气相色谱-质谱联用法测定卷烟主流烟气气相物中挥发性有机化合物

侯宏卫，熊 巍，姜兴益，庞永强，唐纲岭，胡清源

（国家烟草质量监督检验中心，郑州 450001）

挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是指沸点在50～260 ℃之间、室温下饱和蒸气压超过133.32 Pa的易挥发性化合物[1]。1,3-丁二烯，异戊二烯，丙烯腈，苯和甲苯等是卷烟主流烟气中主要的挥发性有害成分。其中苯为 1类致癌物，1,3-丁二烯（IARC 2A），丙烯腈（IARC 2B）和异戊二烯（IARC 2B）为2类致癌物[2-4]。由于这5种VOCs对健康具有危害性，其含量的准确测定对于正确评价吸烟与健康的关系，推动低危害卷烟的研究具有重要意义。

目前国际上测定挥发性有机化合物的方法可分成4类：直接进样法[5]；吸附剂（热脱附）法[6-7]；采样袋收集法[8]和冷溶剂收集法[9-11]。直接进样法和采样袋收集法采集样品后直接进行测定，可实现在线分析[5,8]，但重复性较差，只能实现半定量。Pankow等建立的吸附（热脱附）气相色谱-质谱（GC-MS）分析VOCs的方法，可以同时检测多种VOCs，但该方法的加标回收率较低，并且有些化合物会在解析过程中发生分解[6-7]。用冷溶剂来捕集气相物中的 VOCs，捕集效果好，可以实现对多种VOCs的定量分析，因此被一些政府组织所采用。但是以前的冷溶剂收集法在灵敏度和重复性方面还存在不足。本研究采用GC-MS同时测定主流烟气气相物中的1,3-丁二烯，异戊二烯，丙烯腈，苯和甲苯，此方法检出限低，重复性好，适合于卷烟主流烟气中这5种VOCs释放量分析。并利用此方法首次验证了2009年38种市售卷烟样品在ISO和加拿大深度抽吸条件下的VOCs释放量。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

RM20H型转盘吸烟机，配备有CO自动分析仪（德国borgwaldt technik公司）；气相色谱-质联用仪（Perkin Elmer Clarus 600）；分光光度计（美国惠普公司，HP8453）；分析天平（Sartorios CP224S,max 220 g，d=0.1 mg）；肯塔基参比卷烟（1R5F、2R4F，美国肯塔基大学）；剑桥滤片（德国borgwaldt technik公司，ø 92 mm）。

干冰，正十七碳烷，异丙醇，甲醇（J.T.BAKER公司，色谱纯试剂）；氘代丙烯腈，氘代苯，氘代甲苯，异戊二烯，丙烯腈，苯，甲苯（德国Merck公司，色谱纯试剂）；1,3-丁二烯（大连特种气体有限公司，99.95%）；选取2009年38种市售不同牌号国内外卷烟样品（中国烟草总公司），分别编号。

1.2 标准溶液的配制

准确称取一定量的D 6-苯，用甲醇定容，得到4 000 µg/mL的内标储备液。用气密性好的气体针筒分别准确移取一定量的异戊二烯、丙烯腈、甲苯和苯，用甲醇定容，得到混合标准溶液。用1,3-丁二烯标准气（纯度＞99.9%）配制1,3-丁二烯乙醇标准溶液。以乙醇为参比，测定此溶液在217 nm处的吸光度值来确定溶液的浓度。实验测得1,3-丁二烯乙醇标准溶液的吸光度值为0.31，按照下列公式计算各溶液中1,3-丁二烯的浓度（1,3-丁二烯的吸光系数ε＝20893 L/mol cm）。

1.3 烟气收集

按照参考文献[12]挑选实验用卷烟，以参考文献[13]的方法平衡烟支。

使用RM20H型20孔道转盘吸烟机抽吸卷烟，抽吸方法按照参考文献[14]和加拿大卫生部公布的深度抽吸模式。加拿大深度抽吸模式：100%封闭通风滤嘴，每口抽吸2秒，抽吸容量55 mL，每口间隔30秒。

吸烟机连接如图1所示，在串联干冰覆盖的两个装有10 mL甲醇的100 mL吸收瓶中加入100 μL混合内标溶液，抽吸 10支卷烟（ISO方法）或 5支卷烟（深度抽吸方法），通过一个剑桥滤片捕集主流烟气中的粒相物，使得气相物透过剑桥滤片，其中的挥发性有机化合物被两个串联的装有10 mL冷甲醇的吸收瓶（干冰覆盖，-70 ℃）捕集，抽吸完成后，分别从两个吸收瓶中取一定量的吸收液于两个色谱瓶中，用气体色谱-质谱（GC-MS）仪进行定量分析。

图1 挥发性有机化合物的抽吸示意图Fig.1 Trapped 5 VOCs from mainstream smoke

1.4 烟气常规成分分析

主流烟气中的烟碱释放量按照参考文献[15]分析，水分按照参考文献[16]检测，卷烟主流烟气气相物中CO的含量按照参考文献[17]测定。

1.5 挥发性有机物分析

色谱条件：60 m × 0.32 mm × 1 μm DB-5MS 柱。进样量3 µL；进样口温度150 °С；分流比30:1；柱温箱温度40 °С；载气流速1 ml/min；程序升温：从40 °С保持1 min，然后以5 °С/min的速率升至160 °С，保持 1 min，最后以 20 °С/min 的速率升至220 °С，保持 3 min。

质谱条件：电离方式EI，电离能量70 eV，传输线温度 280 ℃，离子源温度 230 ℃，溶剂延迟时间3 min，扫描范围：m/z 40.0～200.0。为提高检测灵敏度和分辨率，质谱仪采用选择离子模式进行定量分析。

2 结果与讨论

2.1 冷溶剂捕集过程选择

据有关文献报道，这5种VOCs在甲醇中的溶解性较好，所以选择甲醇作为捕集液；多个捕集瓶少量捕集液要比一个捕集瓶大量捕集液的捕集效果好[10]。为了保证主流烟气中的5种VOCs尽可能的全部被捕集，本实验对冷溶剂捕集的条件进行了选择。

（1）甲醇对5种VOCs的吸收效率，选取了3个串联的装有10 mL冷甲醇的吸收瓶，按照前面的抽烟方法抽吸3R4F参比卷烟，并捕集主流烟气气相物中的VOCs，抽吸完成后分别检测3个吸收瓶中5种VOCs的含量，并求出捕集的比率。从作者参加的 2006年共同实验的数据[18]可以看出，主流烟气气相物中的5种VOCs通过两个10 mL的冷甲醇捕集后，在第3个吸收瓶中5种VOCs的比率分别为 1.1%（1，3-丁二烯），0.3%（苯），2.1%（甲苯），0.3%（丙烯腈）和0.2%（异戊二烯），因此选取两个吸收瓶来捕集甲醇。

（2）吸收液体积的影响，如果在100 mL的吸收瓶装有大于50 mL的吸收液，在烟气捕集过程中，吸收液会被烟气带到吸收管线中，特别是在深度抽吸条件下，这种现象更为明显，因此在能保证捕集效率的前提下，尽量选取较少的捕集体积。同时基于共同实验的结论[18]，两个装有10 mL冷甲醇的吸收瓶可以实现对主流烟气气相物中的5种VOCs的完全捕集。

（3）管线对5种VOCs捕集的影响，考虑到分析物可能会吸附在吸收瓶的连接管线中，在抽吸卷烟完成后，剪下连接管线，并用10 mL的甲醇淋洗管线，检测淋洗液中5种VOCs含量（表1），管线在整个捕集过程截留5种VOCs的量较少，但是对甲苯的截留稍微偏高。

通过实验最终确定用两个串联的装有10 mL甲醇的吸收瓶就可以基本实现对卷烟主流烟气中这 5种VOCs的捕集。

表1 5种VOCs在1、2号瓶以及管线中的保留量 μg/支Table1 Trapped contents of 5 VOCs in NO.1 NO.2 and the connected tubing

2.2 卷烟主流烟气中挥发性化合物的定性

为了确定5种挥发性化合物色谱峰位置，本方法采用保留时间对照法，利用5种VOCs和D 6-苯的单标溶液总离子流色谱图来确定各个化合物的保留时间。为了确定实际样品中的色谱峰与标准品中色谱峰的一致性，选取了5种VOCs和D 6-苯混合标液的总离子色谱图与肯塔基参比卷烟3R4F的总离子色谱图进行对比，确定实际样品与标准品的色谱峰在峰形和保留时间上的一致性。如图2、3所示，5种VOCs在混标和实际样品的总离子流色谱图中相同的保留时间都有峰形一致色谱峰，没有杂峰干扰，同时根据保留时间将5种VOCs在实际样品的总离子色谱图一一归属（图3）。通过上面的方法，在实际样品中确定了每一种目标化合物。

图2 5种VOCs和氘代苯的总离子流色谱图Fig.2 GC-MS total ion chromatograms of 5 VOCs and D6-benzene standard

图3 3R4F参比卷烟主流烟气中5种VOCs和氘代苯的总离子流色谱图Fig.3 GC-MS total ion chromatograms of 5 VOCs and D6-benzene in mainstream from 3R4F reference cigarette

2.3 内标选择与标准曲线

为了确定用氘代苯进行定量或是通过三个氘代内标进行定量之间的差异，通过 26家实验室的检测结果进行比对（结果未列出）[18]，发现只用氘代苯进行定量与三个氘代内标定量的结果之间差异不大。因此为了方便起见，本实验只采用氘代苯对5个VOCs进行定量。

用配制好的标准储备液配制标准曲线，5种挥发性有机物的线性范围见表2。为评价挥发性有机化合物测定方法的分析特性，将5个不同浓度的挥发性有机化合物混合标样分别进行GC-MS分析，并用各种挥发性有机化合物色谱峰与相应的内标峰面积比值对其相应挥发性有机化合物含量进行回归分析，得回归方程及其相关参数。结果表明，在卷烟烟气中挥发性有机化合物的含量范围内，检测器响应与这5种挥发性有机化合物的浓度呈明显的线性关系，相关系数在0.9985至0.9998之间。

2.4 回收率、检出限和定量限

采用标准加入法测定方法的回收率，即在吸收瓶中加入已知含量的挥发性有机化合物标准溶液，进行卷烟抽吸，吸收液通过 GC/MS分析，并根据测定量、加入量和原含量计算回收率。检出限（LOD）和定量限（LOQ）分别是采用3倍信噪比和10倍信噪比计算。由表3可知，5种挥发性有机化合物的LOD为0.01～0.82 µg/支，LOQ为0.04～2.73 µg/支，这远低于实际样品中的含量。5种挥发性有机化合物的回收率为92.3%～98.5%，可满足分析检测的要求。

表2 5种挥发性有机化合物线性范围、回归方程及相关系数Table 2 Linearity range,regression equation and correlation coefficients for 5 VOCs in mainstream smoke

表3 5种挥发性有机化合物的检出限、定量限和回收率结果Table 3 LOD,LOQ and recoveries for 5 VOCs

2.5 重复性

选取具有典型性的7个卷烟品牌，同种卷烟样品在5 d平行测定5次，每次抽吸7个轮次，结果见表4。除了1号样品第一轮的异戊二烯和丙烯腈的测定结果为 11.2%和12.7%外，其他挥发性有机物所有测定结果的相对标准偏差均小于10%。此测定结果与2008年CORESTA特种分析物学组组织的“卷烟烟气挥发性有机化合物共同实验”结果比较，相对标准偏差为25%～30%，数据较稳定合理。

表4 ISO方法重复性结果Table 4 Repeatability of 5 VOCs under ISO smoking regime

2.6 部分卷烟在ISO和深度抽吸模式下挥发性有机物释放量的比较

由图4可以看出，在深度抽吸模式下，卷烟主流烟气常规成分的含量会有显著增加。38个品牌的卷烟样品中，4种常规成分的增加幅度在1～5倍之间。

图4 38个卷烟样品主流烟气中水分、焦油、烟碱和一氧化碳释放量范围Fig.4 Water,nicotine,tar and carbon monoxide yields in the Mainstream Smoke of 38 commercial Cigarette Brands (under ISO and Canada Intense smoking method)

从图5可以看出，深度抽吸模式下5种挥发性有机物在38种样品中的平均释放量要比ISO标准抽吸条件下高一倍。其中异戊二烯在主流烟气中含量最高，增长也最快，在深度抽吸条件下，38种卷烟的平均释放量达到了374 µg/支。按照WHO的要求，未来可能有必要在卷烟包装上披露有害成分与烟碱的比值，本试验求出了 38种卷烟的平均释放量与烟碱的比值（图6）。由于换成深度抽吸模式后，烟碱释放量也随着升高，所以换算成烟碱比值后，抽吸模式对值的影响变得差别不大。

图5 ISO和深度抽吸模式下5种挥发性有机成分在38种卷烟中平均释放量Fig.5 Mean delivery levels of 5 VOCs in the Mainstream Smoke of 38 commercial Cigarette Brands (under ISO and Canada Intense smoking method)

图6 ISO和深度抽吸模式下5种挥发性有机成分与烟碱的比值Fig.6 5 VOCs/nicotine of 38 commercial Cigarette Brands(under ISO and Canada Intense smoking method)

3 结 论

本研究采用两个串联的装有冷甲醇（-70 °С）的吸收瓶捕集主流烟气中的5种VOCs。抽吸卷烟前在捕集液中加入氘代苯，捕集完成后分别从两个吸收瓶中取适量捕集液于棕色色谱瓶，然后用GC-MS在选择离子模式下进行分析。采用氘代内标进行定量，并且在抽吸前把内标加入到吸收液中，这排除了抽吸和样品转移过程中 VOCs的挥发损失，使得定量过程更为准确。深度抽吸模式下5种挥发性有机物在 38个样品中的平均释放量要比ISO抽吸条件下高一倍。

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