功率和抽吸容量對電子煙氣溶膠中重金屬釋放量的影響

朱風鵬，姜興益，張洪非，李翔宇，龐永強，馬 濤，羅彥波

國家煙草質量監(jiān)督檢驗中心，鄭州高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)翠竹街6 號 450001

重金屬是電子煙氣溶膠中的一類有害物質，近年來日益受到關注。許多研究者分析了電子煙氣溶膠中重金屬的含量和來源［1-5］，一些國家或組織也提出了明確的限量要求［6-8］。電子煙抽吸行為研究表明，電子煙單口抽吸容量分布范圍較大，普遍在50 mL/口以上，最高在 100 mL/口以上［9-13］，電子煙消費者實際抽吸容量遠高于傳統(tǒng)卷煙消費者。在電子煙實際使用中，大多數(shù)電子煙產品的功率是可調的。功率對電子煙氣溶膠中重金屬釋放量的影響已有報道［14］，但功率和抽吸容量對電子煙氣溶膠中重金屬釋放量影響的綜合評價鮮見報道。為此，選用可填充式霧化器和自行配制的電子煙液，研究了不同抽吸容量和工作電壓對電子煙氣溶膠中重金屬釋放量的綜合影響，旨在為電子煙產品設計和安全評價提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器、試劑與材料

電子煙（加熱器具功率可調，功率分別為30、60 和80 W；電子煙液（按照英國電子煙標準配制，丙二醇、丙三醇、煙堿和水分別為78%、18%、2%和2%，體積比）［7］。

濃硝酸（質量分數(shù)65%，電子級）、雙氧水（質量分數(shù)30%，優(yōu)級純）（德國Merck公司）；丙二醇（優(yōu)級純＞99.5%）、丙三醇（優(yōu)級純＞99%）（美國Sigma 公司）；元素混合標準溶液（10 mg/L，美國Agilent 公司）；煙堿（99.6%，國家煙草質量監(jiān)督檢驗中心）。

7900 電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，美國Agilent 公司）；SML600E 6 孔道電子煙吸煙機（合肥眾沃儀器技術有限公司）；CP225D 電子天平（感量0.000 1 g，德國Sartorius 公司）；Milli-Q 超純水儀（美國Millipore 公司）；MarsX-press 型微波消解儀（美國CEM 公司）。

1.2 方法

1.2.1 電子煙氣溶膠分析

根據(jù)文獻［15］，中國電子煙消費者抽吸容量的均值為87.2 mL，中位值為75.4 mL，因此選取55、75 和85 mL 作為抽吸容量。在不同功率(30、60 和 80 W)和抽吸容量(55、75 和 85 mL)下參照法國電子煙標準［6］進行電子煙抽吸和氣溶膠捕集。具體參數(shù)為：抽吸間隔30 s、抽吸持續(xù)時間3 s、抽吸口數(shù)20 口、用含有20 mL 10%硝酸溶液(體積分數(shù))的兩級串聯(lián)吸收瓶捕集氣溶膠。捕集液直接用ICP-MS 測試(兩個吸收瓶單獨測試)。ICP-MS工作參數(shù)：射頻功率1 500 W；載氣為氬氣，流速1.10 mL/min；碰撞氣為氦氣，流速4.50 mL/min。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 18.0 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，通過一般線性模型方差分析對不同功率和容量下氣溶膠中重金屬釋放量進行數(shù)據(jù)處理，用偏η2值表示因素貢獻的相對大小，并判定P 值＜0.05 時具有顯著性差異。

2 結果與討論

2.1 不同功率和不同抽吸容量下氣溶膠中重金屬釋放量

不同功率和不同抽吸容量下氣溶膠中重金屬釋放量結果見表1?？梢钥闯?，氣溶膠中各元素釋放量差異較大，Ni 釋放量較高；Cr 釋放量為7.1～22.3 ng·20 口-1；Ni 釋放量為 5.3～46.3 ng·20 口-1；Cu 釋放量為 7.2～24.3 ng·20 口-1；Pb 釋放量為 2.5～6.0 ng·20 口-1。

表1 電子煙氣溶膠中重金屬釋放量（n=5）①Tab.1 Heavy metal emissions in e-cigarette aerosols（n=5）

2.2 功率和抽吸容量兩因素對氣溶膠中重金屬釋放量的影響

功率和抽吸容量對電子煙氣溶膠中重金屬釋放量均有影響，通過方差分析對這兩個因素進行了研究。一般線性模型方差分析結果見表2，檢驗結果中的平方和、均方或者偏η2值均可表示某個因素貢獻的相對大小。以Cr 元素為例，功率的貢獻小于抽吸容量的貢獻，兩個因素的交互作用的貢獻最小，三者對Cr 釋放量的影響均顯著（P 值＜0.05）；對于Ni 和 Cu 元素，功率＞抽吸容量＞交互作用，且都有顯著影響；對于Pb 元素，抽吸容量的貢獻遠大于功率和交互作用的貢獻，功率和交互作用對Pb 釋放量的影響不顯著。

表2 功率和抽吸容量對氣溶膠中重金屬釋放量方差分析結果Tab.2 Variance analysis results of effects of device power and puffing volume on heavy metal emissions in aerosols

2.3 功率對氣溶膠中重金屬釋放量的影響

抽吸容量相同時，不同功率對氣溶膠中重金屬釋放量的影響見圖1?？梢钥闯觯槲萘繛?5 mL 時，氣溶膠中Cr 和Ni 釋放量隨功率升高而增加，Cu 在30 和60 W 時釋放量基本沒有差異，但在80 W 時釋放量明顯增加；抽吸容量為75 mL 時，氣溶膠中Ni 釋放量規(guī)律和55 mL 相同，但Cr 釋放量在 60 和 80 W 時基本不變，Cu 釋放量在 80 W 時明顯升高；抽吸容量為85 mL 時，氣溶膠中Cr 和Cu 釋放量隨功率升高而增加，當功率從30 W 增加到60 W 時Ni 釋放量有明顯升高，在80 W 時有所降低，Ni 釋放量降低的原因有待進一步研究。Zhao 等［14］研究結果中兩種可填充式霧化器(文獻中編號OD1，可調功率20、40 和80 W；編號OD2，可調功率40、120 和 200 W；OD1 的 Ni 釋放量分別為 8、768、277 μg/kg，OD2 的 Ni 釋放量分別為 863、2 491、789 μg/kg)的Ni 釋放趨勢和本研究結果一致。Pb釋放量在不同功率下都基本保持不變。韓書磊等［16］的研究中，對于可填充式電子煙，加熱絲成分中沒有發(fā)現(xiàn)Pb，而煙液接觸金屬材料中存在Pb，本文中所用的霧化器是其中的一種，故此推測氣溶膠中Pb 可能是由煙液接觸的金屬材料中遷移而來。

圖1 功率對氣溶膠中重金屬釋放量的影響Fig.1 Effects of device power on heavy metal emissions in aerosols

不同功率下氣溶膠中重金屬釋放量差異性分析結果見表3。功率對氣溶膠中Cr、Ni 和Cu 釋放量均有顯著影響，對Pb 釋放量沒有顯著影響。Zhao 等［14］研究結果表明：對一種可填充式電子煙霧化器(文獻中編號 OD2)，功率對 Ni、Pb 和 Cu 均無顯著性影響，Cr 在40 和200 W 之間無顯著差異，40 和 120 W 及 120 和 200 W 之間有顯著差異；另一種可填充式電子煙霧化器(文獻中編號OD1)，40 和 80 W 之間對 Cr、Cu 和 Ni 無顯著影響，其他功率之間 4 種元素(Ni、Pb、Cr 和 Cu)均有顯著差異。說明對不同的可填充式電子煙霧化器，功率對氣溶膠中重金屬釋放量影響也不完全相同。

表3 不同功率對氣溶膠中重金屬釋放量LSD 多重比較結果Tab.3 Multiple comparison results of heavy metal emissions in aerosols at different device powers

2.4 抽吸容量對氣溶膠中重金屬釋放量的影響

功率相同時，不同抽吸容量對氣溶膠中重金屬釋放量的影響見圖2。可以看出，當電子煙功率在 60 和 80 W 時，Ni 釋放量高于 Cr、Cu 和 Pb。在30 W 時，氣溶膠中Cr 元素釋放量隨抽吸容量升高而增加，抽吸容量從 55 mL 到 75 mL 時，Ni、Cu 和Pb 釋放量基本不變，但85 mL 時明顯升高；在60 W 時，Cr、Ni、Cu 和 Pb 釋放量隨抽吸容量的變化規(guī)律和30 W 時基本一致，但在85 mL 時Ni 釋放量顯著升高；在80 W 時，Ni 釋放量隨抽吸容量升高而增加，抽吸容量達到75 mL 后Cu 釋放量保持不變，Pb 隨抽吸容量升高而略有增加。

隨著功率增加，金屬元素更易溶出。相同功率下，抽吸容量的增加使得溶出的元素更多地轉移到氣溶膠中。因此在相同功率下，氣溶膠中各元素釋放量都隨抽吸容量增加呈增加趨勢。電子煙加熱絲以鉻鎳合金為主（Cr 和Ni 分別約占20%和80%，質量比），不同可填充式電子煙煙液接觸材料中Cu 元素占比不同（0.55%～63.60%，質量比）［16］，推測高抽吸容量有利于加熱絲和煙液接觸材料溶出的Cr、Ni 和Cu 轉移到氣溶膠中。由于Pb 元素在加熱絲和煙液接觸材料中占比均較低，所以氣溶膠中Pb 釋放量變化不明顯。

圖2 抽吸容量對氣溶膠中重金屬釋放量的影響Fig.2 Effects of puffing volume on heavy metal emissions in aerosols

不同抽吸容量下氣溶膠中重金屬釋放量差異性分析結果見表4。抽吸容量對氣溶膠中Cr、Cu和Pb 元素釋放量有顯著影響，抽吸容量低于75 mL 時對Ni 釋放量影響不顯著，大于75 mL 時對Ni 釋放量有顯著影響。

表4 不同抽吸容量對氣溶膠中重金屬釋放量LSD 法多重比較結果Tab.4 Multiple comparison results of heavy metal emissions in aerosols at different puffing volumes

3 結論

以可填充式電子煙為對象，研究了功率和抽吸容量對電子煙氣溶膠中重金屬釋放量的影響。結果表明：電子煙氣溶膠中Cr、Ni 和Cu 元素的釋放量隨著功率升高而增加，功率對氣溶膠中Cr、Ni和Cu 元素的釋放量均有顯著影響；不同功率下Pb元素釋放量基本保持不變，功率對氣溶膠中Pb 元素釋放量沒有顯著影響；抽吸容量增加使Cr、Ni和Cu 元素更易轉移到氣溶膠中，抽吸容量對氣溶膠中Cr、Cu 和Pb 元素的釋放量均有顯著影響；抽吸容量在75 mL 以下時，抽吸容量對Ni 釋放量影響不顯著，大于75 mL 時對Ni 釋放量有顯著影響；功率對氣溶膠中Ni 和Cu 元素釋放量貢獻大于抽吸容量，功率對氣溶膠中Cr 和Pb 元素釋放量貢獻小于抽吸容量。