口腔中煙氣煙堿的在線采樣分析研究

彭曉萌，王健，雷振，徐迎波，胡永華，朱青林，汪華，田振峰，陳開(kāi)波

安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司/煙草行業(yè)燃燒熱解研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和煙草化學(xué)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥市高新區(qū)天達(dá)路9號(hào) 230088

卷煙主流煙氣是一種由數(shù)千種化學(xué)成分組成的復(fù)雜混合物，通常，吸煙者在抽吸卷煙的過(guò)程中，一部分吸入口腔中的主流煙氣被呼出進(jìn)入環(huán)境中，另一部分主流煙氣則殘留在包括人體口腔在內(nèi)的呼吸道內(nèi)，研究卷煙煙氣在包括人體口腔在內(nèi)的呼吸道中的殘留被認(rèn)為是研究吸煙與健康關(guān)系的第一步。在眾多的卷煙煙氣化學(xué)成分中，煙堿的殘留廣受關(guān)注[1]。雖然人們已經(jīng)對(duì)卷煙煙氣中煙堿在人體口腔中的殘留進(jìn)行了許多研究[2-3]，然而，到目前為止，文獻(xiàn)中測(cè)定煙堿的殘留基本采用離線分析方式進(jìn)行，即先對(duì)從卷煙濾嘴端出來(lái)煙堿和從吸煙者口腔中呼出的煙堿進(jìn)行收集，或采用稀的酸溶液對(duì)吸煙后的口腔進(jìn)行清洗從而直接收集口腔中煙堿殘留物，然后根據(jù)需要采用不同的前處理過(guò)程，再用色譜或光譜等儀器進(jìn)行分析[4-5]。然而，這些廣泛使用的方法至少存在如下三個(gè)方面的缺陷：第一，煙堿的捕集和預(yù)處理過(guò)程操作繁瑣且耗時(shí)；第二，在捕集和預(yù)處理過(guò)程中常常會(huì)引入新的實(shí)驗(yàn)誤差，且在預(yù)處理過(guò)程通常需要使用溶劑，容易導(dǎo)致環(huán)境污染；第三，常規(guī)的研究方法均采用離線式分析技術(shù)，難以揭示煙堿在人體口腔內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

近年來(lái)，已有文獻(xiàn)嘗試使用一些在線方法[6-12]研究煙氣化學(xué)成分，但針對(duì)口腔中煙堿的動(dòng)態(tài)變化報(bào)道較少。在這里，我們建立了一種利用商用吸煙機(jī)結(jié)合四極桿質(zhì)譜研究人體口腔中煙氣煙堿在線采樣的實(shí)驗(yàn)裝置和方法。該方法通過(guò)對(duì)商用單通道吸煙機(jī)進(jìn)行改造，可實(shí)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)抽吸條件下抽吸卷煙。當(dāng)吸煙機(jī)將產(chǎn)生的煙氣通過(guò)注射器直接推入到人體口腔后，吸煙者屏住呼吸，利用煙氣傳輸石英毛細(xì)管負(fù)壓將口腔中的卷煙煙氣引入至四極桿質(zhì)譜儀的電離區(qū)，進(jìn)行電離、分析。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)吸煙者口腔內(nèi)煙堿直接進(jìn)行快速取樣和在線分析，測(cè)量時(shí)無(wú)需任何溶劑和前處理過(guò)程，從而能夠極大地降低測(cè)量誤差和提高測(cè)定效率，為研究卷煙主流煙氣中煙堿在人體口腔內(nèi)動(dòng)態(tài)變化提供一種良好的技術(shù)手段，同時(shí)也間接地為煙堿在人體口腔的殘留研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

實(shí)驗(yàn)所用卷煙為黃山（普皖）卷煙，其盒標(biāo)焦油、煙堿和一氧化碳量分別為11、1.2和11 mg。實(shí)驗(yàn)前，卷煙煙支被放置在相對(duì)空氣濕度60%、溫度22℃的環(huán)境下保存24 h。

實(shí)驗(yàn)儀器：?jiǎn)瓮ǖ牢鼰煓C(jī)（LM1型，德國(guó)BORGWALDT 公司），注射器（常州市飛鴿醫(yī)療器械有限公司），5973型四極桿質(zhì)譜儀（美國(guó)Agilent公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

圖1所示為口腔中煙氣煙堿的在線采樣分析裝置示意圖。該裝置主要包括商用單通道吸煙機(jī)、四極桿質(zhì)譜儀、注射器、三端口煙氣入嘴器和煙氣傳輸石英毛細(xì)管（內(nèi)徑和長(zhǎng)度分別為150 μm和150 cm）。3名受試者參與了本實(shí)驗(yàn)，考慮到不同受試者之間的抽吸體積和抽吸曲線的差異，采用一臺(tái)單通道吸煙機(jī)作為煙氣產(chǎn)生源。分析時(shí)，煙氣通過(guò)毛細(xì)管借助真空差進(jìn)入四極桿質(zhì)譜的電離室中，流量約為1 mL/min。

商用單通道吸煙機(jī)（1）通過(guò)注射器（6）分別與卷煙夾持器（8）和三端口煙氣入嘴器（13）相連，煙氣傳輸石英毛細(xì)管（14）的一端連著三端口煙氣入嘴器（13），另一端則穿過(guò)四極桿質(zhì)譜儀（15）的腔壁進(jìn)入電子轟擊電離區(qū)（16）中，且煙氣傳輸石英毛細(xì)管（14）在三端口煙氣入嘴器（13）和四極桿質(zhì)譜儀（15）腔壁之間的外部區(qū)域裹有一層帶有溫度控制器（18）的電加熱套（19）。

實(shí)驗(yàn)前，按圖1組裝、連接實(shí)驗(yàn)裝置，并通過(guò)溫度控制器（18）將加熱套（19）的溫度設(shè)定為200℃；待加熱套（19）的溫度達(dá)到設(shè)定并穩(wěn)定后，打開(kāi)吸煙機(jī)（1）的工作電源，將吸煙機(jī)（1）的工作參數(shù)設(shè)置為：每口抽吸35 mL，抽吸2 s，抽吸間隙為58 s，并使用皂膜流量計(jì)校準(zhǔn)吸煙機(jī)的抽吸容量；緊接著，打開(kāi)四極桿質(zhì)譜儀（15）的工作電源，并將四極桿質(zhì)譜儀（15）的分析條件設(shè)置為：離子源（EI）溫度230℃，四極桿溫度150℃，電子轟擊能量70 eV，選擇質(zhì)量數(shù)為84和162兩種煙堿碎片離子進(jìn)行監(jiān)測(cè)掃描。

圖1 口腔中煙氣煙堿的在線采樣分析實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus for on-line sampling of smoke nicotine in oral cavity

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先啟動(dòng)四極桿質(zhì)譜儀（15）進(jìn)行離子掃描，同時(shí)吸煙者將三端口煙氣入嘴器（13）的口含端口（11）含入口腔中，并用手緊壓弧形密封片（12）以確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生口腔泄露現(xiàn)象；然后，打開(kāi)二通閥a（7）、關(guān)閉二通閥b（10），并將卷煙煙支（9）插入不含劍橋?yàn)V片的卷煙夾持器（8）中，點(diǎn)火抽吸，一次抽吸完畢后，立即關(guān)閉二通閥a（7）、打開(kāi)二通閥b（10）；當(dāng)吸煙機(jī)（1）將煙氣推入吸煙者口腔之后，重新關(guān)閉二通閥b（10），并關(guān)閉吸煙機(jī)（1）的工作電源，此時(shí)吸煙者屏住呼吸，待煙氣在口腔中停留一段時(shí)間（其間質(zhì)譜掃描一直進(jìn)行）后，吸煙者從口腔中取出三端口煙氣入嘴器（13），四極桿質(zhì)譜儀（15）停止掃描。當(dāng)?shù)谝淮螠y(cè)定結(jié)束后，換用一個(gè)新的且?guī)в卸ㄩya（7）和二通閥b（10）的注射器（6）、新的卷煙夾持器（8）以及上述測(cè)試相同的卷煙煙支（9）重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，即可測(cè)量另一口煙氣中煙堿的口腔動(dòng)態(tài)變化。其中，更換新的注射器對(duì)另一口煙氣進(jìn)行抽吸，能夠消除因焦油在注射器管壁的殘存而對(duì)另一口煙氣測(cè)定結(jié)果的影響。值得注意的是，由于取樣分析的是全煙氣組分，整個(gè)傳輸過(guò)程難免會(huì)產(chǎn)生滯留污染等問(wèn)題。因此實(shí)驗(yàn)中采取諸如加熱取樣毛細(xì)管等方式來(lái)減少煙氣的滯留污染，但在實(shí)際進(jìn)樣持續(xù)一定時(shí)間后，仍需更換新毛細(xì)管或清洗四極桿質(zhì)譜離子源等方式以確保實(shí)驗(yàn)的重復(fù)和穩(wěn)定性。

1.3 口腔中煙氣煙堿濃度變化的計(jì)算

相對(duì)于剛進(jìn)入口腔時(shí)的最高煙堿濃度，口腔中煙氣煙堿濃度的降低率采用如下公式計(jì)算：

式中，I0為卷煙煙氣進(jìn)入口腔后m/z=84或m/z=162離子的最大離子強(qiáng)度，Ii為卷煙煙氣進(jìn)入口腔后停留一定時(shí)間時(shí)的離子強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙氣煙堿離子強(qiáng)度變化

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，3名吸煙者參與了本實(shí)驗(yàn)。圖2所示為其中1名吸煙者口腔中煙堿的兩種碎片離子（m/z=84和m/z=162）的離子強(qiáng)度隨時(shí)間（0～14 s）變化情況。之所以選擇這兩種碎片離子，是因?yàn)閙/z=84的離子是在70 eV轟擊電離下煙堿的主碎片離子，該離子在采用熱重-四極質(zhì)譜（70 eV轟擊電離）法研究煙草熱解過(guò)程中煙堿隨熱解溫度變化時(shí)，常用來(lái)作為監(jiān)控?zé)焿A形成[13]；而m/z=162的離子則為煙堿的母體離子。

圖2 吸煙者口腔內(nèi)的煙堿的兩種碎片離子（m/z=84和m/z=162）的離子強(qiáng)度隨時(shí)間變化Fig.2 Density variation of two characteristic fragment ions(m/z=84 and m/z=162) of nicotine in oral cavity with holding time

從圖2中可看出，兩種碎片離子（m/z=84和m/z=162）隨卷煙煙氣在人體口腔中的停留時(shí)間表現(xiàn)出的變化趨勢(shì)基本一致，在0～14 s內(nèi)，都隨停留時(shí)間的延長(zhǎng)其離子強(qiáng)度逐漸降低，說(shuō)明m/z=84和m/z=162兩種碎片離子均適合于表征煙氣煙堿在人體口腔的動(dòng)態(tài)變化。

2.2 口腔中煙氣煙堿濃度的動(dòng)態(tài)變化

圖3給出了3名吸煙者抽吸10口煙氣時(shí)，主流煙氣中煙堿（以特征峰離子m/z=84的變化計(jì)算得到）在其口腔內(nèi)的平均濃度降低率隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。由圖3中的動(dòng)態(tài)變化曲線可看出，雖然3名吸煙者各自口腔環(huán)境不同而使煙堿動(dòng)態(tài)濃度水平略有出入，但口腔濃度降低率相差不大。根據(jù)前人對(duì)煙氣化學(xué)成分的口腔研究，大多觀測(cè)煙氣在口腔中停留約2 s后的情況[1]。在本實(shí)驗(yàn)中，我們主要觀察煙氣煙堿進(jìn)入吸煙者口腔中停留2 s及2 s以后的濃度動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)停留時(shí)間為2 s時(shí)，煙堿在3名吸煙者各自口腔的濃度降低率基本都在5%左右，并且隨著停留時(shí)間的變化都呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)。

圖3 主流煙氣中煙堿在3名吸煙者口腔內(nèi)的平均濃度降低率隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)Fig.3 The variation of average nicotine concentration in oral cavities of three smokers with holding time

圖4顯示了卷煙煙氣在一名吸煙者口腔中，同時(shí)采用煙堿的兩種特征碎片離子（m/z=84和m/z=162）計(jì)算口腔濃度變化時(shí)，其煙堿口腔濃度降低率的10次測(cè)定結(jié)果平均值隨停留時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。從圖4可以看出，采用兩種特征碎片離子（m/z=84和m/z=162）計(jì)算得到的煙堿口腔濃度降低率隨停留時(shí)間（2～12 s）的變化基本一致，兩種計(jì)算方法得到的結(jié)果，在停留時(shí)間為2 s時(shí)的煙堿口腔濃度降低率都約為4.5%，且隨停留時(shí)間的變化都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。另外，兩種計(jì)算得到的煙堿口腔濃度降低率的相對(duì)偏差均在5%以下，表現(xiàn)出了良好的重復(fù)性。

圖4 主流煙氣中煙堿在1名吸煙者口腔中不同停留時(shí)間時(shí)同時(shí)采用兩種碎片離子（m/z=84和m/z=162）計(jì)算得到的平均濃度降低率及其標(biāo)準(zhǔn)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 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)建立了一套在線采樣研究卷煙主流煙氣煙堿在口腔中動(dòng)態(tài)變化的實(shí)驗(yàn)裝置，采用監(jiān)測(cè)煙堿的兩種特征峰離子（m/z=84和m/z=162）的方法，可以實(shí)現(xiàn)口腔中煙氣煙堿濃度的實(shí)時(shí)分析，重復(fù)性較好。

（2）當(dāng)卷煙煙氣在人體口腔中停留2 s時(shí)，相對(duì)于剛進(jìn)入口腔時(shí)的最高煙堿濃度，煙堿在3名吸煙者口腔中的濃度降低率為5%左右，在2～12 s內(nèi)，隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)，煙堿的口腔濃度降低率逐漸上升。