口腔中烟气烟碱的在线采样分析研究

彭晓萌，王健，雷振，徐迎波，胡永华，朱青林，汪华，田振峰，陈开波

安徽中烟工业有限责任公司/烟草行业燃烧热解研究重点实验室和烟草化学安徽省重点实验室，合肥市高新区天达路9号 230088

卷烟主流烟气是一种由数千种化学成分组成的复杂混合物，通常，吸烟者在抽吸卷烟的过程中，一部分吸入口腔中的主流烟气被呼出进入环境中，另一部分主流烟气则残留在包括人体口腔在内的呼吸道内，研究卷烟烟气在包括人体口腔在内的呼吸道中的残留被认为是研究吸烟与健康关系的第一步。在众多的卷烟烟气化学成分中，烟碱的残留广受关注[1]。虽然人们已经对卷烟烟气中烟碱在人体口腔中的残留进行了许多研究[2-3]，然而，到目前为止，文献中测定烟碱的残留基本采用离线分析方式进行，即先对从卷烟滤嘴端出来烟碱和从吸烟者口腔中呼出的烟碱进行收集，或采用稀的酸溶液对吸烟后的口腔进行清洗从而直接收集口腔中烟碱残留物，然后根据需要采用不同的前处理过程，再用色谱或光谱等仪器进行分析[4-5]。然而，这些广泛使用的方法至少存在如下三个方面的缺陷：第一，烟碱的捕集和预处理过程操作繁琐且耗时；第二，在捕集和预处理过程中常常会引入新的实验误差，且在预处理过程通常需要使用溶剂，容易导致环境污染；第三，常规的研究方法均采用离线式分析技术，难以揭示烟碱在人体口腔内的动态变化过程。

近年来，已有文献尝试使用一些在线方法[6-12]研究烟气化学成分，但针对口腔中烟碱的动态变化报道较少。在这里，我们建立了一种利用商用吸烟机结合四极杆质谱研究人体口腔中烟气烟碱在线采样的实验装置和方法。该方法通过对商用单通道吸烟机进行改造，可实现在标准抽吸条件下抽吸卷烟。当吸烟机将产生的烟气通过注射器直接推入到人体口腔后，吸烟者屏住呼吸，利用烟气传输石英毛细管负压将口腔中的卷烟烟气引入至四极杆质谱仪的电离区，进行电离、分析。该方法能够实现对吸烟者口腔内烟碱直接进行快速取样和在线分析，测量时无需任何溶剂和前处理过程，从而能够极大地降低测量误差和提高测定效率，为研究卷烟主流烟气中烟碱在人体口腔内动态变化提供一种良好的技术手段，同时也间接地为烟碱在人体口腔的残留研究提供参考。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

实验所用卷烟为黄山（普皖）卷烟，其盒标焦油、烟碱和一氧化碳量分别为11、1.2和11 mg。实验前，卷烟烟支被放置在相对空气湿度60%、温度22℃的环境下保存24 h。

实验仪器：单通道吸烟机（LM1型，德国BORGWALDT 公司），注射器（常州市飞鸽医疗器械有限公司），5973型四极杆质谱仪（美国Agilent公司）。

1.2 实验装置和方法

图1所示为口腔中烟气烟碱的在线采样分析装置示意图。该装置主要包括商用单通道吸烟机、四极杆质谱仪、注射器、三端口烟气入嘴器和烟气传输石英毛细管（内径和长度分别为150 μm和150 cm）。3名受试者参与了本实验，考虑到不同受试者之间的抽吸体积和抽吸曲线的差异，采用一台单通道吸烟机作为烟气产生源。分析时，烟气通过毛细管借助真空差进入四极杆质谱的电离室中，流量约为1 mL/min。

商用单通道吸烟机（1）通过注射器（6）分别与卷烟夹持器（8）和三端口烟气入嘴器（13）相连，烟气传输石英毛细管（14）的一端连着三端口烟气入嘴器（13），另一端则穿过四极杆质谱仪（15）的腔壁进入电子轰击电离区（16）中，且烟气传输石英毛细管（14）在三端口烟气入嘴器（13）和四极杆质谱仪（15）腔壁之间的外部区域裹有一层带有温度控制器（18）的电加热套（19）。

实验前，按图1组装、连接实验装置，并通过温度控制器（18）将加热套（19）的温度设定为200℃；待加热套（19）的温度达到设定并稳定后，打开吸烟机（1）的工作电源，将吸烟机（1）的工作参数设置为：每口抽吸35 mL，抽吸2 s，抽吸间隙为58 s，并使用皂膜流量计校准吸烟机的抽吸容量；紧接着，打开四极杆质谱仪（15）的工作电源，并将四极杆质谱仪（15）的分析条件设置为：离子源（EI）温度230℃，四极杆温度150℃，电子轰击能量70 eV，选择质量数为84和162两种烟碱碎片离子进行监测扫描。

图1 口腔中烟气烟碱的在线采样分析实验装置Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus for on-line sampling of smoke nicotine in oral cavity

实验时，首先启动四极杆质谱仪（15）进行离子扫描，同时吸烟者将三端口烟气入嘴器（13）的口含端口（11）含入口腔中，并用手紧压弧形密封片（12）以确保实验过程中不会发生口腔泄露现象；然后，打开二通阀a（7）、关闭二通阀b（10），并将卷烟烟支（9）插入不含剑桥滤片的卷烟夹持器（8）中，点火抽吸，一次抽吸完毕后，立即关闭二通阀a（7）、打开二通阀b（10）；当吸烟机（1）将烟气推入吸烟者口腔之后，重新关闭二通阀b（10），并关闭吸烟机（1）的工作电源，此时吸烟者屏住呼吸，待烟气在口腔中停留一段时间（其间质谱扫描一直进行）后，吸烟者从口腔中取出三端口烟气入嘴器（13），四极杆质谱仪（15）停止扫描。当第一次测定结束后，换用一个新的且带有二通阀a（7）和二通阀b（10）的注射器（6）、新的卷烟夹持器（8）以及上述测试相同的卷烟烟支（9）重复上述实验，即可测量另一口烟气中烟碱的口腔动态变化。其中，更换新的注射器对另一口烟气进行抽吸，能够消除因焦油在注射器管壁的残存而对另一口烟气测定结果的影响。值得注意的是，由于取样分析的是全烟气组分，整个传输过程难免会产生滞留污染等问题。因此实验中采取诸如加热取样毛细管等方式来减少烟气的滞留污染，但在实际进样持续一定时间后，仍需更换新毛细管或清洗四极杆质谱离子源等方式以确保实验的重复和稳定性。

1.3 口腔中烟气烟碱浓度变化的计算

相对于刚进入口腔时的最高烟碱浓度，口腔中烟气烟碱浓度的降低率采用如下公式计算：

式中，I0为卷烟烟气进入口腔后m/z=84或m/z=162离子的最大离子强度，Ii为卷烟烟气进入口腔后停留一定时间时的离子强度。

2 结果与讨论

2.1 烟气烟碱离子强度变化

实验过程中，3名吸烟者参与了本实验。图2所示为其中1名吸烟者口腔中烟碱的两种碎片离子（m/z=84和m/z=162）的离子强度随时间（0～14 s）变化情况。之所以选择这两种碎片离子，是因为m/z=84的离子是在70 eV轰击电离下烟碱的主碎片离子，该离子在采用热重-四极质谱（70 eV轰击电离）法研究烟草热解过程中烟碱随热解温度变化时，常用来作为监控烟碱形成[13]；而m/z=162的离子则为烟碱的母体离子。

图2 吸烟者口腔内的烟碱的两种碎片离子（m/z=84和m/z=162）的离子强度随时间变化Fig.2 Density variation of two characteristic fragment ions(m/z=84 and m/z=162) of nicotine in oral cavity with holding time

从图2中可看出，两种碎片离子（m/z=84和m/z=162）随卷烟烟气在人体口腔中的停留时间表现出的变化趋势基本一致，在0～14 s内，都随停留时间的延长其离子强度逐渐降低，说明m/z=84和m/z=162两种碎片离子均适合于表征烟气烟碱在人体口腔的动态变化。

2.2 口腔中烟气烟碱浓度的动态变化

图3给出了3名吸烟者抽吸10口烟气时，主流烟气中烟碱（以特征峰离子m/z=84的变化计算得到）在其口腔内的平均浓度降低率随时间的动态变化趋势。由图3中的动态变化曲线可看出，虽然3名吸烟者各自口腔环境不同而使烟碱动态浓度水平略有出入，但口腔浓度降低率相差不大。根据前人对烟气化学成分的口腔研究，大多观测烟气在口腔中停留约2 s后的情况[1]。在本实验中，我们主要观察烟气烟碱进入吸烟者口腔中停留2 s及2 s以后的浓度动态变化。当停留时间为2 s时，烟碱在3名吸烟者各自口腔的浓度降低率基本都在5%左右，并且随着停留时间的变化都呈现出逐渐上升的趋势。

图3 主流烟气中烟碱在3名吸烟者口腔内的平均浓度降低率随时间的动态变化趋势Fig.3 The variation of average nicotine concentration in oral cavities of three smokers with holding time

图4显示了卷烟烟气在一名吸烟者口腔中，同时采用烟碱的两种特征碎片离子（m/z=84和m/z=162）计算口腔浓度变化时，其烟碱口腔浓度降低率的10次测定结果平均值随停留时间的动态变化过程及相应的标准偏差。从图4可以看出，采用两种特征碎片离子（m/z=84和m/z=162）计算得到的烟碱口腔浓度降低率随停留时间（2～12 s）的变化基本一致，两种计算方法得到的结果，在停留时间为2 s时的烟碱口腔浓度降低率都约为4.5%，且随停留时间的变化都呈现上升的趋势。另外，两种计算得到的烟碱口腔浓度降低率的相对偏差均在5%以下，表现出了良好的重复性。

图4 主流烟气中烟碱在1名吸烟者口腔中不同停留时间时同时采用两种碎片离子（m/z=84和m/z=162）计算得到的平均浓度降低率及其标准偏差Fig.4 Variation of average reduction rate of nicotine concentration and standard deviation with holding time calculated by two characteristic fragment ions (m/z=84 and m/z=162)

3 结论

（1）设计建立了一套在线采样研究卷烟主流烟气烟碱在口腔中动态变化的实验装置，采用监测烟碱的两种特征峰离子（m/z=84和m/z=162）的方法，可以实现口腔中烟气烟碱浓度的实时分析，重复性较好。

（2）当卷烟烟气在人体口腔中停留2 s时，相对于刚进入口腔时的最高烟碱浓度，烟碱在3名吸烟者口腔中的浓度降低率为5%左右，在2～12 s内，随着停留时间的延长，烟碱的口腔浓度降低率逐渐上升。