氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測(cè)定卷煙主流煙氣氣相物中揮發(fā)性有機(jī)化合物

侯宏衛(wèi)，熊 巍，姜興益，龐永強(qiáng)，唐綱嶺，胡清源

（國(guó)家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，鄭州 450001）

揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是指沸點(diǎn)在50～260 ℃之間、室溫下飽和蒸氣壓超過(guò)133.32 Pa的易揮發(fā)性化合物[1]。1,3-丁二烯，異戊二烯，丙烯腈，苯和甲苯等是卷煙主流煙氣中主要的揮發(fā)性有害成分。其中苯為 1類(lèi)致癌物，1,3-丁二烯（IARC 2A），丙烯腈（IARC 2B）和異戊二烯（IARC 2B）為2類(lèi)致癌物[2-4]。由于這5種VOCs對(duì)健康具有危害性，其含量的準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)于正確評(píng)價(jià)吸煙與健康的關(guān)系，推動(dòng)低危害卷煙的研究具有重要意義。

目前國(guó)際上測(cè)定揮發(fā)性有機(jī)化合物的方法可分成4類(lèi)：直接進(jìn)樣法[5]；吸附劑（熱脫附）法[6-7]；采樣袋收集法[8]和冷溶劑收集法[9-11]。直接進(jìn)樣法和采樣袋收集法采集樣品后直接進(jìn)行測(cè)定，可實(shí)現(xiàn)在線分析[5,8]，但重復(fù)性較差，只能實(shí)現(xiàn)半定量。Pankow等建立的吸附（熱脫附）氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）分析VOCs的方法，可以同時(shí)檢測(cè)多種VOCs，但該方法的加標(biāo)回收率較低，并且有些化合物會(huì)在解析過(guò)程中發(fā)生分解[6-7]。用冷溶劑來(lái)捕集氣相物中的 VOCs，捕集效果好，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種VOCs的定量分析，因此被一些政府組織所采用。但是以前的冷溶劑收集法在靈敏度和重復(fù)性方面還存在不足。本研究采用GC-MS同時(shí)測(cè)定主流煙氣氣相物中的1,3-丁二烯，異戊二烯，丙烯腈，苯和甲苯，此方法檢出限低，重復(fù)性好，適合于卷煙主流煙氣中這5種VOCs釋放量分析。并利用此方法首次驗(yàn)證了2009年38種市售卷煙樣品在ISO和加拿大深度抽吸條件下的VOCs釋放量。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

RM20H型轉(zhuǎn)盤(pán)吸煙機(jī)，配備有CO自動(dòng)分析儀（德國(guó)borgwaldt technik公司）；氣相色譜-質(zhì)聯(lián)用儀（Perkin Elmer Clarus 600）；分光光度計(jì)（美國(guó)惠普公司，HP8453）；分析天平（Sartorios CP224S,max 220 g，d=0.1 mg）；肯塔基參比卷煙（1R5F、2R4F，美國(guó)肯塔基大學(xué)）；劍橋?yàn)V片（德國(guó)borgwaldt technik公司，? 92 mm）。

干冰，正十七碳烷，異丙醇，甲醇（J.T.BAKER公司，色譜純?cè)噭?；氘代丙烯腈，氘代苯，氘代甲苯，異戊二烯，丙烯腈，苯，甲苯（德?guó)Merck公司，色譜純?cè)噭?,3-丁二烯（大連特種氣體有限公司，99.95%）；選取2009年38種市售不同牌號(hào)國(guó)內(nèi)外卷煙樣品（中國(guó)煙草總公司），分別編號(hào)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量的D 6-苯，用甲醇定容，得到4 000 μg/mL的內(nèi)標(biāo)儲(chǔ)備液。用氣密性好的氣體針筒分別準(zhǔn)確移取一定量的異戊二烯、丙烯腈、甲苯和苯，用甲醇定容，得到混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。用1,3-丁二烯標(biāo)準(zhǔn)氣（純度＞99.9%）配制1,3-丁二烯乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液。以乙醇為參比，測(cè)定此溶液在217 nm處的吸光度值來(lái)確定溶液的濃度。實(shí)驗(yàn)測(cè)得1,3-丁二烯乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度值為0.31，按照下列公式計(jì)算各溶液中1,3-丁二烯的濃度（1,3-丁二烯的吸光系數(shù)ε＝20893 L/mol cm）。

1.3 煙氣收集

按照參考文獻(xiàn)[12]挑選實(shí)驗(yàn)用卷煙，以參考文獻(xiàn)[13]的方法平衡煙支。

使用RM20H型20孔道轉(zhuǎn)盤(pán)吸煙機(jī)抽吸卷煙，抽吸方法按照參考文獻(xiàn)[14]和加拿大衛(wèi)生部公布的深度抽吸模式。加拿大深度抽吸模式：100%封閉通風(fēng)濾嘴，每口抽吸2秒，抽吸容量55 mL，每口間隔30秒。

吸煙機(jī)連接如圖1所示，在串聯(lián)干冰覆蓋的兩個(gè)裝有10 mL甲醇的100 mL吸收瓶中加入100 μL混合內(nèi)標(biāo)溶液，抽吸 10支卷煙（ISO方法）或 5支卷煙（深度抽吸方法），通過(guò)一個(gè)劍橋?yàn)V片捕集主流煙氣中的粒相物，使得氣相物透過(guò)劍橋?yàn)V片，其中的揮發(fā)性有機(jī)化合物被兩個(gè)串聯(lián)的裝有10 mL冷甲醇的吸收瓶（干冰覆蓋，-70 ℃）捕集，抽吸完成后，分別從兩個(gè)吸收瓶中取一定量的吸收液于兩個(gè)色譜瓶中，用氣體色譜-質(zhì)譜（GC-MS）儀進(jìn)行定量分析。

圖1 揮發(fā)性有機(jī)化合物的抽吸示意圖Fig.1 Trapped 5 VOCs from mainstream smoke

1.4 煙氣常規(guī)成分分析

主流煙氣中的煙堿釋放量按照參考文獻(xiàn)[15]分析，水分按照參考文獻(xiàn)[16]檢測(cè)，卷煙主流煙氣氣相物中CO的含量按照參考文獻(xiàn)[17]測(cè)定。

1.5 揮發(fā)性有機(jī)物分析

色譜條件：60 m × 0.32 mm × 1 μm DB-5MS 柱。進(jìn)樣量3 μL；進(jìn)樣口溫度150 °С；分流比30:1；柱溫箱溫度40 °С；載氣流速1 ml/min；程序升溫：從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。

質(zhì)譜條件：電離方式EI，電離能量70 eV，傳輸線溫度 280 ℃，離子源溫度 230 ℃，溶劑延遲時(shí)間3 min，掃描范圍：m/z 40.0～200.0。為提高檢測(cè)靈敏度和分辨率，質(zhì)譜儀采用選擇離子模式進(jìn)行定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷溶劑捕集過(guò)程選擇

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，這5種VOCs在甲醇中的溶解性較好，所以選擇甲醇作為捕集液；多個(gè)捕集瓶少量捕集液要比一個(gè)捕集瓶大量捕集液的捕集效果好[10]。為了保證主流煙氣中的5種VOCs盡可能的全部被捕集，本實(shí)驗(yàn)對(duì)冷溶劑捕集的條件進(jìn)行了選擇。

（1）甲醇對(duì)5種VOCs的吸收效率，選取了3個(gè)串聯(lián)的裝有10 mL冷甲醇的吸收瓶，按照前面的抽煙方法抽吸3R4F參比卷煙，并捕集主流煙氣氣相物中的VOCs，抽吸完成后分別檢測(cè)3個(gè)吸收瓶中5種VOCs的含量，并求出捕集的比率。從作者參加的 2006年共同實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)[18]可以看出，主流煙氣氣相物中的5種VOCs通過(guò)兩個(gè)10 mL的冷甲醇捕集后，在第3個(gè)吸收瓶中5種VOCs的比率分別為 1.1%（1，3-丁二烯），0.3%（苯），2.1%（甲苯），0.3%（丙烯腈）和0.2%（異戊二烯），因此選取兩個(gè)吸收瓶來(lái)捕集甲醇。

（2）吸收液體積的影響，如果在100 mL的吸收瓶裝有大于50 mL的吸收液，在煙氣捕集過(guò)程中，吸收液會(huì)被煙氣帶到吸收管線中，特別是在深度抽吸條件下，這種現(xiàn)象更為明顯，因此在能保證捕集效率的前提下，盡量選取較少的捕集體積。同時(shí)基于共同實(shí)驗(yàn)的結(jié)論[18]，兩個(gè)裝有10 mL冷甲醇的吸收瓶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主流煙氣氣相物中的5種VOCs的完全捕集。

（3）管線對(duì)5種VOCs捕集的影響，考慮到分析物可能會(huì)吸附在吸收瓶的連接管線中，在抽吸卷煙完成后，剪下連接管線，并用10 mL的甲醇淋洗管線，檢測(cè)淋洗液中5種VOCs含量（表1），管線在整個(gè)捕集過(guò)程截留5種VOCs的量較少，但是對(duì)甲苯的截留稍微偏高。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)最終確定用兩個(gè)串聯(lián)的裝有10 mL甲醇的吸收瓶就可以基本實(shí)現(xiàn)對(duì)卷煙主流煙氣中這 5種VOCs的捕集。

表1 5種VOCs在1、2號(hào)瓶以及管線中的保留量 μg/支Table1 Trapped contents of 5 VOCs in NO.1 NO.2 and the connected tubing

2.2 卷煙主流煙氣中揮發(fā)性化合物的定性

為了確定5種揮發(fā)性化合物色譜峰位置，本方法采用保留時(shí)間對(duì)照法，利用5種VOCs和D 6-苯的單標(biāo)溶液總離子流色譜圖來(lái)確定各個(gè)化合物的保留時(shí)間。為了確定實(shí)際樣品中的色譜峰與標(biāo)準(zhǔn)品中色譜峰的一致性，選取了5種VOCs和D 6-苯混合標(biāo)液的總離子色譜圖與肯塔基參比卷煙3R4F的總離子色譜圖進(jìn)行對(duì)比，確定實(shí)際樣品與標(biāo)準(zhǔn)品的色譜峰在峰形和保留時(shí)間上的一致性。如圖2、3所示，5種VOCs在混標(biāo)和實(shí)際樣品的總離子流色譜圖中相同的保留時(shí)間都有峰形一致色譜峰，沒(méi)有雜峰干擾，同時(shí)根據(jù)保留時(shí)間將5種VOCs在實(shí)際樣品的總離子色譜圖一一歸屬（圖3）。通過(guò)上面的方法，在實(shí)際樣品中確定了每一種目標(biāo)化合物。

圖2 5種VOCs和氘代苯的總離子流色譜圖Fig.2 GC-MS total ion chromatograms of 5 VOCs and D6-benzene standard

圖3 3R4F參比卷煙主流煙氣中5種VOCs和氘代苯的總離子流色譜圖Fig.3 GC-MS total ion chromatograms of 5 VOCs and D6-benzene in mainstream from 3R4F reference cigarette

2.3 內(nèi)標(biāo)選擇與標(biāo)準(zhǔn)曲線

為了確定用氘代苯進(jìn)行定量或是通過(guò)三個(gè)氘代內(nèi)標(biāo)進(jìn)行定量之間的差異，通過(guò) 26家實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)（結(jié)果未列出）[18]，發(fā)現(xiàn)只用氘代苯進(jìn)行定量與三個(gè)氘代內(nèi)標(biāo)定量的結(jié)果之間差異不大。因此為了方便起見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)只采用氘代苯對(duì)5個(gè)VOCs進(jìn)行定量。

用配制好的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液配制標(biāo)準(zhǔn)曲線，5種揮發(fā)性有機(jī)物的線性范圍見(jiàn)表2。為評(píng)價(jià)揮發(fā)性有機(jī)化合物測(cè)定方法的分析特性，將5個(gè)不同濃度的揮發(fā)性有機(jī)化合物混合標(biāo)樣分別進(jìn)行GC-MS分析，并用各種揮發(fā)性有機(jī)化合物色譜峰與相應(yīng)的內(nèi)標(biāo)峰面積比值對(duì)其相應(yīng)揮發(fā)性有機(jī)化合物含量進(jìn)行回歸分析，得回歸方程及其相關(guān)參數(shù)。結(jié)果表明，在卷煙煙氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物的含量范圍內(nèi)，檢測(cè)器響應(yīng)與這5種揮發(fā)性有機(jī)化合物的濃度呈明顯的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.9985至0.9998之間。

2.4 回收率、檢出限和定量限

采用標(biāo)準(zhǔn)加入法測(cè)定方法的回收率，即在吸收瓶中加入已知含量的揮發(fā)性有機(jī)化合物標(biāo)準(zhǔn)溶液，進(jìn)行卷煙抽吸，吸收液通過(guò) GC/MS分析，并根據(jù)測(cè)定量、加入量和原含量計(jì)算回收率。檢出限（LOD）和定量限（LOQ）分別是采用3倍信噪比和10倍信噪比計(jì)算。由表3可知，5種揮發(fā)性有機(jī)化合物的LOD為0.01～0.82 μg/支，LOQ為0.04～2.73 μg/支，這遠(yuǎn)低于實(shí)際樣品中的含量。5種揮發(fā)性有機(jī)化合物的回收率為92.3%～98.5%，可滿足分析檢測(cè)的要求。

表2 5種揮發(fā)性有機(jī)化合物線性范圍、回歸方程及相關(guān)系數(shù)Table 2 Linearity range,regression equation and correlation coefficients for 5 VOCs in mainstream smoke

表3 5種揮發(fā)性有機(jī)化合物的檢出限、定量限和回收率結(jié)果Table 3 LOD,LOQ and recoveries for 5 VOCs

2.5 重復(fù)性

選取具有典型性的7個(gè)卷煙品牌，同種卷煙樣品在5 d平行測(cè)定5次，每次抽吸7個(gè)輪次，結(jié)果見(jiàn)表4。除了1號(hào)樣品第一輪的異戊二烯和丙烯腈的測(cè)定結(jié)果為 11.2%和12.7%外，其他揮發(fā)性有機(jī)物所有測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于10%。此測(cè)定結(jié)果與2008年CORESTA特種分析物學(xué)組組織的“卷煙煙氣揮發(fā)性有機(jī)化合物共同實(shí)驗(yàn)”結(jié)果比較，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為25%～30%，數(shù)據(jù)較穩(wěn)定合理。

表4 ISO方法重復(fù)性結(jié)果Table 4 Repeatability of 5 VOCs under ISO smoking regime

2.6 部分卷煙在ISO和深度抽吸模式下?lián)]發(fā)性有機(jī)物釋放量的比較

由圖4可以看出，在深度抽吸模式下，卷煙主流煙氣常規(guī)成分的含量會(huì)有顯著增加。38個(gè)品牌的卷煙樣品中，4種常規(guī)成分的增加幅度在1～5倍之間。

圖4 38個(gè)卷煙樣品主流煙氣中水分、焦油、煙堿和一氧化碳釋放量范圍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)

從圖5可以看出，深度抽吸模式下5種揮發(fā)性有機(jī)物在38種樣品中的平均釋放量要比ISO標(biāo)準(zhǔn)抽吸條件下高一倍。其中異戊二烯在主流煙氣中含量最高，增長(zhǎng)也最快，在深度抽吸條件下，38種卷煙的平均釋放量達(dá)到了374 μg/支。按照WHO的要求，未來(lái)可能有必要在卷煙包裝上披露有害成分與煙堿的比值，本試驗(yàn)求出了 38種卷煙的平均釋放量與煙堿的比值（圖6）。由于換成深度抽吸模式后，煙堿釋放量也隨著升高，所以換算成煙堿比值后，抽吸模式對(duì)值的影響變得差別不大。

圖5 ISO和深度抽吸模式下5種揮發(fā)性有機(jī)成分在38種卷煙中平均釋放量Fig.5 Mean delivery levels of 5 VOCs in the Mainstream Smoke of 38 commercial Cigarette Brands (under ISO and Canada Intense smoking method)

圖6 ISO和深度抽吸模式下5種揮發(fā)性有機(jī)成分與煙堿的比值Fig.6 5 VOCs/nicotine of 38 commercial Cigarette Brands(under ISO and Canada Intense smoking method)

3 結(jié) 論

本研究采用兩個(gè)串聯(lián)的裝有冷甲醇（-70 °С）的吸收瓶捕集主流煙氣中的5種VOCs。抽吸卷煙前在捕集液中加入氘代苯，捕集完成后分別從兩個(gè)吸收瓶中取適量捕集液于棕色色譜瓶，然后用GC-MS在選擇離子模式下進(jìn)行分析。采用氘代內(nèi)標(biāo)進(jìn)行定量，并且在抽吸前把內(nèi)標(biāo)加入到吸收液中，這排除了抽吸和樣品轉(zhuǎn)移過(guò)程中 VOCs的揮發(fā)損失，使得定量過(guò)程更為準(zhǔn)確。深度抽吸模式下5種揮發(fā)性有機(jī)物在 38個(gè)樣品中的平均釋放量要比ISO抽吸條件下高一倍。

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