煙用水基膠中化學(xué)成分檢測技術(shù)研究進(jìn)展

何靜宇 李國政 陳 洋 邱建華 張穎浩 劉文召 王紅霞

(河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河南 鄭州 450000)

煙用水基膠是一類以水為分散介質(zhì)的煙用膠黏劑，多以乙酸乙烯酯為主要原料進(jìn)行聚合、改性制作而成[1]，其主要包括卷煙用水基膠和包裝用水基膠兩大類。受原料及生產(chǎn)工藝影響，煙用水基膠中存在原料、輔料(如增塑劑、潤濕劑、交聯(lián)劑、殺菌劑、分散劑、消泡劑、防腐劑等[2])殘留等問題，其中的醛酮類、酯類、苯系物、重金屬等屬于有害物質(zhì)[3]，不僅影響卷煙產(chǎn)品質(zhì)量，而且在抽吸過程中會接觸或進(jìn)入人體，對吸煙者造成健康威脅和損害[4-5]。隨著現(xiàn)代儀器分析技術(shù)水平的不斷提高，用于檢測煙用水基膠中化學(xué)成分的方法也越來越多。文章擬對煙用水基膠常用的儀器分析方法進(jìn)行歸納總結(jié)，同時根據(jù)不同化學(xué)成分的特點(diǎn)進(jìn)行對應(yīng)方法的比較和分析，旨在為煙用水基膠檢測技術(shù)研究和新的檢測方法開發(fā)提供依據(jù)。

1 儀器分析方法

針對不同的目標(biāo)待測物，可采用不同的萃取劑對樣品進(jìn)行振蕩萃取、離心，或衍生化和富集處理等前處理，再選用合適的分析儀器進(jìn)行檢測。常見的儀器分析方法(表1)有氣相色譜(GC)法、高效液相色譜(HPLC)法、超高效液相色譜(UPLC)法、氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)法等。此外，還有近紅外(NIR)漫反射光譜法、原子吸收光譜(AAS)法等[3]，但其應(yīng)用相對較少。

2 不同化學(xué)成分的檢測方法

2.1 生產(chǎn)過程殘留物

2.1.1 單體殘留物 煙用水基膠的原料多采用聚乙酸乙烯酯(PVAc)、乙酸乙烯—乙烯(VAE)等，在配方中所占比例通常在70%以上。但由于生產(chǎn)過程中容易因反應(yīng)不充分殘留乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸乙烯酯等單體，影響水基膠乳液的穩(wěn)定性，且產(chǎn)生對人體有害的刺激性氣味[3]。

傳統(tǒng)檢測方式如滴定法、碘量法等的精密度和準(zhǔn)確度較差[8]，現(xiàn)多采用操作簡便、環(huán)境友好的頂空進(jìn)樣方式。有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9]采用頂空-GC法對乙酸乙烯酯進(jìn)行檢測，其檢出限為2 mg/kg。劉丹等[10-13]采用同一方法在不同條件下對殘留單體和溶劑殘留進(jìn)行了測定。其中以楊衛(wèi)花等[13]的檢出限最低，達(dá)0.2～0.4 mg/kg(乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸乙烯酯)。李根榮等[8,14-16]采用頂空進(jìn)樣的方式，用GC-MS法進(jìn)行測定，其檢出限為0.050～2.683 mg/kg。其中，劉珊珊等[16]同時檢出了18個包括殘留單體在內(nèi)的可揮發(fā)性有機(jī)物，但對殘留單體(乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸乙烯酯)的檢出限為3.043～3.683 mg/kg，高于文獻(xiàn)[8,14-15]的研究結(jié)果。夏巧玲[1]以正己烷為萃取劑，使用GC-MS法對乙酸乙烯酯及乙酸乙酯含量進(jìn)行分析，其檢出限低于0.9 mg/kg。羅瓊等[17]利用近紅外(NIR)漫反射光譜儀建立了水基膠中乙酸乙烯酯的預(yù)測模型，該方法與GC測定值平均相對偏差≤5%，RSD<4%，適用于批量煙用白乳膠中乙酸乙烯酯的快速測定。

表1 常見的儀器分析方法[6-7]

丙烯酰胺也被用于膠黏劑的合成原料。謝順萍等[18]使用固相萃取-UPLC法對丙烯酰胺含量進(jìn)行了檢測。該方法的樣品耗費(fèi)時間短，處理簡單，準(zhǔn)確度高，但未見其他煙用水基膠中丙烯酰胺分析方法的研究。因此，對于乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸乙烯酯等殘留單體，目前在采用頂空進(jìn)樣的前提下，以GC法或GC-MS法檢測分析為最佳方式，兩種方法檢出限較接近，但GC-MS法可同時檢測出更多種物質(zhì)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可在目前的研究基礎(chǔ)上，通過選用更合適的色譜柱或優(yōu)化儀器參數(shù)條件，以提高檢測靈敏度。

2.1.2 醛酮類殘留物 醛酮類物質(zhì)多為生產(chǎn)過程中的殘留物，如甲醛、乙醛、丙酮、丁醛、巴豆醛等，對人體具有不同程度的毒害作用[19-20]。目前多采用2,4-二硝基苯肼對樣品衍生處理后，用GC法和HPLC法測定低分子醛酮類化合物[21-23]。

有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[24]采用2,4-二硝基苯肼(DNPH)，在酸性條件下將水基膠中的甲醛衍生為甲醛腙后，采用HPLC法進(jìn)行測定，甲醛檢出限為1.6 mg/kg。賀春霞等[25-26]在此行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過改變檢測波長，能同時檢測乙醛等其他化合物，并降低了檢出限(0.003 6～0.008 9 mg/L)，且各化合物之間的分離度較好。游金清等[27]直接在水基膠的水分散乳液中加入衍生化試劑，省去了離心后取上清液再衍生化的步驟，并一次測定了8種醛酮類物質(zhì)，其檢出限為0.000 4～0.000 7 mg/L。

游金清等[28]直接在頂空瓶中加入五氟芐基羥胺(PFBHA)對水基膠進(jìn)行衍生化處理，用GC法測定了甲醛、乙醛和丙酮含量，與采用DNPH衍生化相比，其步驟更簡單。楊衛(wèi)花等[13,16]采用頂空進(jìn)樣的方式，省去了衍生化步驟，且可同時檢測苯系物。此外，基于甲醛與間苯三酚在堿性溶液中可反應(yīng)生成一種不穩(wěn)定的橙色化合物，殷延齊等[29]采用了連續(xù)流動分析法對水基膠的水分散乳液離心清液進(jìn)行了測定。但未見其他研究者采用該方法進(jìn)行煙用水基膠中醛酮類的分析。綜上，目前對醛酮類的分析方法仍以通過衍生化試劑進(jìn)行衍生化處理后，使用GC法或HPLC法分析為主。但衍生化處理步驟繁瑣，檢測所需時間較長。后續(xù)研究應(yīng)以簡化前處理步驟為主要趨勢，通過改進(jìn)檢測條件以實(shí)現(xiàn)多組分的同時檢測。

2.1.3 苯系殘留物 苯、甲苯、乙苯、二甲苯等苯系物多為水基膠生產(chǎn)加工過程中引入，均對人體有毒性，甚至有致癌性。目前苯系物的前處理手段主要有頂空進(jìn)樣、吹掃捕集、頂空液相萃取、頂空固相微萃取等，檢測則多采用GC法和GC-MS 法。有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[30]以正戊烷為萃取劑，振蕩后取上層清液進(jìn)行GC-MS分析，苯、甲苯及3種二甲苯的檢出限均≤0.02 mg/kg。

王勁等[31]用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)將水基膠稀釋，直接用GC法對苯、甲苯和二甲苯進(jìn)行了檢測。楊衛(wèi)花等[13]采用頂空進(jìn)樣的方式，以GC法同時檢測了11種物質(zhì)。但兩種方法均不能區(qū)分出二甲苯的3種同分異構(gòu)體。高明奇等[32]采用了一種特殊的前處理方法，即將加水稀釋的水基膠樣品熱封并超聲分散于中空纖維膜中，然后將其固定，使用磁力攪拌器進(jìn)行頂空萃取。雖然該方法的前處理操作較前兩種方法復(fù)雜，但區(qū)分了二甲苯異構(gòu)體，且檢測靈敏度較高。

劉珊珊等[16]采用靜態(tài)頂空進(jìn)樣的方式，使用GC-MS法檢測出18種揮發(fā)性有機(jī)物，其中苯系物檢出限為0.004～0.072 mg/kg。研究者[15,33-36]分別用不同的溶劑對水基膠樣品進(jìn)行萃取操作。其中，游金清等[15]以正己烷為萃取劑，周金喜等[33-34]以N,N-二甲基甲酰胺為溶劑，姬厚偉等[35]以三乙酸甘油酯為溶劑；李國智等[36]則考察了11種溶劑對檢測結(jié)果的影響，最終確定二甲亞砜為最適宜溶劑。與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[30]相比，以上方法中苯系物的檢出限均有不同程度的提高，且提高了回收率。此外，柏楊[37]以水為分散劑，經(jīng)前處理后使用HPLC法、二極管陣列檢測器對4種苯系物進(jìn)行了檢測。但此方法的精密度相對GC或GC-MS法并無明顯優(yōu)勢。綜上，對苯系物的分析檢測方法應(yīng)以全面、準(zhǔn)確、能夠區(qū)分同分異構(gòu)體為主要目標(biāo)，通過改進(jìn)前處理方法、選擇合適的萃取劑，或?qū)C法、GC-MS法的分析條件進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 添加劑

2.2.1 增塑劑(鄰苯二甲酸酯類) 鄰苯二甲酸酯類主要作為增塑劑，用于提高煙用水基膠的玻璃化溫度，增加其脆性[38]。但鄰苯二甲酸酯類具有損害生殖系統(tǒng)、導(dǎo)致細(xì)胞突變、致畸甚至致癌的危險[39-40]。早期檢測多采用比色法、滴定法和分光光度法等[3]，但其靈敏度低、選擇性差。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，酯類化合物檢測方法的選擇性較多，如GC法、GC-MS法、GC-MS-MS法、HPLC法等[41-42]。

有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[43]采用正己烷為萃取劑，使用GC-MS法進(jìn)行分析，7種鄰苯二甲酸酯類檢出限為4～9 mg/kg，但覆蓋面較窄。張艷宏等[44]用丙酮進(jìn)行超聲萃取，用GC法對3種鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)進(jìn)行了檢測。張艷芳等[45]用乙腈進(jìn)行超聲萃取，用HPLC法對7種鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)進(jìn)行了檢測。閻謹(jǐn)?shù)萚46]將水基膠經(jīng)水分散，以甲醇定容，渦旋振蕩后離心，用UPLC-MS-MS法測定了17種鄰苯二甲酸酯類。與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[43]相比，以上3種方法的檢出限均有所降低。但GC法對碳原子數(shù)較多的異構(gòu)體化合物[如鄰苯二甲酸二異壬酯(DINP) 等]的分離效果較差，峰形重疊，定性定量難度較大；液相色譜流路多采用聚四氟乙烯材質(zhì)，工作時會對檢出物造成干擾。李紅等[39]采用與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[43]相同的萃取劑，用GC-MS-MS法測定了15種鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)(檢出限0.006～0.027 mg/kg)；龔淑果等[47]用液液萃取-GC-MS-MS法同時測定了23種鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)(檢出限0.02～0.76 mg/kg)，二者均具有重復(fù)性好、靈敏度高、檢出物多等優(yōu)點(diǎn)。

目前，一些水基膠采用了新型無毒的增塑劑進(jìn)行替代，如檸檬酸酯類和苯甲酸酯類化合物。潘立寧等[48-50]采用GC-MS法，以正己烷為萃取劑，對新型增塑劑進(jìn)行了檢測方法及條件優(yōu)化研究。綜上，不同的儀器方法中，對鄰苯二甲酸酯類無干擾的質(zhì)譜法是較好選擇。后續(xù)分析檢測應(yīng)在串聯(lián)質(zhì)譜儀的基礎(chǔ)上，以能區(qū)異構(gòu)體化合物為主。

2.2.2 殺菌劑(異噻唑啉酮類) 異噻唑啉酮及其衍生物屬于雜環(huán)類化合物，作為殺菌劑添加至水基膠中[51-53]。但該類物質(zhì)具有皮膚刺激性，并且是強(qiáng)過敏源，即使在規(guī)定濃度范圍內(nèi)仍有致敏可能。常用的有2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮(MI)、5-氯-2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮(CMI)、1,2-苯并異噻唑啉-3-酮(BIT)等。

周曉等[54]對甲醇—水溶液萃取得到的樣品采用HPLC法，其檢出限為0.43～1.14 mg/kg。姬厚偉等[55-56]以水和甲醇為萃取劑，超聲萃取后離心，取上層清液用氮吹濃縮，采用UPLC法，其檢出限為0.015～0.030 mg/kg；并以二氯甲烷為萃取劑，用BSTFA試劑進(jìn)行衍生化，采用GC-MS法，一次同時測定5種異噻唑啉酮類含量，檢出限進(jìn)一步降低至0.004～0.008 mg/kg。盧昕博等[57]采用LC-MS-MS法，以水為萃取劑，離心過濾上層清液，其檢出限為0.011～0.015 mg/kg。綜上，通過對不同方法檢出限的比較，UPLC法、GC-MS法、LC-MS-MS法明顯提高了異噻唑啉酮類的檢測精度。

2.2.3 調(diào)節(jié)劑(硼酸) 硼酸曾作為黏度調(diào)節(jié)劑被應(yīng)用至水基膠生產(chǎn)過程中，以提高其黏合性能。但硼酸對人體有一定的危害，因此煙草行業(yè)已禁用硼酸。為規(guī)范和監(jiān)督商家的生產(chǎn)過程，對硼酸進(jìn)行檢測仍有必要。目前，國內(nèi)外對食品中的硼酸檢測多使用光度法，但分析時間長且操作不便。王文元等[58]采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法，對消解后的水基膠樣品中的硼酸進(jìn)行檢測。該方法檢出限低至0.12 μg/L，可對樣品中微量級別的硼酸進(jìn)行定性分析。

2.3 重金屬雜質(zhì)

重金屬在人體內(nèi)易累積且不易被排出體外，吸煙者如長期大量吸入含有過量重金屬元素的卷煙會產(chǎn)生慢性重金屬中毒?！队袡C(jī)化工產(chǎn)品中重金屬的測定目視比色法》[59]和《化工產(chǎn)品中砷含量測定的通用方法》[60]，由于準(zhǔn)確性較差及操作復(fù)雜等缺點(diǎn)未被廣泛應(yīng)用。目前多采用石墨爐原子吸收光譜(AAS)法或電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法[61]。

張靈輝等[62-63]對水基膠進(jìn)行微波消解，采用AAS法對重金屬中的鉛或同時對鉛和砷進(jìn)行了測定，熊文等[64-65]使用檢出限更低的ICP-MS法。其中熊文等[64]同時使用硝酸、氫氟酸、鹽酸、過氧化氫進(jìn)行微波消解，對砷、鉛、鎘、鉻、鎳、汞6種重金屬進(jìn)行了檢測。夏向偉等[65]考慮到水基膠中可能含有極易與硝酸反應(yīng)的醇類，直接微波消解具有一定的危險性，對前處理方法進(jìn)行了優(yōu)化，同時檢測出鉻、錳、鎳、銅、砷、硒、鎘、鉛8種重金屬。AAS法利用原子光譜中單色光照射，一次只能檢測一種已知元素含量；而ICP-MS法為原子發(fā)射光譜，可以多通道同時檢測多種原子和離子，且檢出限較AAS更低，但其對檢測人員的操作也有更高要求。

3 結(jié)論

隨著卷煙工業(yè)對煙用水基膠性能和安全要求的不斷提高，煙用水基膠的化學(xué)成分也在不斷變化，而快速、安全、準(zhǔn)確、靈敏、高通量是煙用水基膠中主要化學(xué)成分檢測方法的主要發(fā)展方向：① 簡化前處理方式。目前多在以純水分散后液液萃取、固相萃取或直接頂空進(jìn)樣的基礎(chǔ)上，盡量簡化前處理步驟、減少化學(xué)試劑的使用，以減少操作誤差，對操作者更安全、對環(huán)境更加友好。對于需要進(jìn)行衍生化的醛酮類，則注重研發(fā)避免衍生化處理的前處理步驟。② 提高分析儀器的精度。使用更高精度的分析儀器，或者串聯(lián)多種分析儀器的方式，根據(jù)不同待測物質(zhì)的物理化學(xué)特性，通過進(jìn)行合適的前處理操作，或調(diào)節(jié)儀器至合適的檢測條件，以達(dá)到相應(yīng)物質(zhì)如區(qū)分同分異構(gòu)體的分析要求。③ 建立通用檢測方法。通過改進(jìn)前處理方法、儀器分析條件等，以實(shí)現(xiàn)多組分同時檢測為研究目標(biāo)，提高檢測方法的通用性，節(jié)省人力、物力資源。