加热卷烟气溶胶化学成分分析研究进展

张虎，段沅杏，杨柳，申钦鹏，赵杨，张俊丰，黄妍*

1 湘潭大学，环境与资源学院，湖南湘潭 411105；2 云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明市五华区红锦路367号 650231

加热卷烟是利用电子设备加热烟草材料产生可吸入气溶胶的烟草制品[1-2]。其气溶胶主要成分为水、丙二醇、丙三醇、烟碱和香味物质[3-4]。此过程没有燃烧行为，产生的有害物质远低于传统卷烟，在热物理和热化学方面与传统卷烟存在较大差异[5-8]。

与传统卷烟相比，加热卷烟气溶胶中丙二醇、丙三醇的含量远高于香味物质，采用传统卷烟检测方法来测定香味物质，检测结果远低于实际含量。此外，传统卷烟的烟气检测方法针对性不强，不能同时对水分、烟碱、多元醇类进行检测。为了对加热卷烟气溶胶化学成分进行更准确的检测分析，本文对加热卷烟抽吸模式、气溶胶捕集和分析方法进行了综述。

1 抽吸模式

抽吸模式是影响加热卷烟气溶胶产生的一个关键因素，不同的抽吸参数会对加热卷烟气溶胶的释放量产生重要影响。Zenzen等[9]通过改变抽吸容量、抽吸时间和抽吸间隔研究了12种抽吸方式对加热卷烟气溶胶的影响，发现不同抽吸条件下气溶胶中烟碱含量差异很大。Mcadam等[10]以GLO为研究对象，研究了15种抽吸方式对加热卷烟气溶胶释放量的影响，发现抽吸时间是影响加热卷烟气溶胶释放量的关键因素。Roal等[11]以IQOS为研究对象，研究了在HCI和ISO抽吸模式下加热卷烟气溶胶中各组分的释放量。研究表明，在两种抽吸模式下气溶胶中活性氧含量没有显著变化，在HCI抽吸模式下总粒相物、烟碱、游离烟碱均高于ISO抽吸模式。姜兴义等[12]以IQOS和GLO为研究对象，参考ISO、HCI 和 CORESTA推荐的电子烟抽吸模式（抽吸容量55 mL、抽吸时间3 s、抽吸间隔30 s）抽吸加热卷烟，研究发现抽吸参数对IQOS气溶胶中所有组分的释放量均有影响，其中抽吸间隔影响最大；而抽吸参数对GLO气溶胶中一氧化碳和乙醛释放量有显著影响。Farsalinos等[13]参考HCI抽吸模式，按抽吸容量为55 mL，抽吸时间为2 s、4 s，抽吸间隔为30 s的抽吸模式抽吸加热卷烟，发现在相同抽吸容量下，延长抽吸时间加热卷烟烟碱的释放量没有显著变化。

目前，虽然HCI和ISO抽吸模式广泛应用于加热卷烟气溶胶的研究，但两种抽模式中规定的一些条件并不适用于加热卷烟气溶胶的捕集，如烟支周围空气的流速控制、通风口堵塞等问题。2020年，CORESTA[14]针对HCI模式建议抽吸加热卷烟过程中不需要堵塞通风口、控制空气流速。同时，建议在烟具振动后再开始收集加热卷烟气溶胶，在烟具停止加热后再抽吸一口。

2 样品捕集

无论是对加热卷烟气溶胶进行定量分析还是进行体外毒性测试，捕集加热卷烟气溶胶是必不可少的步骤。合理的样品捕集方法是准确定量分析加热卷烟气溶胶的关键步骤之一，不同样品捕集方法会对分析结果产生较大影响。如Schaller等[15]采用剑桥滤片先捕集IQOS气溶胶成分再进行分析，Ilies等[16]采用直接进样法测定了IQOS释放的挥发性成分，结果发现，Ilies鉴定出的62种有机化合物中只有10种与Schaller等人检测出的化合物相同，这种差异主要源于样品的捕集方法不同。表1列出了目前研究人员针对加热卷烟气溶胶中的不同组分建立的不同捕集方法。

表1 加热卷烟气溶胶不同捕集方法Tab. 1 Different trapping methods for heated cigarette aerosol

2.1 剑桥滤片捕集

剑桥滤片捕集是卷烟烟气分析中最常用的捕集方式，也是捕集加热卷烟气溶胶的可行技术。张丽等[21]使用剑桥滤片连接含有异丙醇溶液吸收瓶来收集加热卷烟气溶胶中的丙二醇、丙三醇和烟碱，结果在吸收液中未检测出丙二醇、丙三醇和烟碱，说明剑桥滤片可以实现加热卷烟气溶胶中丙二醇、丙三醇和烟碱的有效捕集。此外，剑桥滤片也是收集加热卷烟气溶胶中酚类和烟草特有亚硝胺的有效方法。McGrath等[24]使用剑桥滤片捕集了烟草在低温热解下产生的酚类物质，研究了不同种类烟草在350℃～600℃下热解生成的酚类物质。Leigh等[34]使用含有氚作内标的醋酸铵溶液，萃取了剑桥滤片收集的烟草特有亚硝胺，结果发现加热卷烟产生的烟草特有亚硝胺低于传统卷烟，但高于电子烟。

2.2 吸收瓶捕集

吸收瓶捕集是通过在吸收瓶中加入特定液体来捕获加热卷烟气溶胶的可溶性物质，是捕集加热卷烟气溶胶中羰基化合物、氨、非挥发性化合物等化学成分较为成熟的方法。Farlinos等[7]采用含有DNPH溶液的吸收瓶捕集了加热卷烟气溶胶中的羰基化合物，使用高效液相色谱对其进行分析。Ibanez等[23]使用溶液吸收瓶捕集了传统卷烟烟气和加热卷烟气溶胶中的非挥发性化合物，研究结果表明加热卷烟气溶胶中的非挥发性、非烟碱成分的含量远低于传统卷烟。

2.3 吸附管捕集

吸附管捕集是利用目标分析物与固体吸附剂的吸附性能来收集化合物的方法，常用来分析加热卷烟气溶胶中的挥发性和半挥发性有机物。Uchiyama等[30]将Carboxn572吸附管和剑桥滤片结合起来捕集加热卷烟气溶胶中的化合物，分析比较了加热卷烟气溶胶和传统卷烟烟气中的化合物。Auer等[29]使用XAD-2吸附管收集了加热卷烟气溶胶中的多环芳烃，比较加热卷烟和传统卷烟释放的16种多环芳烃差异。结果表明，加热卷烟气溶胶中苊的浓度高于传统卷烟，其它的15种多环芳烃浓度都远低于传统卷烟。Savareear等[31]将Tenax吸附管和热脱附结合起来分析了收集加热卷烟产生的VOCs，发现除了丙三醇和一些呋喃族化合物外，传统卷烟烟气的其它物质的浓度均高于加热卷烟。

2.4 静电捕集

静电捕集是通过静电捕集管产生的电场将带正电荷的微粒捕集在负极上，是捕集卷烟烟气常用的方法，目前在分析加热卷烟气溶胶中的应用较少。Michael等[18]使用滤片捕集和静电捕集两种方法捕集加热卷烟气溶胶中的烟碱、丙三醇、丙二醇和水，发现通过静电捕集的水分含量高于滤片捕集的水分含量。

3 加热卷烟气溶胶的分析与检测

3.1 样品前处理技术

与传统卷烟相比，加热卷烟气溶胶中化合物的含量通常都很低，许多痕量化合物通常不能被检测出来。因此，选择合适前处理方法对加热卷烟气溶胶中痕量化合物的分析非常重要。表2归纳了目前常用于加热卷烟气溶胶化合物检测的前处理方法。

表2 加热卷烟气溶胶分析的前处理方法Tab. 2 Pretreatment methods for analysis of heated cigarette aerosol

Ghsoh等[36]为更准确测定加热卷烟气溶胶中的水分，使用原位提取的方法提取了剑桥滤片中的水分，减少了在打开剑桥滤片捕集器以及移取滤片时水分的损失。杨紫刚等[37]将捕集了香味成分的剑桥滤片进行同时蒸馏萃取，该方法集蒸馏和萃取于一体、耗时短，可有效提取加热卷烟气溶胶中的香味成分。龚淑果等[42]将固相微萃取与色谱仪器结合起来，使用固相微萃取技术提取加热卷烟产生的香气物质，研究了加热卷烟香气物质逐口释放规律。罗彦波等[43]使用衍生化方法对加热卷烟产生的醛酮类物质进行处理，增加了醛酮类化合物的离子化效率和质谱响应，解决了醛酮类物质因缺少电离基团而无法被质谱检测的难题。郑绪东等[47]使用顶空-气相色谱-质谱联用仪分析了不同温度下加热卷烟烟气成分的释放特性，该方法省去了溶剂萃取繁琐的步骤、有效降低了非挥发性物质和复杂基质对目标分析物的干扰。

3.2 气溶胶化学成分分析

3.2.1 气相色谱法

气相色谱法是一种利用样品中各组分在色谱柱中不同的吸附能力来分离化合物的方法。Farsalinos等[13]建立了一种检测加热卷烟气溶胶中烟碱的GC-NPD气相色谱法，此方法的平均回收率为86.85%，重复性为86.85%，再现性为86.6%，相对标准偏差为5.5%～9.7%。王康等[48]建立了一种同时检测加热卷烟气溶胶丙二醇、丙三醇和烟碱含量的GC-FID气相色谱法，其中丙二醇、丙三醇和烟碱的定量限为0.031 mg/cig、0.059 mg/cig、0.035 mg/cig，加标回收率在 95.1%～109.2%之间，相对标准偏差在1.77%～4.28%之间，目标物标准工作曲线线性良好，线性相关系数均大于0.999。张丽等[21]建立了一种检测加热卷烟气溶胶中水分的GC-TCD气相色谱法，水分的定量限为0.28 mg/cig，加标回收率为96.7%～101%，相对标准偏差为2.4%～6.5%，水分标准曲线相关系数为0.9999，说明该方法能准确定量分析加热卷烟气溶胶中的水分。

对于复杂组分分析，通常将气相色谱与质谱结合起来。许晓黎等[49]建立了一种热裂解气相色谱质谱联用法（PY-GC/MS），研究加热卷烟中香兰素的转移行为，定量限为0.1223 μg /mL，回收率为90.80%，相对标准偏差为7.20%，目标工作物的标准曲线相关系数为0.999，说明此方法适合香兰素的定量研究。Hofer等[50]建立了一种GC-MS方法，定量分析了加热卷烟气溶胶中24种化合物，定量限在0.0005～20.5 μg/mL之间，所有化合物的回收率均在82.1%～113.8%之间，重复性变异系数在7.9%～17.7%之间，中间精密度的变异系数在8.1%～19.9%之间。

在对加热卷烟气溶胶进行分析时，为解决一维色谱对挥发性和半挥发性成分分离能力不高，峰容量小，分析时间长等问题，常会使用二维气相色谱来提高分离和分辨能力[51]。刘鸿等[52]采用中心切割二维气相色谱-质谱联用（MD-GC/MS）研究发现加热卷烟气溶胶中的苯甲醇、苯乙醇、茄酮、新植二烯等成分的释放量与卷烟烟气较为接近，不同类型的加热卷烟气溶胶主要成分基本一致，但含氧裂解产物和酚类物质的释放量差异较大。周慧明等[53]使用中心切割二维气相色谱-质谱联用方法研究了不同丙三醇含量的再造烟叶颗粒在150℃～350℃受热后释放的香味成分，结果表明提高加热温度和增加原料中丙三醇的含量均可以提高香味成分的释放总量。Schwanz等[54]采用全二维气相色谱-飞行时间质谱联用技术（GC×GCTOFMS），结合化学计量学方法，对不同加热温度下加热再造烟叶产生的气溶胶化学组成进行了分析。结果表明该方法对挥发性组分的峰面积和峰数显示出良好的效率和精度。Savareear等[40]建立了一种顶空固相微萃取-全二维气相色谱/飞行时间质谱联用技术（HS-SPME GC×GC-TOFMS）分析了加热卷烟气溶胶中的挥发性和半挥发性物质，共检测出205种物质，其中82种物质是首次在加热卷烟气溶胶中被检测出来，具有较好的分离度。

3.2.2 液相色谱法

液相色谱法是一种利用目标分析物与固定相之间不同的相互作用力来分离化合物的方法。目前，液相色谱主要用于加热卷烟气溶胶中羰基化合物和烟草特有亚硝胺的研究。Ishizaki等[39]建立了一种在线管内固相微萃取-液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）研究了加热卷烟和传统卷烟烟气中的烟草特有亚硝胺，该方法具有选择性强、灵敏度高，不需要预处理和不受其它共存物质干扰的优点。研究表明，该方法的烟草特有亚硝胺定量限为8.1～22.4 pg/cig，日内精密度和日间精密度分别为94.2%～114.5%和99.3%～118.5%，工作曲线相关系数≥0.9998，可以准确测定气溶胶中的烟草特有亚硝胺。罗彦波等[43]采用化学衍生-液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）测定了加热卷烟气溶胶中9种醛酮类香味成分。该方法检出限为0.07 ng/mL～12.66 ng/mL，相对标准偏差在0.2%～11.6%之间，目标分析物在3个加标水平下的回收率为82.5%～118.0%，标准曲线相关系数≥0.9937。Kim等[55]建立了一种高效液相-紫外法（UPLC-UV），研究了加热卷烟气溶胶中6种羰基化合物，除了甲醛的响应因子为25674 ng-1，其它羰基化合物的响应因子均在12351～19519 ng-1之间，6种羰基化合物的检出限为0.0024～0.009 μg /L，相对标准偏差都低于2%，标准工作曲线线性相关系数＞0.99。

3.2.3 其它方法

除色谱分析方法外，酶电极法、非色散红外分析法（NDIR）、核磁共振氢谱（1H-NMR）、电子顺磁共振（EPR）也用于加热卷烟气溶胶分析检测。赵德清等[56]采用酶电极法测定了加热卷烟烟草材料和气溶胶中丙三醇含量，该方法检出限和定量限分别为0.045 mg/mL、0.149 mg/mL，相对标准偏差为2.15%，标准曲线线性相关系数为0.9998，重复性良好，与气相色谱测定丙三醇的结果相比，没有显著的差异。为了评价加热卷烟CO释放特性，周顺等[57]建立了一种基于可控等比值法的稳态燃烧热解装置和非散射红外分析仪联用（SSTF-NDIR）的方法，定量分析了加热卷烟CO的释放量，考察了温度、通风条件和烟草材料组成对CO释放的影响。Meehan-Atrash等[58]采用1H-NMR直接测定IQOS气溶胶中的游离烟碱，该方法与Salman[11]等测定游离烟碱的方法相比，减少了溶剂的干扰，提升了检测结果的准确性。Shein等[59]使用EPR技术分析对比了传统卷烟、电子烟和加热卷烟气溶胶中自由基的种类和数量，研究发现电子烟和加热卷烟气溶胶中的自由基水平不超过传统卷烟的1%。Zachary等[60]通过EPR技术发现粒相自由基只存在于传统卷烟中，加热卷烟和电子烟气溶胶中的气相自由基水平相似，但比传统卷烟低了50倍左右。

4 结论与展望

由于加热卷烟气溶胶是烟草材料受热蒸馏后形成的，导致加热卷烟气溶胶与传统卷烟烟气有明显的差异，现有的传统卷烟烟气相关收集、分析方法不能完全适用于加热卷烟的化学成分分析。因此未来的研究应该主要围绕着这四个方面展开：1）抽吸模式：未来应尽快建立标准的加热卷烟抽吸模式，为加热卷烟气溶胶准确分析提供良好的前提条件；2）捕集方式：吸附管是捕集加热卷烟气溶胶中挥发性成分和半挥发性成分非常有效的方法，未来的研究可以集中于寻找性能更好的吸附剂，以扩大目标化合物的数量。同时，应进一步研究和完善静电捕集的适用物质分析；3）前处理技术：需要将更多前沿的前处理技术引用到加热卷烟气溶胶的分析中，以建立更环保、更稳定和更有效的加热卷烟气溶胶前处理技术；4）分析方法：在现有的传统卷烟烟气化学成分检测技术基础上，对加热卷烟气溶胶的分析方法进行研究、优化和验证。