雾化器的重复使用对电子烟气溶胶中重金属释放量的影响

李永霞，黄雯，杨菁，陆怡峰*，刘鸿，张珲姿

1 上海牡丹香精香料有限公司，上海市浦东新区孙桥路1067号 201203；2 上海烟草集团有限责任公司技术中心，上海市浦东新区秀浦路3733号 200082；3 上海新型烟草制品研究院有限公司，上海市虹口区大连路789号 200082

随着电子烟的快速发展，其产品质量安全得到了深入研究，重金属的释放是重要课题之一。研究表明，电子烟气溶胶中重金属主要来自于雾化器，如Ni、Cr 可能来自于雾化器中的加热丝，Pb 可能来自于金属件焊接点，Cu 可能来自于导电连接线[1-4]。Williams 等[4]测定了一次性电子烟中前60 口及后60口气溶胶中多种金属元素的释放量，以此概括一次性雾化器在使用过程中金属元素释放量的变化趋势。但随着电子烟的发展，可填充式雾化器在越来越多的产品中出现，且抽吸功率可调节，雾化器经续液后反复使用已极为常见，所以可填充式雾化器在重复使用过程中重金属的释放趋势亟待研究。

因此，本文以可填充式雾化器为研究对象，检测了不同抽吸功率条件下重复使用雾化器时气溶胶中重金属的释放量，建立了重金属释放量的时间序列图，在此基础上，讨论了不同功率条件下雾化器的重复使用对重金属释放量的影响，并进行了原因探讨，旨在为电子烟产品的设计和质控提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

材料：从网络销售渠道选择销售量较大、知名度较高的功率可调型电子烟6 种，样品编号为1～6 号。经分析，1～6 号样品雾化器外观基本一致，组成材质成分相似，其中加热件均为不锈钢及镍合金。

试剂：丙二醇（分析纯，上海阿拉丁公司）；丙三醇（分析纯，上海阿拉丁公司）；无水乙醇（色谱纯，德国MERCK 公司）；水（电阻率18.2 MΩ·cm 的超纯水）；浓硝酸（65%，优级纯，德国MERCK 公司）；浓盐酸（35%～37%，优级纯，德国MERCK 公司）；10.0 mg/L 重金属混合标准溶液（美国Agilent 科技有限公司）；100.0 mg/L 重金属（锗72、铟115、铋209）内标混合标准溶液（美国Agilent科技有限公司）。

仪器：电子烟吸烟机（PUFFMAN 公司）；7700x 电感耦合等离子体质谱仪（美国Agilent 科技有限公司）；Milli-Q 超纯水仪（美国Millipore 公司）。

1.2 方法

1.2.1 标准溶液配制

电子烟烟液：参考法国标准XP D 90-300-1 推荐的评价电子烟具的测试溶液，各组分质量比分别为67%丙二醇、29%丙三醇、1%乙醇、2%水和1%烟碱[5]。烟液保存于0℃～4℃。

1.2.2 电子烟的抽吸与气溶胶中重金属的分析

按照文献[6]中的方法，采用电感耦合等离子体质谱法同时测定电子烟气溶胶中7 种重金属元素。日内重复使用雾化器抽吸10 次，每次抽吸20 口，共抽吸200 口。抽吸容量55.0 mL，抽吸持续时间3 s，抽吸间隔30 s。抽吸前将雾化器注满烟液，烟液耗尽或不足以抽吸20 口时，将雾化器重新注满烟液。重复使用雾化器3 天。每次抽吸前将电子烟烟具电池充满，分别测定30 W、40 W、50 W、80 W 功率下每20 口气溶胶中重金属的释放量。

2 结果与讨论

2.1 不同功率条件下雾化器的重复使用对气溶胶重金属释放量的影响

根据电子烟日均抽吸口数调查，试验选用200 口作为日抽吸总口数，模拟人体抽吸电子烟时重金属的接触情况[5,7-12]。

10 W 及20 W 功率下，气溶胶中Ni、Cr、As、Pb、Cu 的释放量极低，均未检出，故以30 W 及40 W作为低功率抽吸条件，以50 W及80 W作为高功率条件。

以1 号样品为例，不同功率下重复使用雾化器3天，5 种元素日内总释放量见表1。

表1 日间重复使用雾化器时重金属的释放量 Tab. 1 Release amount of heavy metals in aerosol when atomizer is reused (ng/200puffs)

以1 号样品为例，低功率下Ni 的释放量时间序列图如图1，结果显示，雾化器的重复使用对气溶胶中Ni 元素的释放量无明显影响。5 种元素释放量时间序列图规律一致，本文仅以Ni 为代表作说明，其他元素不做赘述。

图1 低功率下雾化器重复使用时气溶胶中镍的释放量序列Fig. 1 The time series of release amount of Ni in aerosol when atomizer is reused under low power

以1 号样品为例，高功率下，As、Pb、Cu 的释放规律与低功率条件下相同，重复使用变化不明显。而Cr 与Ni 释放量随雾化器使用时间而降低，二者释放量的序列图相似，其中Ni 的释放量的序列图如图2 所示。

图2 高功率下雾化器重复使用时气溶胶中镍的释放量序列Fig. 2 The time series of release amount of Ni in aerosol when atomizer is reused under high power

加热功率对重金属释放量影响显著。以Ni 为例，30 W 及80 W 功率下，1～6 号样品气溶胶中Ni 的释放量见图3a 及图3b 所示。80 W 下Ni 释放量几乎是30 W 下的10 倍左右。Pb 的释放量不随功率变化，与朱风鹏在功率对气溶胶中重金属释放量的影响中的研究结论一致[13]。

图3 不同功率下雾化器重复使用时气溶胶中镍的释放量序列Fig. 3 The time series of release of Ni in aerosol when atomizer is reused under different power conditions

2.2 雾化器的重复使用对气溶胶中重金属释放影响的分析

高温下，金属件中重金属可能挥发进入气溶胶或溶解于烟液，再经烟液迁移至气溶胶[1-4]，以上两种方式可能是气溶胶中重金属的主要来源途径。

为了探究气溶胶中重金属释放量变化的原因，本文测定了不同抽吸口数时雾化器储液腔内烟液中重金属的浓度。抽吸开始前烟液中Ni、Cr 元素分别均在0.01 mg/L 左右，80 W 功率时，抽吸20 口后及抽吸200 口后烟液中Ni 的平均浓度为6.50 mg/L 及0.25 mg/L，Cr 为2.21 mg/L 及0.05 mg/L，烟液中两个元素的浓度随抽吸口数的增多而明显降低。烟液及气溶胶中Ni、Cr 含量的同步降低，表明随抽吸口数的累计加热丝中Ni、Cr 的迁移能力有所降低，这可能与加热丝表面生成了保护膜有关。金属材料研究表明，镍铬合金在高温高压下易生成耐腐蚀的氧化膜及碳化膜[14-16]。

隔天使用雾化器时，烟液和烟气中Ni、Cr 元素的浓度及变化规律与前一天几乎相同，呈现出一定的周期性规律。这可能由于经烟液长时间浸泡后，保护膜的性状发生了改变，因而降低了对Ni、Cr 迁移的阻力，从而使Ni、Cr 元素在高温高压条件下能再次快速迁移至烟液及气溶胶中，具体还有待继续研究。

50 W 及80 W 抽吸下，烟液中Pb 的平均浓度分别为0.32 mg/L 及1.08 mg/L，随抽吸功率的升高而升高，而气溶胶中Pb 的释放量不随功率变化，且释放量均较低，表明金属件中Pb 相对较易迁移至烟液，较难迁移至气溶胶。这可能由于Pb 的熔点较低，327℃，抽吸时加热件温度高于其熔点，使Pb 熔化进而较易溶解于烟液[4,17]，而由于沸点较高，1740℃，Pb 较难由烟液迁移至气溶胶。

3 结论

通过对不同功率下雾化器重复使用时电子烟气溶胶中Ni、Cr、As、Pb、Cu 释放量的研究，结果表明：

（1）低功率下，雾化器的重复使用对气溶胶中Ni、Cr、As、Pb、Cu 的释放量均无明显影响，高功率下，Ni、Cr 的释放量随雾化器日内使用次数的增多而降低，对As、Pb、Cu 的释放量无明显影响。

（2）在相同条件下，Ni、Cr、As、Cu 的释放量随功率升高而增大，但Pb 的释放量不随功率而变化。

（3）功率大于50 W 时，电子烟气溶胶中重金属释放量随功率显著上升，当功率控制在40 W 以下时，Ni、Cr、As、Pb、Cu 的释放量相对较低。

本研究揭示了电子烟在雾化器重复使用过程中重金属的释放量规律及功率的影响，为电子烟产品设计和质控提供了技术支撑。