加热卷烟呼出气溶胶主要成分的测定及与吸入气溶胶的比较

王 予，华辰凤，赵俊伟，韩 冰，潘晓薇，王 冰，赵晓东，林 云，谢复炜，陶 红，陈森林，余晶晶*

1. 广东中烟工业有限责任公司，广州市荔湾区东沙环翠南路88 号 510000

2. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

近些年，加热卷烟发展非常迅速。相较于传统卷烟，加热卷烟不产生侧流烟气，对环境空气质量的影响明显小于传统卷烟［1-5］。然而，吸烟者抽吸加热卷烟时呼出的气溶胶仍然会对环境空气产生一定的影响。吸烟者呼出气溶胶中主要成分释放量的测定是评价抽吸加热卷烟对环境空气质量影响的基础，而呼出和吸入气溶胶中主要成分释放量的差异对于评价加热卷烟健康风险具有重要意义。加热卷烟是基于蒸馏技术，抽吸温度在500 ℃以下，其气溶胶中主要成分包含水、丙三醇、丙二醇、烟碱及低释放量的潜在有害成分［6-7］。加热卷烟气溶胶中水、丙三醇和丙二醇释放量高于传统卷烟，而潜在有害成分释放量远低于传统卷烟［8-13］。目前，国内外关于加热卷烟呼出气溶胶中主要成分释放量及与吸入气溶胶的比较研究未见文献报道。传统卷烟和电子烟呼出气溶胶中化学成分及与吸入气溶胶的比较研究已有文献报道［14-20］。例如，Moldoveanu等［14］采用真空辅助技术捕集了吸烟者抽吸卷烟后的呼出气溶胶，对其化学成分进行了分析，结果表明，卷烟烟气中约有1/3的化合物的人体截留率≥66.00%；其中低分子量、高水溶性化合物的人体截留率≥66.00%，高分子量、高沸点化合物人体截留率≤33.00%。Long 等［19］研究了传统卷烟和电子烟呼出气溶胶化学成分的差异，结果表明，与传统卷烟不同，电子烟呼出气溶胶中水和甘油释放量约占99.90%，烟碱释放量＜0.06%。Marco等［20］采用内置Tenax柱的Bio-VOCs装置对传统卷烟和电子烟呼出气溶胶进行捕集，结合热脱附-GC-MS 法分析了挥发性有机物（Volatile organic compounds，VOCs）的释放量，结果表明传统卷烟呼出气溶胶中含有多种VOCs，如苯、甲苯和萘等，而电子烟呼出气溶胶中主要为丙二醇和丙三醇。

本研究中采用真空辅助装置捕集加热卷烟呼出气溶胶，结合气相色谱-氢火焰离子化检测器（Gas chromatography-Flame ionization detector，GC-FID）法测定了其中丙二醇、丙三醇、薄荷醇、烟碱和三醋酸甘油酯的释放量，对分析方法进行了优化和评价。招募志愿者抽吸加热卷烟，分析呼出气溶胶中主要成分释放量，并与吸入气溶胶进行了比较研究。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

1#加热卷烟：菲莫国际烟草公司中心加热型iQOS（Tobacco Heating Device 2.4），烟支为Heets（yellow selection）；2#加热卷烟：英美烟草公司外周加热型GLO（Model：G003），烟支为Kent（Bright tobacco 口味）；3#～8#加热卷烟：国产中心加热型卷烟产品及配套烟支，产品口味分别为3#原味，4#薄荷味，5#原味，6#薄荷味，7#原味，8#陈皮味；XAD-4 吸附管（80/40 mg，美国Supelco公司）；剑桥滤片（44 mm，德国Borgwaldt公司）；有机相滤膜（0.45 µm，上海安谱实验科技股份有限公司）。

烟碱（99.00%，加拿大TRC 公司）；丙三醇（99.50%）、丙二醇（99.50%）（天津Alfa Aesar 公司）；薄荷醇（AR，郑州派尼化学试剂厂）；三醋酸甘油酯（≥98.50%，国药集团药业股份有限公司）；1，3-丁二醇（99.00%）、2-甲基喹啉（99.00%）（中国阿达玛斯试剂有限公司）；水为GB/T 6682—2008规定的一级水（电导率≤0.01 mS/m，25 ℃）；异丙醇（HPLC 级，≥99.90%，上海科醚化学科技有限公司）；丙二醇、丙三醇、薄荷醇、烟碱和三醋酸甘油酯标准工作溶液采用异丙醇配制；1，3-丁二醇和2-甲基喹啉混合内标溶液采用异丙醇配制，浓度均为1.00 mg/mL。

Agilent 6890 气相色谱-氢火焰离子化检测器（GC-FID，美国Agilent科技公司）；SRL_3.7MB5C型无油式螺杆空压机（南京日立产机有限公司）；450cc型氢气发生器（英国Peak 气体公司）；ADV 230V 数显型多管涡旋混合器（美国Talboys公司）；SM450直线型吸烟机（英国Cerulean 公司）；CP2245 电子天平（感量0.000 1 g，德国Sartorius 公司）；CReSS Pocket 10900020型吸烟行为记录仪（德国Borgwaldt公司）。

1.2 方法

1.2.1 招募志愿者

招募吸烟志愿者3 名，年龄18～60 周岁之间，持续抽烟6个月以上，每天抽吸15支以上；无严重心血管、呼吸系统及其他严重疾病；能遵守研究要求，抽吸加热卷烟。志愿者均需签署研究知情同意书。

1.2.2 呼出气溶胶的捕集

志愿者抽吸加热卷烟，采用图1所示装置逐口捕集呼出气溶胶。该装置由弧形面罩式一次性吹嘴、捕集器（内置剑桥滤片）、XAD-4吸附管、三通、气体采样泵5部分构成，各部分之间采用橡胶软管连接。气体采样泵用于辅助呼出气溶胶在剑桥滤片和吸附管上的捕集。具体操作：打开气体采样泵，流速为3.00 L/min。志愿者抽吸加热卷烟时，三通为放空状态；捕集呼出气溶胶时，志愿者用手指按住三通口，口腔对准吹嘴呼出气溶胶。

图1 呼出气溶胶捕集装置示意图Fig.1 Schematic diagram of an exhaled aerosol capture device

1.2.3 样品前处理及分析条件

1.2.3.1 呼出气溶胶样品

志愿者抽吸1支加热卷烟，对呼出气溶胶进行捕集。捕集结束后，取出剑桥滤片、吸附管内吸附剂和玻璃毛，将其置于16 mL离心管中，加入10 mL异丙醇及100 µL内标（1，3-丁二醇和2-甲基喹啉混合溶液）涡旋萃取20 min，取2 mL上清液，过有机相滤膜后进行GC-FID分析。分析条件：

色谱柱：Agilent ALC毛细管柱（30 m×0.32 mm×1.8 µm）；载气：He（99.999%），气体流速1.8 mL/min；进样口温度：250 ℃；分流比：10 ∶1；进样体积：2.00 µL；程序升温条件：220 ℃（10 min）；总运行时间：22 min；FID 检测器温度：275 ℃；氢气流量：40 mL/min；空气流量：400 mL/min；尾吹气：N2气，流量25 mL/min。

方法优化时将剑桥滤片和吸附管内吸附剂（含玻璃毛）分别萃取。

1.2.3.2 吸入气溶胶样品

采用吸烟行为记录仪记录每名志愿者抽吸每种加热卷烟的抽吸参数，获得平均抽吸参数。在直线型吸烟机上，分别模拟志愿者抽吸行为抽吸加热卷烟，每个样品抽吸4支加热卷烟。采用剑桥滤片捕集加热卷烟气溶胶，抽吸结束后将剑桥滤片加入至20 mL异丙醇溶液（含1，3-丁二醇和2-甲基喹啉内标）中，涡旋萃取20 min，取2 mL上清液，过有机相滤膜后，进行GC-FID 分析。分析条件同1.2.3.1 节。根据样品中目标化合物的浓度，调整标准曲线浓度范围和内标浓度，对样品进行定量分析。

2 结果与讨论

2.1 捕集效率考察

为考察图1所示装置的捕集效率，志愿者抽吸原味和薄荷味加热卷烟产品各1种，分别测定剑桥滤片和XAD-4 吸附管中主要成分的释放量，结果如表1所示。由表1可知，无论是原味还是薄荷味加热卷烟呼出气溶胶，在吸附管中均能检出目标化合物，且分配比较高。在吸附管后再串联1 根XAD-4 吸附管时，第2 根吸附管上各目标物的量所占比例均小于5.00%。因此，采用剑桥滤片和1 根XAD-4 吸附管串联即可实现对加热卷烟呼出气溶胶中各目标化合物的捕集［21］。

表1 目标化合物在滤片和吸附管中的分配比例Tab.1 Distribution ratios of target compounds in filter and adsorption tube（%）

另外，考察了吸烟机抽吸加热卷烟时的捕集效率。按照加拿大深度（Health Canada Intensive，HCI）抽吸方案抽吸薄荷味加热卷烟，采用剑桥滤片串联XAD-4吸附管捕集4支加热卷烟气溶胶。结果表明，XAD-4 吸附管上各成分释放量占比均小于5.00%。因此，吸烟机抽吸加热卷烟时，仅采用剑桥滤片进行捕集。这与呼出气溶胶的捕集方式不同，主要源于呼出气溶胶和吸烟机抽吸产生的气溶胶的状态不同，二者的化学成分也存在差异。

2.2 气体采样泵流速优化

志愿者抽吸薄荷味加热卷烟，采用不同气体采样泵流速捕集呼出气溶胶，实验中要求志愿者保持每次抽吸参数一致，结果如图2所示。当气体采样泵流速为3.00 L/min 时，所捕集的各成分释放量均为最高。这主要是由于流速较低时，呼出气溶胶会从吹嘴和志愿者面部之间的空隙溢出，造成捕集不完全；流速过高则会造成目标化合物从剑桥滤片和吸附管上穿透。另外，文献［22］报道，当鱼尾罩气体流量设置为（3.00±0.10）L/min 时，能将侧流烟气捕集完全。由于呼出气溶胶捕集与之类似，因此，本研究中气体采样泵流速设定为3.00 L/min。

图2 气体采样泵流速对成分释放量的影响Fig.2 Influence of flow speed of gas in sampling pump on releases of target compounds

2.3 前处理条件优化

在剑桥滤片和吸附管中分别加入一定量标准溶液，按照图1连接，为了模拟真实采样状态，打开气体采样泵以流速3.00 L/min 抽1 min，然后分别对剑桥滤片和吸附管内吸附剂进行萃取，考察不同萃取方式和萃取时间的影响。由图3可知，与超声和振荡萃取相比，采用涡旋萃取时，剑桥滤片和吸附管上萃取的目标物质量分数更高。由图4可知，当涡旋萃取时间为20 min 时，滤片和吸附管中萃取的目标物质量分数均已达到最高；继续延长萃取时间，目标物质量分数无明显增加。因此，对剑桥滤片和吸附管采用涡旋20 min 萃取。

图3 萃取方式对目标物质量分数的影响Fig.3 Influence of extraction method on mass fractions of target compounds

图4 萃取时间对目标物质量分数的影响Fig.4 Influence of extraction time on mass fractions of target compounds

2.4 分析方法表征

采用GC-FID 法分析系列标准工作溶液，采用内标法绘制标准工作曲线，其中，丙二醇、丙三醇和薄荷醇以1，3-丁二醇为内标，烟碱和三醋酸甘油酯以2-甲基喹啉为内标。方法的线性范围和线性方程见表2，可知，各目标化合物标准曲线线性关系良好。采用最低浓度标准工作溶液连续进样10次，分别以各目标化合物的峰面积的3倍和10倍标准偏差计算得到检出限（LOD）和定量限（LOQ）。由表2可知，本方法各目标化合物的LOD 和LOQ 分别在0.10～0.41 和0.34～1.38 µg/mL 之间。在剑桥滤片和吸附管上进行低、中、高3个不同浓度水平的加标回收率实验，各目标化合物的回收率在77.70%～120.00%之间（表3）。在剑桥滤片和吸附管上分别加入中等浓度标准溶液，同一天内连续6次实验，考察方法的日内精密度；连续6 d 实验，考察方法的日间精密度，结果如表3所示，各目标化合物的日内和日间精密度良好，日内RSD≤6.93%、日间RSD≤10.70%。

表2 方法的标准曲线、检出限和定量限Tab.2 Calibration curves, LODs and LOQs of the method

表3 方法的回收率、日内和日间精密度Tab.3 Recoveries, intra-and inter-day precisions of the method

2.5 加热卷烟呼出气溶胶中主要成分释放量分析

由3名志愿者分别抽吸8种加热卷烟，每名志愿者每种加热卷烟抽吸3 次，对呼出气溶胶样品的分析结果如图5 所示。可知，呼出气溶胶中均含有丙二醇、丙三醇、烟碱、三醋酸甘油酯，其中，丙三醇的释放量最高。由于4#和6#样品为薄荷味产品，呼出气溶胶中含有薄荷醇。加热卷烟呼出气溶胶中丙二醇和丙三醇释放量较高，源于加热卷烟中加入了大量的丙二醇和丙三醇作为雾化剂［8］。志愿者抽吸加热卷烟后呼出气溶胶中丙二醇、丙三醇、薄荷醇、烟碱和三醋酸甘油酯释放量分别在0.000 6～0.016 0、0.012 0～0.650 0、0.009 0～0.180 0、0.000 1～0.081 0、0.000 1～0.027 0 mg/支之间。由于志愿者的抽吸存在随意性，志愿者抽吸同一种加热卷烟3次，呼出气溶胶中主要成分释放量的RSD 较大（3.70%～101.00%之间）。不同志愿者抽吸同一加热卷烟，呼出气溶胶中主要成分释放量也存在差异，RSD 为6.13%～102.00%之间，主要源于志愿者的抽吸习惯不同。文献［14-18］中吸烟者抽吸卷烟后呼出气溶胶中主要成分释放量的变异性也较大，RSD 在17.00%～106.00%之间。

2.6 呼出气溶胶与吸入气溶胶中主要成分释放量比较

采用吸烟行为记录仪记录每名志愿者抽吸每种加热卷烟产品的平均抽吸参数。在吸烟机上模拟志愿者抽吸行为抽吸加热卷烟，测定加热卷烟吸入气溶胶中主要成分的释放量，结果如图5所示。吸入气溶胶中丙二醇、丙三醇、薄荷醇、烟碱和三醋酸甘油酯的释放量范围分别为0.05～2.70、2.72～6.44、0.44～1.78、0.91～1.89 和0.36～2.21 mg/支，其中，丙三醇释放量最高。吸入气溶胶3 次的平行性结果较好（RSD≤10.58%）。不同加热卷烟产品吸入气溶胶中各目标成分释放量存在差异，主要源于不同产品的配方不同。1#样品丙二醇释放量为8 种加热卷烟产品中最低，显著低于其他7 种加热卷烟产品；3#和4#样品气溶胶中三醋酸甘油酯释放量明显高于其他6种加热卷烟产品。4#和6#样品为薄荷味产品，吸入气溶胶中含有薄荷醇，且6#样品薄荷醇的释放量高于4#样品。

图5 呼出和吸入气溶胶中主要成分的释放量（平均值±标准偏差，n=3）Fig.5 Releases of main chemical components in exhaled aerosol and inhaled aerosol (mean±SD，n=3)

由图5可知，吸入气溶胶中主要成分释放量显著高于呼出气溶胶。采用人体截留率考察吸入和呼出气溶胶中释放量的差异，计算公式如下：

式中：R为人体截留率，%；M呼出为呼出气溶胶中成分的释放量，mg/支；M吸入为吸入气溶胶中成分释放量，mg/支。

人体对丙二醇、丙三醇、薄荷醇、烟碱和三醋酸甘油酯的截留率分别在69.70%～99.90%、87.80%～99.80%、92.00%～98.00%、93.60%～100.00%和92.20%～100.00%之间，平均截留率分别为96.80%、96.20%、96.00%、99.60%和99.60%。

3 结论

①建立了加热卷烟呼出气溶胶中丙二醇、丙三醇、薄荷醇、烟碱和三醋酸甘油酯的真空辅助捕集-GC-FID 分析方法；②抽吸加热卷烟后呼出气溶胶中丙二醇和丙三醇的释放量较高；③加热卷烟呼出气溶胶中各目标成分释放量显著低于其在吸入气溶胶中的释放量；④人体对丙二醇、丙三醇、薄荷醇、烟碱和三醋酸甘油酯的平均截留率均大于等于96.00%。