動(dòng)態(tài)捕集針-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用法測(cè)定電子煙煙液中的揮發(fā)性成分

寇天舒，何愛(ài)民，李 倩，劉 偉，賈曉慧，李遠(yuǎn)根*，張艷芳，陳偉華，蘇國(guó)歲

1.河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，石家莊維明南大街1號(hào) 050051

2.河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司張家口卷煙廠，河北省張家口市鉆石北路29號(hào) 075000

電子煙（Electronic cigarette，簡(jiǎn)稱(chēng) E-cig）是近年來(lái)快速發(fā)展的一種新型煙草制品，主要由電池、霧化器和煙彈等元器件組成。電子煙通過(guò)電加熱將煙彈內(nèi)的煙液霧化成含有揮發(fā)性香氣成分、煙堿和溶劑的氣溶膠［1-3］。電子煙煙液是電子煙的重要組成部分，其揮發(fā)性成分直接影響電子煙的感官品質(zhì)。目前，電子煙煙液中揮發(fā)性成分的提取方式有溶劑萃?。?］和固相微萃?。?］等。溶劑萃取法溶劑用量大，且在提取和多次轉(zhuǎn)相過(guò)程中易產(chǎn)生系統(tǒng)誤差［6］。固相微萃取法（SPME）雖無(wú)需溶劑，但萃取頭易損壞。由于SPME的應(yīng)用范圍受涂層易剝落的影響較大，因此近年來(lái)出現(xiàn)了一種新型動(dòng)態(tài)捕集裝置（Needle trap，NT）［7-9］。NT采樣針不僅集萃取、濃縮、解析和進(jìn)樣等功能于一體，而且不易損壞；NT采樣針可根據(jù)目標(biāo)組分進(jìn)行單段或多段吸附劑的填充，吸附劑顆粒依次層疊后增大了吸附容量和吸附范圍［10］。NT采樣針為金屬材質(zhì)，尖端為圓錐形設(shè)計(jì)，揮發(fā)性成分被封鎖在狹窄的通道內(nèi)，不易流失；方法操作簡(jiǎn)單且具有較高的穩(wěn)定性和重復(fù)性，適用于多種樣品的采樣分析［11-12］。目前，該技術(shù)主要應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和揮發(fā)性成分的研究，而煙草方面的研究較少。李遠(yuǎn)根等［13］采用該技術(shù)測(cè)定了卷煙煙絲中的揮發(fā)性成分，但采用NT-GC/MS聯(lián)用技術(shù)分析電子煙煙液揮發(fā)性成分的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，建立NT提取、GC/MS分析電子煙煙液中揮發(fā)性成分的方法，并與SPME法進(jìn)行比較，旨在為電子煙的致香成分分析提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

4種不同口味（煙草、水果、咖啡及綠茶）電子煙煙液，編號(hào)A~D。

Needle trap動(dòng)態(tài)捕集針（圖1）及配套的窄徑襯管（填充Carboxen 1000，上海新拓分析儀器科技有限公司）；SPME固相微萃取頭（PDMS/DVB，65μm）、20 mL頂空進(jìn)樣瓶（美國(guó)Supelco公司）；Agilent 7694頂空進(jìn)樣器、7890A/5975B氣質(zhì)聯(lián)用儀（GC/MS，美國(guó)Agilent公司）；AB204-S型電子天平（感量：0.000 1 g，德國(guó)Sartorius公司）。

圖1 動(dòng)態(tài)捕集針示意圖Fig.1 Schematic diagram of a needle trap

1.2 方法

1.2.1 NT提取及解析

NT使用前須于250℃活化30 min，每次使用后于280℃凈化5 min。稱(chēng)取1.0 g電子煙煙液置于頂空瓶中并壓緊瓶蓋；連接閉路循環(huán)系統(tǒng)，將頂空瓶置于加熱器中進(jìn)行浸入式吹掃；設(shè)置恒流泵流速為7 mL/min，50℃下保持30 min；提取完畢，于250℃色譜進(jìn)樣口進(jìn)行解析進(jìn)樣，解析時(shí)間為5 min。

1.2.2 SPME提取及解析

取4.0 mL電子煙煙液置于頂空瓶中，壓緊瓶蓋；將65 m PDMS/DVB萃取頭插入頂空瓶中，于80℃提取30 min；提取完畢，于250℃色譜進(jìn)樣口進(jìn)行解析進(jìn)樣，解析時(shí)間為 5 min［5］。

1.2.3 GC/MS分析條件

色譜柱：HP-5MS毛細(xì)管柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；載氣：He；流量：1 mL/min；進(jìn)樣量：1μL，不分流；進(jìn)樣口溫度：250℃；升溫程序：40℃下保持5 min，以3℃/min升溫至250℃，保持5 min；傳輸線溫度：250 ℃；電離方式：EI；電離能量：70 eV；離子源溫度：230℃；四極桿溫度：150℃。采用全離子掃描結(jié)合NIST標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)檢索法定性，峰面積歸一化法定量。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同提取方法的比較

本實(shí)驗(yàn)中對(duì)比了4種提取方法（圖2）：①加熱密閉循環(huán)、浸入式吹掃NT，吹掃針浸入樣品；②加熱密閉循環(huán)、頂空吹掃NT，吹掃針未浸入樣品。③NT僅提取100 μL頂空氣體；④將NT插入密閉頂空瓶，通過(guò)頂空中目標(biāo)物的自由擴(kuò)散進(jìn)行提取。結(jié)果（圖3）表明，方法①的提取效果最佳，這是因?yàn)楫?dāng)吹掃針浸入樣品吹掃時(shí)，提高了分子運(yùn)動(dòng)速率，從而加速了揮發(fā)性成分的逸出［12］。因此，選擇加熱密閉循環(huán)、浸入式吹掃方法。

圖2 不同提取方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of different sampling methods

圖3 不同提取方法的效果比較Fig.3 Comparison of different sampling methods

2.2 采樣/吹掃流速的選擇

選擇電子煙煙液A中4種典型的揮發(fā)性成分（2,3-二甲基吡嗪、2-甲基丁酸-3-甲基丁酯、煙酮和乙基麥芽酚）比較不同吹掃速度對(duì)揮發(fā)性成分峰面積的影響。當(dāng)吹掃流速分別為3、5、7、9和12 mL/min時(shí)，4種揮發(fā)性成分的色譜峰面積如圖4所示?？梢钥闯?，當(dāng)吹掃速度達(dá)到7 mL/min時(shí)，目標(biāo)物峰面積最高；繼續(xù)增加吹掃速度時(shí)，目標(biāo)物峰面積趨于穩(wěn)定或略降。這是因?yàn)榇祾咚俣冗^(guò)快時(shí)，會(huì)導(dǎo)致已吸附的揮發(fā)性成分散失［14-15］。因此，選擇采樣/吹掃流速為7 mL/min。

圖4 采樣/吹掃流速對(duì)提取效果的影響Fig.4 Effects of sampling and purging flow rate on extraction efficiency

2.3 提取溫度的選擇

比較了提取溫度30、40、50、60℃時(shí)4種揮發(fā)性成分的峰面積，從圖5可以看出，在30~60℃范圍內(nèi)，峰面積呈先增大后減小的趨勢(shì)，50℃時(shí)目標(biāo)物的峰面積較高。這是因?yàn)殡娮訜煙熞褐泻休^高比例的溶劑［16］，溫度升高不僅使分子運(yùn)動(dòng)速率加快，同時(shí)也增加了頂空溶劑量，而較多的溶劑會(huì)對(duì)NT中的Carboxen 1000造成損壞。因此，選擇提取溫度為50℃。

圖5 提取溫度對(duì)提取效果的影響Fig.5 Effect of extraction temperature on extraction efficiency

2.4 提取時(shí)間的選擇

提取時(shí)間對(duì)提取效率有較大影響，因此選擇合適的萃取時(shí)間至關(guān)重要［17］。本實(shí)驗(yàn)中比較了提取時(shí)間分別為10、20、30、40和50 min時(shí)4種目標(biāo)物的峰面積，結(jié)果（圖6）表明，4種揮發(fā)性成分的色譜峰面積隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，30 min后趨于穩(wěn)定。因此，選擇提取時(shí)間為30 min。

圖6 提取時(shí)間對(duì)提取效果的影響Fig.6 Effect of extraction time on extraction efficiency

2.5 解析溫度和解析時(shí)間的選擇

解析溫度和解析時(shí)間是影響解析率的主要因素。本實(shí)驗(yàn)中比較了解析溫度為220~260℃時(shí)，不同解析時(shí)間（2、3、4、5、6 min）與揮發(fā)性成分總峰面積的關(guān)系。結(jié)果（圖7）表明，隨著解析溫度的升高，揮發(fā)性成分總峰面積逐漸增大；當(dāng)解析溫度為250℃時(shí)，揮發(fā)性成分總峰面積趨于穩(wěn)定。解析時(shí)間越長(zhǎng)，揮發(fā)性成分總峰面積越大；當(dāng)解析時(shí)間為5 min時(shí)，總峰面積最大；當(dāng)繼續(xù)延長(zhǎng)解析時(shí)間，總峰面積趨于穩(wěn)定，說(shuō)明NT上吸附的揮發(fā)性成分已基本解析完全。綜合考慮，選擇解析溫度為250℃，解析時(shí)間為5 min。

圖7 解析溫度和解析時(shí)間對(duì)提取效果的影響Fig.7 Effects of desorption temperature and time on extraction efficiency

2.6 殘留分析

按照1.2.1中的凈化方法（溫度280℃，時(shí)間5 min），將進(jìn)樣解析后的NT進(jìn)樣針進(jìn)行再次解析，以考察NT進(jìn)樣針的進(jìn)樣解析率。結(jié)果（表1）表明，27種揮發(fā)性成分的解析率在98%以上；解析率低于98%的揮發(fā)性成分有6種，其中僅有2種揮發(fā)性成分的解析率低于80%?？梢?jiàn)，NT的解析率總體上較高。部分目標(biāo)物解析率較低的原因是，Carboxen 1000內(nèi)部有許多微孔和亞微孔，使這些揮發(fā)性成分發(fā)生了不可逆吸附。

2.7 方法評(píng)價(jià)

2.7.1 NT與SPME方法的比較

采用文獻(xiàn)［5］中優(yōu)化的萃取頭及提取、解析參數(shù)，應(yīng)用SPME法分析了4種電子煙煙液的揮發(fā)性成分。NT與SPME法的對(duì)比結(jié)果表明：①采用NT-GC/MS法鑒定的揮發(fā)性成分種類(lèi)較多（表2）；②以電子煙煙液A（表1）為例，采用NT法RSD的平均值為5.37%，其中RSD小于5.00%的化合物有17種，占揮發(fā)性成分的54.84%；10.00%以上的有3種，占揮發(fā)性成分的9.68%。而采用SPME法RSD的平均值為8.59%，其中小于5.00%的化合物有9種，占揮發(fā)性成分的36.00%；10.00%以上的有6種，占揮發(fā)性成分的24.00%?？梢?jiàn)，NT方法優(yōu)于SPME方法。

表1 電子煙煙液A中的主要揮發(fā)性成分Tab.1 Main volatile components in e-liquid sample A

表1 （續(xù)）

表2 4種電子煙煙液中化合物種類(lèi)比較Tab.2 Comparison of compound types among four kinds of e-liquid

2.7.2 電子煙煙液樣品結(jié)果分析

從A~D電子煙煙液中分別鑒定出化合物31、21、30、60種（表2）。分析可知：A為煙草口味，其特征香氣成分有2-乙?；拎?、2,3-二甲基吡嗪、二烯煙堿等；B為水蜜桃味，其特征香氣成分如乙酸己酯、桃醛等；C為咖啡口味，其特征香氣成分如苯甲醇、月桂酸乙酯、肉豆蔻酸乙酯等；D為茉莉綠茶口味，其特征香氣成分茉莉酮、反式橙花醇等（表1）。

3 結(jié)論

建立了一種快速、高效分析電子煙煙液中揮發(fā)性成分的動(dòng)態(tài)捕集針-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法。優(yōu)化確定的條件是采用加熱密閉循環(huán)、浸入式吹掃的方法，在流速7 mL/min、50℃條件下提取30 min，并在250℃下解析5 min時(shí)，實(shí)驗(yàn)效果最佳。與SPME法相比，NT法靈敏度高、重復(fù)性較好，且樣品處理簡(jiǎn)單。以電子煙煙液A為例，采用NT法提取后鑒定的化合物為31種，組分峰面積相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）的平均值為5.37%（n=5）；而采用SPME法提取后鑒定的化合物為25種，組分峰面積RSD的平均值為8.59%（n=5）。4種不同口味電子煙煙液中的主要香味成分分別為2,3,5-三甲基吡嗪、桃醛、苯甲醇和茉莉酮，均為彰顯其口味特征的香味物質(zhì)。本方法重復(fù)性好、精密度高，適用于電子煙煙液中揮發(fā)性成分的分析。