丙三醇释放量变化不大；而超声波雾化电子烟丙三醇释放量逐渐增加，前4口增加幅度较大，第9口后，丙三醇释放量增加的趋势变平缓。

2.7.2 丙三醇所占比例的逐口变化

烟气中丙三醇所占比例的逐口抽吸分析结果如图6所示。可以看出，随抽吸口数序号的增大，电阻丝雾化电子烟丙三醇所占比例变化不大；而超声波雾化电子烟丙三醇所占比例第1口最小，前4口呈增加趋势，第4口以后丙三醇所占比例的变化趋于平稳。这种现象与丙二醇所占比例的变化相反，但可能的原因是相似的，第1口的雾化使表面张力相对较大的丙三醇更少地雾化出来，随雾化片产生热量的不断传递，烟液温度升高，丙三醇表面张力降低，雾化出的丙三醇增加，使气溶胶捕集量也逐渐增加，最后达到稳态。

2.8 甲醛的逐口释放

2.8.1 甲醛释放量的逐口变化

有研究表明，电子烟气溶胶中甲醛的释放主要与丙三醇的加热裂解反应有关［7]，雾化温度越高，释放量越大；相同温度下，丙三醇比例越高，释放量也越大。为考察电阻丝雾化电子烟与超声波雾化电子烟甲醛释放量的逐口变化情况，选择PG∶VG=5∶5的电子烟液为对象，分析结果见图7。可以看出，随抽吸口数序号的增大，电阻丝雾化电子烟甲醛释放量缓慢增加；而超声波雾化电子烟甲醛释放量前4口基本较低且保持不变，第5口开始快速增加，第9口后，增加的速度变慢。超声波雾化电子烟稳态的雾化片温度为150℃左右，低于电阻丝雾化电子烟的雾化温度，因而超声波雾化电子烟甲醛释放量少于电阻丝雾化电子烟。

2.8.2 甲醛所占比例的逐口变化

烟气中甲醛所占比例的逐口抽吸分析结果如图8所示。可以看出，①随抽吸口数序号的增大，电阻丝雾化电子烟甲醛所占比例前5口有些波动，第5口后，整体变化不大；而超声波雾化电子烟甲醛所占比例前4口基本保持不变，第5口至第8口逐渐增加，第8口后，变化趋于平稳。②超声波雾化电子烟甲醛所占比例（约0.05%）小于电阻丝雾化电子烟（约0.27%）。

3 结论

①随抽吸口数序号的增加，电阻丝雾化电子烟气溶胶释放稳定性好于超声波雾化电子烟。②受超声波振荡和雾化片加热的双重作用，超声波雾化电子烟气溶胶捕集量、1,2-丙二醇释放量、丙三醇释放量、烟碱释放量随抽吸口数序号的增大均呈现出先增加后逐渐平稳的变化趋势；超声波雾化电子烟开始抽吸时出现1,2-丙二醇所占比例偏高和丙三醇所占比例偏低的现象，后续抽吸丙三醇所占比例逐渐增大，最后1,2-丙二醇和丙三醇所占比例达到稳定状态。③由于超声波雾化电子烟雾化片温度低于电阻丝的加热温度，所以超声波雾化电子烟甲醛释放量和甲醛所占比例均小于电阻丝雾化电子烟，其中甲醛所占比例约为电阻丝雾化电子烟的1/5。本研究结果可为电子烟的研发提供参考。