霧化器的重復使用對電子煙氣溶膠中重金屬釋放量的影響

李永霞，黃雯，楊菁，陸怡峰*，劉鴻，張琿姿

1 上海牡丹香精香料有限公司，上海市浦東新區(qū)孫橋路1067號 201203；2 上海煙草集團有限責任公司技術中心，上海市浦東新區(qū)秀浦路3733號 200082；3 上海新型煙草制品研究院有限公司，上海市虹口區(qū)大連路789號 200082

隨著電子煙的快速發(fā)展，其產(chǎn)品質(zhì)量安全得到了深入研究，重金屬的釋放是重要課題之一。研究表明，電子煙氣溶膠中重金屬主要來自于霧化器，如Ni、Cr 可能來自于霧化器中的加熱絲，Pb 可能來自于金屬件焊接點，Cu 可能來自于導電連接線[1-4]。Williams 等[4]測定了一次性電子煙中前60 口及后60口氣溶膠中多種金屬元素的釋放量，以此概括一次性霧化器在使用過程中金屬元素釋放量的變化趨勢。但隨著電子煙的發(fā)展，可填充式霧化器在越來越多的產(chǎn)品中出現(xiàn)，且抽吸功率可調(diào)節(jié)，霧化器經(jīng)續(xù)液后反復使用已極為常見，所以可填充式霧化器在重復使用過程中重金屬的釋放趨勢亟待研究。

因此，本文以可填充式霧化器為研究對象，檢測了不同抽吸功率條件下重復使用霧化器時氣溶膠中重金屬的釋放量，建立了重金屬釋放量的時間序列圖，在此基礎上，討論了不同功率條件下霧化器的重復使用對重金屬釋放量的影響，并進行了原因探討，旨在為電子煙產(chǎn)品的設計和質(zhì)控提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

材料：從網(wǎng)絡銷售渠道選擇銷售量較大、知名度較高的功率可調(diào)型電子煙6 種，樣品編號為1～6 號。經(jīng)分析，1～6 號樣品霧化器外觀基本一致，組成材質(zhì)成分相似，其中加熱件均為不銹鋼及鎳合金。

試劑：丙二醇（分析純，上海阿拉丁公司）；丙三醇（分析純，上海阿拉丁公司）；無水乙醇（色譜純，德國MERCK 公司）；水（電阻率18.2 MΩ·cm 的超純水）；濃硝酸（65%，優(yōu)級純，德國MERCK 公司）；濃鹽酸（35%～37%，優(yōu)級純，德國MERCK 公司）；10.0 mg/L 重金屬混合標準溶液（美國Agilent 科技有限公司）；100.0 mg/L 重金屬（鍺72、銦115、鉍209）內(nèi)標混合標準溶液（美國Agilent科技有限公司）。

儀器：電子煙吸煙機（PUFFMAN 公司）；7700x 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國Agilent 科技有限公司）；Milli-Q 超純水儀（美國Millipore 公司）。

1.2 方法

1.2.1 標準溶液配制

電子煙煙液：參考法國標準XP D 90-300-1 推薦的評價電子煙具的測試溶液，各組分質(zhì)量比分別為67%丙二醇、29%丙三醇、1%乙醇、2%水和1%煙堿[5]。煙液保存于0℃～4℃。

1.2.2 電子煙的抽吸與氣溶膠中重金屬的分析

按照文獻[6]中的方法，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法同時測定電子煙氣溶膠中7 種重金屬元素。日內(nèi)重復使用霧化器抽吸10 次，每次抽吸20 口，共抽吸200 口。抽吸容量55.0 mL，抽吸持續(xù)時間3 s，抽吸間隔30 s。抽吸前將霧化器注滿煙液，煙液耗盡或不足以抽吸20 口時，將霧化器重新注滿煙液。重復使用霧化器3 天。每次抽吸前將電子煙煙具電池充滿，分別測定30 W、40 W、50 W、80 W 功率下每20 口氣溶膠中重金屬的釋放量。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同功率條件下霧化器的重復使用對氣溶膠重金屬釋放量的影響

根據(jù)電子煙日均抽吸口數(shù)調(diào)查，試驗選用200 口作為日抽吸總口數(shù)，模擬人體抽吸電子煙時重金屬的接觸情況[5,7-12]。

10 W 及20 W 功率下，氣溶膠中Ni、Cr、As、Pb、Cu 的釋放量極低，均未檢出，故以30 W 及40 W作為低功率抽吸條件，以50 W及80 W作為高功率條件。

以1 號樣品為例，不同功率下重復使用霧化器3天，5 種元素日內(nèi)總釋放量見表1。

表1 日間重復使用霧化器時重金屬的釋放量 Tab. 1 Release amount of heavy metals in aerosol when atomizer is reused (ng/200puffs)

以1 號樣品為例，低功率下Ni 的釋放量時間序列圖如圖1，結(jié)果顯示，霧化器的重復使用對氣溶膠中Ni 元素的釋放量無明顯影響。5 種元素釋放量時間序列圖規(guī)律一致，本文僅以Ni 為代表作說明，其他元素不做贅述。

圖1 低功率下霧化器重復使用時氣溶膠中鎳的釋放量序列Fig. 1 The time series of release amount of Ni in aerosol when atomizer is reused under low power

以1 號樣品為例，高功率下，As、Pb、Cu 的釋放規(guī)律與低功率條件下相同，重復使用變化不明顯。而Cr 與Ni 釋放量隨霧化器使用時間而降低，二者釋放量的序列圖相似，其中Ni 的釋放量的序列圖如圖2 所示。

圖2 高功率下霧化器重復使用時氣溶膠中鎳的釋放量序列Fig. 2 The time series of release amount of Ni in aerosol when atomizer is reused under high power

加熱功率對重金屬釋放量影響顯著。以Ni 為例，30 W 及80 W 功率下，1～6 號樣品氣溶膠中Ni 的釋放量見圖3a 及圖3b 所示。80 W 下Ni 釋放量幾乎是30 W 下的10 倍左右。Pb 的釋放量不隨功率變化，與朱風鵬在功率對氣溶膠中重金屬釋放量的影響中的研究結(jié)論一致[13]。

圖3 不同功率下霧化器重復使用時氣溶膠中鎳的釋放量序列Fig. 3 The time series of release of Ni in aerosol when atomizer is reused under different power conditions

2.2 霧化器的重復使用對氣溶膠中重金屬釋放影響的分析

高溫下，金屬件中重金屬可能揮發(fā)進入氣溶膠或溶解于煙液，再經(jīng)煙液遷移至氣溶膠[1-4]，以上兩種方式可能是氣溶膠中重金屬的主要來源途徑。

為了探究氣溶膠中重金屬釋放量變化的原因，本文測定了不同抽吸口數(shù)時霧化器儲液腔內(nèi)煙液中重金屬的濃度。抽吸開始前煙液中Ni、Cr 元素分別均在0.01 mg/L 左右，80 W 功率時，抽吸20 口后及抽吸200 口后煙液中Ni 的平均濃度為6.50 mg/L 及0.25 mg/L，Cr 為2.21 mg/L 及0.05 mg/L，煙液中兩個元素的濃度隨抽吸口數(shù)的增多而明顯降低。煙液及氣溶膠中Ni、Cr 含量的同步降低，表明隨抽吸口數(shù)的累計加熱絲中Ni、Cr 的遷移能力有所降低，這可能與加熱絲表面生成了保護膜有關。金屬材料研究表明，鎳鉻合金在高溫高壓下易生成耐腐蝕的氧化膜及碳化膜[14-16]。

隔天使用霧化器時，煙液和煙氣中Ni、Cr 元素的濃度及變化規(guī)律與前一天幾乎相同，呈現(xiàn)出一定的周期性規(guī)律。這可能由于經(jīng)煙液長時間浸泡后，保護膜的性狀發(fā)生了改變，因而降低了對Ni、Cr 遷移的阻力，從而使Ni、Cr 元素在高溫高壓條件下能再次快速遷移至煙液及氣溶膠中，具體還有待繼續(xù)研究。

50 W 及80 W 抽吸下，煙液中Pb 的平均濃度分別為0.32 mg/L 及1.08 mg/L，隨抽吸功率的升高而升高，而氣溶膠中Pb 的釋放量不隨功率變化，且釋放量均較低，表明金屬件中Pb 相對較易遷移至煙液，較難遷移至氣溶膠。這可能由于Pb 的熔點較低，327℃，抽吸時加熱件溫度高于其熔點，使Pb 熔化進而較易溶解于煙液[4,17]，而由于沸點較高，1740℃，Pb 較難由煙液遷移至氣溶膠。

3 結(jié)論

通過對不同功率下霧化器重復使用時電子煙氣溶膠中Ni、Cr、As、Pb、Cu 釋放量的研究，結(jié)果表明：

（1）低功率下，霧化器的重復使用對氣溶膠中Ni、Cr、As、Pb、Cu 的釋放量均無明顯影響，高功率下，Ni、Cr 的釋放量隨霧化器日內(nèi)使用次數(shù)的增多而降低，對As、Pb、Cu 的釋放量無明顯影響。

（2）在相同條件下，Ni、Cr、As、Cu 的釋放量隨功率升高而增大，但Pb 的釋放量不隨功率而變化。

（3）功率大于50 W 時，電子煙氣溶膠中重金屬釋放量隨功率顯著上升，當功率控制在40 W 以下時，Ni、Cr、As、Pb、Cu 的釋放量相對較低。

本研究揭示了電子煙在霧化器重復使用過程中重金屬的釋放量規(guī)律及功率的影響，為電子煙產(chǎn)品設計和質(zhì)控提供了技術支撐。