光电离质谱法测定卷烟抽吸过程中烟气成分在人体呼吸道的截留

陈志鸿，崔华鹏，陈黎，刘熙，樊美娟，刘瑞红，陈满堂，潘立宁，刘绍锋，谢复炜

(1.广东中烟工业有限责任公司技术中心，广州 510385； 2.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州 450001)

卷烟烟气是由几千种化学物质组成的一种复杂气溶胶［1］，其中的主要有害成分有CO﹑HCN﹑氮氧化物﹑挥发性醛类﹑稠环芳烃类等［2］。在卷烟抽吸过程中，卷烟烟气经人体口腔﹑咽﹑喉﹑气管到达肺部，与肺泡结合，不易被机体清除，烟气有机物在人体致病过程中起着重要作用［3–5］。近年来，国内外研究机构在卷烟烟气的危害性评价方面开展了大量的工作，主要是以吸烟机抽吸卷烟所产生的主流烟气为研究对象，从烟气单种化学成分释放和烟气整体体外毒理学测试两个方面进行评价研究［6–8］。实际上，人体吸入的卷烟烟气经呼吸道和肺部后，部分烟气经口腔或鼻腔呼出。该过程中，由于呼吸系统表面粘膜对烟气有机物的吸附性差异以及细胞对烟气有机物的代谢能力差异，导致了人体吸入和呼出烟气中的有机物种类和含量发生变化［9］。以吸烟机抽吸卷烟所产生主流烟气为对象的吸烟危害研究，没有考虑人体内烟气有机物的实际接受量，其反映的人体呼吸道对有机物截留与真实情况会存在差异。研究人体吸入和呼出烟气中有机物的差异，准确反映人体在呼吸烟气过程中所截留的有机物，进而进行人体实际烟气有机物的暴露评价，对吸烟与健康研究具有重要的意义。

目前，卷烟烟气分析通常是采用离线的分析方法，即首先对烟气样品进行预处理，然后进入色谱质谱进行分析［9–12］。Serban 等人采用剑桥滤片对吸烟者吸入和呼出的烟气进行在线捕集，然后对剑桥滤片进行溶剂萃取，萃取液采用GC–MS 法进行分析，通过吸烟者吸入和呼出烟气成分的含量差异，获得了不同烟气成分在人体的截留［11］。Shixia 等人采用LC–MS/MS 方法，对吸烟者抽吸卷烟的烟嘴和捕集有呼出烟气的剑桥滤片进行萃取分析，计算烟碱﹑烟草特有亚硝胺等烟气成分在人体呼吸道的截留［12］。这些方法中，烟气样品的预处理操作繁琐﹑效率低，且可能会使某些具有活性的烟气成分发生变化，从而无法准确反映“新鲜”烟气的真实情况。近年来，直接电离质谱技术在有机物快速检测和在线监测方面取得了较大的进展。光电离是利用真空紫外光光子对待测物分子进行直接电离的软电离技术，具有灵敏度高﹑谱图简单易解析等优点，已较多地应用于过程监测﹑烟气分析﹑环境监测等领域［13–17］。笔者基于光电离飞行时间质谱，建立人体抽吸卷烟过程中烟气成分在人体呼吸道截留的测试方法，实现吸烟者吸入和呼出烟气的直接采样和质谱检测，结合流量数据，计算卷烟抽吸过程中烟气成分在人体呼吸道中的截留率。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

卷烟样品：市售某品牌卷烟，焦油量为10 mg，烟碱为1 mg，一氧化碳为11 mg。在卷烟样品抽吸前，将卷烟置于温度为22 ℃﹑湿度为60%的环境中平衡48 h。

吸烟行为记录仪：CReSS Pocket 型，流量采集频率为50 Hz，德国Borgwaldt KC 公司。

单光子电离飞行时间质谱仪：PHOTO–TOF–MS 型，仪器具体参数参见文献［18］，德国罗斯托克大学。

1.2 仪器工作条件

单光子电离源：由Nd–YAG 激光器产生真空紫外激光脉冲，波长为118 nm，光子能量为10.5 eV；采样管路长度：3.5 m；加热温度：300 ℃；质谱电离源的真空度：0.02 Pa；数据采集模式：ADC 数据采集，频率为10 Hz；质谱图的质量范围：m/z40～160。

1.3 实验方法

1.3.1 吸入和呼出烟气的取样方法

采用与光电离质谱相结合的烟气采样系统对人体吸入和呼出的烟气进行在线取样。如图1(a)所示，对吸入烟气进行流量测定和取样分析时，首先通过连接管将吸烟行为记录仪与卷烟烟支相连，然后将光电离质谱的石英毛细管插入至连接管处，当吸烟者通过吸嘴对卷烟进行抽吸时，少量烟气被引入至质谱进行在线光电离和分析，吸烟行为记录仪记录吸入烟气的流量曲线［19］。如图1(b)所示，对呼出烟气进行流量测定和取样分析时，吸烟者通过连接管进行呼出烟气的呼出，呼出烟气的少量烟气被引入至质谱进行在线光电离和分析，吸烟行为记录仪记录呼出烟气的流量曲线。

图1 吸入和呼出烟气的取样示意图

1.3.2 光电离质谱的检测方法

烟气采样系统采用内径为100 μm﹑外径为45 μm﹑长度为1.5 m 的石英毛细管为采样管路，毛细管外套加热传输线温度设定为300 ℃。吸烟者吸入和呼出的少量烟气经石英毛细管被引入至光电离区后，光子对烟气成分进行光电离，产物离子在质量分析器内飞行到达微通道板检测器，信号由数据采集卡采集，得到质谱图。根据烟气各主要成分的质谱信号响应，光电离质谱的谱图采集频率设置为10 Hz，即每0.1 s 获得一张质谱图。

1.3.3 烟气成分人体呼吸道截留的计算方法

根据烟气成分的光电离质谱图特定质量数，提取各成分质量数的峰响应面积，并提取每张质谱图对应时间点的烟气流量，按式(1)计算吸入或呼出烟气中各成分质量数的质谱总响应值。

2 结果与讨论

2.1 取样毛细管长度的优化

单光子电离飞行时间质谱仪的真空度要求较高，需要对引入烟气的量有一定的限制，当气体进样量较高时，会导致质谱分辨率的降低，也缩短了检测器的寿命。对体积分数为1×10–6的苯标准气体进行测试，考察了毛细管长度为2～5 m 范围内，苯分子离子峰的信号响应和分辨率随毛细管长度的变化情况，见图2。由图2 可知，当石英毛细管的长度增加时，苯的质谱信号响应呈现降低趋势，质谱分辨率呈现升高趋势，这是因为当石英毛细管的长度增加时，苯标准气体的进样量会降低，从而使质谱信号响应降低，但同时会使发生电离的区域变小，降低了生成离子的空间展宽，有利于提高质谱的分辨率。当毛细管长度大于3.5 m 时，信号降低趋势明显。综合考虑信号响应和分辨率，选择了3.5 m 的石英毛细管长度。该条件下，体积分数为1×10–6苯标准气体的质谱信号响应值为0.015 8 V，分辨率为540。

图2 不同毛细管长度下苯标准气体质谱峰的信号强度与分辨率

2.2 烟气成分的光电离质谱定性分析

由吸烟者对卷烟样品进行抽吸，该过程中吸入和呼出的烟气经光电离质谱检测。吸入和呼出烟气的光电离质谱图如图3 所示，烟气光电离质谱检测的质谱峰多集中于m/z40～160 范围内。由于吸烟者抽吸卷烟过程中烟气成分会在人体呼吸道内发生截留，从而使吸烟者呼出烟气各成分的质谱响应要明显低于吸入烟气。此外，由于各烟气成分物化性质存在差异，也导致了不同烟气成分在人体呼吸道的截留比例有所不同［11］。

图3 吸入和呼出烟气的光电离质谱图

关于卷烟烟气的光电离质谱定性检测已有相关报道［20–21］，由于光电离为软电离技术，烟气气相成分被电离后生成分子离子，通常以分子离子峰的质量数对各分子离子峰进行定性推导。结合文献报道［20–21］，按照卷烟烟气光电离质谱图质谱峰的峰强度，对主要质谱峰进行定性推测，结果如表1 所示。

表1 卷烟烟气光电离质谱图主要质量数对应的化合物

2.3 吸入和呼出流量数据的优化

光电离质谱检测烟气时，每张质谱图的采集时间为0.1 s。吸烟行为记录仪的流量采集频率为50 Hz，每个流量数据的记录时间为0.02 s［22］。为了使流量数据与质谱图的采集时间相对应，需要将流量数据进行简化平均。将每5 个0.02 s 的流量数据进行算术平均，换算得到每0.1 s 内的平均流量，吸烟者吸入和呼出烟气过程中烟气流量随时间的变化见图4。

图4 吸烟者吸入和呼出烟气过程中烟气流量随时间的变化

如图4(a)所示，某吸烟者抽吸卷烟时，吸烟行为记录仪能够较准确地记录吸烟者吸入和呼出烟气的流量轮廓。对流量数据进行优化，得到如图4(b)所示的吸入和呼出烟气简化流量轮廓，可以看出，其整体流量轮廓与简化前流量轮廓的差异较小，可以用于烟气成分截留率的计算。

2.4 吸入和呼出烟气成分的连续质谱响应

吸烟者采用经口腔循环方法对卷烟进行单口抽吸，该过程中吸入和呼出的烟气经光电离质谱进行连续地在线检测，得到质谱总响应随时间的变化过程。图5 为烟气光电离质谱图主要质谱峰响应随卷烟抽吸过程（吸入和呼出）的变化情况。

图5 烟气光电离质谱检测图中主要质量数的响应随吸入和呼出时间的变化

结果显示，在吸烟者单口抽吸卷烟时，各主要质谱峰的响应快速升高；在单口吸入烟气后，各主要质谱峰的响应仍较高，并呈缓慢下降趋势，这主要是因为采样系统连接管中烟气的残留，因此吸入烟气质谱峰的响应变化并不能反映真实的烟气吸入过程，需要与吸烟行为记录仪记录的吸入烟气流量相对应。在吸烟者呼出烟气时，各主要质谱峰的响应快速升高，并呈快速下降趋势，表明呼出烟气过程能够快速地将口腔烟气呼出，且由于肺部气体的持续呼出，减小了连接管的烟气残留，因此呼出烟气质谱峰的响应变化能反映真实的烟气呼出过程。

2.5 烟气成分的人体呼吸道截留

由吸烟者分别采用经口腔循环方法和经肺部循环方法对卷烟样品进行抽吸，吸入和呼出烟气经光电离质谱的在线检测，结合质谱图中各主要质谱峰的响应与吸烟行为记录仪的流量数据，计算获得各主要烟气成分在人体呼吸道的截留率，图6 为经口腔循环抽吸卷烟的烟气成分在人体呼吸道的截留率。如图6 所示，吸烟者经口腔循环方法单口抽吸卷烟时，主要烟气成分在人体呼吸道的截留率为55.7%～74.3%，不同烟气成分的截留率有一定的差异，这主要与烟气成分的物理化学性质有关。图7为吸烟者经肺部循环方法单口抽吸卷烟时的人体呼吸道截留率，结果显示，主要烟气成分在人体呼吸道的截留率为77.6%～94.6%，该结果与文献一致性较好［11］。经肺部循环的平均截留率为86.9%，显著高于经口腔循环的平均截留率64.7%，这是因为经肺部循环的烟气在人体呼吸道内具有更长的运动路径，其经过气管﹑支气管和肺泡时与黏膜充分接触，从而大大增加了截留率［23］。

图6 经口腔循环抽吸卷烟的烟气成分在人体呼吸道的截留率

图7 经肺部循环抽吸卷烟的烟气成分在人体呼吸道的截留率

3 结语

建立了基于光电离质谱的人体抽吸卷烟过程中烟气成分在人体呼吸道截留率的测试方法。通过对吸烟者吸入和呼出烟气的流量记录和光电离质谱检测，获得了吸烟者经口腔循环和经肺部循环各烟气成分在人体呼吸道的截留率，结果能够反映吸烟者抽吸卷烟过程中烟气成分在人体呼吸道截留的真实情况。该方法能反映人体吸入和呼出气体中有机物的差异和有机物在人体呼吸道的截留率，为人体有害成分吸入毒理学研究和大气污染物对人体呼吸道风险暴露评价研究提供了一种重要的测试手段。